Sintesis Nanopartikel Emas yang Efisien dan Terkendali

Nanopartikel emas dengan bentuk dan morfologi yang seragam dapat disintesis secara efisien melalui jalur sonokimia. Reaksi kimia sintesis nanopartikel emas yang ditingkatkan secara ultrasonik dapat dikendalikan secara presisi untuk mengatur ukuran, bentuk (misalnya, nanobola, nanobatang, nanopita, dll.) dan morfologi partikel. Prosedur kimia yang efektif, sederhana, cepat, dan ramah lingkungan ini memungkinkan produksi nanostruktur emas yang andal pada skala industri.

Nanopartikel dan Nanostruktur Emas

Nanopartikel emas dan struktur berukuran nano digunakan secara luas dalam penelitian dan pengembangan serta proses industri karena sifat unik emas berukuran nano, termasuk karakteristik elektronik, magnetik, dan optik, efek ukuran kuantum, resonansi plasmon permukaan, aktivitas katalitik yang tinggi, perakitan mandiri, serta sifat lainnya. Bidang aplikasi nanopartikel emas (Au-NPs) mencakup penggunaan sebagai katalis hingga pembuatan perangkat nanoelektronik, serta penggunaan dalam pencitraan, nanofotonik, nanomagnetik, biosensor, sensor kimia, aplikasi optik dan teranostik, penghantaran obat, serta penggunaan lainnya.

Metode Sintesis Nanopartikel Emas

Partikel emas berstruktur nano dapat disintesis melalui berbagai jalur menggunakan ultrasonikasi berkinerja tinggi. Ultrasonikasi bukan hanya teknik yang sederhana, efisien, dan andal; sonikasi juga menciptakan kondisi untuk reduksi kimia ion emas tanpa bahan kimia beracun atau keras dan memungkinkan pembentukan nanopartikel logam mulia dengan berbagai morfologi. Pemilihan jalur dan perlakuan sonokimia (juga dikenal sebagai sonosintesis) memungkinkan produksi nanostruktur emas seperti nanobola emas, nanobatang, nanopita, dll. dengan ukuran dan morfologi yang seragam.
Di bawah ini terdapat beberapa jalur sonokimia pilihan untuk pembuatan nanopartikel emas.

Metode Turkevich yang Ditingkatkan secara Ultrasonik

Sonikasi digunakan untuk mengintensifkan reaksi reduksi sitrat Turkevich serta prosedur Turkevich yang dimodifikasi.
Metode Turkevich menghasilkan nanopartikel emas berbentuk bola yang cukup monodispers dengan diameter sekitar 10–20nm. Partikel yang lebih besar dapat dihasilkan, tetapi dengan mengorbankan monodispersitas dan bentuknya. Dalam metode ini, asam kloroaurat panas diberi perlakuan dengan larutan natrium sitrat, sehingga menghasilkan emas koloid. Reaksi Turkevich berlangsung melalui pembentukan kawat nano emas sementara. Kawat nano emas ini menyebabkan larutan reaksi tampak gelap sebelum berubah menjadi merah rubi.
Fuentes-García et al. (2020), yang menyintesis nanopartikel emas secara sonokimia, melaporkan bahwa nanopartikel emas dengan interaksi absorpsi yang tinggi dapat dibuat menggunakan ultrasonikasi sebagai satu-satunya sumber energi, sehingga mengurangi kebutuhan laboratorium dan memungkinkan pengendalian sifat dengan mengubah parameter sederhana.
Lee et al. (2012) menunjukkan bahwa energi ultrasonik merupakan parameter utama untuk menghasilkan nanopartikel emas berbentuk bola (AuNPs) dengan ukuran yang dapat disesuaikan dari 20 hingga 50 nm. Sonosintesis melalui reduksi natrium sitrat menghasilkan nanopartikel emas berbentuk bola yang monodispers dalam larutan berair pada kondisi atmosferik.

Metode Turkevich-Frens menggunakan Ultrasound

Modifikasi jalur reaksi yang dijelaskan di atas adalah metode Turkevich-Frens, yaitu proses multitahap sederhana untuk sintesis nanopartikel emas. Ultrasonikasi meningkatkan jalur reaksi Turkevich-Frens dengan cara yang sama seperti jalur Turkevich. Tahap awal proses multitahap Turkevich-Frens, yang reaksinya berlangsung secara seri dan paralel, adalah oksidasi sitrat yang menghasilkan aseton dikarboksi. Selanjutnya, garam emas(III) direduksi menjadi garam emas(I) dan Au⁰, dan garam emas(I) dirakit pada atom Au⁰ untuk membentuk AuNP (lihat skema di bawah).
 

Sintesis nanopartikel emas melalui metode Turkevich.
skema dan penelitian: ©Zhao et al., 2013

Ini berarti bahwa aseton dikarboksi yang dihasilkan dari oksidasi sitrat, bukan sitrat itu sendiri, bertindak sebagai penstabil AuNP yang sebenarnya dalam reaksi Turkevich-Frens. Garam sitrat juga mengubah pH sistem, yang memengaruhi ukuran dan distribusi ukuran nanopartikel emas (AuNPs). Kondisi reaksi Turkevich-Frens ini menghasilkan nanopartikel emas yang hampir monodispers dengan ukuran partikel antara 20 hingga 40nm. Ukuran partikel yang tepat dapat diubah dengan memvariasikan pH larutan serta parameter ultrasonik. AuNPs yang distabilkan sitrat selalu lebih besar dari 10 nm karena kemampuan reduksi trinatrium sitrat dihidrat yang terbatas. Namun, penggunaan D₂O sebagai pelarut menggantikan H2O selama sintesis AuNPs memungkinkan sintesis AuNPs dengan ukuran partikel 5 nm. Karena penambahan D2O meningkatkan daya reduksi sitrat, kombinasi D2O dan C₆H₉Na₃O₉. (lihat Zhao et al., 2013)

Protokol Jalur Sonokimia Turkevich-Frens

Untuk menyintesis nanopartikel emas dengan prosedur bottom-up melalui metode Turkevich-Frens, 50mL asam kloroaurat (HAuCl₄), 0,025 mM dituangkan ke dalam gelas beker 100 mL, lalu 1 mL larutan berair trinatrium sitrat 1,5% (w/v) (Na₃Ct) ditambahkan sambil dilakukan ultrasonikasi pada suhu ruang. Ultrasonikasi dilakukan pada 60W, 150W, dan 210W. Rasio Na₃Ct/HAuCl₄ yang digunakan dalam sampel adalah 3:1 (w/v). Setelah ultrasonikasi, larutan koloid menunjukkan warna yang berbeda, yaitu ungu untuk sampel 60 W dan merah rubi untuk sampel 150 dan 210 W. Peningkatan daya sonikasi menghasilkan ukuran yang lebih kecil dan kluster nanopartikel emas yang lebih bulat, sesuai dengan karakterisasi struktur. Dalam penelitian mereka, Fuentes-García et al. (2021) menunjukkan pengaruh kuat peningkatan sonikasi terhadap ukuran partikel, struktur polihedral, dan sifat optik nanopartikel emas yang disintesis secara sonokimia serta kinetika reaksi pembentukannya. Nanopartikel emas berukuran 16nm maupun 12nm dapat dihasilkan dengan prosedur sonokimia yang disesuaikan. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) Citra TEM (skala 50 nm) dan (c) distribusi ukuran AuNPs yang disintesis pada
daya sonikasi 17,9 Wcm2.
Gambar dan penelitian: © Dheyab et al., 2020.

Sonolisis Nanopartikel Emas

Metode lain untuk menghasilkan partikel emas secara eksperimental adalah sonolisis, yaitu penggunaan ultrasound untuk sintesis partikel emas dengan diameter di bawah 10 nm. Bergantung pada reagennya, reaksi sonolisis dapat dilakukan dengan berbagai cara. Misalnya, pada sonikasi larutan berair HAuCl₄ dengan glukosa, radikal hidroksil dan radikal pirolisis gula bertindak sebagai agen pereduksi. Radikal ini terbentuk di daerah antarmuka antara rongga yang runtuh akibat ultrasound intens dan air dalam fase curah. Morfologi nanostruktur emas tersebut berupa nanopita dengan lebar 30–50 nm dan panjang beberapa mikrometer. Pita ini sangat lentur dan dapat ditekuk dengan sudut lebih besar dari 90°. Ketika glukosa diganti dengan siklodekstrin, suatu oligomer glukosa, hanya partikel emas berbentuk bola yang diperoleh, yang menunjukkan bahwa glukosa sangat penting untuk mengarahkan morfologi menjadi pita.

Contoh Protokol Sintesis Nanoemas secara Sonokimia

Bahan prekursor yang digunakan untuk menyintesis AuNPs berlapis sitrat meliputi HAuCl4, natrium sitrat, dan air suling. Untuk menyiapkan sampel, langkah pertama melibatkan pelarutan HAuCl4 dalam air suling dengan konsentrasi 0,03 M. Selanjutnya, larutan HAuCl4 (2 mL) ditambahkan tetes demi tetes ke dalam 20 mL larutan berair natrium sitrat 0,03 M. Selama tahap pencampuran, probe ultrasonik berkepadatan tinggi (20 kHz) dengan horn ultrasonik dimasukkan ke dalam larutan selama 5 menit pada daya akustik 17,9 W·cm²
(lihat Dhabey at al. 2020)

Sintesis Nanopita Emas menggunakan Sonikasi

Nanopita kristal tunggal (lihat citra TEM di sebelah kiri) dapat disintesis melalui sonikasi larutan berair HAuCl4 dengan adanya α-D-Glukosa sebagai reagen. Nanopita emas yang disintesis secara sonokimia memiliki lebar rata-rata 30 hingga 50 nm dan panjang beberapa mikrometer. Reaksi ultrasonik untuk produksi nanopita emas sederhana, cepat, dan menghindari penggunaan zat beracun. (lihat Zhang et al, 2006)

Surfaktan untuk Memengaruhi Sintesis Sonokimia Nanopartikel Emas

Penerapan ultrasound intens pada reaksi kimia memulai dan meningkatkan konversi serta rendemen. Untuk memperoleh ukuran partikel yang seragam dan bentuk / morfologi tertentu yang ditargetkan, pemilihan surfaktan merupakan faktor penting. Penambahan alkohol juga membantu mengendalikan bentuk dan ukuran partikel. Misalnya, dengan adanya a-d-glukosa, reaksi utama dalam proses sonolisis HAuCl₄ dalam larutan berair ditunjukkan dalam persamaan berikut (1–4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) gula –> radikal pirolisis
(3) AIII + radikal pereduksi –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (nanopita)
(lihat Zhao et al., 2014)

Keunggulan Sonikator Tipe Probe


Probe ultrasonik atau sonotrode (juga disebut horn ultrasonik) menyalurkan ultrasound berintensitas tinggi dan kavitasi akustik dalam bentuk yang sangat terfokus ke dalam larutan kimia. Transmisi ultrasound berdaya tinggi yang efisien dan dapat dikendalikan secara presisi ini memungkinkan kondisi yang andal, dapat dikendalikan secara presisi, dan dapat direproduksi, sehingga jalur reaksi kimia dapat dimulai, diintensifkan, dan dialihkan. Sebaliknya, bak ultrasonik (juga dikenal sebagai pembersih atau tangki ultrasonik) menyalurkan ultrasound dengan kerapatan daya yang sangat rendah dan titik kavitasi yang terjadi secara acak ke dalam cairan bervolume besar. Hal ini membuat bak ultrasonik tidak andal untuk reaksi sonokimia apa pun.
“Bak pembersih ultrasonik memiliki kerapatan daya yang hanya merupakan persentase kecil dari kerapatan daya yang dihasilkan oleh horn ultrasonik. Penggunaan bak pembersih dalam sonokimia terbatas, mengingat ukuran dan morfologi partikel yang sepenuhnya homogen tidak selalu tercapai. Hal ini disebabkan oleh efek fisik ultrasound terhadap proses nukleasi dan pertumbuhan.” (González-Mendoza et al. 2015)

Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Sintesis Nanopartikel Emas

Hielscher Ultrasonics menyediakan prosesor ultrasonik yang bertenaga dan andal untuk sintesis sonokimia (sonosintesis) nanopartikel seperti nanostruktur emas dan logam mulia lainnya. Pengadukan dan dispersi ultrasonik meningkatkan perpindahan massa dalam sistem heterogen serta mendorong pembasahan dan nukleasi kluster atom selanjutnya untuk mengendapkan nanopartikel. Sintesis nanopartikel secara ultrasonik merupakan metode yang sederhana, hemat biaya, biokompatibel, dapat direproduksi, cepat, dan aman.
Hielscher Ultrasonics menyediakan prosesor ultrasonik yang bertenaga dan dapat dikendalikan secara presisi untuk pembentukan struktur berukuran nano seperti nanobola, nanobatang, nanopita, pita nano, nanokluster, partikel inti-cangkang, dll.
Baca lebih lanjut tentang sintesis ultrasonik nanopartikel emas yang dimediasi brokoli dan penggunaannya sebagai obat biogenik!
Baca lebih lanjut tentang sintesis nanopartikel magnetik secara ultrasonik!
Pelanggan kami menghargai fitur cerdas perangkat digital Hielscher, yang dilengkapi dengan perangkat lunak cerdas, layar sentuh berwarna, pencatatan data otomatis pada kartu SD bawaan, serta menu intuitif untuk pengoperasian yang mudah dan aman.
Dengan mencakup seluruh rentang daya, mulai dari sonikator genggam 50 watt untuk laboratorium hingga sistem ultrasonik industri berdaya tinggi 16.000 watt, Hielscher memiliki konfigurasi ultrasonik yang ideal untuk aplikasi Anda. Peralatan sonokimia untuk produksi batch dan produksi inline kontinu dalam reaktor aliran tembus tersedia dalam berbagai ukuran untuk penggunaan di atas meja maupun industri. Ketangguhan sonikator Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 dengan beban kerja berat dan di lingkungan yang menantang.

Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: