Guld nanopartikler af ensartet form og morfologi kan effektivt syntetiseres via sonokemisk rute. Den ultralydsforfremmede kemiske reaktion af guld nanopartikler syntese kan præcist styres for partikelstørrelse, form (f.eks nanosfærer, nanorods, nanobælter osv.) og morfologi. Den effektive, enkle, hurtige og grønne kemiske procedure giver mulighed for pålidelig produktion af guldnanostrukturer i industriel skala.

Guld nanopartikler og nanostrukturer

Guld nanopartikler og nano-størrelse strukturer er bredt implementeret i R&D og industrielle processer på grund af de unikke egenskaber af nano-størrelse guld, herunder elektroniske, magnetiske og optiske egenskaber, quantum størrelse effekter, overflade plasmon resonans, høj katalytisk aktivitet, selvmontering blandt andre egenskaber. Anvendelsesfelterne for nanopartikler af guld (Au-NPs) spænder fra anvendelse som katalysator til fremstilling af nanoelektroniske enheder samt anvendelse i billeddannelse, nano-fotonik, nanomagnetiske, biosensorer, kemiske sensorer, til optiske og theranostiske applikationer, lægemiddellevering samt andre udnyttelser.

Metoder til guld nanopartikler Syntese

Nanostrukturerede guldpartikler kan syntetiseres via forskellige ruter ved hjælp af højtydende ultralydbehandling. Ultralydbehandling er ikke kun en enkel, effektiv og pålidelig teknik, desuden skaber sonikering betingelser for kemisk reduktion af guldioner uden giftige eller barske kemiske agenser og gør det muligt at danne ædle metal nanopartikler af forskellige morfologier. Valget af rute og sonokemisk behandling (også kendt som sonosyntese) gør det muligt at producere guldnanostrukturer som guldnanosheres, nanorods, nanobælter osv. med ensartet størrelse og morfologi.
Nedenfor kan du finde udvalgte sonokemiske stier til fremstilling af guld nanopartikler.

Ultralyd forbedret Turkevich Metode

Sonikering bruges til at intensivere Turkevich citrat-reduktion reaktion samt ændrede Turkevich procedurer.
Turkevich-metoden producerer beskedent monodisperse sfæriske guld nanopartikler på omkring 10-20nm i diameter. Større partikler kan produceres, men på bekostning af monodispersitet og form. I denne metode behandles varm chloroaursyre med natriumcitratopløsning, der producerer kolloidt guld. Turkevich-reaktionen fortsætter via dannelse af forbigående guld nanowires. Disse guld nanowires er ansvarlige for det mørke udseende af reaktionsopløsningen, før den bliver rubinrød.
Fuentes-García et al. (2020), der sonokemisk syntetiserede guldnanopartikler, rapporterer, at det er muligt at fremstille guldnanopartikler med høj absorptionsinteraktion ved hjælp af ultralydbehandling som en eneste energikilde, hvilket reducerer laboratoriekravene og kontrollerer egenskaber, der ændrer enkle parametre.
Lee et al. (2012) viste, at ultralydsenergi er en vigtig parameter til fremstilling af sfæriske guld nanopartikler (AuNPs) af tunable størrelser på 20 til 50 nm. Sonosyntesen via natriumcitratreduktion producerer monodisperse sfæriske guldnanopartikler i vandig opløsning under atmosfæriske forhold.

Turkevich-Frens-metoden ved hjælp af ultralyd

En ændring af ovennævnte beskrevne reaktionsvej er Turkevich-Frens-metoden, som er en simpel flertrinsproces for syntesen af guldnanopartikler. Ultralydbehandling fremmer Turkevich-Frens reaktionsvej på samme måde som Turkevich-ruten. Det første trin i Turkevich-Frens multiple-step proces, hvor reaktioner forekommer i serier og parallelt, er oxidation af citrat, der giver dicarboxy acetone. Derefter reduceres auricsaltet til aurous salt og Au⁰, og det aurøse salt samles på Au⁰ atomer til at danne AuNP (se ordningen nedenfor).

Guld nanopartikler syntese via Turkevich metode.
ordning og undersøgelse: ©Zhao et al., 2013

Det betyder, at dicarboxy acetone som følge af oxidation af citrat snarere end citrat selv fungerer som den faktiske AuNP stabilisator i Turkevich-Frens reaktion. Citrat salt desuden ændrer pH af systemet, som påvirker størrelsen og størrelsen fordeling af guld nanopartikler (AuNPs). Disse betingelser for Turkevich-Frens reaktion producerer næsten monodisperse guld nanopartikler med partikelstørrelser mellem 20 og 40nm. Den nøjagtige partikelstørrelse kan ændres ved variation af opløsningens pH-pH såvel som ved ultralydsparametrene. Citrat-stabiliseret AuNPs er altid større end 10 nm, på grund af den begrænsede reducerende evne trisodium citrat dihydrat. Brug af D₂O som opløsningsmiddel i stedet for H₂O under syntesen af AuNPs gør det muligt at syntetisere auNPs med en partikelstørrelse på 5 nm. Som tilføjelse af D₂O øge citratens reducerende styrke, kombinationen af D₂O og C₆H₉Na₃den₉. (jf. Zhao et al., 2013)

Protokol for den sonokemiske Turkevich-Frens-rute

For at syntetisere guld nanopartikler i en bottom-up procedure via Turkevich-Frens metode, 50mL chloroauric syre (HAuCl₄), hældes 0,025 mM i et 100 mL glasbæger, hvori 1 mL på 1,5% (w/v) vandig opløsning af trisodiumcitrat (Na₃Ct) tilsættes under ultralydbehandling ved stuetemperatur. Ultralydbehandling blev udført ved 60W, 150W og 210W. The Na₃Ct/HAuCl₄ forholdet, der anvendes i prøverne, er 3:1 (w/v). Efter ultralydbehandling viste de kolloide opløsninger forskellige farver, violet til 60 W og rubinrød til 150 og 210 W prøver. Mindre størrelser og mere sfæriske klynger af guld nanopartikler blev produceret ved at øge sonikering magt, ifølge den strukturelle karakterisering. Fuentes-García et al. (2021) viser i deres undersøgelser den stærke indflydelse af stigende sonikering på partikelstørrelse, polyhedral struktur og optiske egenskaber af de sonokemisk syntetiserede guldnanopartikler og reaktions kinetik for deres dannelse. Begge, guld nanopartikler med en størrelse på 16nm og 12nm kan produceres med en skræddersyet sonokemisk procedure. (Fuentes-García et al., 2021)

a,b) TEM-billede og (c) størrelsesfordeling af sonokemisk syntetiserede guldnanopartikler (AUNPs)
Billede og undersøgelse: © Dheyab et al., 2020.

Sonolyse af Guld nanopartikler

En anden metode til eksperimentel generering af guldpartikler er ved sonolyse, hvor ultralyd påføres syntesen af guldpartikler med en diameter på under 10 nm. Afhængigt af reagenserne kan den sonolytiske reaktion køres på forskellige måder. For eksempel sonikering af en vandig opløsning af HAuCl₄ med glukose, hydroxylradikaler og sukker pyrolyse radikaler fungere som de reducerende midler. Disse radikaler dannes i den interfaciale region mellem de kollapsende hulrum skabt af intens ultralyd og bulkvandet. Morfologien af guld nanostrukturer er nanoribbons med bredde 30-50 nm og længden af flere mikrometer. Disse bånd er meget fleksible og kan bøje med vinkler større end 90 °. Når glukose erstattes af cyclodextrin, en glukose oligomer, opnås kun sfæriske guldpartikler, hvilket tyder på, at glukose er afgørende for at lede morfologien mod et bånd.

Eksemplarisk protokol for sonokemisk nano-guldsyntese

Prækursormaterialer, der anvendes til at syntetisere citratbelagte auNPs omfatter HAuCl₄, natriumcitrat og destilleret vand. For at forberede prøven omfattede det første skridt opløsningen af HAuCl₄ i destilleret vand med en koncentration på 0,03 M. Efterfølgende er løsningen af HAuCl₄ (2 mL) blev tilsat dropwise til 20 mL vandig 0,03 M natriumcitratopløsning. Under blandingsfasen blev en ultralydsonde med høj densitet (20 kHz) med et ultralydshorn indsat i opløsningen i 5 min ved en klingende effekt på 17,9 W·cm²
(jf. Dhabey på al. 2020)

Guld nanobæltesyntese ved hjælp af sonikering

Enkelte cristalline nanobælter (se TEM billede til venstre) kan syntetiseres via sonikering af en vandig opløsning af HAuCl₄ i nærværelse af α-D-Glucose som reagens. De soniokemisk syntetiserede guld nanobælter viser en gennemsnitlig bredde på 30 til 50 nm og flere mikrometer længde. Ultralydsreaktionen til produktion af guldnanobælter er enkel, hurtig og undgår brugen af giftige stoffer. (jf. Zhang et al., 2006)

Overfladeaktive stoffer til at påvirke sonokemisk syntese af Guld NPs

Anvendelsen af intens ultralyd på kemiske reaktioner indleder og fremmer konvertering og udbytter. For at opnå ensartet partikelstørrelse og visse målrettede former / morfologier er valget af overfladeaktive stoffer en kritisk faktor. Tilsætning af alkoholer hjælper også med at kontrollere partikelformen og størrelsen. For eksempel i nærværelse af a-d-glukose, de vigtigste reaktioner i sonolyse processen med vandige HAuCl₄ som afbildet i følgende ligninger (1-4):
(1) H₂ O – > H∙ + OH∙
2) sukker — > pyrolyseradikaler
3) AIII + reduktion af radikale – > Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (nanobælter)
(jf. Zhao et al., 2014)

Kraften i Probe-type ultralydapparater

Ultralydsonder eller sonotroder (også kaldet ultralydshorn) leverer højintensiv ultralyd og akustisk kavitation i meget fokuseret form i kemiske løsninger. Denne præcist kontrollerbare og effektive transmission af effekt ultralyd giver mulighed for pålidelige, præcist kontrollerbare og reproducerbare forhold, hvor kemiske reaktionsveje kan påbegyndes, intensiveres og skiftes. I modsætning hertil leverer et ultralydsbad (også kendt som ultralydsrenser eller tank) ultralyd med meget lav effekttæthed og tilfældigt forekommende hulrumspletter i et stort flydende volumen. Dette gør ultralydsbade upålidelige for alle sonokemiske reaktioner.
"Ultralydsrensningsbade har en effekttæthed, der svarer til en lille procentdel af den, der genereres af et ultralydshorn. Brugen af rengøringsbade i sonokemi er begrænset, i betragtning af at fuldt homogen partikelstørrelse og morfologi ikke altid nås. Dette skyldes de fysiske virkninger af ultralyd over nucleation og voksende processer." (González-Mendoza et al. 2015)

Højtydende ultralydapparater til syntesen af guld nanopartikler

Hielscher Ultrasonics leverer kraftfulde og pålidelige ultralydsprocessorer til sonokemisk syntese (sono-syntese) af nanopartikler som guld og andre ædle metal nanostrukturer. Ultralyd agitation og spredning øger masseoverførslen i heterogene systemer og fremmer befugtning og efterfølgende nukleation af atomklynger for at udfælde nanopartikler. Ultralydsyntese af nanopartikler er en enkel, omkostningseffektiv, biokompatibil, reproducerbar, hurtig og sikker metode.
Hielscher Ultrasonics leverer kraftfulde og præcist kontrollerbare ultralydsprocessorer til dannelse af nanostore strukturer som nanosheres, nanorods, nanobælter, nanobånd, nanoclusters, kerneskalpartikler osv.
Vores kunder værdsætter de smarte funktioner i Hielscher digitale enheder, som er udstyret med intelligent software, farvet touch display, automatisk dataprotokoller på et indbygget SD-kort og har en intuitiv menu til brugervenlig og sikker drift.
Dækker hele effektområdet fra 50 watt håndholdte ultralydapparater til laboratoriet op til 16.000 watt kraftfulde industrielle ultralydssystemer, hielscher har den ideelle ultralyd setup til din ansøgning. Sonokemisk udstyr til batch og kontinuerlig inline produktion i flow-through reaktorer er let tilgængelige på enhver bænk-top og industriel størrelse. Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og i krævende miljøer.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: