金ナノ粒子の効率的かつ制御された合成

均一な形状と形態の金ナノ粒子は、音響化学的経路を介して効率的に合成できます。金ナノ粒子合成の超音波促進化学反応は、粒子サイズ、形状(例えば、ナノスフェア、ナノロッド、ナノベルトなど)および形態について正確に制御することができる。効果的で、シンプルで、迅速で、環境に優しい化学的手順により、工業規模での金ナノ構造の信頼性の高い生産が可能になります。

金ナノ粒子とナノ構造

金ナノ粒子とナノサイズの構造は、Rに広く実装されています&電子的、磁気的、光学的特性、量子サイズ効果、表面プラズモン共鳴、高い触媒活性、自己組織化などの特性を含むナノサイズの金のユニークな特性によるDおよび工業プロセス。金ナノ粒子(Au-NP)の応用分野は、触媒としての利用からナノエレクトロニクスデバイスの製造まで、イメージング、ナノフォトニクス、ナノマグネティック、バイオセンサー、化学センサー、光学およびセラノスティックアプリケーション、ドラッグデリバリー、その他の利用にまで及びます。

金ナノ粒子合成法

ナノ構造金粒子は、高性能超音波処理を用いて様々な経路で合成することができる。超音波処理は、単純で効率的かつ信頼性の高い技術であるだけでなく、さらに超音波処理は、有毒または過酷な化学薬品を使用せずに金イオンの化学的還元のための条件を作り出し、異なる形態の貴金属ナノ粒子の形成を可能にする。ルートおよび音響化学処理(ソノシンセシスとも呼ばれる)の選択により、均一なサイズおよび形態を有する金ナノ構造、ナノロッド、ナノベルトなどの金ナノ構造を製造することができる。
以下に、金ナノ粒子の調製のために選択された音響化学的経路を示します。

超音波改良されたターケビッチ法

超音波処理は、トルコのクエン酸還元反応を強化するために使用され、修正されたトルコの手順も使用されます。
ターケビッチ法は、直径約10〜20nmの適度な単分散球状金ナノ粒子を生成します。より大きな粒子を生成することができますが、単分散性と形状が犠牲になります。この方法では、高温のクロロアウリン酸をクエン酸ナトリウム溶液で処理し、コロイド状の金を生成します。テュルケビッチ反応は、一過性の金ナノワイヤの形成を介して進行します。これらの金ナノワイヤーは、反応溶液がルビーレッドに変わる前に、反応溶液が暗く見える原因となっています。
(2020)は、金ナノ粒子を音響化学的に合成した人で、超音波処理を唯一のエネルギー源として使用して高吸収相互作用を有する金ナノ粒子を製造することが可能であり、実験室の要件を減らし、単純なパラメータを変更する特性を制御することが可能であると報告しています。
Leeら(2012)は、超音波エネルギーが20〜50nmの調整可能なサイズの球状金ナノ粒子(AuNP)を生成するための重要なパラメータであることを示しました。クエン酸ナトリウム還元によるソノシンセシスは、大気条件下で水溶液中で単分散球状金ナノ粒子を生成する。

超音波を用いたTurkevich-Frens法

上述の反応経路の変形例は、金ナノ粒子の合成のための単純な多段階プロセスであるTurkevich-Frens法である。超音波処理は、Turkevich-Frens反応経路をTurkevich経路と同じ方法で促進します。反応が直列および並行して起こるTurkevich-Frens多段階プロセスの最初のステップは、ジカルボキシアセトンを生成するクエン酸塩の酸化です。次に、オーラ塩はオーラスソルトとアウに還元されます⁰、そしてオーラスソルトはAuに組み立てられます⁰ 原子を形成してAuNPを形成します(以下のスキームを参照)。
 

ターケビッチ法による金ナノ粒子合成。
スキームと研究: ©Zhao et al., 2013

 
ターケビッチ法による金ナノ粒子合成。
scheme and study: ©Zhao et al., 2013[/caption]
これは、クエン酸塩自体ではなくクエン酸塩の酸化に起因するジカルボキシアセトンが、Turkevich-Frens反応の実際のAuNP安定剤として作用していることを意味します。クエン酸塩はさらに系のpHを変化させ、金ナノ粒子(AuNP)のサイズとサイズ分布に影響を与えます。これらの条件のTurkevich-Frens反応は、粒子サイズが20〜40nmのほぼ単分散の金ナノ粒子を生成します。正確な粒子サイズは、溶液のpHの変化や超音波パラメータによって変更することができます。クエン酸安定化AuNPは、クエン酸三ナトリウム二水和物の還元能力が限られているため、常に10 nmより大きくなります。ただし、D₂AuNPの合成中にH2Oの代わりにOを溶媒として使用することで、粒子径5nmのAuNPを合成することができます。D2Oの添加により、クエン酸塩の還元強度が増加すると、D2OとCの組み合わせが増加します₆H₉な₃O₉.(cf. Zhao et al., 2013)

Sonochemical Turkevich-Frensルートのプロトコル

Turkevich-Frens法によるボトムアップ法で金ナノ粒子を合成するために、50mLのクロロアウリン酸(HAuCl₄)、0.025 mM を 100 mL ガラスビーカーに注ぎ、クエン酸三ナトリウム (Na₃Ct)を室温で超音波下で添加する。超音波処理は60W、150W、および210Wで行った。ナ₃CT/HAuCl₄ サンプルに使用されている比率は3:1(W / V)です。超音波処理後、コロイド溶液は異なる色を示し、60Wは紫色、150Wおよび210Wサンプルはルビーレッドを示しました。金ナノ粒子のより小さいサイズおよびより球状のクラスターは、構造特性に従って、超音波処理力の増加によって製造された。(2021)は、彼らの調査において、超音波処理の増加が音響化学的に合成された金ナノ粒子の粒子サイズ、多面体構造および光学特性、およびそれらの形成のための反応速度論に対する強い影響を示しています。16nmおよび12nmのサイズの金ナノ粒子は、どちらも、カスタマイズされた音響化学的手順で製造することができる。(Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM image (scale of 50 nm) and (c) size distribution of AuNPs synthesized at a
sonication power 17.9 Wcm2.
写真と研究:© Dheyab et al., 2020.

金ナノ粒子の超音波分解

金粒子の実験的生成のための別の方法は、超音波分解によるものであり、超音波は直径10nm未満の金粒子の合成に適用される。試薬に応じて、超音波分解反応はさまざまな方法で実行できます。例えば、HAuClの水溶液の超音波処理₄ グルコースでは、ヒドロキシルラジカルと糖熱分解ラジカルが還元剤として作用します。これらのラジカルは、強力な超音波によって生成された崩壊する空洞とバルク水との間の界面領域で形成されます。金ナノ構造の形態は、幅30〜50nm、長さ数マイクロメートルのナノリボンです。これらのリボンは非常に柔軟性があり、90°を超える角度で曲げることができます。グルコースをグルコースオリゴマーであるシクロデキストリンに置き換えると、球状の金粒子しか得られず、グルコースが形態をリボンに向けるのに必須であることが示唆されます。

ソノケミカルナノ金合成のための例示的なプロトコル

クエン酸被覆AuNPの合成に使用される前駆体材料には、HAuCl4、クエン酸ナトリウム、蒸留水などがあります。サンプルを調製するための最初のステップは、HAuCl4を0.03 Mの濃度の蒸留水に溶解することでした。続いて、HAuCl4(2mL)の溶液を20mLの0.03Mクエン酸ナトリウム水溶液に滴下しました。混合段階では、超音波ホーン付きの高密度超音波プローブ(20kHz)を17.9 W·cmの音響出力で5分間溶液に挿入しました²
(cf. Dhabey at al. 2020)

超音波処理を用いた金ナノベルト合成

シングルクリスタルナノベルト(左のTEM画像を参照)は、α-D-グルコースの存在下でHAuCl4の水溶液を超音波処理することにより合成することができる。音響化学的に合成された金ナノベルトは、平均幅が30〜50nm、長さが数マイクロメートルを示します。金ナノベルトの製造のための超音波反応は、単純で迅速であり、有毒物質の使用を避ける。(cf. Zhang et al, 2006)

金NPの音響化学的合成に影響を与える界面活性剤

化学反応に強力な超音波を適用すると、変換と収率が開始され、促進されます。均一な粒子サイズと特定の目標とされる形状/形態を得るためには、界面活性剤の選択が重要な要素です。アルコールの添加は、粒子の形状とサイズを制御するのにも役立ちます。例えば、a−d−グルコースの存在下では、HAuCl水溶液の超音波分解過程における主要な反応₄ 次の式(1-4)に示されているように、次のようになります。
(1)H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3)あIII. + reducing radicals —> Au⁰
(4)nAuの⁰ —> AuNP (nanobelts)
(cf. Zhao et al., 2014)

プローブ型超音波装置の力

超音波プローブまたはソノトロード(超音波ホーンとも呼ばれる)は、高強度の超音波および音響キャビテーションを非常に集中した形で化学溶液に供給します。この正確に制御可能で効率的なパワー超音波の伝送により、化学反応経路を開始、強化、および切り替えることができる、信頼性が高く、正確に制御可能で再現性のある条件が可能になります。対照的に、超音波浴(超音波洗浄器またはタンクとも呼ばれる)は、非常に低い出力密度とランダムに発生するキャビテーションスポットで超音波を大きな液体量に供給します。これにより、超音波浴は音響化学反応に対して信頼性が低くなります。
「超音波洗浄槽の電力密度は、超音波ホーンによって生成される電力密度のわずかな割合に相当します。ソノケミストリーにおける洗浄槽の使用は、完全に均質な粒子サイズおよび形態が常に達成されるとは限らないことを考慮すると、制限されている。これは、核形成と成長プロセスに対する超音波の物理的影響によるものです。」(ゴンザレス・メンドーサ他 2015)

金ナノ粒子の合成のための高性能超音波装置

ヒールシャー超音波は、金や他の貴金属ナノ構造などのナノ粒子のソノケミカル合成(ソノ合成)のための強力で信頼性の高い超音波プロセッサを提供しています。超音波攪拌および分散は、不均一系における物質移動を増加させ、ナノ粒子を沈殿させるために原子クラスターの湿潤およびその後の核形成を促進する。ナノ粒子の超音波合成は、シンプルで、費用対効果が高く、生体適合性があり、再現性があり、迅速で、安全な方法です。
ヒールシャー超音波は、ナノシャー、ナノロッド、ナノベルト、ナノリボン、ナノクラスター、コアシェル粒子などのナノサイズ構造の形成のための強力で正確に制御可能な超音波プロセッサを供給しています。
当社のお客様は、インテリジェントなソフトウェア、カラータッチディスプレイ、内蔵SDカード上の自動データプロトコルを備え、ユーザーフレンドリーで安全な操作のための直感的なメニューを備えたヒールシャーデジタルデバイスのスマート機能を高く評価しています。
50ワットから全電力範囲をカバーする 実験室用のハンドヘルド超音波装置から16,000ワットの強力な工業用超音波システムまで、ヒールシャーはあなたのアプリケーションのための理想的な超音波セットアップを持っています。フロースルー反応器でのバッチ式および連続式インライン生産用のソノケミカル機器は、ベンチトップおよび工業用サイズのいずれでも容易に利用できます。ヒールシャーの超音波装置の堅牢性は、ヘビーデューティと要求の厳しい環境での24 / 7操作を可能にします。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。