Зелений сонохімічний шлях до наночастинок срібла
Наночастинки срібла (AgNPs) часто використовуються наноматеріалами через їх антимікробні властивості, оптичні властивості та високу електропровідність. Сонохімічний шлях з використанням каппа-карагінану є простим, зручним та екологічно чистим методом синтезу для отримання наночастинок срібла. κ-карагенан використовується як природний екологічно чистий стабілізатор, тоді як силовий ультразвук діє як зелений відновник.
«Зелена» хімія вимагає точного контролю параметрів. Наші інженери з наноматеріалів допоможуть вам підібрати відповідний сонотрод, геометрію реактора та налаштування потужності, щоб максимізувати вихід продукту, контролювати морфологію частинок та забезпечити повну відповідність принципам «зеленої» хімії.
Ag+/κ-карагенан (ліворуч) та ультразвуково оброблений Ag/κ-карагенан (праворуч). Ультразвукову обробку проводили за допомогою апарату UP400S протягом 90 хвилин.
[Елсупіхе та ін., 2015]
Зелений ультразвуковий синтез наночастинок срібла
Elsupikhe et al. (2015) розробили зелений маршрут синтезу за допомогою ультразвуку для приготування наночастинок срібла (AgNPs). Добре відомо, що сонохімія сприяє багатьом вологим хімічним реакціям. Ультразвукове дослідження дозволяє синтезувати AgNPs з κ-карагенаном як природним стабілізатором. Реакція протікає при кімнатній температурі і дає наночастинки срібла з кристалічною структурою ГЦК без будь-яких домішок. На гранулометричний склад AgNPs може впливати концентрація κ-карагінану.
Схема взаємодії між зарядженими групами Ag-NPs, які при ультразвуковому дослідженні заблоковані κ-карагенаном. [Elsupikhe та ін., 2015]
Методика: Екологічно безпечний синтез наночастинок срібла
- Синтез Ag-NP здійснювався шляхом відновлення AgNO3 використання ультразвуку в присутності κ-карагінану. Для отримання різних зразків було приготовлено п'ять суспензій, шляхом додавання 10 мл 0,1 М AgNO3 до 40 мл κ-карагінану. Використовувані розчини κ-карагінану становили 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 і 0,3 мас відповідно.
- Розчини перемішували протягом 1 год для отримання AgNO3/κ-карагенан.
- Потім зразки піддавали інтенсивному ультразвуковому опроміненню: амплітуду ультразвукового апарату UP400S (400 Вт, 24 кГц) було встановлено на 50%. Ультразвук застосовували протягом 90 хв при кімнатній температурі. Сонотрод ультразвукових рідинних процесорів UP400S був занурений безпосередньо в реакційний розчин.
- Після ультразвукового дослідження суспензії центрифугували протягом 15 хв і чотири рази промивали подвійною дистильованою водою, щоб видалити залишок іонів срібла. Осаджені наночастинки сушили при температурі 40 ° C під вакуумом протягом ночі для отримання Ag-NP.
Рівняння
- немає води —ультразвукова хвороба,–> +H + OH
- ОН + RH –> R + H₂O
- No₃–Гідролізу–> Ag⁺ + NO₃⁻–
- Р + Аг+ —> Ag° + R’ + Ч+
- Сільське господарство+ + Ч –Скорочення–> Ag°.
- Сільське господарство+ + Ч2O —> Ag° + OH + H+
Аналіз та результати: наночастинки срібла, синтезовані за допомогою ультразвуку
Для оцінки результатів зразки були проаналізовані за допомогою спектроскопічного аналізу, видимого ультрафіолетового спектроскопічного аналізу, рентгенівської дифракції, хімічного аналізу FT-IR, зображень TEM та SEM.
