Efikasna i kontrolisana sinteza nanočestica zlata

Zlatne nanočestice ujednačenog oblika i morfologije mogu se efikasno sintetizirati sonohemijskim putem. Ultrazvučno promovisana hemijska reakcija sinteze nanočestica zlata može se precizno kontrolisati za veličinu čestica, oblik (npr. nanosfere, nanošipke, nanopojasi itd.) i morfologiju. Efikasna, jednostavna, brza i zelena hemijska procedura omogućava pouzdanu proizvodnju zlatnih nanostruktura u industrijskoj skali.

Nanočestice zlata i nanostrukture

Nanočestice zlata i strukture nano-veličine široko se primjenjuju u R&D i industrijski procesi zbog jedinstvenih svojstava zlata nano veličine uključujući elektronske, magnetske i optičke karakteristike, efekte kvantne veličine, površinsku plazmonsku rezonancu, visoku katalitičku aktivnost, samosastavljanje između ostalih svojstava. Područja primjene nanočestica zlata (Au-NP) kreću se od upotrebe kao katalizatora do proizvodnje nanoelektronskih uređaja, kao i upotrebe u slikovnoj, nanofotonici, nanomagnetskim, biosenzorima, kemijskim senzorima, za optičke i teranostičke aplikacije, isporuku lijekova kao i druge upotrebe.

Metode sinteze nanočestica zlata

Nano strukturirane čestice zlata mogu se sintetizirati na različite načine koristeći ultrazvučnu obradu visokih performansi. Ultrazvučna obrada nije samo jednostavna, efikasna i pouzdana tehnika, osim toga sonikacija stvara uslove za hemijsku redukciju zlatnih jona bez toksičnih ili jakih hemijskih agenasa i omogućava formiranje nanočestica plemenitih metala različitih morfologija. Izbor puta i sonohemijskog tretmana ( poznata i kao sonosinteza) omogućava proizvodnju zlatnih nanostruktura kao što su zlatne nanošire, nanošipke, nanopojasi itd. sa ujednačenom veličinom i morfologijom.
U nastavku možete pronaći odabrane sonohemijske puteve za pripremu zlatnih nanočestica.

Ultrazvučno poboljšana Turkevičeva metoda

Sonikacija se koristi za intenziviranje reakcije redukcije Turkevicha citrata kao i modificirane Turkevich procedure.
Turkevich metoda proizvodi umjereno monodisperzne sferne nanočestice zlata prečnika oko 10-20 nm. Mogu se proizvesti veće čestice, ali po cijenu monodisperznosti i oblika. U ovoj metodi, vruća kloroaurinska kiselina se tretira otopinom natrijum citrata, čime se proizvodi koloidno zlato. Turkevičeva reakcija se odvija formiranjem prolaznih zlatnih nanožica. Ove zlatne nanožice su odgovorne za tamni izgled reakcijske otopine prije nego što postane rubin-crvena.
Fuentes-García et al. (2020), koji je sonohemijski sintetizirao nanočestice zlata, izvještavaju da je moguće proizvesti nanočestice zlata s visokom interakcijom apsorpcije koristeći ultrazvučnu obradu kao jedini izvor energije, smanjujući laboratorijske zahtjeve i kontrolirajući svojstva modificirajući jednostavne parametre.
Lee et al. (2012) su pokazali da je ultrazvučna energija ključni parametar za proizvodnju sfernih zlatnih nanočestica (AuNP) podesivih veličina od 20 do 50 nm. Sonosinteza putem redukcije natrijum citrata proizvodi monodisperzne sferne nanočestice zlata u vodenom rastvoru u atmosferskim uslovima.

Metoda Turkevich-Frens pomoću ultrazvuka

Modifikacija gore opisanog puta reakcije je Turkevich-Frensova metoda, koja je jednostavan proces u više koraka za sintezu nanočestica zlata. Ultrasonication promovira Turkevich-Frens reakcijski put na isti način kao i Turkevich put. Početni korak Turkevich-Frensovog procesa u više koraka, gdje se reakcije odvijaju u nizu i paralelno, je oksidacija citrata koja daje dikarboksi aceton. Zatim se aurična so redukuje u auričnu so i Au⁰, a aurozna sol se sastavlja na Au⁰ atoma da formiraju AuNP (vidi šemu ispod).
 

Sinteza nanočestica zlata Turkevichevom metodom.
shema i studija: ©Zhao et al., 2013

To znači da dikarboksi aceton koji nastaje oksidacijom citrata, a ne sam citrat, djeluje kao stvarni stabilizator AuNP u Turkevich-Frens reakciji. Citratna so dodatno modifikuje pH sistema, što utiče na veličinu i raspodelu veličine zlatnih nanočestica (AuNPs). Ovi uvjeti Turkevich-Frensove reakcije proizvode gotovo monodisperzne nanočestice zlata s veličinama čestica između 20 i 40 nm. Tačna veličina čestica može se modificirati varijacijom pH otopine kao i ultrazvučnim parametrima. AuNP-ovi stabilizirani citratom uvijek su veći od 10 nm, zbog ograničene redukcijske sposobnosti trinatrijum citrat dihidrata. Međutim, koristeći D₂O kao rastvarač umjesto H2O tokom sinteze AuNP-a omogućava sintetizaciju AuNP-a veličine čestica od 5 nm. Kako dodatak D2O povećava redukcijsku snagu citrata, kombinacija D2O i C₆H₉Na₃O₉. (up. Zhao et al., 2013.)

Protokol za sonohemijsku rutu Turkevič-Frens

Kako bi se sintetizirale nanočestice zlata postupkom odozdo prema gore metodom Turkevich-Frens, 50 mL kloroaurinske kiseline (HAuCl₄), 0,025 mM se sipa u staklenu čašu od 100 mL, u koju se stavlja 1 mL 1,5% (w/v) vodenog rastvora trinatrijum citrata (Na₃Ct) se dodaje ultrazvukom na sobnoj temperaturi. Ultrazvuk je izveden na 60W, 150W i 210W. The Na₃Ct/HAuCl₄ omjer korišten u uzorcima je 3:1 (w/v). Nakon ultrazvučne obrade, koloidne otopine su pokazale različite boje, ljubičastu za 60 W i rubin-crvenu za uzorke od 150 i 210 W. Manje veličine i sferičniji klasteri zlatnih nanočestica proizvedeni su povećanjem snage sonikacije, u skladu sa strukturnom karakterizacijom. Fuentes-García et al. (2021) u svojim istraživanjima pokazuju snažan utjecaj povećanja ultrazvučne obrade na veličinu čestica, poliedarsku strukturu i optička svojstva sonohemijski sintetiziranih nanočestica zlata i kinetiku reakcije za njihovo formiranje. Obje, nanočestice zlata veličine 16 nm i 12 nm mogu se proizvesti prilagođenom sonohemijskom procedurom. (Fuentes-García et al., 2021.)
 

(a,b) TEM slika (skala od 50 nm) i (c) distribucija veličine AuNPs sintetiziranih na
snaga ultrazvuka 17,9 Wcm2.
Slika i studija: © Dheyab et al., 2020.

Sonoliza nanočestica zlata

Druga metoda za eksperimentalno stvaranje zlatnih čestica je sonoliza, gdje se ultrazvuk primjenjuje za sintezu zlatnih čestica prečnika ispod 10 nm. Ovisno o reagensima, sonolitička reakcija se može izvoditi na različite načine. Na primjer, sonikacija vodene otopine HAuCl₄ s glukozom, hidroksilni radikali i radikali pirolize šećera djeluju kao redukcijski agensi. Ovi radikali se formiraju u međufaznoj regiji između kolabirajućih šupljina stvorenih intenzivnim ultrazvukom i vode. Morfologija zlatnih nanostruktura su nanotrake širine 30-50 nm i dužine od nekoliko mikrometara. Ove trake su vrlo fleksibilne i mogu se savijati pod uglovima većim od 90°. Kada se glukoza zamijeni ciklodekstrinom, oligomerom glukoze, dobivaju se samo sferične čestice zlata, što sugerira da je glukoza neophodna u usmjeravanju morfologije prema vrpci.

Primer protokola za sonohemijsku sintezu nano-zlata

Prekursorski materijali koji se koriste za sintezu AuNP-ova obloženih citratom uključuju HAuCl4, natrijum citrat i destilovanu vodu. U cilju pripreme uzorka, prvi korak je uključivao otapanje HAuCl4 u destilovanoj vodi sa koncentracijom od 0,03 M. Zatim je rastvor HAuCl4 (2 mL) dodan kap po kap u 20 mL vodenog 0,03 M rastvora natrijum citrata. Tokom faze miješanja, ultrazvučna sonda visoke gustine (20 kHz) sa ultrazvučnom sirenom je umetnuta u otopinu na 5 minuta pri snazi sondiranja od 17,9 W·cm.²
(up. Dhabey i dr. 2020.)

Sinteza zlatnih nanopojasa uz pomoć ultrazvuka

Pojedinačni kristalni nanopojasi (vidi TEM sliku lijevo) mogu se sintetizirati sonikacijom vodenog rastvora HAuCl4 u prisustvu α-D-glukoze kao reagensa. Sonokemijski sintetizirani zlatni nanopojasi pokazuju prosječnu širinu od 30 do 50 nm i dužinu od nekoliko mikrometara. Ultrazvučna reakcija za proizvodnju zlatnih nanopojasa je jednostavna, brza i izbjegava korištenje toksičnih tvari. (up. Zhang et al, 2006.)

Surfaktanti koji utiču na sonohemijsku sintezu NP zlata

Primjena intenzivnog ultrazvuka na kemijske reakcije inicira i potiče konverziju i prinose. Da bi se dobila ujednačena veličina čestica i određeni ciljani oblici / morfologije, izbor surfaktanata je kritičan faktor. Dodavanje alkohola također pomaže u kontroli oblika i veličine čestica. Na primjer, u prisustvu ad-glukoze, glavne reakcije u procesu sonolize vodenog HAuCl₄ kao što je prikazano u sljedećim jednačinama (1-4):
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) AIII + reducing radicals —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(up. Zhao et al., 2014.)

Snaga ultrazvučnih aparata tipa sonde

Ultrazvučne sonde ili sonotrode (koji se nazivaju i ultrazvučne rogove) daju ultrazvuk visokog intenziteta i akustičnu kavitaciju u vrlo fokusiranom obliku u hemijska rješenja. Ovaj precizno kontrolisan i efikasan prenos ultrazvuka snage omogućava pouzdane, precizno kontrolisane i reproducibilne uslove, gde se putevi hemijske reakcije mogu pokrenuti, pojačati i prebaciti. Nasuprot tome, ultrazvučna kupka (također poznata kao ultrazvučni čistač ili rezervoar) isporučuje ultrazvuk s vrlo malom gustinom snage i nasumično nastalim kavitacijskim mrljama u veliku zapreminu tekućine. Ovo čini ultrazvučne kupke nepouzdanim za bilo kakve sonohemijske reakcije.
“Ultrazvučne kupke za čišćenje imaju gustinu snage koja odgovara malom postotku one koju generiše ultrazvučna sirena. Upotreba kupki za čišćenje u sonohemiji je ograničena, s obzirom na to da se ne postiže uvijek potpuno homogena veličina čestica i morfologija. To je zbog fizičkih efekata ultrazvuka na procese nukleacije i rasta.” (González-Mendoza et al. 2015.)

Ultrasonikatori visokih performansi za sintezu nanočestica zlata

Hielscher Ultrasonics isporučuje moćne i pouzdane ultrazvučne procesore za sonohemijsku sintezu (sono-sintezu) nanočestica kao što su zlato i druge nanostrukture plemenitih metala. Ultrazvučno miješanje i disperzija povećava prijenos mase u heterogenim sistemima i potiče vlaženje i naknadnu nukleaciju atomskih klastera kako bi se istaložile nanočestice. Ultrazvučna sinteza nanočestica je jednostavna, isplativa, biokompatibilna, reproducibilna, brza i sigurna metoda.
Hielscher Ultrasonics isporučuje moćne i precizno kontrolisane ultrazvučne procesore za formiranje struktura nano veličine kao što su nanošire, nanošipke, nanopojasi, nano-trake, nanoklasteri, čestice jezgra-ljuske itd.
Pročitajte više o ultrazvučnoj sintezi magnetnih nanočestica!
Naši kupci cijene pametne karakteristike Hielscher digitalnih uređaja, koji su opremljeni inteligentnim softverom, ekranom osjetljivim na dodir u boji, automatskim protokolom podataka na ugrađenoj SD kartici i imaju intuitivan meni za jednostavan i siguran rad.
Pokrivajući kompletan raspon snage od 50 vati ručnih ultrazvučnih aparata za laboratoriju do 16.000 vati moćnih industrijskih ultrazvučnih sistema, Hielscher ima idealnu ultrazvučnu postavku za vašu primjenu. Sonohemijska oprema za serijsku i kontinuiranu inline proizvodnju u protočnim reaktorima je lako dostupna na bilo kojoj stolnoj i industrijskoj veličini. Robusnost Hielscher sonikatora omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima.

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: