Efficiënte en gecontroleerde synthese van gouden nanodeeltjes

Gouden nanodeeltjes met een uniforme vorm en morfologie kunnen efficiënt worden gesynthetiseerd via een sonochemische route. De door ultrasoon geluid bevorderde chemische reactie voor de synthese van gouden nanodeeltjes kan nauwkeurig worden gestuurd wat betreft deeltjesgrootte, vorm (bijv. nanobollen, nanostaafjes, nanobanden enz.) en morfologie. De doeltreffende, eenvoudige, snelle en groene chemische procedure maakt een betrouwbare productie van gouden nanostructuren op industriële schaal mogelijk.

Gouden nanodeeltjes en nanostructuren

Gouden nanodeeltjes en structuren op nanoschaal worden veelvuldig toegepast in R&D en industriële processen vanwege de unieke eigenschappen van goud op nanoschaal, waaronder elektronische, magnetische en optische kenmerken, kwantumgrootte-effecten, oppervlakteplasmonresonantie, hoge katalytische activiteit en zelfassemblage. De toepassingsgebieden van gouden nanodeeltjes (Au-NPs) lopen uiteen van gebruik als katalysator tot de vervaardiging van nano-elektronische apparaten, evenals gebruik bij beeldvorming, nanofotonica, nanomagnetisme, biosensoren, chemische sensoren, optische en theranostische toepassingen, geneesmiddelafgifte en andere toepassingen.

Methoden voor de synthese van gouden nanodeeltjes

Gouddeeltjes met een nanostructuur kunnen via verschillende routes worden gesynthetiseerd met behulp van ultrasone behandeling met hoge prestaties. Ultrasone behandeling is niet alleen een eenvoudige, efficiënte en betrouwbare techniek; sonicatie creëert bovendien omstandigheden voor de chemische reductie van goudionen zonder giftige of agressieve chemische middelen en maakt de vorming van nanodeeltjes van edelmetalen met verschillende morfologieën mogelijk. De keuze van de route en de sonochemische behandeling (ook bekend als sonosynthese) maakt het mogelijk gouden nanostructuren zoals gouden nanobollen, nanostaafjes, nanobanden enz. met een uniforme grootte en morfologie te produceren.
Hieronder vindt u geselecteerde sonochemische routes voor de bereiding van gouden nanodeeltjes.

Met ultrasoon geluid verbeterde Turkevich-methode

Sonicatie wordt gebruikt om de citraatreductiereactie volgens Turkevich en gemodificeerde Turkevich-procedures te intensiveren.
De Turkevich-methode produceert enigszins monodisperse bolvormige gouden nanodeeltjes met een diameter van ongeveer 10–20nm. Grotere deeltjes kunnen worden geproduceerd, maar dit gaat ten koste van de monodispersiteit en de vorm. Bij deze methode wordt heet tetrachloorgoudzuur behandeld met een natriumcitraatoplossing, waardoor colloïdaal goud ontstaat. De Turkevich-reactie verloopt via de vorming van tijdelijke gouden nanodraden. Deze gouden nanodraden zijn verantwoordelijk voor de donkere kleur van de reactieoplossing voordat deze robijnrood wordt.
Fuentes-García et al. (2020), die gouden nanodeeltjes sonochemisch synthetiseerden, melden dat het mogelijk is gouden nanodeeltjes met een hoge absorptie-interactie te vervaardigen met ultrasone behandeling als enige energiebron, waarbij de eisen aan het laboratorium worden verminderd en eigenschappen worden gestuurd door eenvoudige parameters te wijzigen.
Lee et al. (2012) toonden aan dat ultrasone energie een sleutelparameter is voor de productie van bolvormige gouden nanodeeltjes (AuNPs) met instelbare groottes van 20 tot 50 nm. Sonosynthese via reductie met natriumcitraat produceert monodisperse bolvormige gouden nanodeeltjes in een waterige oplossing onder atmosferische omstandigheden.

De Turkevich-Frens-methode met ultrasoon geluid

Een modificatie van de hierboven beschreven reactieroute is de Turkevich-Frens-methode, een eenvoudig proces met meerdere stappen voor de synthese van gouden nanodeeltjes. Ultrasone behandeling bevordert de Turkevich-Frens-reactieroute op dezelfde manier als de Turkevich-route. De eerste stap van het Turkevich-Frens-proces met meerdere stappen, waarin reacties achtereenvolgens en parallel plaatsvinden, is de oxidatie van citraat, waarbij dicarboxyaceton ontstaat. Vervolgens wordt het goud(III)zout gereduceerd tot goud(I)zout en Au⁰, waarna het goud(I)zout zich hecht aan atomen van Au⁰ om de AuNP te vormen (zie het schema hieronder).
 

Synthese van gouden nanodeeltjes via de Turkevich-methode.
schema en onderzoek: ©Zhao et al., 2013

Dit betekent dat dicarboxyaceton dat ontstaat door de oxidatie van citraat, en niet citraat zelf, fungeert als de daadwerkelijke stabilisator van AuNPs in de Turkevich-Frens-reactie. Het citraatzout wijzigt daarnaast de pH van het systeem, wat de grootte en de grootteverdeling van de gouden nanodeeltjes (AuNPs) beïnvloedt. Deze omstandigheden van de Turkevich-Frens-reactie produceren vrijwel monodisperse gouden nanodeeltjes met deeltjesgroottes tussen 20 en 40nm. De exacte deeltjesgrootte kan worden gewijzigd door de pH van de oplossing en de ultrasone parameters te variëren. Met citraat gestabiliseerde AuNPs zijn altijd groter dan 10 nm vanwege het beperkte reducerende vermogen van trinatriumcitraatdihydraat. Het gebruik van D₂O als oplosmiddel in plaats van H2O tijdens de synthese van AuNPs maakt het echter mogelijk AuNPs met een deeltjesgrootte van 5 nm te synthetiseren. Aangezien de toevoeging van D2O het reducerende vermogen van citraat verhoogt, de combinatie van D2O en C₆H₉Na₃O₉. (vgl. Zhao et al., 2013)

Protocol voor de sonochemische Turkevich-Frens-route

Om gouden nanodeeltjes via een bottom-upprocedure volgens de Turkevich-Frens-methode te synthetiseren, wordt 50mL tetrachloorgoudzuur (HAuCl₄), 0,025 mM, in een glazen bekerglas van 100 mL gegoten; hieraan wordt 1 mL van een waterige oplossing van 1,5% (w/v) trinatriumcitraat (Na₃Ct) toegevoegd onder ultrasone behandeling bij kamertemperatuur. De ultrasone behandeling werd uitgevoerd bij 60W, 150W en 210W. De verhouding van Na₃Ct/HAuCl₄ in de monsters is 3:1 (w/v). Na de ultrasone behandeling vertoonden de colloïdale oplossingen verschillende kleuren: violet voor 60 W en robijnrood voor de monsters van 150 en 210 W. Door het sonicatievermogen te verhogen werden kleinere afmetingen en meer bolvormige clusters van gouden nanodeeltjes verkregen, overeenkomstig de structurele karakterisering. Fuentes-García et al. (2021) tonen in hun onderzoeken de sterke invloed aan van toenemende sonicatie op de deeltjesgrootte, de polyedrische structuur en de optische eigenschappen van de sonochemisch gesynthetiseerde gouden nanodeeltjes en op de reactiekinetiek van hun vorming. Zowel gouden nanodeeltjes met een grootte van 16nm als van 12nm kunnen worden geproduceerd met een op maat afgestemde sonochemische procedure. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM-afbeelding (schaal van 50 nm) en (c) grootteverdeling van AuNPs die zijn gesynthetiseerd bij een
sonicatievermogen van 17,9 Wcm2.
Afbeelding en onderzoek: © Dheyab et al., 2020.

Sonolyse van gouden nanodeeltjes

Een andere methode voor de experimentele vervaardiging van gouddeeltjes is sonolyse, waarbij ultrasoon geluid wordt toegepast voor de synthese van gouddeeltjes met een diameter kleiner dan 10 nm. Afhankelijk van de reagentia kan de sonolytische reactie op verschillende manieren worden uitgevoerd. Bij sonicatie van een waterige oplossing van HAuCl₄ met glucose fungeren bijvoorbeeld hydroxylradicalen en radicalen uit de pyrolyse van suiker als reductiemiddelen. Deze radicalen ontstaan in het grensvlakgebied tussen de imploderende holtes die door intens ultrasoon geluid worden gecreëerd en het omringende water. De morfologie van de gouden nanostructuren bestaat uit nanolinten met een breedte van 30–50 nm en een lengte van enkele micrometers. Deze linten zijn zeer flexibel en kunnen buigen onder hoeken groter dan 90°. Wanneer glucose wordt vervangen door cyclodextrine, een glucose-oligomeer, worden alleen bolvormige gouddeeltjes verkregen, wat erop wijst dat glucose essentieel is om de morfologie in de richting van een lint te sturen.

Voorbeeldprotocol voor sonochemische synthese van nanogoud

Uitgangsmaterialen voor de synthese van met citraat gecoate AuNPs omvatten HAuCl4, natriumcitraat en gedestilleerd water. Voor de bereiding van het monster bestond de eerste stap uit het oplossen van HAuCl4 in gedestilleerd water bij een concentratie van 0,03 M. Vervolgens werd de oplossing van HAuCl4 (2 mL) druppelsgewijs toegevoegd aan 20 mL waterige natriumcitraatoplossing van 0,03 M. Tijdens de mengfase werd gedurende 5 min een ultrasone sonde met hoge dichtheid (20 kHz), voorzien van een ultrasone hoorn, in de oplossing gebracht bij een akoestisch vermogen van 17,9 W·cm²
(vgl. Dhabey at al. 2020)

Synthese van gouden nanobanden met sonicatie

Monokristallijne nanobanden (zie de TEM-afbeelding links) kunnen worden gesynthetiseerd via sonicatie van een waterige oplossing van HAuCl4 in aanwezigheid van α-D-Glucose als reagens. De sonochemisch gesynthetiseerde gouden nanobanden hebben een gemiddelde breedte van 30 tot 50 nm en een lengte van enkele micrometers. De ultrasone reactie voor de productie van gouden nanobanden is eenvoudig en snel en vermijdt het gebruik van giftige stoffen. (vgl. Zhang et al, 2006)

Oppervlakteactieve stoffen om de sonochemische synthese van gouden nanodeeltjes te beïnvloeden

De toepassing van intens ultrasoon geluid bij chemische reacties initieert en bevordert de omzetting en opbrengsten. Om een uniforme deeltjesgrootte en bepaalde beoogde vormen / morfologieën te verkrijgen, is de keuze van oppervlakteactieve stoffen een cruciale factor. De toevoeging van alcoholen helpt ook om de deeltjesvorm en -grootte te sturen. In aanwezigheid van a-d-glucose verlopen de belangrijkste reacties in het sonolyseproces van een waterige oplossing van HAuCl₄ bijvoorbeeld zoals weergegeven in de volgende vergelijkingen (1-4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) suiker –> pyrolyseradicalen
(3) AIII + reducerende radicalen –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (nanobanden)
(vgl. Zhao et al., 2014)

De kracht van ultrasone apparaten met een sonde


Ultrasone sondes of sonotrodes (ook ultrasone hoorns genoemd) brengen ultrasoon geluid van hoge intensiteit en akoestische cavitatie in zeer geconcentreerde vorm in chemische oplossingen. Deze nauwkeurig regelbare en efficiënte overdracht van krachtig ultrasoon geluid maakt betrouwbare, nauwkeurig regelbare en reproduceerbare omstandigheden mogelijk, waarin chemische reactieroutes kunnen worden geïnitieerd, geïntensiveerd en omgeschakeld. Een ultrasoon bad (ook bekend als ultrasone reiniger of tank) brengt daarentegen ultrasoon geluid met een zeer lage vermogensdichtheid en willekeurig optredende cavitatiezones in een groot vloeistofvolume. Hierdoor zijn ultrasone baden onbetrouwbaar voor alle sonochemische reacties.
“Ultrasone reinigingsbaden hebben een vermogensdichtheid die overeenkomt met een klein percentage van die welke door een ultrasone hoorn wordt gegenereerd. Het gebruik van reinigingsbaden in de sonochemie is beperkt, aangezien een volledig homogene deeltjesgrootte en morfologie niet altijd worden bereikt. Dit komt door de fysische effecten van ultrasoon geluid op kiemvorming en groeiprocessen.” (González-Mendoza et al. 2015)

Ultrasone apparaten met hoge prestaties voor de synthese van gouden nanodeeltjes

Hielscher Ultrasonics levert krachtige en betrouwbare ultrasone processoren voor de sonochemische synthese (sonosynthese) van nanodeeltjes zoals gouden nanostructuren en nanostructuren van andere edelmetalen. Ultrasoon roeren en dispergeren vergroten de massaoverdracht in heterogene systemen en bevorderen de bevochtiging en daaropvolgende kiemvorming van atoomclusters om nanodeeltjes te laten neerslaan. Ultrasone synthese van nanodeeltjes is een eenvoudige, kosteneffectieve, biocompatibele, reproduceerbare, snelle en veilige methode.
Hielscher Ultrasonics levert krachtige en nauwkeurig regelbare ultrasone processoren voor de vorming van structuren op nanoschaal, zoals nanobollen, nanostaafjes, nanobanden, nanolinten, nanoclusters, kern-schildeeltjes enz.
Lees meer over de ultrasone synthese van gouden nanodeeltjes met behulp van broccoli en hun gebruik als biogene geneesmiddelen!
Lees meer over de ultrasone synthese van magnetische nanodeeltjes!
Onze klanten waarderen de slimme functies van de digitale apparaten van Hielscher, die zijn uitgerust met intelligente software, een kleurenaanraakscherm en automatische gegevensregistratie op een ingebouwde SD-kaart en beschikken over een intuïtief menu voor gebruiksvriendelijke en veilige bediening.
Met het volledige vermogensbereik van in de hand te houden ultrasone apparaten van 50 watt voor het laboratorium tot krachtige industriële ultrasone systemen van 16.000 watt heeft Hielscher de ideale ultrasone opstelling voor uw toepassing. Sonochemische apparatuur voor batchproductie en continue inline-productie in doorstroomreactoren is direct beschikbaar in alle formaten voor tafelopstellingen en industriële toepassingen. De robuustheid van de sonicators van Hielscher maakt 24/7-gebruik mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone apparaten: