Efektīva un kontrolēta zelta nanodaļiņu sintēze

Vienāda formas un morfoloģijas zelta nanodaļiņas var efektīvi sintezēt, izmantojot sonoķīmisko ceļu. Zelta nanodaļiņu sintēzes ultrasoniski veicināto ķīmisko reakciju var precīzi kontrolēt daļiņu izmēram, formai (piemēram, nanosfērām, nanorodiem, nanotictiem utt.) un morfoloģijai. Efektīva, vienkārša, ātra un zaļa ķīmiskā procedūra ļauj droši ražot zelta nanostruktūras rūpnieciskā mērogā.

Zelta nanodaļiņas un nanostruktūras

Zelta nanodaļiņas un nanoizmēra struktūras tiek plaši ieviestas R&D un rūpnieciskie procesi nano izmēra zelta unikālo īpašību dēļ, tostarp elektroniskās, magnētiskās un optiskās īpašības, kvantu izmēra efekti, virsmas plazmona rezonanse, augsta katalītiskā aktivitāte, pašsalikšanās starp citām īpašībām. Zelta nanodaļiņu (Au-NPs) pielietojuma jomas svārstās no izmantošanas kā katalizatora līdz nanoelektronikas ierīču ražošanai, kā arī izmantošanai attēlveidošanā, nano-fotonikā, nanomagnētiskā, biosensorā, ķīmiskajos sensoros, optiskiem un teranosiskiem lietojumiem, zāļu piegādei, kā arī citiem lietojumiem.

Zelta nanodaļiņu sintēzes metodes

Nanostrukturētas zelta daļiņas var sintezēt dažādos maršrutos, izmantojot augstas veiktspējas ultrasonication. Ultrasonication ir ne tikai vienkārša, efektīva un uzticama tehnika, turklāt ultraskaņas apstrāde rada apstākļus zelta jonu ķīmiskai samazināšanai bez toksiskiem vai skarbiem ķīmiskiem līdzekļiem un ļauj veidot dažādu morfoloģiju cēlmetāla nanodaļiņas. Maršruta izvēle un sonoķīmiskā apstrāde (pazīstama arī kā sonosintēze) ļauj ražot zelta nanostruktūras, piemēram, zelta nanošķērņus, nanorodus, nanobeltus utt.
Zemāk jūs varat atrast izvēlētos sonoķīmiskos ceļus zelta nanodaļiņu sagatavošanai.

Ultrasoniski uzlabota Turkeviča metode

Ultraskaņas apstrāde tiek izmantota, lai pastiprinātu Turkeviča citrāta samazināšanas reakciju, kā arī modificētas Turkeviča procedūras.
Turkeviča metode ražo pieticīgi monodisperse sfēriskas zelta nanodaļiņas aptuveni 10–20nm diametrā. Var ražot lielākas daļiņas, bet uz monodispersitātes un formas rēķina. Šajā metodē karstu hloraurskābi apstrādā ar nātrija citrāta šķīdumu, radot koloidālo zeltu. Turkeviča reakcija notiek, veidojot pārejošas zelta nanovadus. Šie zelta nanovadi ir atbildīgi par reakcijas šķīduma tumšo izskatu, pirms tas kļūst rubīna sarkans.
Fuentes-García et al. (2020), kas sonoķīmiski sintezē zelta nanodaļiņas, ziņo, ka ir iespējams ražot zelta nanodaļiņas ar augstu absorbcijas mijiedarbību, izmantojot ultrasonication kā vienīgo enerģijas avotu, samazinot laboratorijas prasības un kontrolējot īpašības, kas maina vienkāršus parametrus.
Lee et al. (2012) parādīja, ka ultraskaņas enerģija ir galvenais parametrs, lai ražotu sfēriskas zelta nanodaļiņas (AuNPs) no 20 līdz 50 nm noskaņojamiem izmēriem. Sonosintēze, izmantojot nātrija citrāta samazināšanu, rada monodisperse sfēriskas zelta nanodaļiņas ūdens šķīdumā atmosfēras apstākļos.

Turkeviča-Frensa metode, izmantojot ultraskaņu

Iepriekš aprakstītā reakcijas ceļa modifikācija ir Turkevich-Frens metode, kas ir vienkāršs vairāku soļu process zelta nanodaļiņu sintēzei. Ultrasonication veicina Turkevich-Frens reakcijas ceļu tādā pašā veidā kā Turkevich maršruts. Turkevich-Frens daudzpakāpju procesa sākotnējais solis, kur reakcijas notiek sērijās un paralēli, ir citrāta oksidācija, kas dod dikarboksi acetonu. Tad auss sāli samazina līdz aurozam sālim un Au⁰, un auru sāls tiek samontēts uz Au⁰ atomus, lai veidotu AuNP (skatīt shēmu zemāk).

Zelta nanodaļiņu sintēze, izmantojot Turkeviča metodi.
shēma un pētījums: ©Zhao et al., 2013

Tas nozīmē, ka dikarboksi acetons, kas rodas citrāta oksidācijas rezultātā, nevis pats citrāts, darbojas kā faktiskais AuNP stabilizators Turkevich-Frens reakcijā. Citrāta sāls papildus maina sistēmas pH, kas ietekmē zelta nanodaļiņu (AuNPs) lielumu un izmēru sadalījumu. Šie Turkevich-Frens reakcijas apstākļi rada gandrīz monodisperse zelta nanodaļiņas ar daļiņu izmēriem no 20 līdz 40nm. Precīzu daļiņu izmēru var mainīt, mainoties šķīduma pH, kā arī ar ultraskaņas parametriem. Citrāta stabilizētie AuNPs vienmēr ir lielāki par 10 nm, jo trinātrija citrāta dihidrāta reducētā spēja ir ierobežota. Tomēr, izmantojot D₂O kā šķīdinātājs H vietā₂O AuNPs sintēzes laikā ļauj sintezēt AuNPs ar daļiņu izmēru 5 nm. Kā papildinājums D₂O palielināt citrāta reducējošo stiprumu, D kombināciju₂O un C₆H₉Na₃O₉. (sal. ar Zhao et al., 2013)

Sonoķīmiskās Turkevičas-Frensas maršruta protokols

Lai sintezētu zelta nanodaļiņas augšupējā procedūrā, izmantojot Turkevich-Frens metodi, 50mL hloraricskābes (HAuCl₄), 0,025 mM ielej 100 ml stikla kokvilnī, kurā 1 ml 1,5% (w/v) trinātrija citrāta ūdens šķīdums (Na₃Ct) pievieno ultrasonication istabas temperatūrā. Ultrasonication tika veikta 60W, 150W un 210W. The Na₃Ct/HAuCl₄ paraugos izmantotā attiecība ir 3:1 (w/v). Pēc ultrasonication koloidālie šķīdumi parādīja dažādas krāsas, violetu 60 W un rubīna sarkanu 150 un 210 W paraugiem. Mazāki izmēri un sfēriskākas zelta nanodaļiņu kopas tika ražotas, palielinot ultraskaņas jaudu, saskaņā ar strukturālo raksturojumu. Fuentes-García et al. (2021) savos pētījumos parāda, ka palielinās ultraskaņas apstrāde, palielinās ultraskaņas apstrāde uz daļiņu izmēru, polihedrālo struktūru un sonoķīmiski sintezēto zelta nanodaļiņu optiskajām īpašībām un to veidošanās reakcijas kinētiku. Gan zelta nanodaļiņas ar izmēru 16nm un 12nm var ražot ar pielāgotu sonoķīmisko procedūru. (Fuentes-García et al., 2021)

(a,b) SONOĶĪMISKI sintezētu zelta nanodaļiņu (AuNPs) TEM attēls un c) izmēru sadalījums
Attēls un pētījums: © Dheyab et al., 2020.

Zelta nanodaļiņu sonolīze

Vēl viena zelta daļiņu eksperimentālās ģenerēšanas metode ir sonolīze, kur ultraskaņa tiek izmantota zelta daļiņu sintēzei ar diametru zem 10 nm. Atkarībā no reaģentiem sonolītisko reakciju var veikt dažādos manieros. Piemēram, HAuCl ūdens šķīduma apstrāde ar ultraskaņu₄ ar glikozi, hidroksilradikāļiem un cukura pirolīzes radikāļiem darbojas kā reducētāji. Šie radikāļi veidojas starpsakaru reģionā starp sabrukšanas dobumiem, ko rada intensīva ultraskaņa un beztaras ūdens. Zelta nanostruktūru morfoloģija ir nanoribboni ar platumu 30–50 nm un vairāku mikrometru garumu. Šīs lentes ir ļoti elastīgas un var saliekt ar leņķiem, kas lielāki par 90°. Ja glikozi aizstāj ar ciklodekstrīnu, glikozes oligomēru, iegūst tikai sfēriskas zelta daļiņas, kas liecina, ka glikoze ir būtiska, lai virzītu morfoloģiju uz lenti.

Priekšzīmīgs protokols sonoķīmiskajai nanozeltu sintēzei

Prekursoru materiāli, ko izmanto, lai sintezētu AuNPs ar citrātu pārklātu, ietver HAuCl₄, nātrija citrāts un destilēts ūdens. Lai sagatavotu paraugu, pirmais solis bija saistīts ar HAuCl šķīdināšanu.₄ destilētā ūdenī ar koncentrāciju 0,03 M. Pēc tam HAuCl šķīdums₄ (2 ml) pievienoja pilienā 20 ml 0,03 M nātrija citrāta ūdens šķīduma. Sajaukšanas fāzes laikā šķīdumā 5 min ar skaņas jaudu 17,9 W·cm tika ievietota augsta blīvuma ultraskaņas zonde (20 kHz) ar ultraskaņas ragu²
(sal. ar Dhabey 2020. gadā)

