Gümüş Nanopartiküllere Yönelik Yeşil Sonokimyasal Yöntem
Gümüş nanopartiküller (AgNP’ler), antimikrobiyal özellikleri, optik özellikleri ve yüksek elektriksel iletkenlikleri nedeniyle sıklıkla kullanılan nanomalzemelerdir. Kappa karragenan kullanılan sonokimyasal yöntem, gümüş nanopartiküllerin hazırlanması için basit, pratik ve çevre dostu bir sentez yöntemidir. κ-karragenan doğal, çevre dostu bir stabilizatör olarak kullanılırken yüksek güçlü ultrason yeşil bir indirgeme ajanı işlevi görür.
Yeşil kimya, hassas parametre kontrolü gerektirir. Nanomalzeme mühendislerimiz, verimi en üst düzeye çıkarmak, partikül morfolojisini kontrol etmek ve yeşil kimya ilkelerine tam uyum sağlamak için doğru sonotrodu, reaktör geometrisini ve güç ayarlarını seçmenize yardımcı olacaktır.
Ag+/κ-karragenan (solda) ve sonikasyon uygulanmış Ag/κ-karragenan (sağda). Sonikasyon, UP400S cihazıyla 90min boyunca gerçekleştirildi.
[Elsupikhe et al. 2015]
Gümüş Nanopartiküllerin Yeşil Ultrasonik Sentezi
Elsupikhe ve diğerleri (2015), gümüş nanopartiküllerin (AgNP’ler) hazırlanması için ultrason destekli yeşil bir sentez yöntemi geliştirmiştir. Sonokimyanın birçok yaş kimyasal reaksiyonu desteklediği iyi bilinmektedir. Sonikasyon, doğal stabilizatör olarak κ-karragenan kullanılarak AgNP’lerin sentezlenmesini sağlar. Reaksiyon oda sıcaklığında gerçekleşir ve herhangi bir safsızlık içermeyen, fcc kristal yapısına sahip gümüş nanopartiküller üretir. AgNP’lerin partikül boyutu dağılımı, κ-karragenan konsantrasyonundan etkilenebilir.
Sonikasyon sırasında κ-karragenan ile kaplanan Ag-NP’lerin yüklü grupları arasındaki etkileşimin şeması. [Elsupikhe et al. 2015]
Prosedür: Gümüş Nanopartiküllerin Sürdürülebilir Sentezi
- Ag-NP’ler, κ-karragenan varlığında ultrasonikasyon kullanılarak AgNO3 indirgenerek sentezlendi. Farklı numuneler elde etmek için 10 mL 0,1 M AgNO3 çözeltisinin 40-mL κ-karragenana eklenmesiyle beş süspansiyon hazırlandı. Kullanılan κ-karragenan çözeltileri sırasıyla 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 ve 0,3 wt% idi.
- Çözeltilerin 1h boyunca karıştırılmasıyla AgNO3/κ-karragenan elde edildi.
- Ardından numuneler yoğun ultrasonik ışınlamaya maruz bırakıldı: Ultrasonik cihaz UP400S (400W, 24kHz) için genlik %50 olarak ayarlandı. Oda sıcaklığında 90min boyunca sonikasyon uygulandı. Ultrasonik sıvı işleme cihazı olan UP400S cihazının sonotrodu doğrudan reaksiyon çözeltisine daldırıldı.
- Sonikasyondan sonra süspansiyonlar 15min boyunca santrifüjlendi ve gümüş iyonu kalıntısını uzaklaştırmak için iki kez damıtılmış suyla dört kez yıkandı. Çöken nanopartiküller, Ag-NP’leri elde etmek için 40°C’de vakum altında gece boyunca kurutuldu.
Denklem
- nH₂O —sonikasyon–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–hidroliz–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –indirgemeler–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Analiz ve Sonuçlar: Ultrasonik Olarak Sentezlenen Gümüş Nanopartiküller
Sonuçları değerlendirmek için numuneler UV-görünür bölge spektroskopik analizi, X-ışını kırınımı, FT-IR kimyasal analizi, TEM ve SEM görüntüleri ile analiz edildi.
κ-karragenan konsantrasyonları arttıkça Ag-NP’lerin sayısı arttı. Ag/κ-karragenan oluşumu, yüzey plazmon absorpsiyon maksimumunun 402 ile 420nm arasında gözlendiği UV-görünür bölge spektroskopisi ile belirlendi. X-ışını kırınımı (XRD) analizi, Ag-NP’lerin yüzey merkezli kübik yapıda olduğunu gösterdi. Fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) spektrumu, κ-karragenan içinde Ag-NP’lerin varlığına işaret etti. En yüksek κ-karragenan konsantrasyonu için transmisyon elektron mikroskopisi (TEM) görüntüsü, ortalama partikül boyutu 4,21nm’ye yakın olan Ag-NP’lerin dağılımını gösterdi. Taramalı elektron mikroskopisi (SEM) görüntüleri, Ag-NP’lerin küresel şeklini ortaya koydu. SEM analizi, κ-karragenan konsantrasyonunun artmasıyla Ag/κ-karragenan yüzeyinde değişiklikler meydana geldiğini ve bunun sonucunda küresel şekilli, küçük boyutlu Ag-NP’ler elde edildiğini göstermektedir.
Farklı κ-karragenan konsantrasyonlarında sonokimyasal olarak sentezlenen Ag/κ-karragenanın TEM görüntüleri ve bunlara karşılık gelen boyut dağılımları. [%0,1, %0,2 ve %0,3, sırasıyla (a, b, c)].
UP400S – Ag nanopartiküllerin sonokimyasal sentezinde kullanılan ultrasonik cihaz
Literatür/Kaynaklar
- Elsupikhe, Randa Fawzi; Shameli, Kamyar; Ahmad, Mansor B; Ibrahim, Nor Azowa; Zainudin, Norhazlin (2015): Green sonochemical synthesis of silver nanoparticles at varying concentrations of κ-carrageenan. Nanoscale Research Letters 10. 2015.
- Reza Kazemi Oskuee, Azhar Banikamali, Bibi Sedigheh Fazly Bazzaz, Hasan Ali Hosseini, and Majid Darroudi (2016): Honey-Based and Ultrasonic-Assisted Synthesis of Silver Nanoparticles and Their Antibacterial Activities. Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 16, 7989–7993, 2016.
- Bose, Rahul & Roychoudhury, Piya & Pal, Ruma (2021): In-situ green synthesis of fluorescent silica–silver conjugate nanodendrites using nanoporous frustules of diatoms: an unprecedented approach. Bioprocess and Biosystems Engineering 44, 2021
- I. De La Calle, N. Cabaleiro, M. Costas, F. Pena, S. Gil, I. Lavilla, C. Bendicho (2011): Ultrasound-assisted extraction of gold and silver from environmental samples using different extractants followed by electrothermal-atomic absorption spectrometry. Microchemical Journal, Volume 97, Issue 2, 2011. 93-100.
Sıkça Sorulan Sorular: Gümüş Nanopartiküllerin Yeşil Sonokimyasal Sentezi
Ultrason, gümüş nanopartiküllerin yeşil sentezini nasıl iyileştirir?
Ultrason, akustik kavitasyonu tetikleyerek çevre dostu ajanlar aracılığıyla gümüş iyonlarını hızla indirgeyen yerel sıcak noktalar oluşturur. Bu sonokimyasal süreç, reaksiyon kinetiğini hızlandırır, homojen çekirdeklenmeyi destekler ve partikül boyutu ile şekli üzerinde hassas kontrol sağlar – bunların tümünü agresif kimyasallar veya yüksek termal enerji kullanmadan gerçekleştirir.
AgNP’ler için yeşil sonokimyasal yöntemin başlıca avantajları nelerdir?
Yeşil sonokimyasal sentez, toksik olmayan, çevreye zararsız gümüş nanopartiküller üretmek için ultrasonu biyouyumlu indirgeme ve kaplama ajanlarıyla (bitki özütleri, şekerler veya polimerler gibi) birleştirir. Yöntem, enerji kullanımını azaltır, sentez süresini kısaltır, tehlikeli yan ürünleri ortadan kaldırır ve tutarlı boyut dağılımına sahip, oldukça kararlı nanopartiküller sağlar.
Ultrason, gümüş nanopartiküllerin boyutunu ve morfolojisini kontrol edebilir mi?
Evet. Üreticiler, ultrasonik genliği, frekansı, güç yoğunluğunu ve sonikasyon süresini ayarlayarak çekirdeklenme ve büyüme hızlarını hassas biçimde düzenleyebilir. Bu, belirli biyomedikal, elektronik veya endüstriyel uygulamalara göre uyarlanmış, çeşitli şekillerde (küreler, küpler, üçgen levhalar) 5–100 nm boyutlarında AgNP’lerin tekrarlanabilir şekilde üretilmesini sağlar.
Ultrasonik yeşil sentez, endüstriyel AgNP üretimi için ölçeklendirilebilir mi?
Kesinlikle. Endüstriyel ultrasonik işlemciler, sürekli akışlı reaktörleri destekler; bu reaktörler laboratuvar partilerinden tam ölçekli üretime sorunsuz biçimde ölçeklenir. Hat içi sonikasyon, homojen kavitasyon dağılımı, gerçek zamanlı proses izleme ve partiler arası tutarlılık sağlar; bu da onu yüksek hacimli, çevre dostu AgNP üretimi için ideal kılar.
Ultrasonik gümüş nanopartikül sentezinde en iyi sonucu hangi yeşil indirgeme ajanları verir?
Etkili çevre dostu ajanlar arasında bitkisel özütler (ör. aloe, yeşil çay, turunçgil kabukları), karbonhidratlar, amino asitler, proteinler ve biyolojik olarak parçalanabilen polimerler bulunur. Ultrason, bu ajanların indirgeme ve stabilizasyon etkinliğini artırarak yüksek verim, kolloidal kararlılık ve işlevsel performans korunurken sentetik kimyasalların tamamen değiştirilmesine olanak tanır.
AgNP’ler için sonokimyasal sentez, geleneksel kimyasal yöntemlerle karşılaştırıldığında nasıldır?
Geleneksel kimyasal yöntemler çoğunlukla toksik indirgeyicilere (ör. sodyum borohidrit) ve aşırı pH değerlerine dayanır ve tehlikeli atık üretir. Yeşil sonokimyasal sentez, güvenli ve yenilenebilir malzemeler kullanır, ortam sıcaklığında veya ılımlı sıcaklıklarda çalışır, işlem süresini önemli ölçüde kısaltır ve daha üstün dispersiyon özelliklerine ve raf ömrüne sahip, daha temiz, biyouyumluluğu daha yüksek nanopartiküller üretir.
Yeşil ultrasonik gümüş nanopartiküllerden hangi sektörler yararlanır?
Yeşil sonokimyasal yöntemlerle sentezlenen AgNP’ler, antimikrobiyal kaplamalarda, tıbbi cihazlarda, yara bakımında, su filtrasyonunda, esnek elektronikte ve sürdürülebilir ambalajlarda yaygın olarak kullanılır. Çevre dostu üretimleri, yüksek performans ve düzenleyici kabul sağlarken katı çevre ve güvenlik standartlarına uyumu garanti eder.
Gümüş Nanopartiküller Nedir?
Gümüş nanopartiküller, 1nm ile 100nm arasındaki boyutlarıyla karakterize edilir. Sıklıkla ‘gümüş’ olarak tanımlansalar da bazılarının, yüzeydeki gümüş atomlarının iç hacimdeki gümüş atomlarına oranının yüksek olması nedeniyle büyük bir kısmı gümüş oksitten oluşur. Gümüş nanopartiküller farklı yapılarda bulunabilir. En yaygın olarak küresel gümüş nanopartiküller sentezlenir; ancak eşkenar dörtgen ve sekizgen şekiller ile ince tabakalar da kullanılır.
Gümüş nanopartiküller tıbbi uygulamalarda çok sık kullanılır. Gümüş iyonları biyoaktiftir ve güçlü antimikrobiyal ve mikrop öldürücü etkilere sahiptir. Son derece geniş yüzey alanları, çok sayıda ligandın koordinasyonuna olanak tanır. Diğer önemli özellikleri iletkenlik ve benzersiz optik özelliklerdir.
İletkenlik özellikleri nedeniyle gümüş nanopartiküller sıklıkla kompozitlere, plastiklere, epoksilere ve yapıştırıcılara dahil edilir. Gümüş partiküller elektriksel iletkenliği artırır; bu nedenle gümüş pastalar ve mürekkepler elektronik üretiminde sıklıkla kullanılır. Gümüş nanopartiküller yüzey plazmonlarını desteklediği için AgNP’ler olağanüstü optik özelliklere sahiptir. Plazmonik gümüş nanopartiküller sensörlerde, dedektörlerde ve Yüzeyle Güçlendirilmiş Raman Spektroskopisi (SERS) ve Yüzey Plazmon Alanıyla Güçlendirilmiş Floresans Spektroskopisi (SPFS) gibi analitik ekipmanlarda kullanılır.
Karragenan Nedir?
Karragenan, çeşitli kırmızı deniz yosunu türlerinde bulunan ucuz bir doğal polimerdir. Karragenanlar, jelleştirici, kıvam artırıcı ve stabilize edici özellikleri nedeniyle gıda endüstrisinde yaygın olarak kullanılan doğrusal sülfatlanmış polisakkaritlerdir. Gıda proteinlerine güçlü biçimde bağlanmaları nedeniyle başlıca uygulama alanları süt ve et ürünleridir. Sülfatlanma dereceleri bakımından farklılık gösteren üç ana karragenan çeşidi vardır. Kappa-karragenan, disakkarit başına bir sülfat grubuna sahiptir. İyota-karragenan (ι-karragenan), disakkarit başına iki sülfata sahiptir. Lambda karragenan (λ-karragenan), disakkarit başına üç sülfata sahiptir.
Kappa karragenan (κ-karragenan), D-galaktoz ve 3,6-anhidro-D-galaktozdan oluşan sülfatlanmış polisakkaritin doğrusal yapısına sahiptir.
κ-karragenan, gıda endüstrisinde örneğin jelleştirici ajan olarak ve doku modifikasyonu için yaygın olarak kullanılır. Ürün viskozitesini artırmak amacıyla dondurma, krema, lor peyniri, milkshake, salata sosları, şekerli yoğunlaştırılmış sütler, soya sütü ve diğer bitkisel sütler ile soslarda katkı maddesi olarak bulunabilir.
Ayrıca κ-karragenan, gıda dışı ürünlerde de bulunabilir: şampuan ve kozmetik kremlerde kıvam artırıcı olarak, diş macununda (bileşenlerin ayrılmasını önleyen stabilizatör olarak), yangın söndürme köpüğünde (köpüğün yapışkan hale gelmesini sağlayan kıvam artırıcı olarak), oda kokusu jellerinde, ayakkabı cilasında (viskoziteyi artırmak için), biyoteknolojide hücreleri/enzimleri immobilize etmek için, farmasötik ürünlerde (haplarda/tabletlerde etkin olmayan yardımcı madde olarak), evcil hayvan mamalarında vb.
Farklı κ-karragenan konsantrasyonlarında Ag/κ-karragenanın SEM görüntüleri. [%0,1, %0,2 ve %0,3, sırasıyla (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]