Az egységes formájú és morfológiás arany nanorészecskék hatékonyan szintetizálhatók szonokémiai úton. Az arany nanorészecske szintézis ultrahangoslag támogatott kémiai reakciója pontosan szabályozható a részecskeméret, az alak (pl. nanoszférák, nanorodok, nanobeltek stb.) és a morfológia szempontjából. A hatékony, egyszerű, gyors és zöld kémiai eljárás lehetővé teszi az arany nanostruktúrák megbízható gyártását ipari méretekben.

Arany nanorészecskék és nanostruktúrák

Az arany nanorészecskéket és nanoméretű szerkezeteket széles körben alkalmazzák az R&D és ipari folyamatok a nanoméretű arany egyedülálló tulajdonságai miatt, beleértve az elektronikus, mágneses és optikai jellemzőket, a kvantumméret-hatásokat, a felületi plazmon rezonanciát, a nagy katalitikus aktivitást, az önszerelést többek között. Az arany nanorészecskék (Au-NPs) alkalmazási területei a katalizátorként való felhasználástól a nanoelektronikai eszközök gyártásáig, valamint a képalkotásban, nano fotonika, nanomágneses, bioszenzorok, kémiai érzékelők, optikai és teranostikus alkalmazásokban, gyógyszerszállításban és egyéb felhasználásokban való felhasználásig terjednek.

Az arany nanorészecske szintézis módszerei

Nano-strukturált arany részecskék lehet szintetizálni különböző útvonalakon nagy teljesítményű ultrahangos. Az ultrahangos kezelés nem csak egyszerű, hatékony és megbízható technika, hanem az szonikáció feltételeket teremt az aranyionok kémiai csökkentéséhez mérgező vagy kemény vegyi anyagok nélkül, és lehetővé teszi a különböző morfológiák nemes fém nanorészecskéinek kialakulását. Az útvonal és a szonokémiai kezelés (más néven sonozinthesis) lehetővé teszi olyan arany nanostruktúrák, mint az arany nanosheres, nanorudak, nanobeltek stb. egységes méretben és morfológiában történő előállítását.
Az alábbiakban kiválasztott szonokémiai útvonalakat talál az arany nanorészecskék elkészítéséhez.

Ultrahanggal továbbfejlesztett Turkevich módszer

A szonikációt a turkevics citrát-csökkentési reakciójának fokozására, valamint a módosított turkevics eljárások fokozására használják.
A turkevics módszer szerényen monodisperse gömb alakú arany nanorészecskéket állít elő, amelyek átmérője körülbelül 10–20 nm. Nagyobb részecskéket lehet előállítani, de a monodiszperzitás és az alak rovására. Ebben a módszerben a forró kloroaursavat nátrium-citrát oldattal kezeljük, kolloid aranyat termelve. A turkevicsi reakció átmeneti arany nanovezetékek képződése révén megy végbe. Ezek az arany nanovezetékek felelősek a reakcióoldat sötét megjelenéséért, mielőtt rubinvörösre fordulna.
Fuentes-García et al. (2020), aki szonokémiailag szintetizálta az arany nanorészecskéket, arról számol be, hogy lehetséges arany nanorészecskék gyártása nagy abszorpciós kölcsönhatással, ultrahangos kezeléssel, mint egyetlen energiaforrással, csökkentve a laboratóriumi követelményeket és szabályozva az egyszerű paramétereket módosító tulajdonságokat.
Lee et al. (2012) bebizonyította, hogy az ultrahangos energia kulcsfontosságú paraméter a 20-50 nm-es hangolható méretű gömb alakú arany nanorészecskék (AuNPs) előállításához. A nátrium-citrát csökkentésével történő sonoziszintézis légköri körülmények között monodisperse gömb alakú arany nanorészecskéket termel vizes oldatban.

Turkevics-Frens módszer ultrahanggal

A fent leírt reakcióút módosítása a Turkevich-Frens módszer, amely egy egyszerű, többlépcsős folyamat az arany nanorészecskék szintézisére. Az ultrahangos kezelés ugyanúgy elősegíti a Turkevich-Frens reakciópályát, mint a turkevics útvonal. Turkevich-Frens többlépcsős folyamat kezdeti lépése, ahol a reakciók sorozatban és párhuzamosan fordulnak elő, a citrát oxidációja, amely dikarboxy acetont eredményez. Ezután az aurikus só aurous sóra és Au-ra csökken.⁰, és az aurous sót az Au-n szerelik össze⁰ az AuNP-t alkotó atomok (lásd az alábbi sémát).

Arany nanorészecske szintézis Turkevics módszerrel.
program és tanulmány: ©Zhao et al., 2013

Ez azt jelenti, hogy a citrát oxidációjából származó dikarboxy aceton, nem pedig citrát, a Turkevich-Frens reakció tényleges AuNP stabilizátoraként működik. A citrát só emellett módosítja a rendszer pH-ját, ami befolyásolja az arany nanorészecskék (AuNPs) méretét és méretét. A Turkevics-Frens reakció ezen feltételei közel monodisperse arany nanorészecskéket hoznak létre, amelyek részecskemérete 20 és 40 nm között van. A pontos részecskeméret az oldat pH-jának, valamint az ultrahangos paramétereknek a változásával módosítható. A citrát-stabilizált AuNP-k mindig nagyobbak, mint 10 nm, a trinátrium-citrát-dihidrát korlátozott csökkentő képessége miatt. A D használata azonban₂O, mint oldószer H helyett₂Az O az AuNPs szintézise során lehetővé teszi az 5 nm-es részecskeméretű AuNP-k szintetizálását. A D₂O növeli a citrát redukáló erejét, a D₂O és C₆H₉Na₃O₉. (vö. Zhao et al., 2013)

A Szonokémiai Turkevics-Frens útvonal jegyzőkönyve

Annak érdekében, hogy az arany nanorészecskéket alulról felfelé irányuló eljárásban szintetizálják Turkevich-Frens módszerrel, 50mL kloroaursav (HAuCl₄), 0,025 mM-et öntünk egy 100 ml-es üvegpohárba, amelybe 1 ml 1,5% (w/v) trizodium-citrát vizes oldata (Na₃Ct) ultrahangos kezelés alatt szobahőmérsékleten kerül hozzáadásra. Az ultrahangos kezelés 60W, 150W és 210W volt. A Na₃Ct/HAuCl₄ a mintákban használt arány 3:1 (w/v). Az ultrahangos kezelés után a kolloid oldatok különböző színeket mutattak, lila 60 W-ra és rubinvörös 150 és 210 W mintára. Kisebb méretű és gömb alakú arany nanorészecskék klaszterek keletkeztek a növekvő szonikációs teljesítmény, a szerkezeti jellemzés szerint. Fuentes-García et al. (2021) vizsgálataik során azt mutatják, hogy a szonikusság növekvő hatása a részecskeméretre, a poliéder szerkezetére és a szonokémiailag szintetizált arany nanorészecskék optikai tulajdonságaira, valamint a kialakulásuk reakció kinetikájára. Mindkettő, arany nanorészecskék mérete 16nm és 12nm lehet előállítani egy testreszabott szonokémiai eljárás. (Fuentes-García et al., 2021)

a,b) TEM kép és c) a szonokémiailag szintetizált arany nanorészecskék (AuNPs) méreteloszlása
Kép és tanulmány: © Dheyab et al., 2020.

Az arany nanorészecskék szonolízise

Az aranyrészecskék kísérleti generációjának másik módszere a szonolízis, ahol ultrahangot alkalmaznak a 10 nm-nél nagyobb átmérőjű aranyrészecskék szintézisére. A reagensektől függően a szonotikus reakció különböző módon futtatható. Például a HAuCl vizes oldatának szonikálása₄ glükózzal, hidroxil gyökök és cukor pirolízis gyökök működnek, mint a redukáló szerek. Ezek a gyökök a fajok közötti régióban alakulnak ki az intenzív ultrahang által létrehozott összeomló üregek és az ömlesztett víz között. Az arany nanostruktúrák morfológiája nanoribbonok, amelyek szélessége 30–50 nm és több mikrométer hossza. Ezek a szalagok nagyon rugalmasak, és 90° -nál nagyobb szögben hajlíthatók. Amikor a glükózt ciklodextrinnel, glükóz oligomerrel helyettesítik, csak gömb alakú aranyrészecskéket kapunk, ami arra utal, hogy a glükóz elengedhetetlen a morfológia szalag felé történő irányításához.

Példaértékű protokoll a sonokémiai nano-arany szintézishez

A citrát bevonatú AuNP-k szintetizálására használt prekurzor anyagok közé tartozik a HAuCl₄, nátrium-citrát és desztillált víz. A minta elkészítéséhez az első lépés a HAuCl₄ 0,03 M koncentrációjú desztillált vízben. Ezt követően a HAuCl megoldása₄ (2 ml) cseppenként 20 ml vizes 0,03 M nátrium-citrát oldathoz adódott. A keverési fázisban egy nagy sűrűségű ultrahangos szondát (20 kHz) ultrahangos kürttel helyeztek be az oldatba 5 percig 17,9 W·cm hangzó teljesítményen.²
(vö. Dhabey, 2020)

Arany nanobel szintézis szonikációval

Az egyszeri cristalline nanobelek (lásd a bal oldali TEM képet) szintetizálhatók a HAuCl vizes oldatának szonikálásával₄ α-D-glükóz jelenlétében, mint reagens. A soniokémiailag szintetizált arany nanobelek átlagos szélessége 30-50 nm és több mikrométer hossza. Az arany nanobelek előállításának ultrahangos reakciója egyszerű, gyors és elkerüli a mérgező anyagok használatát. (vö. Zhang et al, 2006)

Felületaktív anyagok befolyásolják az arany NP-k szonokémiai szintézisét

Az intenzív ultrahang alkalmazása kémiai reakciókon kezdeményezi és elősegíti a konverziót és a hozamokat. Az egységes részecskeméret és bizonyos célzott formák / morfológiák elérése érdekében a felületaktív anyagok kiválasztása kritikus tényező. Az alkoholok hozzáadása segít a részecske alakjának és méretének szabályozásában is. Például a-d-glükóz jelenlétében a vizes HAuCl szonolízis folyamatának főbb reakciói₄ a következő egyenletekben (1-4) ábrázolva:
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) cukor –> pirolízis gyökök
(3) AIII + a gyökök csökkentése —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobel)
(vö. Zhao et al., 2014)

A szonda típusú ultrasonicators ereje

Ultrahangos szondák vagy sonotrodes (más néven ultrahangos szarvak) szállít nagy intenzitású ultrahang és akusztikus kavitáció nagyon koncentrált formában kémiai oldatok. Ez a pontosan szabályozható és hatékony erőátviteli ultrahang megbízható, pontosan szabályozható és reprodukálható körülményeket tesz lehetővé, ahol kémiai reakciópályák kezdeményezhetők, fokozhatók és kapcsolhatók. Ezzel szemben az ultrahangos fürdő (más néven ultrahangos tisztító vagy tartály) ultrahangot szállít nagyon alacsony sűrűséggel és véletlenszerűen előforduló kavitációs foltokkal nagy folyékony térfogatba. Ez teszi ultrahangos fürdő megbízhatatlan bármilyen szonokémiai reakciók.
"Az ultrahangos tisztítófürdők teljesítménysűrűsége megegyezik az ultrahangos szarv által generált kis százalékkal. A tisztító fürdők használata a sonochemistry-ben korlátozott, figyelembe véve, hogy a teljesen homogén részecskeméretet és a morfológiát nem mindig érik el. Ez az ultrahang fizikai hatásainak köszönhető a nukleáció és a növekvő folyamatok felett." (González-Mendoza et al. 2015)

Nagy teljesítményű ultrasonicators a szintézis arany nanorészecskék

Hielscher Ultrasonics szállít erős és megbízható ultrahangos processzorok szonokémiai szintézis (szono-szintézis) nanorészecskék, mint az arany és más nemes fém nanostruktúrák. Az ultrahangos keverés és diszperzió növeli a heterogén rendszerek tömegátadását, és elősegíti az atomfürtök nedvesítését és azt követő nukleációját a nanorészecskék kicsapódása érdekében. A nanorészecskék ultrahangos szintézise egyszerű, költséghatékony, biokompatibilis, reprodukálható, gyors és biztonságos módszer.
A Hielscher Ultrasonics erőteljes és pontosan szabályozható ultrahangos processzorokat szállít nanoméretű szerkezetek, például nanosherek, nanorudak, nanobeltek, nanoszalagok, nanoklaszterek, maghéj részecskék stb. Kialakulásához.
Ügyfeleink értékelik a Hielscher digitális eszközök intelligens funkcióit, amelyek intelligens szoftverrel, színes érintőképernyővel, beépített SD-kártyán automatikus adatprotokollással vannak felszerelve, és intuitív menüvel rendelkeznek a felhasználóbarát és biztonságos működéshez.
A teljes teljesítménytartományt lefedve az 50 wattos kézi ultrasonicators-tól a labor számára akár 16 000 wattos erős ipari ultrahangos rendszerekig, a Hielscher ideális ultrahangos beállítással rendelkezik az Ön alkalmazásához. Az átfolyó reaktorokban a tétel- és folyamatos inline gyártáshoz szükséges szonokémiai berendezések könnyen elérhetők bármely padtetőn és ipari méretben. A Hielscher ultrahangos berendezésének robusztussága lehetővé teszi a 24/7 működést nagy teherbírású és igényes környezetben.

Az alábbi táblázat az ultrahangos készülékek hozzávetőleges feldolgozási kapacitását jelzi: