Ефикасен и контролиран синтез на златни наночастици

Златните наночастици с еднаква форма и морфология могат да бъдат ефективно синтезирани по сонохимичен път. Ултразвуково насърчаваната химическа реакция на синтеза на златни наночастици може да бъде прецизно контролирана за размера на частиците, формата (например, наносферите, нанородите, нанобелтите и т.н.) и морфологията. Ефикасната, проста, бърза и зелена химическа процедура дава възможност за надеждно производство на златни наноструктури в промишлен мащаб.

Златни Наночастици и Наноструктури

Златните наночастици и наноразмерните структури се прилагат широко в R&D и промишлени процеси, дължащи се на уникалните свойства на наноразмерното злато, включително електронни, магнитни, и оптични характеристики, квантови ефекти размер, повърхностен плазмон резонанс, висока каталитична активност, самосглобяване сред други свойства. Полетата на приложение за златни нано-частици (Au-NPs) варират от използването като катализатор до производството на наноелектронни изделия, Както и употребата при образни снимки, нано-фотоника, наномагнитни, биосензотори, химически сензори, за оптични и тераностични приложения, доставка на наркотици, както и други усвоявания.

Методи за синтез на златни наночастици

Нано-структурираните златни частици могат да бъдат синтезирани чрез различни маршрути, използвайки високоефективна ултразвукова обработка. Ultrasonication е не само проста, ефективна и надеждна техника, освен това ултразвукът създава условия за химическо намаляване на златни йони без токсични или сурови химически агенти и дава възможност за образуването на благородни метални наночастици от различни морфологии. Изборът на маршрутно и сонохимично лечение (известно още като соносинтеза) позволява да се произвеждат златни наноструктури като златни наношерки, нанороди, нанобелти и др. с единен размер и морфология.
По-долу можете да намерите избрани сонохимични пътища за приготвяне на златни наночастици.

Ултразвуково подобрен туркевич метод

Sonication се използва за интензифициране на туркевич цитрат-редукция реакция, както и модифицирани туркевич процедури.
Туркевичовият метод произвежда скромно монодисперсни сферични златни наночастици с диаметър около 10 – 20nm. Могат да се произвеждат по-големи частици, но с цената на монодисперсност и форма. При този метод горещата хлороауринова киселина се обработва с разтвор на натриев цитрат, произвеждащ колоиден злато. Туркевичовата реакция протече чрез образуване на преходни златни нановици. Тези златни нановици са отговорни за тъмния външен вид на реакционния разтвор, преди да стане рубинено-червен.
Fuentes-García et al. (2020), който синтезира сонохимично златни наночастици, съобщават, че е осъществимо да се произвеждат златни наночастици с високо абсорбиращо взаимодействие, използвайки ултразвукова обработка като единствен енергиен източник, намалявайки лабораторните изисквания и контролирайки свойствата, модифициращи прости параметри.
Lee et al. (2012) демонстрира, че ултразвуковата енергия е ключов параметър за производство на сферични златни наночастици (AUNPs) с тунинг размери от 20 до 50 nm. Соносинтезата чрез редукция на натриев цитрат произвежда монодисперсни сферични златни наночастици във воден разтвор при атмосферни условия.

Методът Туркевич-Френс с помощта на ултразвук

Модификация на гореописания път на реакция е методът Туркевич-Френс, който е прост процес с няколко стъпки за синтеза на златни наночастици. Ultrasonication насърчава туркевич-Френс реакция път по същия начин като туркевич маршрут. Началната стъпка на Turkevich-Frens многостепенен процес, където реакции се появяват в серия и успоредно, е окислението на цитрат, който дава дикарбокси ацетон. След това, ауричната сол се свежда до аурна сол и Au⁰, а аурната сол се сглобява на Au⁰ атоми за образуване на AUNP (вж. схемата по-долу).

Синтез на златни наночастици чрез туркевич метод.
схема и проучване: ©Zhao et al., 2013 г.

Това означава, че дикарбокси ацетон, произтичащ от окисляването на цитрат, а не от самия цитрат, действа като действителен AuNP стабилизатор в реакцията turkevich-Frens. Цитратната сол допълнително модифицира рН на системата, което влияе върху размера и разпределението на размера и размера на златните наночастици (AUNPs). Тези условия на реакцията Туркевич-Френс произвеждат близо монодисперсни златни наночастици с размери на частиците между 20 до 40nm. Точният размер на частиците може да бъде модифициран при вариация на рН на разтвора, както и чрез ултразвуковите параметри. Стабилизираните с цитрат ПНП са винаги по-големи от 10 nm, поради ограничената намаляваща способност на тринатриев цитрат дихидрат. Въпреки това, с помощта на D₂O като разтворител вместо H₂O по време на синтеза на AUNPs позволява да се синтезират AUNPs с размер на частиците 5 nm. Тъй като добавянето на D₂O повишаване на редуциращата якост на цитрата, комбинацията от D₂O и C₆Н₉На₃Най-₉. (срв. Джао и др., 2013 г.)

Протокол за маршрута Сонохимичен Туркевич-Френс

За да се синтезират златните наночастици в процедура отдолу нагоре по метод Turkevich-Frens, 50mL хлороаурна киселина (HAuCl₄), 0,025 mM се излива във 100 mL стъклена бехерова чаша, в която 1 mL 1,5% (w/v) воден разтвор на тринатриев цитрат (Na₃Ct) се добавя под ултразвук при стайна температура. Ultrasonication е извършена на 60W, 150W, и 210W. The Na₃Кт/HAuCl₄ съотношение, използвано в пробите, е 3:1 (w/v). След ултразвук, колоидни разтвори показаха различни цветове, виолетово за 60 W и рубинено-червено за 150 и 210 W проби. По-малки размери и по-сферични клъстери от златни наночастици са произведени чрез увеличаване на мощността на ултразвук, според структурното характеризиране. Fuentes-García et al. (2021) показват в своите разследвания силното влияние на нарастващата ултразвукова обработка върху размера на частиците, полиедралната структура и оптичните свойства на сонохимично синтезираните златни наночастици и реакционната кинетика за тяхното образуване. И двете, златни наночастици с размер 16nm и 12nm могат да бъдат произведени с съобразена сонохимична процедура. (Фуентес-Гарсия и др., 2021)

а,б) TEM изображение и (в) разпределение на размера на сонохимично синтезирани златни наночастици (AUNPs)
Картина и проучване: © Dheyab et al., 2020.

Сонолиза на Златни Наночастици

Друг метод за експерименталното генериране на златни частици е чрез сонолиза, където се прилага ултразвук за синтеза на златни частици с диаметър под 10 nm. В зависимост от реагентите, сонолитичната реакция може да се изпълнява в различни маниери. Например ултразвук на воден разтвор на HAuCl₄ с глюкоза, хидроксилни радикали и захарна пиролиза радикали действат като редуциращите средства. Тези радикали се образуват в интерфейсния регион между срутването кухини, създадени от интензивен ултразвук и насипната вода. Морфологията на златните наноструктури са нанорибони с ширина 30 –50 nm и дължина от няколко микрометра. Тези панделки са много гъвкави и могат да се огъват с ъгли, по-големи от 90°. Когато глюкозата се заменя с циклодекстрин, се получава глюкозен олигомер, получават се само сферични златни частици, което предполага, че глюкозата е от съществено значение при насочването на морфологията към панделка.

Образцов протокол за синтез на сонохимични нано-злато

Прекурсорните материали, използвани за синтезиране на AUNPs с цитратно покритие, включват HAuCl₄, натриев цитрат и дестилирана вода. За да се подготви пробата, първата стъпка включваше разтварянето на HAuCl₄ в дестилирана вода с концентрация 0,03 M. Впоследствие разтворът на HAuCl₄ (2 mL) е добавен капкомерно към 20 mL воден 0,03 M разтвор на натриев цитрат. По време на фазата на смесване ултразвукова сонда с висока плътност (20 kHz) с ултразвуков рог беше поставена в разтвора за 5 мин при звукова мощност 17,9 W·cm²
(срв. Дабей на ал. 2020 г.)

Злато Nanobelt синтез с помощта на Sonication

Единичните кристални нанобелти (вижте TEM изображението наляво) могат да се синтезират чрез ултразвук на воден разтвор на HAuCl₄ при наличие на α-D-Глюкоза като reagens. Сониохимично синтезираните златни нанобелти показват средна ширина от 30 до 50 nm и дължина няколко микрометра. Ултразвуковата реакция за производството на златни нанобелти е проста, бърза и избягва използването на токсични вещества. (срв. Джан и др, 2006)

Повърхностноактивни вещества за влияние на Сонохимичен синтез на Златни NPs

Прилагането на интензивен ултразвук върху химични реакции инициира и насърчава преобразуването и добивите. За да се получи еднакъв размер на частиците и определени целеви форми / морфологии, изборът на повърхностноактивни вещества е критичен фактор. Добавянето на алкохоли също помага да се контролира формата и размера на частиците. Например, при наличие на а-д-глюкоза, основните реакции в процеса на сонолиза на воден HAuCl₄ както е изобразено в следните уравнения (1-4):
(1) З₂ O —> Hћ + OH
2) захар — > пиролизни радикали
(3) AІІІ + намаляване на радикалите — > Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (нанобелти)
(срв. Джао и др., 2014 г.)

Силата на ultrasonicators тип сонда

Ултразвукови сонди или сонотроди (наричани още ултразвукови рога) доставят ултразвук с висока интензивност и акустична кавитация в много фокусирана форма в химически решения. Това точно контролируемо и ефективно предаване на силов ултразвук позволява надеждни, точно контролируеми и възпроизводими условия, където пътищата за химическа реакция могат да бъдат инициирани, засилени и превключени. За разлика от това, ултразвукова вана (известна още като ултразвукова чистачка или резервоар) доставя ултразвук с много ниска плътност на мощността и случайно срещащи се кавитативни петна в голям течен обем. Това прави ултразвуковите вани ненадежни за всякакви сонохимични реакции.
"Ултразвуковите почистващи вани имат плътност на мощността, която съответства на малък процент от този, генериран от ултразвуков рог. Използването на почистващи вани в сонохимията е ограничено, като се има предвид, че не винаги се достига напълно хомогенен размер на частиците и морфология. Това се дължи на физическите ефекти на ултразвука над ядрото и процесите на отглеждане." (Гонзалес-Мендоса и др. 2015 г.)

Високопроизводителни ultrasonicators за синтеза на златни наночастици

Hielscher Ultrasonics доставя мощни и надеждни ултразвукови процесори за сонохимичен синтез (соно-синтез) на наночастици като злато и други благородни метални наноструктури. Ултразвуковото възбуда и дисперсия увеличава масовия трансфер в разнородни системи и насърчава намокрянето и последващото ядро на атомните клъстери с цел утаяване на нано-частиците. Ултразвуковият синтез на нано-частици е прост, рентабилен, биокомпаньон, възпроизводим, бърз и безопасен метод.
Hielscher Ultrasonics доставя мощни и прецизно контролируеми ултразвукови процесори за образуването на наноразмерни структури като наношери, нанороди, нанобелти, нано-панделки, наноклюстери, частици от сърцевина и др.
Нашите клиенти ценят интелигентните функции на цифровите устройства Hielscher, които са оборудвани с интелигентен софтуер, цветен сензорен дисплей, автоматично протоколиране на данни на вградена SD-карта и разполагат с интуитивно меню за лесна за ползване и безопасна работа.
Покривайки пълния диапазон на мощност от 50 вата ръчни ултразвукови апарати за лабораторията до 16 000 вата мощни промишлени ултразвукови системи, Hielscher има идеалната ултразвукова настройка за вашето приложение. Сонохимичното оборудване за партидното и непрекъснатото инлайн производство в проточни реактори е лесно достъпно при всеки стенд-топ и промишлен размер. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежкотоварни и в взискателни среди.

Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators: