Ефективен и контролиран синтез на златни наночастици

Златни наночастици с еднородна форма и морфология могат да бъдат ефективно синтезирани по сонохимичен път. Химичната реакция за синтез на златни наночастици, стимулирана чрез ултразвук, може да бъде прецизно контролирана по отношение на размера, формата (напр. наносфери, нанопръчки, нанопояси и др.) и морфологията на частиците. Ефикасната, проста, бърза и екологична химична процедура позволява надеждно производство на златни наноструктури в промишлен мащаб.

Златни наночастици и наноструктури

Златните наночастици и структурите с наноразмери се използват широко в научноизследователската и развойната дейност и в промишлените процеси поради уникалните свойства на златото с наноразмери, включително електронни, магнитни и оптични характеристики, квантови размерни ефекти, повърхностен плазмонен резонанс, висока каталитична активност, самосглобяване и други свойства. Областите на приложение на златните наночастици (Au-NPs) обхващат използването им като катализатор, производството на наноелектронни устройства, както и приложения в образната диагностика, нанофотониката, наномагнетизма, биосензорите, химичните сензори, оптичните и тераностичните приложения, доставянето на лекарства и други употреби.

Методи за синтез на златни наночастици

Наноструктурирани златни частици могат да бъдат синтезирани по различни пътища чрез високопроизводителна ултразвукова обработка. Ултразвуковата обработка е проста, ефективна и надеждна техника и освен това създава условия за химична редукция на златни йони без токсични или агресивни химични агенти и позволява образуването на наночастици от благородни метали с различна морфология. Изборът на път и сонохимична обработка (известна също като соносинтез) позволява получаването на златни наноструктури като златни наносфери, нанопръчки, нанопояси и др. с еднородни размери и морфология.
По-долу можете да намерите избрани сонохимични пътища за получаване на златни наночастици.

Метод на Turkevich, подобрен чрез ултразвук

Ултразвуковата обработка се използва за интензифициране на реакцията на цитратна редукция на Turkevich, както и на модифицираните процедури на Turkevich.
Методът на Turkevich произвежда умерено монодисперсни сферични златни наночастици с диаметър около 10–20nm. Могат да се получат по-големи частици, но за сметка на монодисперсността и формата. При този метод гореща хлорозлатна киселина се обработва с разтвор на натриев цитрат, при което се получава колоидно злато. Реакцията на Turkevich протича чрез образуване на преходни златни нанопроводници. Тези златни нанопроводници са причина за тъмния цвят на реакционния разтвор, преди той да стане рубиненочервен.
Fuentes-García et al. (2020), които синтезират златни наночастици по сонохимичен път, съобщават, че е възможно да се произвеждат златни наночастици с високо абсорбционно взаимодействие чрез ултразвукова обработка като единствен източник на енергия, като се намаляват лабораторните изисквания и се контролират свойствата чрез промяна на прости параметри.
Lee et al. (2012) показват, че ултразвуковата енергия е ключов параметър за получаване на сферични златни наночастици (AuNPs) с регулируеми размери от 20 до 50 nm. Соносинтезът чрез редукция с натриев цитрат произвежда монодисперсни сферични златни наночастици във воден разтвор при атмосферни условия.

Методът на Turkevich-Frens с използване на ултразвук

Модификация на описания по-горе реакционен път е методът на Turkevich-Frens, който представлява прост многоетапен процес за синтез на златни наночастици. Ултразвуковата обработка стимулира реакционния път на Turkevich-Frens по същия начин, както пътя на Turkevich. Началният етап на многоетапния процес на Turkevich-Frens, при който реакциите протичат последователно и паралелно, е окислението на цитрата, при което се получава дикарбоксиацетон. След това солта на злато(III) се редуцира до сол на злато(I) и Au⁰, а солта на злато(I) се сглобява върху атомите на Au⁰ за образуване на AuNP (вижте схемата по-долу).
 

Синтез на златни наночастици по метода на Turkevich.
схема и изследване: ©Zhao et al., 2013

Това означава, че дикарбоксиацетонът, получен при окислението на цитрата, а не самият цитрат, действа като действителния стабилизатор на AuNP в реакцията на Turkevich-Frens. Цитратната сол допълнително променя pH на системата, което влияе върху размера и разпределението по размер на златните наночастици (AuNPs). Тези условия на реакцията на Turkevich-Frens водят до получаване на почти монодисперсни златни наночастици с размери между 20 и 40nm. Точният размер на частиците може да се променя чрез изменение на pH на разтвора, както и чрез ултразвукови параметри. Стабилизираните с цитрат AuNPs винаги са по-големи от 10 nm поради ограничената редуцираща способност на тринатриевия цитрат дихидрат. Използването на D₂O като разтворител вместо H2O по време на синтеза на AuNPs обаче позволява синтезиране на AuNPs с размер на частиците 5 nm. Тъй като добавянето на D2O увеличава редуциращата способност на цитрата, комбинацията от D2O и C₆H₉Na₃O₉. (срв. Zhao et al., 2013)

Протокол за сонохимичния път на Turkevich-Frens

За синтезиране на златни наночастици чрез процедура „отдолу нагоре“ по метода на Turkevich-Frens, 50mL хлорозлатна киселина (HAuCl₄), 0,025 mM се наливат в стъклена лабораторна чаша от 100 mL, в която се добавя 1 mL 1,5% (w/v) воден разтвор на тринатриев цитрат (Na₃Ct) при ултразвукова обработка на стайна температура. Ултразвуковата обработка е извършена при 60W, 150W и 210W. Съотношението Na₃Ct/HAuCl₄ в пробите е 3:1 (w/v). След ултразвуковата обработка колоидните разтвори показват различни цветове: виолетов за пробите при 60 W и рубиненочервен за пробите при 150 и 210 W. С увеличаване на мощността на ултразвуковата обработка се получават по-малки размери и по-сферични клъстери от златни наночастици според структурното характеризиране. В своите изследвания Fuentes-García et al. (2021) показват силното влияние на увеличаването на ултразвуковата обработка върху размера на частиците, полиедричната структура и оптичните свойства на сонохимично синтезираните златни наночастици, както и върху кинетиката на реакцията за тяхното образуване. Чрез специално адаптирана сонохимична процедура могат да се получат златни наночастици както с размер 16nm, така и с размер 12nm. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM изображение (мащаб 50 nm) и (c) разпределение по размер на AuNPs, синтезирани при
мощност на ултразвуковата обработка 17,9 Wcm2.
Изображение и изследване: © Dheyab et al., 2020.

Сонолиза на златни наночастици

Друг метод за експериментално получаване на златни частици е сонолизата, при която се прилага ултразвук за синтез на златни частици с диаметър под 10 nm. В зависимост от реагентите сонолитичната реакция може да се провежда по различни начини. Например при ултразвукова обработка на воден разтвор на HAuCl₄ с глюкоза хидроксилните радикали и радикалите от пиролизата на захарта действат като редуциращи агенти. Тези радикали се образуват в междуфазната област между колабиращите кухини, създадени от интензивния ултразвук, и водата в обема на течността. Златните наноструктури имат морфология на наноленти с ширина 30–50 nm и дължина няколко микрометра. Тези ленти са много гъвкави и могат да се огъват под ъгли, по-големи от 90°. Когато глюкозата се замени с циклодекстрин, олигомер на глюкозата, се получават само сферични златни частици, което предполага, че глюкозата е съществена за насочване на морфологията към лентовидна форма.

Примерен протокол за сонохимичен синтез на нанозлато

Прекурсорните материали, използвани за синтез на AuNPs с цитратно покритие, включват HAuCl4, натриев цитрат и дестилирана вода. За подготовката на пробата първата стъпка включва разтваряне на HAuCl4 в дестилирана вода до концентрация 0,03 M. След това разтворът на HAuCl4 (2 mL) се добавя на капки към 20 mL воден разтвор на натриев цитрат с концентрация 0,03 M. По време на фазата на смесване ултразвукова сонда с висока плътност (20 kHz) с ултразвуков рог се потапя в разтвора за 5 min при мощност на озвучаване 17,9 W·cm²
(срв. Dhabey at al. 2020)

Синтез на златни нанопояси чрез ултразвукова обработка

Монокристални нанопояси (вижте TEM изображението вляво) могат да бъдат синтезирани чрез ултразвукова обработка на воден разтвор на HAuCl4 в присъствието на α-D-Glucose като реагент. Сонохимично синтезираните златни нанопояси имат средна ширина от 30 до 50 nm и дължина няколко микрометра. Ултразвуковата реакция за получаване на златни нанопояси е проста, бърза и избягва използването на токсични вещества. (срв. Zhang et al, 2006)

Повърхностноактивни вещества за повлияване на сонохимичния синтез на златни наночастици

Прилагането на интензивен ултразвук при химични реакции инициира и стимулира превръщането и повишава добивите. За получаване на еднороден размер на частиците и определени целеви форми / морфологии изборът на повърхностноактивни вещества е критичен фактор. Добавянето на алкохоли също помага за контролиране на формата и размера на частиците. Например в присъствието на a-d-glucose основните реакции в процеса на сонолиза на воден разтвор на HAuCl₄ са представени в следните уравнения (1–4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) захар –> пиролизни радикали
(3) AIII + редуциращи радикали –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (нанопояси)
(срв. Zhao et al., 2014)

Мощта на ултразвуковите устройства със сонда


Ултразвуковите сонди или сонотроди (наричани също ултразвукови рогове) подават ултразвук с висок интензитет и акустична кавитация в силно фокусирана форма в химичните разтвори. Това прецизно контролируемо и ефективно предаване на мощен ултразвук позволява надеждни, прецизно контролируеми и възпроизводими условия, при които пътищата на химичните реакции могат да бъдат инициирани, интензифицирани и променяни. За разлика от това ултразвуковата вана (известна също като ултразвуково почистващо устройство или резервоар) подава ултразвук с много ниска плътност на мощността и случайно възникващи кавитационни зони 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 рог. Използването на почистващи вани в сонохимията е ограничено, като се има предвид, че не винаги се постига напълно еднороден размер и морфология на частиците. Това се дължи на физичните ефекти на ултразвука върху процесите на зародишообразуване и растеж.“ (González-Mendoza et al. 2015)

Високопроизводителни ултразвукови устройства за синтез на златни наночастици

Hielscher Ultrasonics доставя мощни и надеждни ултразвукови процесори за сонохимичен синтез (соносинтез) на наночастици, като златни наноструктури и наноструктури от други благородни метали. Ултразвуковото разбъркване и диспергиране увеличават масопренасянето в хетерогенни системи и стимулират омокрянето и последващото зародишообразуване на атомни клъстери с цел утаяване на наночастици. Ултразвуковият синтез на наночастици е прост, икономически ефективен, биосъвместим, възпроизводим, бърз и безопасен метод.
Hielscher Ultrasonics доставя мощни и прецизно контролируеми ултразвукови процесори за образуване на структури с наноразмери като наносфери, нанопръчки, нанопояси, наноленти, наноклъстери, частици тип ядро–обвивка и др.
Прочетете повече за ултразвуковия синтез на златни наночастици с посредничеството на броколи и използването им като биогенни лекарства!
Прочетете повече за ултразвуковия синтез на магнитни наночастици!
Нашите клиенти ценят интелигентните функции на цифровите устройства на Hielscher, които са оборудвани с интелигентен софтуер, цветен сензорен дисплей, автоматично регистриране на данни на вградена SD карта и разполагат с интуитивно меню за удобна и безопасна работа.
Покривайки целия диапазон на мощност от ръчни лабораторни ултразвукови устройства с мощност 50 вата до мощни промишлени ултразвукови системи с мощност до 16 000 вата, Hielscher предлага идеалната ултразвукова система за Вашето приложение. Сонохимично оборудване за партидно и непрекъснато производство в технологични линии с проточни реактори е леснодостъпно във всякакви настолни и промишлени размери. Здравината на ултразвуковите устройства на Hielscher позволява работа 24/7 при тежки натоварвания и в среди с високи изисквания.

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