Zelta nanobeltu sintēze, izmantojot ultraskaņu

Atsevišķus kristalīna nanobeltus (sk. TEM attēlu pa kreisi) var sintezēt, izmantojot HAuCl ūdens šķīdumu ar ultraskaņu₄ α-D-glikozes kā reagēnu klātbūtnē. Sonioķīmiski sintezētie zelta nanobelti uzrāda vidējo platumu no 30 līdz 50 nm un vairākus mikrometrus garu. Ultraskaņas reakcija zelta nanobeltu ražošanai ir vienkārša, ātra un izvairās no toksisku vielu izmantošanas. (sal. ar Zhang et al, 2006)

Virsmaktīvās vielas, lai ietekmētu zelta NPs sonoķīmisko sintēzi

Intensīvas ultraskaņas piemērošana ķīmiskām reakcijām ierosina un veicina pārvēršanu un ražu. Lai iegūtu vienmērīgu daļiņu izmēru un noteiktas mērķtiecīgas formas / morfoloģijas, virsmaktīvo vielu izvēle ir kritisks faktors. Spirtu pievienošana arī palīdz kontrolēt daļiņu formu un izmēru. Piemēram, a-d-glikozes klātbūtnē galvenās reakcijas HAuCl ūdens procesā₄ kā attēlots šādos vienādojumos (1-4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
2) cukurs – > pirolīzes radikāļi
(3) AIII + radikāļu samazināšana — > Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelti)
(sal. ar Zhao et al., 2014)

Zondes tipa ultrasonikatoru jauda

Ultraskaņas zondes vai sonotrodes (sauktas arī par ultraskaņas ragiem) nodrošina augstas intensitātes ultraskaņu un akustisko kavitāciju ļoti koncentrētā veidā ķīmiskos risinājumos. Šī precīzi kontrolējamā un efektīvā jaudas ultraskaņas pārraide ļauj nodrošināt uzticamus, precīzi kontrolējamus un reproducējamus apstākļus, kad ķīmiskās reakcijas ceļus var uzsākt, pastiprināt un pārslēgt. Savukārt ultraskaņas vanna (pazīstama arī kā ultraskaņas tīrītājs vai tvertne) nodrošina ultraskaņu ar ļoti zemu jaudas blīvumu un nejauši sastopamiem KAVITĀCIJAS plankumiem lielā šķidruma tilpumā. Tas padara ultraskaņas vannas neuzticamas jebkādām sonoķīmiskām reakcijām.
"Ultraskaņas tīrīšanas vannām ir jaudas blīvums, kas atbilst nelielai daļai no tā, ko rada ultraskaņas rags. Tīrīšanas vannu izmantošana sonoķīmijā ir ierobežota, ņemot vērā, ka ne vienmēr tiek sasniegts pilnīgi viendabīgs daļiņu izmērs un morfoloģija. Tas ir saistīts ar ultraskaņas fizisko ietekmi uz nukleāciju un augšanas procesiem." (González-Mendoza et al. 2015)

Augstas veiktspējas ultrasonikatori zelta nanodaļiņu sintēzei

Hielscher Ultrasonics piegādā jaudīgus un uzticamus ultraskaņas procesorus nanodaļiņu sonoķīmiskajai sintēzei (sono-sintēzei), piemēram, zeltam un citām cēlmetāla nanostruktūrām. Ultraskaņas uzbudinājums un dispersija palielina masas pārnesi neviendabīgās sistēmās un veicina atomu klasteru mitrināšanu un turpmāku nukleāciju, lai nogulsnētu nanodaļiņas. Nanodaļiņu ultraskaņas sintēze ir vienkārša, rentabla, biomaizstījama, reproducējama, ātra un droša metode.
Hielscher Ultrasonics piegādā jaudīgus un precīzi kontrolējamus ultraskaņas procesorus nano izmēra struktūru veidošanai, piemēram, nanošejām, nanorodiem, nanobeltiem, nanolentēm, nanoclusters, kodola apvalka daļiņām utt.
Mūsu klienti novērtē Hielscher digitālo ierīču viedās funkcijas, kas ir aprīkotas ar inteliģentu programmatūru, krāsainu skārienjutīgu displeju, automātisku datu protokolēšanu iebūvētā SD kartē un piedāvā intuitīvu izvēlni lietotājam draudzīgai un drošai darbībai.
Aptverot pilnu jaudas diapazonu no 50 vatiem rokas ultrasonikatori laboratorijai līdz 16 000 vatiem jaudīgām rūpnieciskām ultraskaņas sistēmām, Hielscher ir ideāls ultraskaņas iestatījums jūsu pieteikumam. Sonoķīmiskās iekārtas partijas un nepārtrauktai inline ražošanai caurplūdes reaktoros ir viegli pieejamas jebkurā stenda un rūpnieciskā izmērā. Hielscher ultraskaņas iekārtu robustums ļauj 24/7 darbību lieljaudas un prasīgā vidē.

Zemāk redzamā tabula sniedz norādes par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes jaudu: