تخليق جسيمات الذهب النانوية بكفاءة وتحكم

يمكن تخليق جسيمات الذهب النانوية ذات الشكل والمورفولوجيا المتجانسين بكفاءة عبر مسار كيميائي صوتي. ويمكن التحكم بدقة في التفاعل الكيميائي المعزز بالموجات فوق الصوتية لتخليق جسيمات الذهب النانوية من حيث حجم الجسيمات وشكلها (مثل الكرات النانوية والقضبان النانوية والأحزمة النانوية وغيرها) ومورفولوجيتها. ويتيح هذا الإجراء الكيميائي الفعال والبسيط والسريع والأخضر إنتاج البنى النانوية الذهبية بصورة موثوقة على النطاق الصناعي.

جسيمات الذهب النانوية والبنى النانوية

تُستخدم جسيمات الذهب النانوية والبنى ذات الحجم النانوي على نطاق واسع في البحث والتطوير والعمليات الصناعية بفضل الخصائص الفريدة للذهب ذي الحجم النانوي، بما فيها الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية والبصرية، وتأثيرات الحجم الكمي، ورنين البلازمون السطحي، والنشاط التحفيزي العالي، والتجميع الذاتي، وغيرها من الخصائص. وتتراوح مجالات تطبيق جسيمات الذهب النانوية (Au-NPs) من استخدامها بوصفها محفزات إلى تصنيع الأجهزة الإلكترونية النانوية، فضلاً عن استخدامها في التصوير والفوتونيات النانوية والمغناطيسية النانوية والمستشعرات الحيوية والمستشعرات الكيميائية، وفي التطبيقات البصرية والتشخيصية العلاجية، وإيصال الأدوية، وغيرها من الاستخدامات.

طرق تخليق جسيمات الذهب النانوية

يمكن تخليق جسيمات الذهب ذات البنية النانوية عبر مسارات مختلفة باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء. والمعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية بسيطة وفعالة وموثوقة، كما أنها تهيئ ظروفاً للاختزال الكيميائي لأيونات الذهب دون عوامل كيميائية سامة أو قاسية، وتتيح تكوين جسيمات نانوية من المعادن النبيلة بمورفولوجيات مختلفة. ويتيح اختيار المسار والمعالجة الكيميائية الصوتية (المعروفة أيضاً بالتخليق الصوتي) إنتاج بنى نانوية ذهبية، مثل الكرات النانوية الذهبية والقضبان النانوية والأحزمة النانوية وغيرها، بحجم ومورفولوجيا متجانسين.
فيما يلي مسارات كيميائية صوتية مختارة لتحضير جسيمات الذهب النانوية.

طريقة Turkevich المحسنة بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم المعالجة بالموجات فوق الصوتية لتعزيز تفاعل الاختزال بالسترات وفق طريقة Turkevich، وكذلك إجراءات Turkevich المعدلة.
تنتج طريقة Turkevich جسيمات ذهب نانوية كروية أحادية التشتت بدرجة متوسطة، بقطر يبلغ نحو 10–20nm. ويمكن إنتاج جسيمات أكبر، ولكن على حساب أحادية التشتت والشكل. وفي هذه الطريقة، يُعالج حمض الكلوروأوريك الساخن بمحلول سترات الصوديوم، مما ينتج الذهب الغروي. ويتقدم تفاعل Turkevich عبر تكوين أسلاك ذهب نانوية عابرة. وهذه الأسلاك النانوية الذهبية مسؤولة عن المظهر الداكن لمحلول التفاعل قبل أن يتحول إلى اللون الأحمر الياقوتي.
أفاد Fuentes-García et al. (2020)، الذين خلقوا جسيمات الذهب النانوية كيميائياً صوتياً، بإمكانية تصنيع جسيمات ذهب نانوية ذات تفاعل امتصاص عالٍ باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية بوصفها مصدر الطاقة الوحيد، مما يقلل المتطلبات المختبرية ويتيح التحكم في الخصائص بتعديل معلمات بسيطة.
أثبت Lee et al. (2012) أن الطاقة فوق الصوتية معلمة أساسية لإنتاج جسيمات ذهب نانوية كروية (AuNPs) بأحجام قابلة للضبط من 20 إلى 50 nm. وينتج التخليق الصوتي عبر الاختزال بسترات الصوديوم جسيمات ذهب نانوية كروية أحادية التشتت في محلول مائي تحت الظروف الجوية.

طريقة Turkevich-Frens باستخدام الموجات فوق الصوتية

تمثل طريقة Turkevich-Frens تعديلاً لمسار التفاعل الموصوف أعلاه، وهي عملية بسيطة متعددة الخطوات لتخليق جسيمات الذهب النانوية. وتعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية مسار تفاعل Turkevich-Frens بالطريقة نفسها التي تعزز بها مسار Turkevich. والخطوة الأولية في عملية Turkevich-Frens متعددة الخطوات، التي تحدث فيها التفاعلات على التوالي وعلى التوازي، هي أكسدة السترات التي تنتج الأسيتون ثنائي الكربوكسيل. ثم يُختزل ملح الذهب الثلاثي إلى ملح الذهب الأحادي وAu⁰، ويتجمع ملح الذهب الأحادي على ذرات Au⁰ لتكوين AuNP (انظر المخطط أدناه).

تخليق جسيمات الذهب النانوية بطريقة Turkevich.
المخطط والدراسة: ©Zhao et al., 2013

يعني ذلك أن الأسيتون ثنائي الكربوكسيل الناتج عن أكسدة السترات، بدلاً من السترات نفسها، يعمل بوصفه المثبت الفعلي لـ AuNP في تفاعل Turkevich-Frens. ويعدل ملح السترات أيضاً قيمة pH للنظام، مما يؤثر في حجم جسيمات الذهب النانوية (AuNPs) وتوزيع أحجامها. وتنتج هذه الظروف لتفاعل Turkevich-Frens جسيمات ذهب نانوية شبه أحادية التشتت، بأحجام جسيمات بين 20 و40nm. ويمكن تعديل حجم الجسيمات بدقة بتغيير قيمة pH للمحلول وكذلك معلمات الموجات فوق الصوتية. وتكون جسيمات AuNPs المثبتة بالسترات دائماً أكبر من 10 nm، بسبب القدرة الاختزالية المحدودة لسترات ثلاثي الصوديوم ثنائية الماء. ومع ذلك، فإن استخدام D₂O بوصفه المذيب بدلاً من H2O أثناء تخليق AuNPs يتيح تخليق AuNPs بحجم جسيمات يبلغ 5 nm. ونظراً إلى أن إضافة D2O تزيد القوة الاختزالية للسترات، فإن الجمع بين D2O وC₆H₉Na₃O₉. (راجع Zhao et al., 2013)

بروتوكول مسار Turkevich-Frens الكيميائي الصوتي

لتخليق جسيمات الذهب النانوية بإجراء من الأسفل إلى الأعلى وفق طريقة Turkevich-Frens، تُصب كمية 50mL من حمض الكلوروأوريك (HAuCl₄) بتركيز 0.025 mM في كأس زجاجي بسعة 100 mL، وتُضاف إليها كمية 1 mL من محلول مائي بتركيز 1.5% (w/v) من سترات ثلاثي الصوديوم (Na₃Ct) أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية عند درجة حرارة الغرفة. أُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية عند 60W و150W و210W. ونسبة Na₃Ct/HAuCl₄ المستخدمة في العينات هي 3:1 (w/v). وبعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية، أظهرت المحاليل الغروية ألواناً مختلفة، إذ كان اللون بنفسجياً لعينات 60 W وأحمر ياقوتياً لعينات 150 و210 W. وأدت زيادة قدرة المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى إنتاج جسيمات ذهب نانوية أصغر حجماً وعناقيد أكثر كروية، وفقاً للتوصيف البنيوي. ويُظهر Fuentes-García et al. (2021) في أبحاثهم التأثير القوي لزيادة المعالجة بالموجات فوق الصوتية في حجم الجسيمات والبنية متعددة الأوجه والخصائص البصرية لجسيمات الذهب النانوية المخلقة كيميائياً صوتياً، وفي حركية تفاعل تكوينها. ويمكن إنتاج جسيمات ذهب نانوية بحجم 16nm وكذلك 12nm باستخدام إجراء كيميائي صوتي مضبوط حسب الحاجة. (Fuentes-García et al., 2021)

(a,b) صورة بالمجهر الإلكتروني النافذ TEM (بمقياس 50 nm) و(c) توزيع أحجام AuNPs المخلقة عند
قدرة معالجة بالموجات فوق الصوتية تبلغ 17.9 Wcm2.
الصورة والدراسة: © Dheyab et al., 2020.

التحلل الصوتي لجسيمات الذهب النانوية

من الطرق الأخرى لتوليد جسيمات الذهب تجريبياً التحلل الصوتي، حيث تُستخدم الموجات فوق الصوتية لتخليق جسيمات ذهب بقطر يقل عن 10 nm. ويمكن إجراء تفاعل التحلل الصوتي بطرق مختلفة بحسب الكواشف. فعلى سبيل المثال، عند معالجة محلول مائي من HAuCl₄ بالموجات فوق الصوتية مع الغلوكوز، تعمل جذور الهيدروكسيل وجذور التحلل الحراري للسكر بوصفها عوامل اختزال. وتتكون هذه الجذور في المنطقة البينية بين التجاويف المنهارة التي تُنشئها الموجات فوق الصوتية الشديدة وكتلة الماء. وتكون مورفولوجيا البنى النانوية الذهبية على هيئة شرائط نانوية بعرض 30–50 nm وطول يبلغ عدة ميكرومترات. وهذه الشرائط مرنة جداً ويمكن أن تنثني بزوايا أكبر من 90°. وعند استبدال الغلوكوز بالسيكلودكسترين، وهو قليل الوحدات من الغلوكوز، لا يُحصل إلا على جسيمات ذهب كروية، مما يشير إلى أن الغلوكوز ضروري لتوجيه المورفولوجيا نحو الشكل الشريطي.

بروتوكول نموذجي للتخليق الكيميائي الصوتي للذهب النانوي

تشمل المواد الأولية المستخدمة لتخليق AuNPs المغلفة بالسترات كلاً من HAuCl4 وسترات الصوديوم والماء المقطر. ولتحضير العينة، تضمنت الخطوة الأولى إذابة HAuCl4 في الماء المقطر بتركيز 0.03 M. وبعد ذلك، أُضيف محلول HAuCl4 (2 mL) قطرة قطرة إلى 20 mL من محلول مائي من سترات الصوديوم بتركيز 0.03 M. وأثناء مرحلة الخلط، أُدخل مسبار موجات فوق صوتية عالي الكثافة (20 kHz) مزود ببوق موجات فوق صوتية في المحلول لمدة 5 min، بقدرة صوتية تبلغ 17.9 W·cm²
(راجع Dhabey at al. 2020)

تخليق الأحزمة النانوية الذهبية باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

يمكن تخليق أحزمة نانوية أحادية البلورة (انظر صورة TEM على اليسار) عبر معالجة محلول مائي من HAuCl4 بالموجات فوق الصوتية في وجود α-D-Glucose بوصفه كاشفاً. وتُظهر الأحزمة النانوية الذهبية المخلقة كيميائياً صوتياً متوسط عرض من 30 إلى 50 nm وطولاً يبلغ عدة ميكرومترات. والتفاعل بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الأحزمة النانوية الذهبية بسيط وسريع ويتجنب استخدام المواد السامة. (راجع Zhang et al, 2006)

المواد الخافضة للتوتر السطحي للتأثير في التخليق الكيميائي الصوتي لجسيمات الذهب النانوية

يؤدي تطبيق الموجات فوق الصوتية الشديدة على التفاعلات الكيميائية إلى بدء التحول وتعزيزه وزيادة المردود. ويُعد اختيار المواد الخافضة للتوتر السطحي عاملاً حاسماً للحصول على حجم جسيمات متجانس وأشكال / مورفولوجيات محددة مستهدفة. وتساعد إضافة الكحولات أيضاً على التحكم في شكل الجسيمات وحجمها. فعلى سبيل المثال، في وجود a-d-glucose، تكون التفاعلات الرئيسية في عملية التحلل الصوتي لمحلول HAuCl₄ المائي كما توضحها المعادلات التالية (1–4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) السكر –> جذور التحلل الحراري
(3) AIII + جذور مختزلة –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (أحزمة نانوية)
(راجع Zhao et al., 2014)

قدرة أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار


توصل مسابير الموجات فوق الصوتية أو السونوترودات (المعروفة أيضاً بأبواق الموجات فوق الصوتية) موجات فوق صوتية عالية الشدة وتجويفاً صوتياً إلى المحاليل الكيميائية بصورة شديدة التركيز. ويتيح هذا النقل الفعال والقابل للتحكم الدقيق للموجات فوق الصوتية عالية القدرة ظروفاً موثوقة وقابلة للتحكم الدقيق والتكرار، يمكن فيها بدء مسارات التفاعلات الكيميائية وتعزيزها وتغييرها. وفي المقابل، يوصل حمام الموجات فوق الصوتية (المعروف أيضاً بمنظف الموجات فوق الصوتية أو خزانها) موجات فوق صوتية بكثافة قدرة منخفضة جداً وبؤر تجويف تحدث عشوائياً إلى حجم كبير من السائل. وهذا يجعل حمامات الموجات فوق الصوتية غير موثوقة لأي تفاعلات كيميائية صوتية.
“تتمتع حمامات التنظيف بالموجات فوق الصوتية بكثافة قدرة تعادل نسبة صغيرة من تلك التي يولدها بوق الموجات فوق الصوتية. ويُعد استخدام حمامات التنظيف في الكيمياء الصوتية محدوداً، نظراً إلى عدم الوصول دائماً إلى حجم جسيمات ومورفولوجيا متجانسين تماماً. ويرجع ذلك إلى التأثيرات الفيزيائية للموجات فوق الصوتية في عمليتَي التنوي والنمو.” (González-Mendoza et al. 2015)

أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتخليق جسيمات الذهب النانوية

توفر Hielscher Ultrasonics معالجات قوية وموثوقة بالموجات فوق الصوتية للتخليق الكيميائي الصوتي (التخليق الصوتي) للجسيمات النانوية، مثل البنى النانوية للذهب والمعادن النبيلة الأخرى. ويزيد التحريك والتشتيت بالموجات فوق الصوتية انتقال الكتلة في الأنظمة غير المتجانسة، ويعززان البلل والتنوي اللاحق لعناقيد الذرات لترسيب الجسيمات النانوية. ويُعد تخليق الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية طريقة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة ومتوافقة حيوياً وقابلة للتكرار وسريعة وآمنة.
توفر Hielscher Ultrasonics معالجات قوية وقابلة للتحكم الدقيق بالموجات فوق الصوتية لتكوين بنى ذات حجم نانوي، مثل الكرات النانوية والقضبان النانوية والأحزمة النانوية والشرائط النانوية والعناقيد النانوية والجسيمات ذات النواة والغلاف وغيرها.
اقرأ المزيد عن تخليق جسيمات الذهب النانوية بوساطة البروكلي باستخدام الموجات فوق الصوتية، واستخدامها بوصفها أدوية حيوية المنشأ!
اقرأ المزيد عن تخليق الجسيمات النانوية المغناطيسية بالموجات فوق الصوتية!
يقدّر عملاؤنا الميزات الذكية لأجهزة Hielscher الرقمية، المجهزة ببرمجيات ذكية وشاشة لمس ملونة وتسجيل تلقائي للبيانات على بطاقة SD مدمجة، والتي تتميز بقائمة بديهية لتشغيل سهل وآمن.
تغطي Hielscher نطاق القدرة الكامل، من أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المختبرية المحمولة باليد بقدرة 50 واط إلى أنظمة الموجات فوق الصوتية الصناعية القوية بقدرة 16,000 واط، وتوفر المنظومة المثالية بالموجات فوق الصوتية لتطبيقك. وتتوفر معدات الكيمياء الصوتية للإنتاج على دفعات والإنتاج المستمر ضمن خط الإنتاج في مفاعلات التدفق النافذ، بمختلف الأحجام المكتبية والصناعية. وتتيح متانة أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher التشغيل على مدار 24/7 في ظروف العمل الشاق والبيئات الصعبة.

يقدم الجدول أدناه مؤشراً إلى سعة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا: