Učinkovita i kontrolirana sinteza zlatnih nanočestica

Zlatne nanočestice ujednačenog oblika i morfologije mogu se učinkovito sintetizirati sonokemijskim putem. Ultrazvučno promovirana kemijska reakcija sinteze zlatnih nanočestica može se precizno kontrolirati za veličinu čestica, oblik (npr. Nanosfere, nanorode, nanobelte itd.) i morfologiju. Učinkovit, jednostavan, brz i zelen kemijski postupak omogućuje pouzdanu proizvodnju zlatnih nanostruktura u industrijskim razmjerima.

Zlatne nanočestice i nanostrukture

Zlatne nanočestice i strukture nano veličine široko se primjenjuju u R&D i industrijski procesi zbog jedinstvenih svojstava zlata nano veličine, uključujući elektroničke, magnetske i optičke karakteristike, kvantne učinke veličine, površinsku plazmona rezonanciju, visoku katalitičku aktivnost, samo-montažu među ostalim svojstvima. Područja primjene zlatnih nano-čestica (Au-NPs) kreću se od uporabe kao katalizatora do proizvodnje nanoelektroničkih uređaja, kao i uporabe u slikama, nano-fotonici, nanomagnetskim, biosenzorima, kemijskim senzorima, za optičke i teranostičke primjene, isporuku lijekova kao i druge koristi.

Metode sinteze zlatne nanočestice

Nano-strukturirane zlatne čestice mogu se sintetizirati različitim rutama pomoću ultrazvuke visokih performansi. Ultrasonication nije samo jednostavna, učinkovita i pouzdana tehnika, nadalje ultrazvukom stvara uvjete za kemijsku redukciju zlatnih iona bez toksičnih ili oštrih kemijskih sredstava i omogućuje stvaranje plemenitih metalnih nanočestica različitih morfologija. Izbor rute i sonokemijskog liječenja (također poznat kao sonosinteza) omogućuje proizvodnju zlatnih nanostruktura kao što su zlatne nanosheres, nanorods, nanobelts itd. s ujednačenom veličinom i morfologijom.
Ispod možete pronaći odabrane sonokemijske staze za pripremu zlatnih nanočestica.

Ultrazvučno poboljšana turkevich metoda

Sonication se koristi za intenziviranje Turkevich citrate-redukcijske reakcije, kao i modificirane Turkevich procedure.
Turkevich metoda proizvodi skromno monodisperze sfernih zlatnih nanočestica promjera oko 10-20nm. Veće čestice mogu se proizvesti, ali po cijenu monodisperznosti i oblika. U ovoj metodi, vruća kloroaurijska kiselina se tretira otopinom natrijevog citrata, stvarajući koloidno zlato. Turkevich reakcija se nastavlja stvaranjem prolaznih zlatnih nano žica. Ove zlatne nanožice odgovorne su za tamni izgled reakcijske otopine prije nego što postane rubin-crvena.
(2020), koji su sonokemijski sintetizirali zlatne nanočestice, izvješćuju da je moguće proizvesti zlatne nanočestice s visokom apsorpcijskom interakcijom koristeći ultrazvuku kao jedini izvor energije, smanjujući laboratorijske zahtjeve i kontrolirajući svojstva mijenjajući jednostavne parametre.
(2012) pokazao da ultrazvučna energija je ključni parametar za proizvodnju sfernih zlatnih nanočestica (AuNPs) podebljanih veličina od 20 do 50 nm. Sonosinteza smanjenjem natrijevog citrata proizvodi monodisperzne sferne zlatne nanočestice u akvatoznoj otopini u atmosferskim uvjetima.

Metoda Turkevich-Frens pomoću ultrazvuka

Modifikacija gore opisanog reakcijskog puta je Metoda Turkevich-Frens, koja je jednostavan proces u više koraka za sintezu zlatnih nanočestica. Ultrasonication promiče Turkevich-Frens reakcijski put na isti način kao Turkevich ruta. Početni korak Procesa Turkevich-Frens u više koraka, gdje se reakcije javljaju u seriji i paralelno, je oksidacija citrata koja daje dikarboksi aceton. Zatim se ušna sol svodi na sumpornu sol i Au⁰, a pobuđena sol sastavljena je na Au⁰ za formiranje AuNP-a (vidi shemu u nastavku).

Sinteza zlatne nanočestice Turkevich metodom.
shema i studija: ©Zhao i sur., 2013.

To znači da dikarboksi aceton koji je rezultat oksidacije citrata, a ne samog citrata djeluje kao stvarni stabilizator AuNP-a u turkevich-frens reakciji. Citratna sol dodatno mijenja pH sustava, što utječe na raspodjelu veličine i veličine zlatnih nanočestica (AuNPs). Ovi uvjeti Turkevich-Frens reakcije proizvode gotovo monodisperse zlatne nanočestice s veličinama čestica između 20 i 40nm. Točna veličina čestica može se mijenjati nakon varijacije pH otopine, kao i ultrazvučnih parametara. Citrate stabilizirani AuNPs su uvijek veći od 10 nm, zbog ograničene redukcijske sposobnosti trisodium citrat dihidrata. Međutim, korištenjeM D₂O kao otapalo umjesto H₂O tijekom sinteze AuNPs omogućuje sintezu AuNPs s veličinom čestica od 5 nm. Kao dodatak D₂O povećati redukcijsku čvrstoću citrata, kombinaciju D₂O i C₆H₉Na₃O₉. (usp. Zhao et al., 2013.)

Protokol za Sonochemical Turkevich-Frens Route

Kako bi se zlatne nanočestice sintetizirale u postupku "odozdo prema gore" metodom Turkevich-Frens, 50 ml kloroaurske kiseline (HAuCl₄), 0,025 mM ulijeva se u staklenu čašu od 100 ml, u koju je 1 ml od 1,5% (w/v) akvaijske otopine trisodium citrata (Na₃Ct) dodaje se pod ultrazvukom na sobnoj temperaturi. Ultrasonication je provedena na 60W, 150W, i 210W. The Na₃Ct/HAuCl₄ omjer koji se koristi u uzorcima je 3:1 (w/v). Nakon ultrazvuka, koloidne otopine pokazale su različite boje, ljubičaste za 60 W i rubin-crvene za uzorke od 150 i 210 W. Manje veličine i sferičnije nakupine zlatnih nanočestica proizvedene su povećanjem snage ultrazvukom, prema strukturnoj karakterizaciji. (2021) pokazuju u svojim istraživanjima snažan utjecaj povećanja ultrazvukom na veličinu čestica, poliedarnu strukturu i optička svojstva sonokemijski sintetiziranih zlatnih nanočestica i reakcijske kinetike za njihovo formiranje. Obje, zlatne nanočestice veličine 16nm i 12nm mogu se proizvesti prilagođenim sonokemijskim postupkom. (Fuentes-García i sur., 2021.)

(a,b) TEM slika i (c) raspodjela veličine sonokemijski sintetiziranih zlatnih nanočestica (AuNPs)
Slika i studija: © Dheyab i sur., 2020.

Sonoliza zlatnih nanočestica

Druga metoda za eksperimentalno generiranje zlatnih čestica je sonoliza, gdje se ultrazvuk primjenjuje za sintezu zlatnih čestica promjera ispod 10 nm. Ovisno o reagensima, sonolitička reakcija može se izvoditi na različite načine. Na primjer, ultrazvukom akvaozne otopine HAuCl₄ glukozom, hidroksil radikalima i radikalima pirolize šećera djeluju kao redukcijska sredstva. Ovi radikali nastaju u međupovršiljnoj regiji između urušavanja šupljina stvorenih intenzivnim ultrazvukom i masovne vode. Morfologija zlatnih nanostruktura su nanoribboni širine 30–50 nm i duljine nekoliko mikrometara. Ove vrpce su vrlo fleksibilne i mogu se savijati s kutovima većim od 90 °. Kada se glukoza zamijeni ciklodekstrinom, oligomerom glukoze, dobivaju se samo sferne zlatne čestice, što sugerira da je glukoza neophodna za usmjeravanje morfologije prema vrpci.

Uzorni protokol za sintezu sonokemijskih nano-zlata

Prekursorski materijali koji se koriste za sintezu AuNP-ova presvučenih citratom uključuju HAuCl₄, natrijev citrat i destilirana voda. Kako bi se uzorak pripremio, prvi korak uključivao je raspuštanje HAuCl-a₄ u destiliranoj vodi s koncentracijom od 0,03 M. Nakon toga, rješenje HAuCl₄ (2 ml) dodano je kap po kap na 20 ml otopine akvaoznog citrata natrijevog citrata od 0,03 M. Tijekom faze miješanja, ultrazvučna sonda visoke gustoće (20 kHz) s ultrazvučnim rogom umetnuta je u otopinu 5 minuta pri zvučnoj snazi od 17,9 W·cm²
(usp. Dhabey na al. 2020)

Sinteza zlatnog nanobelta pomoću ultrazvukom

Jednostruki kristalni nanobelti (vidi TEM sliku lijevo) mogu se sintetizirati ultrazvukom akvaozne otopine HAuCl₄ u prisutnosti α-D-glukoze kao reagensa. Soniokemijski sintetizirani zlatni nanobelti pokazuju prosječnu širinu od 30 do 50 nm i nekoliko mikrometara duljine. Ultrazvučna reakcija za proizvodnju zlatnih nanobelta je jednostavna, brza i izbjegava uporabu otrovnih tvari. (usp. Zhang et al, 2006.)

Površinski aktivne osobe koje utječu na sonokemijsku sintezu zlatnih PK-ova

Primjena intenzivnog ultrazvuka na kemijske reakcije inicira i potiče pretvorbu i prinose. Kako bi se dobila ujednačena veličina čestica i određeni ciljani oblici / morfologije, izbor površinski aktivnih tvari je kritični čimbenik. Dodavanje alkohola također pomaže u kontroli oblika i veličine čestica. Na primjer, u prisutnosti a-d-glukoze, glavne reakcije u procesu sonolize akvautskog HAuCl₄ kao što je prikazano u sljedećim jednadžbama (1-4):
(1) H₂ O — > H∙ + OH∙
(2) šećer – > radikali pirolize
(3) AIII + smanjenje radikala – > Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelti)
(usp. Zhao et al., 2014.)

Snaga sondi tipa Ultrasonicators

Ultrazvučne sonde ili sonotrode (koji se nazivaju i ultrazvučni rogovi) pružaju ultrazvuk visokog intenziteta i akustičnu kavitaciju u vrlo fokusiranom obliku u kemijska rješenja. Ovaj precizno kontrolirani i učinkovit prijenos ultrazvuka snage omogućuje pouzdane, precizno kontrolirane i ponovljive uvjete, gdje se kemijski reakcijski putovi mogu pokrenuti, pojačati i prebaciti. Nasuprot tome, ultrazvučna kupka (također poznata kao ultrazvučni čistač ili spremnik) isporučuje ultrazvuk s vrlo niskom gustoćom snage i nasumično prisutnim kavitacijama u veliki volumen tekućine. To čini ultrazvučne kupke nepouzdanim za bilo kakve sonokemijske reakcije.
"Ultrazvučne kupke za čišćenje imaju gustoću snage koja odgovara malom postotku onoga što generira ultrazvučni rog. Upotreba kupki za čišćenje u ultrazvučnoj kemiji je ograničena, s obzirom da se ne postiže uvijek potpuno homogena veličina čestica i morfologija. To je zbog fizičkih učinaka ultrazvuka preko nukleacije i rastućih procesa." (González-Mendoza i sur. 2015.)

Ultrasonicators visokih performansi za sintezu zlatnih nanočestica

Hielscher Ultrasonics opskrbljuje snažne i pouzdane ultrazvučne procesore za sonokemijsku sintezu (sono-sinteza) nanočestica kao što su zlato i druge plemenite metalne nanostrukture. Ultrazvučna agitacija i disperzija povećava prijenos mase u heterogenim sustavima i potiče vlaženje i naknadnu nukleaciju klastera atoma kako bi se taložile nano-čestice. Ultrazvučna sinteza nano-čestica je jednostavna, isplativa, biokompatibilna, ponovljiva, brza i sigurna metoda.
Hielscher Ultrasonics opskrbljuje snažne i precizno kontrolirane ultrazvučne procesore za formiranje nano-veličine strukture kao što su nanosheres, nanorods, nanobelts, nano-vrpce, nanoklusteri, čestice jezgre ljuske itd.
Naši klijenti cijene pametne značajke Hielscher digitalnih uređaja, koji su opremljeni inteligentnim softverom, zaslonom osjetljivim na dodir u boji, automatskim protokoliranjem podataka na ugrađenoj SD kartici i imaju intuitivan izbornik za jednostavan i siguran rad.
Pokrivajući kompletan raspon snage od 50 vata ručnih ultrasonicators za laboratorij do 16.000 vata snažnih industrijskih ultrazvučnih sustava, Hielscher ima idealnu ultrazvučnu postavu za vašu primjenu. Sonokemijska oprema za serijsku i kontinuiranu linijsku proizvodnju u protočnim reaktorima lako je dostupna u bilo kojoj klupi i industrijskoj veličini. Robusnost Hielscherove ultrazvučne opreme omogućuje 24/7 rad na teškim dužnostima iu zahtjevnim okruženjima.

Tablica u nastavku daje vam pokazatelj približne mogućnosti obrade naših ultrazvučnih uređaja: