금 나노 입자의 효율적이고 통제 된 합성

균일한 모양과 형태의 금 나노 입자는 초음파 화학 경로를 통해 효율적으로 합성 할 수 있습니다. 금 나노 입자 합성의 초음파로 촉진되는 화학 반응은 입자 크기, 모양 (예 : 나노 구체, 나노 막대, 나노 벨트 등) 및 형태에 대해 정밀하게 제어 할 수 있습니다. 효과적이고 간단하며 신속한 녹색 화학 절차를 통해 산업 규모에서 금 나노 구조를 안정적으로 생산할 수 있습니다.

금 나노 입자 및 나노 구조

금 나노 입자 및 나노 크기의 구조는 R에서 널리 구현됩니다.&D 및 전자, 자기 및 광학 특성, 양자 크기 효과, 표면 플라즈몬 공명, 높은 촉매 활성, 기타 특성 중에서도 자체 조립을 포함한 나노 크기의 금의 고유한 특성으로 인한 산업 공정. 금 나노 입자(Au-NP)의 응용 분야는 촉매로서의 사용에서 나노 전자 장치의 제조에 이르기까지 다양하며, 이미징, 나노 포토닉스, 나노 자기, 바이오 센서, 화학 센서, 광학 및 테라노스틱 응용 분야, 약물 전달 및 기타 활용에 사용됩니다.

금 나노 입자 합성 방법

나노 구조의 금 입자는 고성능 초음파를 사용하여 다양한 경로를 통해 합성 할 수 있습니다. 초음파는 간단하고 효율적이며 신뢰할 수있는 기술 일뿐만 아니라 독성 또는 가혹한 화학 물질없이 금 이온의 화학적 환원을위한 조건을 만들고 다양한 형태의 귀금속 나노 입자를 형성 할 수 있습니다. 경로 및 초음파 화학 처리 (초음파 합성이라고도 함)의 선택은 금 나노 셰어, 나노 막대, 나노 벨트 등과 같은 금 나노 구조를 균일 한 크기와 형태로 생산할 수 있습니다.
아래에서는 금 나노 입자의 제조를 위해 선택된 초음파 화학 경로를 찾을 수 있습니다.

초음파로 개선된 Turkevich 방법

초음파 처리는 Turkevich 구연산염 환원 반응과 수정 된 Turkevich 절차를 강화하는 데 사용됩니다.
Turkevich 방법은 직경이 약 10-20nm인 적당히 단분산 구형 금 나노 입자를 생성합니다. 더 큰 입자를 생성할 수 있지만 단분산성과 모양이 희생됩니다. 이 방법에서는 뜨거운 클로로아우르산을 구연산나트륨 용액으로 처리하여 콜로이드 금을 생성합니다. 투르케비치 반응은 일시적인 금 나노와이어의 형성을 통해 진행됩니다. 이 금 나노 와이어는 루비 적색으로 변하기 전에 반응 용액의 어두운 외관을 담당합니다.
금 나노 입자를 초음파 화학적으로 합성 한 Fuentes-García et al. (2020)은 초음파를 유일한 에너지 원으로 사용하여 흡수율이 높은 금 나노 입자를 제조하는 것이 가능하다고 보고하여 실험실 요구 사항을 줄이고 간단한 매개 변수를 수정하는 특성을 제어합니다.
Lee et al. (2012)은 초음파 에너지가 20-50nm의 조정 가능한 크기의 구형 금 나노 입자 (AuNP)를 생산하기위한 핵심 매개 변수임을 입증했습니다. 구연산 나트륨 환원을 통한 초음파 합성은 대기 조건에서 수용액에서 단분산 구형 금 나노 입자를 생성합니다.

초음파를 이용한 Turkevich-Frens 방법

위에서 설명한 반응 경로의 변형은 금 나노입자의 합성을 위한 간단한 다단계 공정인 Turkevich-Frens 방법이다. 초음파는 Turkevich 경로와 동일한 방식으로 Turkevich-Frens 반응 경로를 촉진합니다. 반응이 직렬 및 병렬로 발생하는 Turkevich-Frens 다단계 공정의 초기 단계는 디카르복시 아세톤을 생성하는 시트레이트의 산화입니다. 그런 다음, 귓바퀴 염은 귓바퀴 염으로 환원되고 Au⁰, 그리고 aurous 소금은 Au에 조립됩니다⁰ AuNP를 형성하는 원자 (아래 계획 참조).
 

Turkevich 방법을 통한 금 나노 입자 합성.
계획 및 연구: ©Zhao et al., 2013

이는 구연산염 자체가 아닌 구연산염의 산화로 인한 디카르복시 아세톤이 투르케비치-프렌스 반응에서 실제 AuNP 안정제로 작용하고 있음을 의미합니다. 구연산염은 추가로 시스템의 pH를 변형시켜 금 나노입자(AuNP)의 크기 및 크기 분포에 영향을 미칩니다. 이러한 Turkevich-Frens 반응 조건은 입자 크기가 20-40nm인 거의 단분산 금 나노 입자를 생성합니다. 정확한 입자 크기는 용액의 pH 변화와 초음파 파라미터에 따라 수정할 수 있습니다. 구연산염 안정화 AuNP는 구연산 삼나트륨 이수화물의 제한된 환원 능력으로 인해 항상 10nm보다 큽니다. 그러나 D를 사용하여₂AuNP를 합성하는 동안 H2O 대신 O를 용매로 사용하면 5nm의 입자 크기로 AuNP를 합성할 수 있습니다. D2O의 추가가 구연산염의 감소 강도를 증가시킴으로써, D2O와 C의 조합₆H₉나₃O₉. (참조: Zhao et al., 2013)

Sonochemical Turkevich-Frens 루트에 대한 프로토콜

Turkevich-Frens 방법을 통해 상향식 절차로 금 나노 입자를 합성하기 위해 50mL의 클로로아우르산(HAuCl₄), 0.025mM을 100mL 유리 비커에 붓고 1mL의 1.5%(w/v) 시트르산삼나트륨 수용액(Na₃Ct)는 실온에서 초음파로 첨가됩니다. 초음파는 60W, 150W 및 210W에서 수행되었습니다. 나₃코네티컷/하우Cl₄ 샘플에 사용된 비율은 3:1(w/v)입니다. 초음파 처리 후, 콜로이드 용액은 60W의 경우 보라색, 150 및 210W 샘플의 경우 루비 빨간색의 다양한 색상을 보여주었습니다. 금 나노 입자의 더 작은 크기와 더 많은 구형 클러스터는 구조적 특성에 따라 초음파 처리 능력을 증가시켜 생성되었습니다. Fuentes-García et al. (2021)은 그들의 연구에서 초음파 화학적으로 합성된 금 나노 입자의 입자 크기, 다면체 구조 및 광학 특성 및 그 형성을 위한 반응 역학에 대한 초음파 처리 증가의 강력한 영향을 보여줍니다. 16nm 및 12nm 크기의 금 나노 입자는 모두 맞춤형 초음파 화학 절차로 생성 할 수 있습니다. (Fuentes-García 외, 2021)
 

(ᅡ,ᄂ) TEM 이미지(50nm 스케일) 및 (c) a에서 합성된 AuNP의 크기 분포
초음파 처리 전력 17.9 Wcm2.
사진 및 연구: © Dheyab et al., 2020.

금 나노 입자의 Sonolysis

금 입자의 실험적 생성을 위한 또 다른 방법은 직경이 10nm 미만인 금 입자의 합성에 초음파를 적용하는 초음파 분해입니다. 시약에 따라 초음 분해 반응은 다양한 방식으로 실행할 수 있습니다. 예를 들어, HAuCl 수용액의 초음파 처리₄ 포도당의 경우 수산기 라디칼과 당 열분해 라디칼이 환원제 역할을 합니다. 이 라디칼은 강렬한 초음파에 의해 생성된 붕괴 구멍과 벌크 물 사이의 계면 영역에서 형성됩니다. 금 나노 구조의 형태는 너비가 30-50 nm이고 길이가 수 마이크로 미터인 나노 리본입니다. 이 리본은 매우 유연하며 90°보다 큰 각도로 구부릴 수 있습니다. 포도당이 포도당 올리고머인 사이클로덱스트린으로 대체되면 구형의 금 입자만 얻어지는데, 이는 포도당이 형태를 리본 쪽으로 향하게 하는 데 필수적임을 시사합니다.

Sonochemical Nano-Gold 합성을 위한 모범적인 프로토콜

구연산염 코팅된 AuNP를 합성하는 데 사용되는 전구체 물질에는 HAuCl4, 구연산나트륨 및 증류수가 포함됩니다. 샘플을 준비하기 위해 첫 번째 단계는 HAuCl4를 0.03M 농도의 증류수에 용해시키는 것이었습니다. 이어서, HAuCl4 (2 mL) 용액을 0.03 M 구연산나트륨 수용액 20 mL에 적가하였다. 혼합 단계에서 초음파 혼이 있는 고밀도 초음파 프로브(20kHz)를 17.9W·cm의 사운딩 파워로 5분 동안 용액에 삽입했습니다²
(Dhabey at al. 2020 참조)

초음파 처리를 사용한 금 나노 벨트 합성

단일 크리스탈린 나노 벨트 (왼쪽 TEM 이미지 참조)는 α-D-Glucose가 reagens로 존재하는 상태에서 HAuCl4 수용액의 초음파 처리를 통해 합성 할 수 있습니다. 초음파 화학적으로 합성 된 금 나노 벨트는 평균 너비가 30-50nm이고 길이가 수 마이크로 미터입니다. 금 나노 벨트 생산을위한 초음파 반응은 간단하고 빠르며 독성 물질의 사용을 피합니다. (참고: Zhang et al, 2006)

금 NP의 초음파화학적 합성에 영향을 미치는 계면활성제

화학 반응에 강렬한 초음파를 적용하면 변환이 시작되고 촉진되며 수율이 증가합니다. 균일한 입자 크기와 특정 표적 모양/형태를 얻기 위해서는 계면활성제의 선택이 중요한 요소입니다. 알코올의 첨가는 또한 입자 모양과 크기를 제어하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, ad-glucose의 존재 하에, 수성 HAuCl의 sonolysis 과정에서의 주요 반응은₄ 다음 방정식 (1-4)에 표시된 바와 같이:
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) ᅡ3세 + reducing radicals —> Au⁰
(4) 나우⁰ —> AuNP (nanobelts)
(참조: Zhao et al., 2014)

프로브 형 초음파의 힘

초음파 프로브 또는 sonotrodes (초음파 혼이라고도 함)는 고강도 초음파 및 음향 캐비테이션을 매우 집중 된 형태로 화학 용액에 전달합니다. 이처럼 정밀하게 제어 가능하고 효율적인 전력 초음파 전송은 화학 반응 경로를 시작, 강화 및 전환할 수 있는 신뢰할 수 있고 정밀하게 제어 가능하며 재현 가능한 조건을 허용합니다. 대조적으로, 초음파 수조 (초음파 세척기 또는 탱크라고도 함)는 매우 낮은 전력 밀도와 무작위로 발생하는 캐비테이션 스폿을 큰 액체 부피로 초음파를 전달합니다. 이것은 초음파 수조를 초음파 화학 반응에 대해 신뢰할 수 없게 만듭니다.
"초음파 세척 수조는 초음파 혼에 의해 생성되는 것의 작은 비율에 해당하는 출력 밀도를 가지고 있습니다. 초음파 화학에서 세척 수조의 사용은 완전히 균일 한 입자 크기와 형태에 항상 도달하는 것은 아니라는 점을 고려할 때 제한적입니다. 이는 핵형성과 성장 과정에 대한 초음파의 물리적 영향 때문입니다." (González-Mendoza 외. 2015)

금 나노 입자의 합성을위한 고성능 초음파기

Hielscher 초음파는 금 및 기타 귀금속 나노 구조와 같은 나노 입자의 초음파 화학 합성 (소노 합성)을위한 강력하고 신뢰할 수있는 초음파 프로세서를 공급합니다. 초음파 교반 및 분산은 이종 시스템에서 질량 전달을 증가시키고 나노 입자를 침전시키기 위해 원자 클러스터의 습윤 및 후속 핵 형성을 촉진합니다. 나노 입자의 초음파 합성은 간단하고 비용 효율적이며 생체 적합성, 재현 가능하고 빠르고 안전한 방법입니다.
Hielscher 초음파는 나노 쉐어, 나노로드, 나노 벨트, 나노 리본, 나노 클러스터, 코어 쉘 입자 등과 같은 나노 크기의 구조를 형성하기 위해 강력하고 정밀하게 제어 가능한 초음파 프로세서를 공급합니다.
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고객은 지능형 소프트웨어, 컬러 터치 디스플레이, 내장 SD 카드의 자동 데이터 프로토콜이 장착되어 있으며 사용자 친화적이고 안전한 작동을 위한 직관적인 메뉴를 특징으로 하는 Hielscher 디지털 장치의 스마트 기능을 높이 평가합니다.
실험실을위한 50 와트 휴대용 초음파에서 최대 16,000 와트의 강력한 산업용 초음파 시스템에 이르기까지 전체 출력 범위를 포괄하는 Hielscher는 응용 분야에 이상적인 초음파 설정을 갖추고 있습니다. 플로우 스루 반응기에서 배치 및 연속 인라인 생산을 위한 Sonochemical 장비는 모든 벤치탑 및 산업용 크기에서 쉽게 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 발생기의 견고 함은 중장비 및 까다로운 환경에서 24/7 작동을 허용합니다.

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.