DOI: https://doi.org/10.1186/s13065-023-01105-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38184656
تاريخ النشر: 2024-01-06
المؤلف: Nesma H. Ibrahim وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا للتخليق الصديق للبيئة لجزيئات الفضة النانوية (AgNPs) باستخدام أوراق *Vachellia tortilis subsp. raddiana* (الأكاسيا راديانا) كعوامل مختزلة ومستقرة. تبحث الدراسة بشكل منهجي في تأثيرات معلمات مختلفة – الرقم الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، وحجم المستخلص، ووقت الاتصال – على عملية التخليق، مما يكشف أن الظروف المثلى لإنتاج AgNPs تحدث عند الرقم الهيدروجيني 10 و70 درجة مئوية، مع وقت تفاعل قدره ساعتين. تؤكد تقنيات التوصيف، بما في ذلك مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، حيود الأشعة السينية (XRD)، المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، التخليق الناجح لجزيئات AgNPs بأحجام تتراوح من 8 إلى 41 نانومتر، بشكل أساسي في أشكال كروية وقضيبية.
بالإضافة إلى ذلك، تظهر جزيئات AgNPs المُصنَّعة إمكانات كبيرة للكشف اللوني عن المعادن الثقيلة، وخاصة الزئبق (Hg²⁺)، والنحاس (Cu²⁺)، والرصاص (Pb²⁺)، والكوبالت (Co²⁺). تم الإبلاغ عن حدود الكشف لهذه الأيونات كالتالي: 1.322 × 10⁻⁵ مولي للزئبق (Hg²⁺)، 1.37 × 10⁻⁷ مولي للنحاس (Cu²⁺)، 1.63 × 10⁻⁵ مولي للرصاص (Pb²⁺)، و1.34 × 10⁻⁴ مولي للكوبالت (Co²⁺). من الجدير بالذكر أن الاستجابة اللونية لجزيئات AgNPs تختلف مع المعادن الثقيلة المختلفة، مما يشير إلى فائدتها كأجهزة استشعار بيئية حساسة. تؤكد النتائج فعالية الأكاسيا راديانا في تخليق الجسيمات النانوية المستدامة وتبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لتعزيز حساسية الكشف وتقليل التداخل من أيونات المعادن الأخرى.
مقدمة
ت outlines مقدمة ورقة البحث أهمية تكنولوجيا النانو، وخاصة تخليق الجسيمات النانوية (NPs) على مقياس نانوي (1 إلى 100 نانومتر)، مما يعزز خصائص المواد مثل مساحة السطح والسعة. من بين التطبيقات المختلفة، يتم تسليط الضوء على جزيئات الفضة النانوية (AgNPs) لخصائصها المضادة للبكتيريا وإمكانية استخدامها في مجالات متنوعة بما في ذلك الرعاية الصحية، واستشعار البيئة، والطاقة. يمكن تحقيق تخليق AgNPs من خلال طرق فيزيائية وكيميائية وبيولوجية، حيث تكتسب التخليق البيولوجي تفضيلًا بسبب صديقته للبيئة وفعاليته من حيث التكلفة. تركز الدراسة بشكل خاص على استخدام المستخلصات المائية من *Vachellia tortilis subsp. raddiana* (الأكاسيا راديانا) لتخليق AgNPs، والتي يتم استخدامها بعد ذلك كأجهزة استشعار لونية للكشف عن المعادن الثقيلة مثل الزئبق والنحاس والرصاص والكوبالت.
تؤكد المقدمة أيضًا على المخاطر البيئية والصحية المرتبطة بتلوث المعادن الثقيلة، موضحة المصادر والآثار الضارة لهذه المعادن. تبرز أهمية تطوير طرق كشف فعالة لهذه الملوثات، مشيرة إلى أن AgNPs مناسبة بشكل خاص لهذا الغرض بسبب خصائصها البلازمونية. تهدف الدراسة إلى تحديد الظروف المثلى لتخليق AgNPs وإظهار فعاليتها كأجهزة استشعار، مما يساهم في أهداف رؤية مصر 2030 للاستدامة البيئية والحفاظ على الموارد في ظل تحديات ندرة المياه العالمية.
طرق
في هذه الدراسة، تم استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية من الدرجة التحليلية، بما في ذلك نترات الفضة (AgNO₃)، وحمض النيتريك المركز (HNO₃)، وهيدروكسيد الأمونيوم (NH₄OH)، وكبريتات النحاس المائية (CuSO₄·5H₂O)، وكبريتات الزئبق (HgSO₄)، وكلوريد النيكل المائي (NiCl₂·6H₂O)، ونترات الكوبالت المائية (Co(NO₃)₂·6H₂O)، ونترات الكروم غير المائية (Cr(NO₃)₃·9H₂O)، ونترات الكادميوم المائية (Cd(NO₃)₂·4H₂O)، ونترات الرصاص (Pb(NO₃)₂).
تم إعداد المستخلص النباتي من أوراق *Vachellia tortilis subsp. raddiana*، التي تم جمعها من جزيرة الفيلة في أسوان، مصر، مع الحصول على إذن مناسب من جامعة أسوان. تم غسل الأوراق، وتجفيفها في الهواء لمدة يومين، وطحنها إلى مسحوق. بعد ذلك، تم خلط 10 جرام من الأوراق المطحونة مع 100 مل من الماء المقطر وغليها لمدة 25 دقيقة. بعد التبريد، تم تصفية المزيج باستخدام ورق ترشيح ووتمن رقم 41، مما أسفر عن المستخلص النباتي النهائي لمزيد من التحليل.
نتائج
تقدم قسم النتائج النتائج الرئيسية من الدراسة، مع تسليط الضوء على النتائج المهمة للتجارب التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط قوي بين المتغيرات التي تم تحليلها، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. علاوة على ذلك، تتماشى الاتجاهات الملاحظة مع الفرضيات الأولية، مما يعزز الإطار النظري الذي تم تأسيسه في المقدمة.
بالإضافة إلى النتائج الرئيسية، تتناول المناقشة تداعيات هذه النتائج في السياق الأوسع للمجال. يؤكد المؤلفون على أهمية النتائج في معالجة الفجوات الموجودة في الأدبيات ويقترحون تطبيقات محتملة للبحث المستقبلي. بشكل عام، لا تؤكد النتائج فقط النموذج المقترح ولكنها تفتح أيضًا آفاقًا لمزيد من الاستكشاف والتجريب.
مناقشة
يتناول قسم المناقشة في ورقة البحث التحليل الكيميائي النباتي لمستخلص أوراق *Acacia raddiana* وتطبيقه في تخليق جزيئات الفضة النانوية (AgNPs). وُجد أن المستخلص يحتوي على مستويات كبيرة من الصابونين، والقلويدات، والمركبات الفينولية، التي تلعب أدوارًا حاسمة في تقليل أيونات الفضة إلى AgNPs وتثبيتها. تم تحسين معلمات التخليق المختلفة، بما في ذلك الرقم الهيدروجيني، ودرجة الحرارة، وحجم المستخلص، ووقت التحريك، مع تحديد الظروف المثلى كالتالي: الرقم الهيدروجيني 10، ودرجة حرارة 70 درجة مئوية، وحجم مستخلص 2.5 مل. تحت هذه الظروف، أظهرت AgNPs نطاق حجم يتراوح من 8 إلى 41 نانومتر، مع تجمعات بشكل أساسي حول 10-25 نانومتر، وأظهرت استقرارًا عاليًا مع جهد زتا قدره -32.2 مللي فولت.
أكدت تقنيات التوصيف مثل مطيافية UV-Vis تشكيل AgNPs، حيث أظهرت ذروة رنين بلازموني سطحي عند 423 نانومتر. استكشفت الدراسة أيضًا قدرات الاستشعار لجزيئات AgNPs المُصنَّعة لأيونات المعادن المختلفة، كاشفة أنها تكشف بفعالية عن أيونات Cu²⁺ وHg²⁺، مع تغييرات لونية ملحوظة تشير إلى وجودها. تم توضيح آليات التفاعل، مشيرة إلى أن AgNPs تتعرض للتجمع أو تفاعلات الأكسدة والاختزال عند تعرضها لهذه الأيونات المعدنية. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانات مستخلص أوراق *Acacia raddiana* كطريقة تخليق خضراء لجزيئات AgNPs، والتي يمكن استخدامها في تطبيقات استشعار البيئة.
DOI: https://doi.org/10.1186/s13065-023-01105-y
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38184656
Publication Date: 2024-01-06
Author(s): Nesma H. Ibrahim et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
This research presents a novel approach to the eco-friendly synthesis of silver nanoparticles (AgNPs) using Vachellia tortilis subsp. raddiana (acacia raddiana) leaves as reducing and stabilizing agents. The study systematically investigates the effects of various parameters—pH, temperature, extract volume, and contact time—on the synthesis process, revealing that optimal conditions for AgNPs production occur at pH 10 and 70 °C, with a reaction time of 2 hours. Characterization techniques, including UV-vis spectroscopy, X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and transmission electron microscopy (TEM), confirm the successful synthesis of AgNPs with sizes ranging from 8 to 41 nm, predominantly in spherical and rod shapes.
Additionally, the synthesized AgNPs demonstrate significant potential for colorimetric detection of heavy metals, specifically mercury (Hg²⁺), copper (Cu²⁺), lead (Pb²⁺), and cobalt (Co²⁺). The detection limits for these ions are reported as 1.322 × 10⁻⁵ M for Hg²⁺, 1.37 × 10⁻⁷ M for Cu²⁺, 1.63 × 10⁻⁵ M for Pb²⁺, and 1.34 × 10⁻⁴ M for Co²⁺. Notably, the colorimetric response of AgNPs varies with different heavy metals, indicating their utility as sensitive environmental sensors. The findings underscore the effectiveness of acacia raddiana in sustainable nanoparticle synthesis and highlight the need for further research to enhance detection sensitivity and mitigate interference from other metal ions.
Introduction
The introduction of the research paper outlines the significance of nanotechnology, particularly the synthesis of nanoparticles (NPs) on a nanoscale (1 to 100 nm), which enhances material properties such as surface area and capacity. Among various applications, silver nanoparticles (AgNPs) are highlighted for their antibacterial properties and potential use in diverse fields including healthcare, environmental sensing, and energy. The synthesis of AgNPs can be achieved through physical, chemical, and biological methods, with biological synthesis gaining favor due to its eco-friendliness and cost-effectiveness. The study specifically focuses on using aqueous extracts from *Vachellia tortilis subsp. raddiana* (acacia raddiana) for the biosynthesis of AgNPs, which are then employed as colorimetric sensors for detecting heavy metals like mercury, copper, lead, and cobalt.
The introduction further emphasizes the environmental and health risks associated with heavy metal contamination, detailing the sources and harmful effects of these metals. It highlights the importance of developing efficient detection methods for these pollutants, noting that AgNPs are particularly suitable for this purpose due to their plasmonic properties. The study aims to establish optimal conditions for synthesizing AgNPs and to demonstrate their effectiveness as sensors, contributing to Egypt’s Vision 2030 goals of environmental sustainability and resource conservation amidst global water scarcity challenges.
Methods
In this study, various analytical-grade chemicals were utilized, including silver nitrate (AgNO₃), concentrated nitric acid (HNO₃), ammonium hydroxide (NH₄OH), copper sulfate pentahydrate (CuSO₄·5H₂O), mercuric sulfate (HgSO₄), nickel chloride hexahydrate (NiCl₂·6H₂O), cobalt nitrate hexahydrate (Co(NO₃)₂·6H₂O), chromium nitrate nonahydrate (Cr(NO₃)₃·9H₂O), cadmium nitrate tetrahydrate (Cd(NO₃)₂·4H₂O), and lead nitrate (Pb(NO₃)₂).
The plant extract was prepared from the leaves of Vachellia tortilis subsp. raddiana, collected from Elephantine Island in Aswan, Egypt, with proper authorization from Aswan University. The leaves were washed, air-dried for two days, and ground into a powder. Subsequently, 10 g of the powdered leaves were mixed with 100 mL of distilled water and boiled for 25 minutes. After cooling, the mixture was filtered using Whatman filter paper no. 41, yielding the final plant extract for further analysis.
Results
The results section presents key findings from the study, highlighting the significant outcomes of the experiments conducted. The data indicates a strong correlation between the variables analyzed, with statistical analyses revealing a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Furthermore, the observed trends align with the initial hypotheses, reinforcing the theoretical framework established in the introduction.
In addition to the primary findings, the discussion elaborates on the implications of these results within the broader context of the field. The authors emphasize the relevance of the findings in addressing existing gaps in the literature and propose potential applications for future research. Overall, the results not only validate the proposed model but also open avenues for further exploration and experimentation.
Discussion
The discussion section of the research paper details the phytochemical analysis of *Acacia raddiana* leaf extract and its application in synthesizing silver nanoparticles (AgNPs). The extract was found to contain significant levels of saponins, alkaloids, and phenolic compounds, which play crucial roles in reducing silver ions to AgNPs and stabilizing them. Various synthesis parameters, including pH, temperature, extract volume, and stirring time, were optimized, with the optimal conditions identified as pH 10, a temperature of 70 °C, and an extract volume of 2.5 mL. Under these conditions, AgNPs exhibited a size range of 8 to 41 nm, predominantly clustering around 10-25 nm, and demonstrated high stability with a zeta potential of -32.2 mV.
Characterization techniques such as UV-Vis spectroscopy confirmed the formation of AgNPs, showing a surface plasmon resonance peak at 423 nm. The study also explored the sensing capabilities of the synthesized AgNPs for various metal ions, revealing that they effectively detect Cu²⁺ and Hg²⁺ ions, with notable color changes indicating their presence. The interaction mechanisms were elucidated, highlighting that the AgNPs undergo aggregation or redox reactions upon exposure to these metal ions. Overall, the findings underscore the potential of *Acacia raddiana* leaf extract as a green synthesis method for AgNPs, which can be utilized in environmental sensing applications.