Кількість наночастинок срібла (Ag-NPs) зростала зі збільшенням концентрації κ-карагенану. Утворення Ag/κ-карагенану визначали методом УФ-видимої спектроскопії, де максимум поглинання поверхневого плазмона спостерігався в діапазоні від 402 до 420 нм. Аналіз методом рентгенівської дифракції (XRD) показав, що наночастинки срібла мають гранецентричну кубічну структуру. Спектр інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур’є (FT-IR) вказував на наявність наночастинок срібла (Ag-NPs) у κ-карагенані. Зображення, отримане за допомогою просвічувальної електронної мікроскопії (TEM) для найвищої концентрації κ-карагенану, показало розподіл наночастинок срібла із середнім розміром частинок близько 4,21 нм. Зображення, отримані за допомогою скануючої електронної мікроскопії (SEM), продемонстрували сферичну форму наночастинок срібла. Аналіз за даними SEM показав, що зі збільшенням концентрації κ-карагенану відбувалися зміни на поверхні комплексу Ag/κ-карагенан, в результаті чого були отримані наночастинки срібла невеликого розміру зі сферичною формою.
Зображення ТЕМ та відповідні розподіли розмірів для сонохомічно синтезованого Ag/κ-карагінану при різних концентраціях κ-карагінану. [0,1%, 0,2% і 0,3% відповідно (a, b, c)].
UP400S – ультразвуковий апарат, що використовується для сонохімічного синтезу наночастинок Ag
Література/Список літератури
- 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.
Поширені запитання: Екологічний сонохімічний синтез наночастинок срібла
Як ультразвук сприяє «зеленому» синтезу наночастинок срібла?
Ультразвук викликає акустичну кавітацію, створюючи локалізовані зони підвищеної активності, в яких іони срібла швидко розкладаються за допомогою екологічно безпечних речовин. Цей сонохімічний процес прискорює кінетику реакції, сприяє рівномірному зародженню кристалів та забезпечує точний контроль над розміром і формою частинок — і все це без використання агресивних хімікатів або високої теплової енергії.
У чому полягають основні переваги екологічного сонохімічного методу отримання наночастинок срібла (AgNPs)?
Екологічний сонохімічний синтез поєднує ультразвук із біосумісними відновниками та капсулюючими агентами (такими як рослинні екстракти, цукри або полімери) для отримання нетоксичних, екологічно безпечних наночастинок срібла. Цей метод дозволяє зменшити споживання енергії, скоротити час синтезу, усунути утворення небезпечних побічних продуктів та отримати високостабільні наночастинки з рівномірним розмірним розподілом.
Чи може ультразвук впливати на розмір і морфологію наночастинок срібла?
Так. Регулюючи амплітуду ультразвуку, частоту, щільність потужності та тривалість обробки ультразвуком, виробники можуть точно налаштовувати швидкість зародження та росту частинок. Це дозволяє забезпечувати відтворюване виробництво наночастинок срібла (AgNPs) розміром від 5 до 100 нм у різних формах (сфери, кубики, трикутні пластинки), адаптованих до конкретних застосувань у біомедицині, електроніці чи промисловості.
Чи можна масштабувати ультразвуковий «зелений» синтез для промислового виробництва наночастинок срібла (AgNP)?
Безумовно. Промислові ультразвукові процесори підтримують реактори з безперервним потоком які дозволяють плавно масштабувати виробництво від лабораторних партій до повномасштабного виробництва. Вбудована у технологічний ланцюг ультразвукова обробка забезпечує рівномірний розподіл кавітації, моніторинг процесу в режимі реального часу та стабільність якості від партії до партії, що робить її ідеальним рішенням для великосерійного та екологічно безпечного виробництва AgNP.
Які органічні відновники найкраще підходять для ультразвукового синтезу наночастинок срібла?
До ефективних екологічно безпечних речовин належать рослинні екстракти (наприклад, алое, зелений чай, цедра цитрусових), вуглеводи, амінокислоти, білки та біорозкладні полімери. Ультразвук підвищує їхню відновлювальну та стабілізуючу ефективність, що дозволяє повністю замінити синтетичні хімічні речовини, зберігаючи при цьому високий вихід, колоїдну стабільність та функціональні характеристики.
Чим сонохімічний синтез відрізняється від традиційних хімічних методів отримання наночастинок срібла (AgNPs)?
Традиційні хімічні методи часто передбачають використання токсичних відновників (наприклад, борогідриду натрію), екстремальних значень рН та призводять до утворення небезпечних відходів. Екологічний сонохімічний синтез використовує безпечні, поновлювані матеріали, здійснюється при кімнатній або помірній температурі, значно скорочує час обробки та дозволяє отримувати більш чисті й біосумісні наночастинки з кращими характеристиками дисперсії та тривалістю зберігання.
У яких галузях промисловості знаходять застосування екологічні ультразвукові наночастинки срібла?
Наночастинки срібла (AgNPs), синтезовані за допомогою екологічно безпечних ультразвукових методів, широко застосовуються в антимікробних покриттях, медичних виробах, засобах для лікування ран, системах фільтрації води, гнучкій електроніці та екологічній упаковці. Їхнє екологічно безпечне виробництво забезпечує дотримання суворих екологічних стандартів та стандартів безпеки, водночас гарантуючи високу ефективність та відповідність нормативним вимогам.
Що таке наночастинки срібла?
Наночастинки срібла характеризуються розміром від 1 нм до 100 нм. Хоча часто описують як «сріблястий’ Деякі з них складаються з великого відсотка оксиду срібла через велике співвідношення поверхневих і об'ємних атомів срібла. Наночастинки срібла можуть з'являтися з різною структурою. Найчастіше синтезують сферичні наночастинки срібла, але також використовують алмазні, восьмикутні і тонкі листи.
Наночастинки срібла дуже часто використовуються в медицині. Іони срібла є біологічно активними і мають сильну антимікробну та бактерицидну дію. Їх надзвичайно велика площа поверхні дозволяє координувати численні ліганди. Іншими важливими характеристиками є провідність і унікальні оптичні властивості.
Завдяки своїм провідним властивостям наночастинки срібла часто включають до складу композитів, пластмас, епоксидних смол та клеїв. Частинки срібла збільшують електропровідність; Тому срібні пасти і чорнило часто використовуються у виробництві електроніки. Оскільки наночастинки срібла підтримують поверхневі плазмони, AgNP мають видатні оптичні властивості. Наночастинки плазмонного срібла використовуються для датчиків, детекторів та аналітичного обладнання, такого як поверхнева посилена раманівська спектроскопія (SERS) та флуоресцентна спектроскопія з посиленням поверхневого плазмонного поля (SPFS).
Що таке карагенан?
Карагенан - це дешевий природний полімер, який міститься в різних видах червоних водоростей. Карагенани - це лінійні сульфатовані полісахариди, які широко використовуються в харчовій промисловості, завдяки своїм желирующим, загущающим і стабілізуючим властивостям. Основне їх застосування - в молочних і м'ясних продуктах, завдяки їх міцному зв'язуванню з білками їжі. Існує три основні різновиди карагінану, які розрізняються за ступенем сульфатації. Каппа-карагенан має одну сульфатну групу на дисахарид. Йота-карагенан (ι-карагенен) має два сульфати на дисахарид. Лямбда-карагенан (λ-карагенен) має три сульфати на дисахарид.
Каппа-карагенан (κ-карагенан) має лінійну структуру сульфатованого полісахариду D-галактози та 3,6-ангідро-D-галактози.
κ- карагенан широко використовується в харчовій промисловості, наприклад, як гелеутворювач і для модифікації текстури. Його можна знайти в якості добавки в морозиві, вершках, сирі, молочних коктейлях, заправках для салатів, згущеному молоці з цукром, соєвому молоці & інші рослинні молочні добавки, а також соуси для підвищення в'язкості продукту.
Крім того, κ-карагенан можна знайти в нехарчових продуктах, таких як загусник у шампунях та косметичних кремах, у зубній пасті (як стабілізатор для запобігання розшаруванню компонентів), піні для пожежогасіння (як загусник, що викликає липкість піни), гелях для освіжувачів повітря, крему для взуття (для підвищення в'язкості), у біотехнології для іммобілізації клітин/ферментів, у фармацевтичних препаратах (як неактивна допоміжна речовина в таблетках/таблетках), в кормах для домашніх тварин і т.д.
SEM-зображення для Ag/κ-карагінану при різних концентраціях κ-карагінану. [0,1%, 0,2% та 0,3 % відповідно (a, b, c)]. [Elsupikhe та ін., 2015]