Ефективен 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 по отношение на размера на частиците, формата (напр. наносфери, нанопръчки, нанопояси и т.н.) и морфологията. Ефективната, проста, бърза и зелена химическа процедура позволява надеждно производство на златни наноструктури в индустриален мащаб.

Златни наночастици и наноструктури

Златните наночастици и наноразмерните структури са широко внедрени в R&D и промишлени процеси, дължащи се на уникалните свойства на наноразмерното злато, включително електронни, магнитни и оптични характеристики, ефекти на квантовия размер, резонанс на повърхностния плазмон, висока каталитична активност, самосглобяване наред с други свойства. Областите на приложение на златните наночастици (Au-NP) варират от използването като катализатор до производството на наноелектронни устройства, както и използването в изображения, нанофотоника, наномагнитни, биосензори, химически сензори, за оптични и тераностични приложения, доставка на лекарства, както и други приложения.

Методи за синтез на златни наночастици

Наноструктурираните златни частици могат да бъдат синтезирани по различни начини с помощта на високоефективна ултразвукова реакция. Ултразвукът е не само проста, ефективна и надеждна техника, освен това ултразвукът създава условия за химическа редукция на златни йони без токсични или агресивни химически агенти и дава възможност за образуване на наночастици от благородни метали с различна морфология. Изборът на път и сонохимична обработка (известна още като соносинтеза) позволява да се произвеждат златни наноструктури като златни наношери, нанопръчки, нанопояси и др. с еднакъв размер и морфология.
По-долу можете да намерите избрани сонохимични пътища за получаване на златни наночастици.

Ултразвуково подобрен метод на Туркевич

Соникацията се използва за засилване на реакцията на редукция на цитрат на Туркевич, както и модифицирани процедури на Туркевич.
Методът на Туркевич произвежда скромно монодисперсни сферични златни наночастици с диаметър около 10–20 nm. Могат да се произвеждат по-големи частици, но за сметка на монодисперсност и форма. При този метод горещата хлороауринова киселина се обработва с разтвор на натриев цитрат, произвеждайки колоидно злато. Реакцията на Туркевич протича чрез образуване на преходни златни нанопроводници. Тези златни нанопроводници са отговорни за тъмния вид на реакционния разтвор, преди да стане рубиненочервен.
Fuentes-García et al. (2020), които сонохимично синтезират златни наночастици, съобщават, че е възможно да се произвеждат златни наночастици с високо абсорбционно взаимодействие, като се използва ултразвук като единствен източник на енергия, намалявайки лабораторните изисквания и контролирайки свойствата, променящи прости параметри.
Lee et al. (2012) демонстрират, че ултразвуковата енергия е ключов параметър за производство на сферични златни наночастици (AuNPs) с регулируеми размери от 20 до 50 nm. Соносинтезата чрез редукция на натриев цитрат произвежда монодисперсни сферични златни наночастици във воден разтвор при атмосферни условия.

Методът на Туркевич-Френс с помощта на ултразвук

Модификация на гореописания реакционен път е методът на Туркевич-Френс, който е прост многоетапен процес за синтез на златни наночастици. Ултразвукът насърчава реакционния път на Туркевич-Френс по същия начин като пътя на Туркевич. Началната стъпка на многоетапния процес на Туркевич-Френс, при който реакциите протичат последователно и паралелно, е окисляването на цитрат, което дава дикарбокси ацетон. След това ауровата сол се редуцира до сол на аура и Au⁰, а солта се събира на Au⁰ атоми, за да образуват AuNP (вижте схемата по-долу).
 

Синтез на златни наночастици по метода на Туркевич.
схема и проучване: ©Zhao et al., 2013 г.

Това означава, че дикарбокси ацетонът, получен в резултат на окисляването на цитрат, а не на самия цитрат, действа като действителен стабилизатор на AuNP в реакцията на Туркевич-Френс. Цитратната сол допълнително променя рН на системата, което влияе върху размера и разпределението по размер на златните наночастици (AuNPs). Тези условия на реакцията на Туркевич-Френс произвеждат почти монодисперсни златни наночастици с размери на частиците между 20 и 40 nm. Точният размер на частиците може да бъде променян при промяна на рН на разтвора, както и от ултразвуковите параметри. Цитрат-стабилизираните AuNP винаги са по-големи от 10 nm, поради ограничената редуцираща способност на тринатриев цитрат дихидрат. Въпреки това, използвайки D₂O като разтворител вместо H2O по време на синтеза на AuNP позволява да се синтезират AuNP с размер на частиците 5 nm. Тъй като добавянето на D2O увеличава редуциращата якост на цитрата, комбинацията от D2O и C₆H₉На₃O₉. (срв. Zhao et al., 2013)

Протокол за сонохимичния маршрут Туркевич-Френс

За да се синтезират златни наночастици в процедура отдолу нагоре по метода на Туркевич-Френс, 50 ml хлороауринова киселина (HAuCl₄), 0,025 mM се излива в 100 ml стъклена чаша, в която 1 ml 1,5% (w/v) воден разтвор на тринатриев цитрат (Na₃Ct) се добавя под ултразвук при стайна температура. Ултразвукът е извършен при 60W, 150W и 210W. На₃Ct/HAuCl₄ Съотношението, използвано в пробите, е 3:1 (w/v). След ултразвук колоидните разтвори показват различни цветове, виолетови за 60 W и рубиненочервени за проби от 150 и 210 W. По-малки размери и по-сферични клъстери от златни наночастици са произведени чрез увеличаване на ултразвуковата мощност, според структурната характеристика. Fuentes-García et al. (2021) показват в своите изследвания силното влияние на увеличаването на ултразвука върху размера на частиците, многостенната структура и оптичните свойства на сонохимично синтезираните златни наночастици и кинетиката на реакцията за тяхното образуване. И двете златни наночастици с размер 16 nm и 12 nm могат да бъдат произведени с персонализирана сонохимична процедура. (Fuentes-García et al., 2021)
 

а,б) Изображение на TEM (мащаб от 50 nm) и в) разпределение по размер на AuNP, синтезирани при
мощност на ултразвука 17.9 Wcm2.
Картина и проучване: © Dheyab et al., 2020.

Сонолиза на златни наночастици

Друг метод за експериментално генериране на златни частици е чрез сонолиза, при която се прилага ултразвук за синтез на златни частици с диаметър под 10 nm. В зависимост от реагентите, сонолитичната реакция може да се протече по различни начини. Например, ултразвук на воден разтвор на HAuCl₄ С глюкозата, хидроксилните радикали и радикалите на захарната пиролиза действат като редуциращи агенти. Тези радикали се образуват в междуфазната област между срутващите се кухини, създадени от интензивен ултразвук и насипната вода. Морфологията на златните наноструктури са наноленти с ширина 30–50 nm и дължина няколко микрометра. Тези ленти са много гъвкави и могат да се огъват с ъгли по-големи от 90°. Когато глюкозата се замени с циклодекстрин, глюкозен олигомер, се получават само сферични златни частици, което предполага, че глюкозата е от съществено значение за насочването на морфологията към панделка.

Примерен протокол за сонохимичен синтез на нано-злато

Прекурсорните материали, използвани за синтезиране на покрити с цитрат AuNP, включват HAuCl4, натриев цитрат и дестилирана вода. За да се подготви пробата, първата стъпка включва разтваряне на HAuCl4 в дестилирана вода с концентрация 0,03 M. Впоследствие разтворът на HAuCl4 (2 ml) се добавя на капки към 20 ml воден 0,03 M разтвор на натриев цитрат. По време на фазата на смесване в разтвора се вкарва ултразвукова сонда с висока плътност (20 kHz) с ултразвуков рог за 5 минути при звукова мощност 17,9 W·cm²
(срв. Dhabey в al. 2020)

Синтез на златен нанопояс с помощта на соникация

Единични кристални нанопояси (вижте изображението на TEM вляво) могат да бъдат синтезирани чрез ултразвук на воден разтвор на HAuCl4 в присъствието на α-D-глюкоза като реагени. Сонохимично синтезираните златни нанопояси показват средна ширина от 30 до 50 nm и дължина от няколко микрометра. Ултразвуковата реакция за производство на златни нанопояси е проста, бърза и избягва използването на токсични вещества. (срв. Zhang et al, 2006)

Повърхностноактивни вещества, които влияят върху сонохимичния синтез на златни NP

Прилагането на интензивен ултразвук върху химични реакции инициира и насърчава преобразуването и добива. 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, в присъствието на a-d-глюкоза, основните реакции в процеса на сонолиза на воден HAuCl₄ както е показано в следните уравнения (1-4):
(1) З₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) АІІІ + reducing radicals —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(срв. Zhao et al., 2014)

Силата на ултразвуковите апарати тип сонда

Ултразвуковите сонди или сонотроди (наричани още ултразвукови рогове) доставят ултразвук с висока интензивност и акустична кавитация в много фокусирана форма в химически разтвори. Това прецизно контролирано и ефективно предаване на ултразвук позволява надеждни, прецизно контролируеми и възпроизводими условия, при които пътищата на химичните реакции могат да бъдат инициирани, интензифицирани и превключвани. За разлика от това, ултразвуковата вана (известна още като ултразвуков почистващ препарат или резервоар) доставя ултразвук с много ниска плътност на мощността и произволно възникващи кавитационни петна в голям обем течност. Това прави ултразвуковите вани ненадеждни за всякакви сонохимични реакции.
"Ултразвуковите почистващи вани имат плътност на мощността, която съответства на малък процент от тази, генерирана от ултразвуков клаксон. Използването на почистващи вани в сонохимията е ограничено, като се има предвид, че не винаги се постига напълно хомогенен размер и морфология на частиците. Това се дължи на физическите ефекти на ултразвука върху процесите на нуклеация и растеж." (González-Mendoza et al. 2015)

Високоефективни ултразвукови апарати за синтез на златни наночастици

Hielscher Ultrasonics доставя мощни и надеждни ултразвукови процесори за сонохимичен синтез (соно-синтез) на наночастици като злато и други наноструктури от благородни метали. Ултразвуковото разбъркване и дисперсия увеличава преноса на маса в хетерогенни системи и насърчава овлажняването и последващото зануклеване на атомните клъстери с цел утаяване на наночастици. Ултразвуковият синтез на наночастици е прост, рентабилен, биосъвместим, възпроизводим, бърз и безопасен метод.
Hielscher Ultrasonics доставя мощни и прецизно управляеми ултразвукови процесори за формиране на наноразмерни структури като наношери, наноплъчки, наноленти, нано-ленти, наноклъстери, частици от ядро-обвивка и др.
Прочетете повече за ултразвуковия синтез на магнитни наночастици!
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 и безопасна работа.
Покривайки пълния диапазон на мощност от 50 вата ръчни ултразвукови уреди за лабораторията до 16 000 вата мощни индустриални ултразвукови системи, Hielscher разполага с идеалната ултразвукова настройка за вашето приложение. Сонохимичното оборудване за партидно и непрекъснато производство в проточни реактори е лесно достъпно за всеки настолен и индустриален размер. Здравината на ултразвуковите уреди Hielscher позволява работа 24/7 при тежки натоварвания и в взискателни среди.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: