Zlaté nanočástice jednotného tvaru a morfologie mohou být účinně syntetizovány sonochemickou cestou. Ultrazvukem podporovaná chemická reakce syntézy nanočástic zlata může být přesně řízena pro velikost částic, tvar (např. Nanosféry, nanorody, nanobelty atd.) a morfologii. Účinný, jednoduchý, rychlý a zelený chemický postup umožňuje spolehlivou výrobu zlatých nanostruktur v průmyslovém měřítku.

Nanočástice zlata a nanostruktury

Nanočástice zlata a nano-velké struktury jsou široce implementovány v R&D a průmyslové procesy díky jedinečným vlastnostem nano-velkého zlata včetně elektronických, magnetických a optických vlastností, efektů kvantové velikosti, rezonance povrchového plazmonu, vysoké katalytické aktivity, samosestavy mimo jiné vlastností. Oblasti použití pro nanočástice zlata (Au-NPs) sahají od použití jako katalyzátoru až po výrobu nanoelektronických zařízení, stejně jako použití v zobrazování, nanofonice, nanomagnetikách, biosenzorech, chemických senzorech, pro optické a teranostické aplikace, dodávky léků a další využití.

Metody syntézy nanočástic zlata

Nano-strukturované částice zlata mohou být syntetizovány různými cestami pomocí vysoce výkonné ultrazvuku. Ultrazvuku není jen jednoduchá, účinná a spolehlivá technika, navíc použití ultrazvuku vytváří podmínky pro chemickou redukci zlatých iontů bez toxických nebo drsných chemických látek a umožňuje tvorbu ušlechtilých kovových nanočástic různých morfologií. Volba trasy a sonochemická léčba (také známá jako sonosyntéza) umožňuje vyrábět zlaté nanostruktury, jako jsou zlaté nanošerdiny, nanorody, nanošty atd. S jednotnou velikostí a morfologií.
Níže najdete vybrané sonochemické cesty pro přípravu zlatých nanočástic.

Ultrazvukem vylepšená Turkevichova metoda

Použití ultrazvuku se používá k zesílení Turkevich citrát-redukce reakce, stejně jako modifikované Turkevich postupy.
Turkevichova metoda produkuje mírně monodisperse sférické nanočástice zlata o průměru asi 10–20 nm. Mohou být produkovány větší částice, ale za cenu monodisperzity a tvaru. V této metodě se horká kyselina chloraurová ošetřuje roztokem citrátu sodného, který produkuje koloidní zlato. Turkevichova reakce probíhá tvorbou přechodných nanodrátků zlata. Tyto zlaté nanodrátky jsou zodpovědné za tmavý vzhled reakčního roztoku, než se změní na rubínově červenou.
Fuentes-García a kol. (2020), kteří sonochemicky syntetizovali nanočástice zlata, uvádějí, že je možné vyrábět nanočástice zlata s vysokou absorpční interakcí pomocí ultrazvuku jako jediného zdroje energie, snížení laboratorních požadavků a kontrolních vlastností modifikujících jednoduché parametry.
Lee a kol. (2012) prokázali, že ultrazvuková energie je klíčovým parametrem pro výrobu sférických nanočástic zlata (AuNPs) tunovatelných velikostí 20 až 50 nm. Sonosyntéza redukcí citrátu sodného produkuje monodisperzní sférické nanočástice zlata ve vodivém roztoku za atmosférických podmínek.

Turkevich-Frensova metoda pomocí ultrazvuku

Modifikací výše popsané reakční cesty je Turkevich-Frensova metoda, což je jednoduchý vícestupňový proces syntézy nanočástic zlata. Ultrazvuku podporuje Turkevich-Frens reakční cestu stejným způsobem jako Turkevichova cesta. Počátečním krokem Turkevich-Frensova vícestupňového procesu, kde se reakce vyskytují v sérii a paralelně, je oxidace citrátu, který poskytuje dikarpární aceton. Poté se aurická sůl zredukuje na aurous sůl a Au⁰arous sůl je sestavena na Au⁰ atomy, které tvoří AuNP (viz schéma níže).

Syntéza nanočástic zlata turkevichovou metodou.
schéma a studium: ©Zhao et al., 2013

To znamená, že karboxy aceton vyplývající z oxidace citrátu spíše než citrát sám působí jako skutečný stabilizátor AuNP v Turkevich-Frensově reakci. Citrátová sůl navíc modifikuje pH systému, což ovlivňuje rozložení velikosti a velikosti nanočástic zlata (AuNPs). Tyto podmínky Turkevich-Frensova reakce produkují téměř monodisperse nanočástice zlata s velikostí částic mezi 20 až 40nm. Přesná velikost částic může být upravena při změně pH roztoku, stejně jako ultrazvukovými parametry. Citrátem stabilizované AuNPs jsou vždy větší než 10 nm, vzhledem k omezené redukční schopnosti dihydrátu citátu trisodného. Použití D však₂O jako rozpouštědlo místo H₂O během syntézy AuNPs umožňuje syntetizovat AuNPs s velikostí částic 5 nm. Jako přidání D₂O zvýšit redukční pevnost citrátu, kombinace D₂O a C₆H₉Sodík₃Ó₉. (srov. Zhao a kol., 2013)

Protokol pro Sonochemickou Turkevich-Frensovou cestu

Za účelem syntézy nanočástic zlata v postupu zdola nahoru turkevich-frensovou metodou se 50 ml kyseliny chloraurové (HAuCl₄), 0,025 mM se nalije do skleněné kádinky o rozloze 100 ml, do které se nasype 1 ml 1,5 % (š/v) vodného roztoku citrátu trisodného (Na₃Ct) se přidává za ultrazvuku při pokojové teplotě. Ultrazvuku byl proveden na 60W, 150W, a 210W. The Na₃Ct/HAuCl₄ poměr použitý ve vzorcích je 3:1 (w/v). Po ultrazvuku, koloidní roztoky ukázaly různé barvy, fialové pro 60 W a rubínově červené pro vzorky 150 a 210 W. Menší velikosti a více sférických shluků zlatých nanočástic byly vyrobeny zvýšením sonikace, podle strukturální charakterizace. Fuentes-García a kol. (2021) ukazují ve svých výzkumech silný vliv zvyšující se sonikace na velikost částic, polyedrickou strukturu a optické vlastnosti sonochemicky syntetizovaných nanočástic zlata a reakční kinetiky pro jejich tvorbu. Oba zlaté nanočástice o velikosti 16nm a 12nm mohou být vyrobeny sonochemickým postupem na míru. (Fuentes-García et al., 2021)

(a,b) TEM obraz a c) distribuce velikosti sonochemicky syntetizovaných zlatých nanočástic (AuNPs)
Obrázek a studium: © Dheyab et al., 2020.

Sonolýza nanočástic zlata

Další metodou pro experimentální tvorbu zlatých částic je sonolýza, kde se ultrazvuk aplikuje pro syntézu zlatých částic o průměru pod 10 nm. V závislosti na činidlech může být sonolytická reakce spuštěna různými způsoby. Například použití ultrazvuku vodného roztoku HAuCl₄ s glukózou, hydroxylovými radikály a radikály pyrolýzy cukru působí jako redukční činidla. Tyto radikály se tvoří v interfaciální oblasti mezi hroutícími se dutinami vytvořenými intenzivním ultrazvukem a sypkou vodou. Morfologie zlatých nanostruktur jsou nanoribbony 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, získávají se pouze částice sférického zlata, což naznačuje, že glukóza je nezbytná pro nasměrování morfologie směrem ke stuze.

Příkladný protokol pro sonochemickou syntézu nano zlata

Prekurzorové materiály používané k syntéze AuNPs potažených citrátem zahrnují HAuCl₄, citrát sodný a destilovaná voda. Za účelem přípravy vzorku byl prvním krokem rozpuštění HAuCl₄ v destilované vodě o koncentraci 0,03 M. Následně byl roztok HAuCl₄ (2 ml) se postupně přidá do 20 ml vodného roztoku citrátu sodného o 0,03 M. Během fáze míchání byla do roztoku vložena ultrazvuková sonda s vysokou hustotou (20 kHz) s ultrazvukovým rohem po dobu 5 minut při znějícím výkonu 17,9 W·cm²
(srov. Dhabey na al. 2020)

Syntéza nanoznačů zlata pomocí sonikace

Jednotlivé cristalline nanobelty (viz TEM obrázek vlevo) lze syntetizovat pomocí použití ultrazvuku vodného roztoku HAuCl₄ v přítomnosti α-D-glukózy jako reagens. Soniochemicky syntetizované zlaté nanošty vykazují průměrnou šířku 30 až 50 nm a délku několika mikrometrů. Ultrazvuková reakce na výrobu zlatých nanošátů je jednoduchá, rychlá a zabraňuje použití toxických látek. (srov. Zhang a kol., 2006)

Povrchově aktivní látky k ovlivnění sonochemické syntézy zlatých IP

Aplikace intenzivního ultrazvuku na chemické reakce iniciuje a podporuje konverzi a výnosy. Pro získání rovnoměrné velikosti částic a určitých cílených tvarů / morfologií je výběr povrchově aktivních látek kritickým faktorem. Přidání 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) cukr – > pyrolýzní radikály
(3) AIII + snížení radikálů —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanošty)
(srov. Zhao a kol., 2014)

Síla ultrasonicators typu sondy

Ultrazvukové sondy nebo sonotrody (nazývané také ultrazvukové rohy) poskytují vysoce intenzivní ultrazvuk a akustickou kavitaci ve velmi zaměřené formě do chemických roztoků. Tento přesně kontrolovatelný a účinný přenos ultrazvukového výkonu umožňuje spolehlivé, přesně kontrolovatelné a reprodukovatelné podmínky, kde lze zahájit, zesílit a přepínat cesty chemické reakce. Naproti tomu ultrazvuková lázeň (také známá jako ultrazvukový čistič nebo nádrž) poskytuje 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 čistící lázně mají hustotu výkonu, která odpovídá malému procentu hustoty generované ultrazvukovým rohem. Použití čisticích lázní v sonochemii je omezené, vzhledem k tomu, že není vždy dosaženo plně homogenní velikosti částic a morfologie. To je způsobeno fyzickými účinky ultrazvuku na nukleaci a rostoucí procesy." (González-Mendoza et al. 2015)

Vysoce výkonné ultrasonicators pro syntézu zlatých nanočástic

Hielscher Ultrasonics dodává výkonné a spolehlivé ultrazvukové procesory pro sonochemickou syntézu (sono-syntézu) nanočástic, jako je zlato a další ušlechtilé kovové nanostruktury. Ultrazvukové míchání a disperze zvyšuje přenos hmoty v heterogenních systémech a podporuje smáčení a následnou nukleaci atomových klastrů, aby se vysrážely nanočástice. Ultrazvuková syntéza nanočástic je jednoduchá, nákladově efektivní, biokompatibilní, reprodukovatelná, rychlá a bezpečná metoda.
Hielscher Ultrasonics dodává výkonné a přesně kontrolovatelné ultrazvukové procesory pro tvorbu nano-velkých struktur, jako jsou nanoshery, nanorody, nanošály, nanoroušky, nano stuhy, nanoklustery, částice jádra atd.
Naši zákazníci oceňují inteligentní funkce digitálních zařízení Hielscher, která jsou vybavena inteligentním softwarem, barevným dotykovým displejem, automatickým datovým protokolem na vestavěné SD kartě a mají intuitivní menu pro uživatelsky přívětivý a bezpečný provoz.
Pokrývající kompletní rozsah výkonu od 50 wattů ruční ultrasonicators pro laboratoř až do 16,000 wattů výkonných průmyslových ultrazvukových systémů, Hielscher má ideální ultrazvukové nastavení pro vaši aplikaci. Sonochemická zařízení pro dávkovou a kontinuální inline výrobu v průtokových reaktorech jsou snadno dostupná v jakékoli stolní a průmyslové velikosti. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje 24/7 provozu při těžké zátěži a v náročných prostředích.

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: