Arany nanorészecskék hatékony és ellenőrzött szintézise

Az egyenletes alakú és morfológiájú arany nanorészecskék hatékonyan szintetizálhatók szonokémiai úton. Az arany nanorészecske-szintézis ultrahanggal támogatott kémiai reakciója pontosan szabályozható a részecskeméret, alak (pl. Nanogömbök, nanorudak, nanoövek stb.) és morfológia. A hatékony, egyszerű, gyors és zöld kémiai eljárás lehetővé teszi az arany nanoszerkezetek megbízható előállítását ipari méretekben.

Arany nanorészecskék és nanoszerkezetek

Az arany nanorészecskéket és nanoméretű struktúrákat széles körben alkalmazzák az R-ben&D és ipari folyamatok a nanoméretű arany egyedi tulajdonságai miatt, beleértve az elektronikus, mágneses és optikai jellemzőket, a kvantummérethatásokat, a felületi plazmon rezonanciát, a magas katalitikus aktivitást, az önszerelést többek között. Az arany nanorészecskék (Au-NP-k) alkalmazási területei a katalizátorként való felhasználástól a nanoelektronikai eszközök gyártásáig, valamint a képalkotásban, nanofotonikában, nanomágneses, bioszenzorokban, kémiai érzékelőkben, optikai és terápiás alkalmazásokban, gyógyszerszállításban és egyéb felhasználásokban való felhasználásig terjednek.

Az arany nanorészecske-szintézisének módszerei

A nano-strukturált arany részecskék különböző utakon szintetizálhatók nagy teljesítményű ultrahangos kezeléssel. Az ultrahangos kezelés nemcsak egyszerű, hatékony és megbízható technika, továbbá az ultrahangos kezelés megteremti a feltételeket az aranyionok kémiai csökkentéséhez mérgező vagy kemény vegyi anyagok nélkül, és lehetővé teszi a különböző morfológiájú nemesfém nanorészecskék kialakulását. Az útvonal és a szonokémiai kezelés (más néven sonosynthesis) kiválasztása lehetővé teszi arany nanostruktúrák, például arany nanosheres, nanorudak, nanoövek stb. Egységes méretű és morfológiájú előállítását.
Az alábbiakban megtalálja a kiválasztott szonokémiai utakat az arany nanorészecskék előállításához.

Ultrahanggal javított Turkevich módszer

A szonikációt a Turkevich citrát-redukciós reakció, valamint a módosított Turkevich eljárások fokozására használják.
A Turkevics-módszer mérsékelten monodiszperz gömb alakú arany nanorészecskéket állít elő, amelyek átmérője körülbelül 10–20 nm. Nagyobb részecskék állíthatók elő, de monodiszperzitás és alak árán. Ebben a módszerben a forró klór-aurinsavat nátrium-citrátoldattal kezeljük, kolloid aranyat képezve. A Turkevics-reakció átmeneti arany nanohuzalok képződésével megy végbe. Ezek az arany nanohuzalok felelősek a reakcióoldat sötét megjelenéséért, mielőtt rubinvörösre vált.
Fuentes-García et al. (2020), aki szonokémiailag szintetizálta az arany nanorészecskéket, arról számol be, hogy megvalósítható a nagy abszorpciós kölcsönhatással rendelkező arany nanorészecskék előállítása ultrahangos kezeléssel, mint egyetlen energiaforrással, csökkentve a laboratóriumi követelményeket és szabályozva az egyszerű paramétereket módosító tulajdonságokat.
Lee et al. (2012) kimutatta, hogy az ultrahangos energia kulcsfontosságú paraméter a 20-50 nm-es hangolható méretű gömb alakú arany nanorészecskék (AuNP-k) előállításához. A szonoszintézis nátrium-citrát redukcióval monodiszperz gömb alakú arany nanorészecskéket állít elő vizes oldatban légköri körülmények között.

A Turkevich-Frens módszer ultrahanggal

A fent leírt reakcióút módosítása a Turkevich-Frens módszer, amely egy egyszerű többlépéses eljárás az arany nanorészecskék szintézisére. Az ultrahangos kezelés ugyanúgy elősegíti a Turkevich-Frens reakcióutat, mint a Turkevich útvonal. A Turkevich-Frens többlépéses folyamat kezdeti lépése, ahol a reakciók sorozatban és párhuzamosan zajlanak, a citrát oxidációja, amely dikarboxi-acetont eredményez. Ezután az aurikus só aurózus sóra és Au-ra redukálódik⁰, és az aurózus só összeáll az Au-n⁰ atomok alkotják az AuNP-t (lásd az alábbi sémát).
 

Arany nanorészecske szintézis Turkevich módszerrel.
séma és tanulmány: ©Zhao et al., 2013

Ez azt jelenti, hogy a citrát oxidációjából származó dikarboxi-aceton, nem pedig maga a citrát, a Turkevich-Frens reakcióban tényleges AuNP stabilizátorként működik. A citrátsó emellett módosítja a rendszer pH-ját, ami befolyásolja az arany nanorészecskék (AuNP-k) méretét és méreteloszlását. A Turkevich-Frens reakció ezen körülményei közel monodiszperz arany nanorészecskéket hoznak létre, amelyek részecskemérete 20 és 40 nm között van. A pontos részecskeméret módosítható az oldat pH-jának változásakor, valamint az ultrahangos paraméterekkel. A citráttal stabilizált AuNP-k mindig nagyobbak 10 nm-nél, a trinátrium-citrát-dihidrát korlátozott redukálóképessége miatt. A D használatával₂O, mint oldószer a H2O helyett az AuNP-k szintézise során lehetővé teszi az 5 nm-es részecskeméretű AuNP-k szintetizálását. Mivel a D2O hozzáadása növeli a citrát redukáló szilárdságát, a D2O és a C kombinációja₆H₉Na₃O₉. (vö. Zhao et al., 2013)

Jegyzőkönyv a szonokémiai Turkevics–Frens útvonalhoz

Az arany nanorészecskék alulról felfelé építkező eljárással, Turkevich-Frens módszerrel történő szintetizálásához 50 ml klóraurinsav (HAuCl₄), 0,025 mM-ot öntenek egy 100 ml-es üvegpohárba, amelybe 1 ml 1,5%-os (w/v) trinátrium-citrát (Na₃Ct) hozzáadódik ultrahangos kezelés alatt szobahőmérsékleten. Az ultrahangos kezelést 60W, 150W és 210W hőmérsékleten végeztük. A Na₃Ct/HAuCl₄ A mintákban használt arány 3:1 (tömeg/v). Az ultrahangos kezelés után a kolloid oldatok különböző színeket mutattak, lila 60 W és rubinvörös 150 és 210 W mintákhoz. Az arany nanorészecskék kisebb méretű és gömb alakú klasztereit a szerkezeti jellemzés szerint növekvő szonikációs teljesítmény állította elő. Fuentes-García et al. (2021) vizsgálataik során megmutatják a növekvő szonikáció erős hatását a szemcseméretre, a poliéderes szerkezetre és a szonokémiailag szintetizált arany nanorészecskék optikai tulajdonságaira, valamint a kialakulásuk reakciókinetikájára. Mind a 16nm, mind az 12nm méretű arany nanorészecskék személyre szabott szonokémiai eljárással állíthatók elő. (Fuentes-García és mtsai., 2021)
 

a,b) TEM-kép (50 nm-es skála) és (c) a
szonikációs teljesítmény 17.9 Wcm2.
Kép és tanulmány: © Dheyab et al., 2020.

Az arany nanorészecskék szonolízise

Az aranyrészecskék kísérleti előállításának másik módszere a szonolízis, ahol ultrahangot alkalmaznak 10 nm alatti átmérőjű aranyrészecskék szintézisére. A reagensektől függően a szonolitikus reakció különböző módon futtatható. Például a HAuCl vizes oldatának szonikálása₄ Glükózzal hidroxilgyökök és cukorpirolízis gyökök redukálószerként működnek. Ezek a gyökök az intenzív ultrahang és az ömlesztett víz által létrehozott összeomló üregek közötti határfelületi régióban alakulnak ki. Az arany nanoszerkezetek morfológiája 30–50 nm szélességű és több mikrométer hosszú nanoszalagok. Ezek a szalagok nagyon rugalmasak és 90°-nál nagyobb szögben is hajlíthatók. Amikor a glükózt ciklodextrinnel, glükózoligomerrel helyettesítik, csak gömb alakú aranyrészecskék keletkeznek, ami arra utal, hogy a glükóz elengedhetetlen a morfológia szalag felé irányításához.

Példaértékű protokoll a szonokémiai nano-arany szintézishez

A citráttal bevont AuNP-k szintetizálásához használt prekurzor anyagok közé tartozik a HAuCl4, a nátrium-citrát és a desztillált víz. A minta előkészítéséhez az első lépés a HAuCl4 feloldása volt 0,03 M koncentrációjú desztillált vízben. Ezt követően a HAuCl4 (2 ml) oldatot cseppenként hozzáadtuk 20 ml vizes 0,03 M nátrium-citrát oldathoz. A keverési fázis során egy nagy sűrűségű ultrahangos szondát (20 kHz) ultrahangos kürttel 5 percre behelyeztünk az oldatba 17,9 W·cm hangteljesítménnyel²
(vö. Dhabey at al. 2020)

Arany nanoöv szintézis szonikálással

Egyetlen kristallin nanoöv (lásd a bal oldali TEM-képet) szintetizálható a HAuCl4 vizes oldatának szonikálásával α-D-glükóz jelenlétében reagens formájában. A szonokémiailag szintetizált arany nanoövek átlagos szélessége 30-50 nm és több mikrométer hosszú. Az arany nanoövek előállítására szolgáló ultrahangos reakció egyszerű, gyors és elkerüli a mérgező anyagok használatát. (vö. Zhang és mtsai, 2006)

Felületaktív anyagok az arany NP-k szonokémiai szintézisének befolyásolására

Az intenzív ultrahang alkalmazása kémiai reakciókra elindítja 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 fő reakciói₄ az alábbi (1–4) egyenletek szerint:
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) A.III + reducing radicals —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(vö. Zhao et al., 2014)

A szonda típusú ultrahangos készülékek ereje

Az ultrahangos szondák vagy sonotrodes (más néven ultrahangos szarvak) nagy intenzitású ultrahangot és akusztikus kavitációt biztosítanak nagyon fókuszált formában kémiai oldatokba. Ez a pontosan szabályozható és hatékony teljesítmény ultrahang továbbítás lehetővé teszi megbízható, pontosan szabályozható és reprodukálható körülmények között, ahol kémiai reakcióutak indíthatók, fokozhatók és kapcsolhatók. Ezzel szemben az ultrahangos fürdő (más néven ultrahangos tisztító vagy tartály) nagyon alacsony teljesítménysűrűségű ultrahangot és véletlenszerűen előforduló kavitációs foltokat szállít nagy folyadéktérfogatba. Ez az ultrahangos fürdőket megbízhatatlanná teszi bármilyen szonokémiai reakcióhoz.
"Az ultrahangos tisztítófürdők teljesítménysűrűsége megfelel az ultrahangos kürt által generált teljesítmény kis százalékának. A tisztítófürdők használata a szonokémiában korlátozott, figyelembe véve, hogy a teljesen homogén részecskeméret és morfológia nem mindig érhető el. Ez az ultrahang fizikai hatásainak köszönhető a nukleációra és a növekedési folyamatokra." (González-Mendoza et al. 2015)

Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek arany nanorészecskék szintéziséhez

A Hielscher Ultrasonics erőteljes és megbízható ultrahangos processzorokat szállít a nanorészecskék, például az arany és más nemesfém nanoszerkezetek szonokémiai szintéziséhez (sono-szintéziséhez). Az ultrahangos keverés és diszperzió növeli a tömegátadást heterogén rendszerekben, és elősegíti az atomcsoportok nedvesítését és az azt követő nukleációt 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 struktúrák, például nanosheres, nanorudak, nanoövek, nanoszalagok, nanoklaszterek, maghéj részecskék stb.
További információ a mágneses nanorészecskék ultrahangos szintéziséről!
Ügyfeleink értékelik a Hielscher digitális eszközök intelligens funkcióit, amelyek intelligens szoftverrel, színes érintőképernyővel, automatikus adatprotokollal vannak felszerelve a beépített SD-kártyán, és intuitív menüvel rendelkeznek a felhasználóbarát és biztonságos működéshez.
A teljes teljesítménytartományt lefedve 50 wattos kézi ultrahangos készülékek a laboratóriumban egészen 16 000 wattig erős ipari ultrahangos rendszerek, Hielscher ideális ultrahangos beállítás az Ön alkalmazásához. Az átfolyó reaktorokban történő szakaszos és folyamatos gyártósori gyártáshoz szükséges szonokémiai berendezések könnyen elérhetők bármilyen asztali és ipari méretben. A Hielscher szonikátorok robusztussága lehetővé teszi az 24/7 működését nagy teherbírású és igényes környezetben.

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását: