Зелений сонохімічний синтез наночастинок срібла
Наночастинки срібла (AgNPs) часто використовуються як наноматеріали завдяки своїм антимікробним властивостям, оптичним властивостям та високій електропровідності. Сонохімічний синтез із використанням каппа-карагенану є простим, зручним та екологічно безпечним методом синтезу для отримання наночастинок срібла. κ-карагенан використовується як природний екологічно безпечний стабілізатор, тоді як потужний ультразвук діє як зелений відновник.
Зелена хімія вимагає точного контролю параметрів. Наші інженери-наноматеріалознавці допоможуть вам вибрати правильний сонотрод, геометрію реактора та налаштування потужності для максимізації виходу, контролю морфології частинок та забезпечення повної відповідності принципам зеленої хімії.
Ag+/κ-карагенан (ліворуч) та Ag/κ-карагенан після ультразвукової обробки (праворуч). Ультразвукову обробку виконували за допомогою UP400S протягом 90хв.
[Elsupikhe et al. 2015]
Зелений ультразвуковий синтез наночастинок срібла
Elsupikhe та ін. (2015) розробили зелений ультразвуково-асистований синтез для отримання наночастинок срібла (AgNPs). Сонохімія добре відома як засіб, що сприяє багатьом реакціям у рідкому середовищі. Ультразвукова обробка дозволяє синтезувати AgNPs з κ-карагенаном як природним стабілізатором. Реакція протікає при кімнатній температурі та виробляє наночастинки срібла з ГЦК кристалічною структурою без будь-яких домішок. Розподіл частинок AgNPs за розміром можна регулювати концентрацією κ-карагенану.
Схема взаємодії заряджених груп Ag-NPs, які покриті κ-карагенаном під час ультразвукової обробки. [Elsupikhe et al. 2015]
Процедура: сталий синтез наночастинок срібла
- Ag-NPs були синтезовані шляхом відновлення AgNO3 з використанням ультразвукової обробки в присутності κ-карагенану. Для отримання різних зразків було підготовлено п’ять суспензій, додавши 10 mL 0,1 M AgNO3 до 40-mL κ-карагенану. Використовували розчини κ-карагенану концентрацією 0,1, 0,15, 0,20, 0,25 та 0,3 wt%, відповідно.
- Розчини перемішували протягом 1 год для отримання AgNO3/κ-карагенан.
- Потім зразки піддавали інтенсивному ультразвуковому опроміненню: амплітуду ультразвукового пристрою UP400S (400W, 24kHz) встановили на 50%. Ультразвукову обробку застосовували протягом 90хв при кімнатній температурі. Сонотрод ультразвукового процесора для рідин UP400S був занурений безпосередньо в реакційний розчин.
- Після ультразвукової обробки суспензії центрифугували протягом 15хв та промивали дистильованою водою двічі чотири рази для видалення залишків іонів срібла. Осаджені наночастинки сушили при 40°C під вакуумом протягом ночі для отримання Ag-NPs.
Рівняння
- nH₂O —ультразвукова обробка–> +H + OH
- OH + RH –> R + H₂O
- AgNo₃–гідроліз–> Ag+ + NO₃–
- R + Ag+ —> Ag° + R’ + H+
- Ag+ + H –відновлення–> Ag°
- Ag+ + H2O —> Ag° + OH + H+
Аналіз та результати: наночастинки срібла, синтезовані за допомогою ультразвуку
Для оцінки результатів зразки аналізували за допомогою УФ-видимої спектроскопії, рентгенівської дифракції, хімічного аналізу ФТ-ІЧ, зображень ПЕМ та СЕМ.
Кількість Ag-NPs зростала зі збільшенням концентрації κ-карагенану. Утворення Ag/κ-карагенану визначали за допомогою УФ-видимої спектроскопії, де максимум поглинання поверхневих плазмонів спостерігався при 402 to 420nm. Аналіз рентгенівської дифракції (XRD) показав, що Ag-NPs мають гранецентровану кубічну структуру. Спектр Фур’є-перетвореної інфрачервоної спектроскопії (ФТ-ІЧ) вказував на наявність Ag-NPs у κ-карагенані. Зображення трансмісійної електронної мікроскопії (ПЕМ) для найвищої концентрації κ-карагенану показали розподіл Ag-NPs із середнім розміром частинок близько 4,21nm. Зображення скануючої електронної мікроскопії (СЕМ) ілюстрували сферичну форму Ag-NPs. Аналіз СЕМ показав, що зі збільшенням концентрації κ-карагенану відбувалися зміни на поверхні Ag/κ-карагенану, так що були отримані Ag-NPs малого розміру зі сферичною формою.
Зображення ПЕМ та відповідні розподіли за розміром для Ag/κ-карагенану, синтезованого сонохімічно, при різних концентраціях κ-карагенану. [0,1%, 0,2% та 0,3% відповідно (a, b, c)].
UP400S – пристрій для ультразвукової обробки, що використовується для сонохімічного синтезу наночастинок Ag
Література/Посилання
- 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.
Часто задавані питання: Зелений сонохімічний синтез наночастинок срібла
Як ультразвук покращує зелений синтез наночастинок срібла?
Ультразвук спричиняє акустичну кавітацію, створюючи локальні гарячі точки, які швидко відновлюють іони срібла за допомогою екологічно чистих агентів. Цей сонохімічний процес прискорює кінетику реакції, сприяє однорідному зародженню та забезпечує точний контроль над розміром і формою частинок – усе це без жорстких хімічних речовин або високої теплової енергії.
Які основні переваги зеленого сонохімічного методу для AgNPs?
Зелений сонохімічний синтез поєднує ультразвук з біосумісними відновлювальними та стабілізуючими агентами (такими як рослинні екстракти, цукри або полімери) для виробництва нетоксичних, екологічно безпечних наночастинок срібла. Метод зменшує споживання енергії, скорочує час синтезу, усуває небезпечні побічні продукти та дає високо стабільні наночастинки з однорідним розподілом розмірів.
Чи може ультразвук контролювати розмір і морфологію наночастинок срібла?
Так. Коригуючи амплітуду, частоту, потужність ультразвуку та час обробки, виробники можуть точно налаштовувати швидкості зародження та росту. Це дозволяє відтворювано виробляти AgNPs розміром 5–100 nm у різних формах (сфери, куби, трикутні пластинки), адаптованих до конкретних біомедичних, електронних або промислових застосувань.
Чи масштабується ультразвуковий зелений синтез для промислового виробництва AgNP?
Абсолютно. Промислові ультразвукові процесори підтримують безперервні проточні реактори , які плавно масштабуються від лабораторних партій до повного виробництва. Вбудована ультразвукова обробка забезпечує однорідний розподіл кавітації, моніторинг процесу в реальному часі та стабільність між партіями, що робить її ідеальною для екологічно чистого виробництва AgNP у великих обсягах.
Які екологічно чисті відновлювальні агенти найкраще працюють з ультразвуковим синтезом наночастинок срібла?
Ефективні екологічно чисті агенти включають ботанічні екстракти (наприклад, алое, зелений чай, цитрусові шкірки), вуглеводи, амінокислоти, білки та біорозкладні полімери. Ультразвук підвищує їхню ефективність відновлення та стабілізації, дозволяючи повністю замінити синтетичні хімічні речовини, зберігаючи високий вихід, колоїдну стабільність та функціональні характеристики.
Як сонохімічний синтез порівнюється з традиційними хімічними методами для AgNPs?
Традиційні хімічні методи часто покладаються на токсичні відновники (наприклад, борогідрид натрію), екстремальні значення pH і генерують небезпечні відходи. Зелений сонохімічний синтез використовує безпечні, відновлювані матеріали, працює при кімнатній або помірній температурі, значно скорочує час обробки та виробляє чистіші, більш біосумісні наночастинки з кращою дисперсністю та терміном придатності.
Які галузі промисловості виграють від зелених ультразвукових наночастинок срібла?
AgNPs, синтезовані за допомогою зелених сонохімічних методів, широко використовуються в антимікробних покриттях, медичних пристроях, догляді за ранами, фільтрації води, гнучкій електроніці та сталому пакуванні. Їхнє екологічно чисте виробництво забезпечує відповідність суворим екологічним стандартам та стандартам безпеки, водночас гарантуючи високу ефективність та регуляторне визнання.
Що таке наночастинки срібла?
Срібні наночастинки характеризуються розміром від 1nm до 100nm. Хоча їх часто описують як «срібні», деякі з них складаються з великого відсотка оксиду срібла через велике співвідношення поверхневих і об’ємних атомів срібла. Наночастинки срібла можуть мати різні структури. Найчастіше синтезують сферичні наночастинки срібла, але також використовують ромбічні, восьмикутні та тонкі пластинки.
Наночастинки срібла широко застосовуються в медичних цілях. Іони срібла є біоактивними та мають сильні антимікробні та бактерицидні властивості. Їхня надзвичайно велика поверхня дозволяє координувати численні ліганди. Інші важливі характеристики – це електропровідність та унікальні оптичні властивості.
Завдяки своїм провідним властивостям наночастинки срібла часто включають у композити, пластики, епоксидні смоли та адгезиви. Частинки срібла підвищують електропровідність; тому пасти та чорнила на основі срібла часто використовуються у виробництві електроніки. Оскільки наночастинки срібла підтримують поверхневі плазмони, AgNPs мають видатні оптичні властивості. Плазмонні наночастинки срібла використовуються для сенсорів, детекторів та аналітичного обладнання, такого як спектроскопія комбінаційного розсіювання, посилена поверхнею (SERS), та спектроскопія флуоресценції, посилена полем поверхневих плазмонів (SPFS).
Що таке каррагенан?
Каррагенан – це дешевий природний полімер, який міститься у різних видах червоних водоростей. Каррагенани – це лінійні сульфатовані полісахариди, які широко використовуються в харчовій промисловості завдяки своїм гелеутворюючим, загущувальним та стабілізуючим властивостям. Їхнє основне застосування – у молочних та м’ясних продуктах, через їхню сильну зв’язаність з харчовими білками. Існує три основні різновиди каррагенану, які відрізняються ступенем сульфатування. Каппа-каррагенан має одну сульфатну групу на дисахарид. Йота-каррагенан (ι-carrageenen) має два сульфати на дисахарид. Лямбда-каррагенан (λ-carrageenen) має три сульфати на дисахарид.
Каппа-каррагенан (κ-carrageenan) має лінійну структуру сульфатованого полісахариду з D-галактози та 3,6-ангідро-D-галактози.
κ-каррагенан широко використовується в харчовій промисловості, наприклад, як гелеутворювач та для модифікації текстури. Він може зустрічатися як добавка в морозиві, вершках, сирі, молочних коктейлях, заправках для салатів, згущеному солодкому молоці, соєвому молоці та інших рослинних молоках, а також у соусах для підвищення в’язкості продукту.
Крім того, κ-каррагенан можна знайти в нехарчових продуктах, таких як загущувач у шампунях та косметичних кремах, у зубній пасті (як стабілізатор для запобігання розшаруванню компонентів), у вогнегасній піні (як загущувач для надання піні липкості), у гелях для освіження повітря, у поліровці для взуття (для підвищення в’язкості), у біотехнології для іммобілізації клітин/ферментів, у фармацевтиці (як неактивна допоміжна речовина в пігулках/таблетках), у кормах для домашніх тварин тощо.
Зображення SEM Ag/κ-каррагенану за різних концентрацій κ-каррагенану. [0,1%, 0,2% та 0,3 %, відповідно (a, b, c)]. [Elsupikhe et al. 2015]