Efektivní a kontrolovaná syntéza nanočástic zlata

Zlaté nanočástice jednotného tvaru a morfologie mohou být účinně syntetizovány sonochemickou cestou. Ultrazvukem podporovaná chemická reakce syntézy nanočástic zlata může být přesně řízena z hlediska velikosti částic, tvaru (např. nanosfér, nanotyčinek, nanopásů atd.) a morfologie. Účinný, jednoduchý, rychlý a ekologický chemický postup umožňuje spolehlivou výrobu zlatých nanostruktur v průmyslovém měřítku.

Nanočástice a nanostruktury zlata

Nanočástice zlata a nano-velké struktury jsou široce implementovány v R&D a průmyslové procesy díky jedinečným vlastnostem nano zlata, včetně elektronických, magnetických a optických charakteristik, efektů kvantové velikosti, rezonance povrchových plazmonů, vysoké katalytické aktivity, samouspořádávání mimo jiné vlastností. Oblasti použití nanočástic zlata (Au-NP) sahají od použití jako katalyzátoru po výrobu nanoelektronických zařízení, stejně jako použití v zobrazování, nanofotonice, nanomagnetických senzorech, biosenzorech, chemických senzorech, pro optické a teranostické aplikace, dodávání léčiv a další využití.

Metody syntézy nanočástic zlata

Nanostrukturované částice zlata mohou být syntetizovány různými cestami pomocí vysoce výkonné ultrazvuku. Ultrazvuku není jen jednoduchá, účinná a spolehlivá technika, navíc sonikace vytváří podmínky pro chemickou redukci iontů zlata bez toxických nebo drsných chemických látek a umožňuje tvorbu nanočástic ušlechtilých kovů různých morfologií. Volba cesty a sonochemického ošetření (známého také jako sonosyntéza) umožňuje produkovat zlaté nanostruktury, jako jsou zlaté nanošery, nanotyčinky, nanopásy atd., s jednotnou velikostí a morfologií.
Níže naleznete vybrané sonochemické cesty pro přípravu nanočástic zlata.

Ultrazvukem vylepšená Turkevichova metoda

Sonikace se používá k zesílení reakce redukce citrátu Turkevich, stejně jako modifikované postupy Turkevich.
Turkevichova metoda produkuje mírně monodisperzní sférické nanočástice zlata o průměru kolem 10–20 nm. Lze vyrábět větší částice, ale za cenu monodisperzity a tvaru. Při této metodě se horká kyselina chloraurová zpracovává roztokem citrátu sodného za vzniku koloidního zlata. Turkevičova reakce probíhá tvorbou přechodných zlatých nanodrátků. Tyto zlaté nanodrátky jsou zodpovědné za tmavý vzhled reakčního roztoku, než se změní na rubínově červený.
Fuentes-García et al. (2020), kteří sonochemicky syntetizovali nanočástice zlata, uvádějí, že je možné vyrábět nanočástice zlata s vysokou absorpční interakcí pomocí ultrazvuku jako jediného zdroje energie, což snižuje laboratorní požadavky a kontroluje vlastnosti úpravou jednoduchých parametrů.
Lee et al. (2012) prokázali, že ultrazvuková energie je klíčovým parametrem pro produkci sférických nanočástic zlata (AuNPs) laditelných velikostí 20 až 50 nm. Sonosyntéza pomocí redukce citrátu sodného produkuje monodisperzní sférické nanočástice zlata ve vodném roztoku za atmosférických podmínek.

Turkevich-Frensova metoda pomocí ultrazvuku

Modifikací výše popsané reakční dráhy je Turkevich-Frensova metoda, což je jednoduchý vícestupňový proces pro syntézu nanočástic zlata. Ultrazvuku podporuje reakční dráhu Turkevich-Frens stejným způsobem jako Turkevičova cesta. Počátečním krokem Turkevich-Frensova vícestupňového procesu, kde reakce probíhají sériově a paralelně, je oxidace citrátu, která poskytuje dikarboxyaceto. Poté se aurická sůl redukuje na aurickou sůl a Au⁰, a aurous sůl se shromáždí na Au⁰ atomy k vytvoření AuNP (viz schéma níže).
 

Syntéza nanočástic zlata Turkevičovou metodou.
schéma a studie: ©Zhao et al., 2013

 
Syntéza nanočástic zlata Turkevičovou metodou.
scheme and study: ©Zhao et al., 2013[/caption]
To znamená, že dikarboxyový aceton, který je výsledkem oxidace citrátu, spíše než citrátu samotného, působí jako skutečný stabilizátor AuNP v Turkevič-Frensově reakci. Citrátová sůl navíc upravuje pH systému, což ovlivňuje velikost a distribuci velikosti nanočástic zlata (AuNP). Tyto podmínky Turkevich-Frensovy reakce produkují téměř monodisperzní nanočástice zlata s velikostí částic mezi 20 až 40 nm. Přesná velikost částic může být upravena na základě změny pH roztoku a také ultrazvukových parametrů. AuNP stabilizované citrátem jsou vždy větší než 10 nm, a to kvůli omezené redukční schopnosti dihydrátu citrátu sodného. Nicméně použití D₂O jako rozpouštědlo místo H2O během syntézy AuNP umožňuje syntetizovat AuNP s velikostí částic 5 nm. Jak přídavek D2O zvyšuje redukční sílu citrátu, kombinace D2O a C₆H₉Sodík₃O₉. (srov. Zhao et al., 2013)

Protokol pro sonochemickou trasu Turkevich-Frens

Za účelem syntézy nanočástic zlata postupem zdola nahoru pomocí metody Turkevich-Frens bylo použito 50 ml kyseliny chloraurové (HAuCl₄), 0,025 mM se nalije do skleněné kádinky o objemu 100 ml, do které se vloží 1 ml 1,5% (m/v) vodného roztoku citrátu sodného (Na₃Ct) se přidává pod ultrazvukem při pokojové teplotě. Ultrazvuku byla provedena při 60W, 150W a 210W. The Na₃Ct/HAuCl₄ Poměr použitý ve vzorcích je 3:1 (W/V). Po ultrazvuku vykazovaly koloidní roztoky různé barvy, fialovou pro 60 W a rubínově červenou pro vzorky 150 a 210 W. Menší velikosti a více sférické shluky nanočástic zlata byly produkovány zvýšením sonikační síly, podle strukturní charakterizace. Fuentes-García et al. (2021) ve svých výzkumech ukazují silný vliv zvyšující se sonikace na velikost částic, polyedrickou strukturu a optické vlastnosti sonochemicky syntetizovaných nanočástic zlata a reakční kinetiku pro jejich tvorbu. Nanočástice zlata o velikosti 16 nm i 12 nm lze vyrobit sonochemickým postupem šitým na míru. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM image (scale of 50 nm) and (c) size distribution of AuNPs synthesized at a
sonication power 17.9 Wcm2.
Obrázek a studie: © Dheyab et al., 2020.

Sonolýza nanočástic zlata

Další metodou pro experimentální generování částic zlata je sonolýza, kdy se ultrazvuk používá pro syntézu částic zlata o průměru menším než 10 nm. V závislosti na činidlech může být sonolytická reakce prováděna různými způsoby. Například sonikace vodného roztoku HAuCl₄ S glukózou působí jako redukční činidla hydroxylové radikály a oxidy pyrolýzy cukru. Tyto radikály se tvoří v mezifázové oblasti mezi kolabujícími dutinami vytvořenými intenzivním ultrazvukem a objemovou vodou. Morfologií zlatých nanostruktur jsou nanopásky o šířce 30–50 nm a délce několika mikrometrů. Tyto stuhy jsou velmi pružné a mohou se ohýbat s úhly většími než 90°. Když je glukóza nahrazena cyklodextrinem, oligomerem glukózy, získají se pouze kulovité částice zlata, což naznačuje, že glukóza je nezbytná pro směřování morfologie směrem k pásce.

Příkladný protokol pro sonochemickou syntézu nanozlata

Prekurzorové materiály používané k syntéze AuNP potažených citrátem zahrnují HAuCl4, citrát sodný a destilovanou vodu. Aby bylo možné připravit vzorek, prvním krokem bylo rozpuštění HAuCl4 v destilované vodě o koncentraci 0,03 M. Následně byl roztok HAuCl4 (2 ml) přidán po kapkách do 20 ml vodného 0,03 M roztoku citrátu sodného. Během fáze míchání byla do roztoku vložena ultrazvuková sonda s vysokou hustotou (20 kHz) s ultrazvukovým rohem po dobu 5 minut při sondážním výkonu 17,9 W·cm²
(srov. Dhabey at al. 2020)

Syntéza zlatého nanopásu pomocí ultrazvuku

Jednotlivé krystalické nanopásy (viz obrázek TEM vlevo) lze syntetizovat sonikací vodného roztoku HAuCl4 v přítomnosti α-D-glukózy jako reagenů. Sonochemicky syntetizované zlaté nanopásy vykazují průměrnou šířku 30 až 50 nm a délku několika mikrometrů. Ultrazvuková reakce pro výrobu zlatých nanopásů je jednoduchá, rychlá a vyhýbá se použití toxických látek. (srov. Zhang et al, 2006)

Povrchově aktivní látky ovlivňující sonochemickou syntézu zlatých NP

Aplikace intenzivního ultrazvuku na chemické reakce iniciuje a podporuje konverzi a výtěžky. Aby bylo možné získat jednotnou velikost částic a určité cílené tvary / morfologie, je výběr povrchově aktivních látek kritickým faktorem. Přídavek alkoholů také pomáhá kontrolovat tvar a velikost částic. Například v přítomnosti a-d-glukózy jsou hlavní reakce v procesu sonolýzy vodného HAuCl₄ Jak je znázorněno v následujících rovnicích (1-4):
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) AIII + reducing radicals —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(srov. Zhao et al., 2014)

Síla ultrazvuku typu sondy

Ultrazvukové sondy nebo sonotrody (nazývané také ultrazvukové rohy) dodávají ultrazvuk a akustickou kavitaci o vysoké intenzitě ve velmi zaostřené formě do chemických roztoků. Tento přesně kontrolovatelný a účinný přenos výkonového ultrazvuku umožňuje spolehlivé, přesně regulovatelné a reprodukovatelné podmínky, za kterých mohou být iniciovány, zesíleny a přepnuty chemické reakční dráhy. Naproti tomu ultrazvuková lázeň (známá také jako ultrazvuková čistička nebo nádrž) dodává ultrazvuk s velmi nízkou hustotou výkonu a náhodně se vyskytujícími kavitačními skvrnami do velkého objemu kapaliny. Díky tomu jsou ultrazvukové lázně nespolehlivé pro jakékoli sonochemické reakce.
"Ultrazvukové čisticí lázně mají hustotu výkonu, která odpovídá malému procentu výkonu generovaného ultrazvukovou houkačkou. Použití čisticích lázní v sonochemii je omezené, vzhledem k tomu, že ne vždy je dosaženo plně homogenní velikosti částic a morfologie. To je způsobeno fyzikálními účinky ultrazvuku na nukleaci a růstové procesy." (González-Mendoza et al. 2015)

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro syntézu nanočástic zlata

Hielscher Ultrasonics dodává výkonné a spolehlivé ultrazvukové procesory pro sonochemickou syntézu (sonosyntézu) nanočástic, jako je zlato a další nanostruktury ušlechtilých kovů. Ultrazvukové míchání a disperze zvyšuje přenos hmoty v heterogenních systémech a podporuje smáčení a následnou nukleaci atomových klastrů za účelem vysrážení nanočástic. Ultrazvuková syntéza nanočástic je jednoduchá, nákladově efektivní, biokompatibilní, reprodukovatelná, rychlá a bezpečná metoda.
Hielscher Ultrasonics dodává výkonné a přesně ovladatelné ultrazvukové procesory pro tvorbu nano-velkých struktur, jako jsou nanošery, nanotyčinky, nanopásy, nano-pásy, nano-pásy, nanoklastry, jádro-obal částice atd.
Naši zákazníci oceňují chytré funkce digitálních zařízení Hielscher, která jsou vybavena inteligentním softwarem, barevným dotykovým displejem, automatickým protokolováním dat na vestavěné SD kartě a intuitivním menu pro uživatelsky přívětivý a bezpečný provoz.
Pokrývající kompletní rozsah výkonu od 50 wattů ručních ultrasonicators pro laboratoř až po 16 000 wattů výkonné průmyslové ultrazvukové systémy, Hielscher má ideální ultrazvukové nastavení pro vaši aplikaci. Sonochemické zařízení pro dávkovou a kontinuální inline výrobu v průtokových reaktorech je snadno dostupné v jakékoli stolní a průmyslové velikosti. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: