Zlaté nanočastice jednotného tvaru a morfológie môžu byť efektívne synochetické. Rozpúšťadle propagovaná chemická reakcia syntézy nanočastíc zlata môže byť presne kontrolovaná veľkosťou častíc, tvarom (napr. nanosféry, nanorody, nanobelty atď.) a morfológiou. Účinný, jednoduchý, rýchly a zelený chemický postup umožňuje spoľahlivú výrobu zlatých nanoštruktúr v priemyselnom meradle.

Nanočastice a nanoštruktúry zlata

Zlaté nanočastice a nano-veľké štruktúry sú široko implementované v R&D a priemyselné procesy vďaka jedinečným vlastnostiam nano-veľkého zlata vrátane elektronických, magnetických a optických charakteristík, kvantových veľkostných efektov, povrchovej plazmónovej rezonancie, vysokej katalytickej aktivity, samozhromaždy medzi inými vlastnosťami. Oblasti použitia nanočastíc zlata (Au-NPs) siahajú od použitia ako katalyzátora až po výrobu nanoelektronických zariadení, ako aj použitie pri zobrazovaní, nano-fotonike, nanomagnetických, biosenzoroch, chemických senzoroch, pre optické a teranostické aplikácie, dodávanie liekov, ako aj ďalšie využitie.

Metódy syntézy nanočastíc zlata

Nano štruktúrované zlaté častice môžu byť syntetizované rôznymi cestami pomocou vysokovýkonnej ultrazvukom. Ultrazvukom nie je len jednoduchá, efektívna a spoľahlivá technika, navyše ultrazvukom vytvára podmienky pre chemickú redukciu iónov zlata bez toxických alebo tvrdých chemických činidiel a umožňuje tvorbu ušľachtilých kovových nanočastíc rôznych morfológií. Výber trasy a sonochemickej liečby (tiež známej ako sonosyntéza) umožňuje vyrábať zlaté nanoštruktúry, ako sú zlaté nanočastice, nanorody, nanobelty atď. s jednotnou veľkosťou a morfológiou.
Nižšie nájdete vybrané sonechemichemické cesty na prípravu zlatých nanočastíc.

Rozpúšťadle vylepšená Turkevich metóda

Ultrazvukom sa používa na zintenzívnenie turkevichovskej reakcie na zníženie citrátu, ako aj modifikovaných Turkevichových postupov.
Turkevichova metóda produkuje skromne monodisperse guľové zlaté nanočastice s priemerom približne 10-20nm. Môžu sa produkovať väčšie častice, ale za cenu monodispersity a tvaru. Pri tejto metóde sa horúca kyselina chloroaurová ošetrí roztokom citrátu sodného, ktorý produkuje koloidné zlato. Turkevichova reakcia prebieha prostredníctvom tvorby prechodných zlatých nanovlákien. Tieto zlaté nanovlákna sú zodpovedné za tmavý vzhľad reakčného roztoku predtým, ako sa zmení na rubínovo-červenú.
Fuentes-García et al. (2020), ktorý sonchemicky synchemicky syntetizoval zlaté nanočastice, uvádza, že je možné vyrábať zlaté nanočastice s vysokou absorpčnou interakciou pomocou ultrazvukom ako jediný zdroj energie, zníženie laboratórnych požiadaviek a ovládanie vlastností modifikujúcich jednoduché parametre.
Lee et al. (2012) preukázal, že ultrazvuková energia je kľúčovým parametrom pre výrobu sférických zlatých nanočastíc (AuNPs) tunable veľkosti 20 až 50 nm. Sonosyntéza redukciou citrátu sodného produkuje monodisperzické zlaté nanočastice vo vodnom roztoku v atmosférických podmienkach.

Turkevich-Frensova metóda pomocou ultrazvuku

Modifikáciou vyššie opísanej reakčnej cesty je Turkevich-Frensova metóda, ktorá je jednoduchým viacstupňovým procesom syntézy zlatých nanočastíc. Ultrazvukom podporuje turkevich-frens reakčnú dráhu rovnakým spôsobom ako Turkevich route. Prvým krokom turkevich-frens viacstupňového procesu, kde sa reakcie vyskytujú v sérii a paralelne, je oxidácia citrátu, ktorá prináša dikarboxy acetón. Potom sa aurická soľ redukuje na aurous soľ a au⁰a aurous soľ je zmontovaná na Au⁰ atómy na vytvorenie AuNP (pozri schému nižšie).

Syntéza nanočastíc zlata pomocou Turkevichovej metódy.
schéma a štúdium: ©Zhao et al., 2013

To znamená, že dikarboxy acetón, ktorý je výsledkom oxidácie citrátu namiesto samotného citrátu, pôsobí ako skutočný stabilizátor AuNP v reakcii Turkevich-Frens. Citrátová soľ dodatočne upravuje pH systému, čo ovplyvňuje veľkosť a veľkosť rozloženia zlatých nanočastíc (AuNPs). Tieto podmienky Turkevich-Frensovej reakcie produkujú takmer monodisperse zlaté nanočastice s veľkosťou častíc medzi 20 a 40nm. Presná veľkosť častíc môže byť upravená po variácii pH roztoku, ako aj ultrazvukovými parametrami. AuNPs stabilizované citrátom sú vždy väčšie ako 10 nm kvôli obmedzenej redukčnej schopnosti dihydrátu citrátu trisodného. Používanie D₂O ako rozpúšťadlo namiesto H₂O počas syntézy AUNPs umožňuje syntetizovať AuNPs s veľkosťou častíc 5 nm. Ako doplnenie D₂O zvýšenie redukčnej sily citrátu, kombinácia D₂O a C₆H₉Na₃O₉. (porov. Zhao et al., 2013)

Protokol pre Sonochemical Turkevich-Frens Route

Na syntézu nanočastíc zlata v postupe zdola nahor metódou Turkevich-Frens, 50 ml kyseliny chloroaurovej (HAuCl₄), 0,025 mM sa naleje do 100 ml sklenenej kadičky, do ktorej sa 1 ml 1,5 % (hmotn.) vodný roztok citrátu trisodného (Na₃Ct) sa pridáva pod ultrazvukom pri izbovej teplote. Ultrazvukom bol vykonaný na 60W, 150W, a 210W. The Na₃Ct/HAuCl₄ pomer použitý vo vzorkách je 3:1 (hmotn.). Po ultrazvukom koloidné roztoky ukázali rôzne farby, fialové pre 60 W a rubínovo-červené pre vzorky 150 a 210 W. Menšie veľkosti a viac guľových zhlukov zlatých nanočastíc boli produkované zvýšením ultrazvukom, podľa štrukturálnej charakterizácie. Fuentes-García et al. (2021) vo svojich výskumoch ukazujú silný vplyv rastúcej ultrazvukom na veľkosť častíc, polyhedrálnu štruktúru a optické vlastnosti sonchemicky synchemicky synchemicky syntetizovaných zlatých nanočastíc a reakčnú kinetiku pre ich tvorbu. Obe zlaté nanočastice s veľkosťou 16nm a 12nm môžu byť vyrobené na mieru sonochemical postupom. (Fuentes-García et al., 2021)

a,b) TEM image a c) rozloženie veľkosti sonchemicky synchemicky syntetizovaných zlatých nanočastíc (AuNPs)
Obrázok a štúdia: © Dheyab et al., 2020.

Sonolýza zlatých nanočastíc

Ďalšou metódou experimentálnej generácie zlatých častíc je sonolýza, kde sa ultrazvuk aplikuje na syntézu častíc zlata s priemerom menším ako 10 nm. V závislosti od činidiel môže byť sonolytická reakcia vykonaná rôznymi spôsobmi. Napríklad ultrazvukom v nasledujúcich roztokoch HAuCl₄ s glukózou, hydroxylovými radikálmi a radikálmi pyrolýzy cukru pôsobia ako redukčné činidlá. Tieto radikály sa tvoria v medzifaciálnej oblasti medzi kolabujúcimi dutinami vytvorenými intenzívnym ultrazvukom a hromadnou vodou. Morfológia zlatých nanoštruktúr sú nanoribbony so šírkou 30-50 nm a dĺžkou niekoľkých mikrometrov. Tieto stuhy sú veľmi flexibilné a môžu sa ohýbať s uhlami väčšími ako 90°. Keď je glukóza nahradená cyklodextrínom, glukózovým oligomérom, získajú sa len guľové častice zlata, čo naznačuje, že glukóza je nevyhnutná pri nasmerovaní morfológie na stuhu.

Príkladný protokol pre sonchemickú syntézu nano-zlata

Prekurzorové materiály používané na syntézu AuNPs potiahnutých citrátom zahŕňajú HAuCl₄, citrát sodný a destilovaná voda. S cieľom pripraviť vzorku sa prvým krokom týkalo rozpustenie HAuCl₄ v destilovanej vode s koncentráciou 0,03 M. Následne sa roztok HAuCl₄ (2 ml) sa pridalo kvapkajúco do 20 ml vodného 0, 03 M roztoku citrátu sodného. Počas fázy miešania bola do roztoku vložená ultrazvuková sonda s vysokou hustotou (20 kHz) s ultrazvukovým rohom na 5 minút pri zvukovom výkone 17,9 W·cm²
(porovnaj Dhabey na al. 2020)

Syntéza zlatých nanobún pomocou ultrazvukom

Jednokrižiakové nanobely (pozri obrázok TEM vľavo) je možné syntetizovať ultrazvukom v omádneho roztoku HAuCl₄ v prítomnosti α-D-Glukózy ako reagens. Sonichemicky syntetizované zlaté nanobelty vykazujú priemernú šírku 30 až 50 nm a dĺžku niekoľkých mikrometrov. Ultrazvuková reakcia na výrobu zlatých nanobeltov je jednoduchá, rýchla a zabraňuje použitiu toxických látok. (porovnaj Zhang et al., 2006)

Povrchovo aktívne látky ovplyvňujú sonchemickú syntézu zlatých NCI

Aplikácia intenzívneho ultrazvuku na chemické reakcie iniciuje a podporuje konverziu a výnosy. S cieľom získať jednotnú veľkosť častíc a určité cielené tvary / morfológie je výber povrchovo aktívnych látok kritickým faktorom. Pridanie alkoholu tiež pomáha kontrolovať tvar a veľkosť častíc. Napríklad v prítomnosti a-d-glukózy, hlavné reakcie v procese sonolýzy vedy HAuCl₄ ako je znázornené v nasledujúcich rovniciach (1-4):
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) cukor – > pyrolýzne radikály
(3) AIII + zníženie radikálov - > Au⁰
(4) nAu⁰ — > AuNP (nanobelty)
(porov. Zhao et al., 2014)

Sila ultrasonicators typu sondy

Ultrazvukové sondy alebo sonotródy (tiež nazývané ultrazvukové rohy) dodávajú ultrazvuk s vysokou intenzitou a akustickú kavitáciu vo veľmi zameranej forme do chemických roztokov. Tento presne kontrolovateľný a efektívny prenos výkonového ultrazvuku umožňuje spoľahlivé, presne kontrolovateľné a reprodukovateľné podmienky, kde je možné iniciovať, zintenzívniť a prepínať cesty chemickej reakcie. Naproti tomu ultrazvukový kúpeľ (tiež známy ako ultrazvukový čistič alebo nádrž) dodáva ultrazvuk s veľmi nízkou hustotou výkonu a náhodne sa vyskytujúcimi kavitačnými škvrnami do veľkého objemu kvapaliny. To robí ultrazvukové kúpele nespoľahlivé pre akékoľvek sonchemické reakcie.
"Ultrazvukové čistiace kúpele majú hustotu výkonu, ktorá zodpovedá malému percentu toho, čo generuje ultrazvukový roh. Použitie čistiacich kúpeľov v sonochemistry je obmedzené, vzhľadom na to, že nie je vždy dosiahnutá úplne homogénna veľkosť častíc a morfológia. Je to spôsobené fyzickými účinkami ultrazvuku na nukleáciu a rastúce procesy." (González-Mendoza et al. 2015)

Vysokovýkonné ultrasonicators pre syntézu zlatých nanočastíc

Hielscher Ultrasonics dodáva výkonné a spoľahlivé ultrazvukové procesory pre sonchemickú syntézu (sono-syntézu) nanočastíc, ako je zlato a iné ušľachtilé kovové nanoštruktúry. Ultrazvuková agitácia a disperzia zvyšuje prenos hmoty v heterogénnych systémoch a podporuje zmáčanie a následnú nukleáciu zhlukov atómov s cieľom zrážať nanočastice. Ultrazvuková syntéza nano-častíc je jednoduchá, nákladovo efektívna, biokompatibilná, reprodukovateľná, rýchla a bezpečná metóda.
Hielscher Ultrasonics dodáva výkonné a presne ovládateľné ultrazvukové procesory pre tvorbu nano-veľké štruktúry, ako sú nanosheres, nanorody, nanobelty, nano-stuhy, nanoclusters, častice jadra škrupiny atď.
Naši zákazníci oceňujú inteligentné funkcie digitálnych zariadení Hielscher, ktoré sú vybavené inteligentným softvérom, farebným dotykovým displejom, automatickým protokolom dát na vstavanej SD karte a sú vybavené intuitívnym menu pre užívateľsky prívetivú a bezpečnú prevádzku.
Pokrývajúce kompletný rozsah výkonu od 50 wattov ručné ultrasonicators pre laboratórium až do 16,000 wattov silné priemyselné ultrazvukové systémy, Hielscher má ideálne ultrazvukové nastavenie pre vašu aplikáciu. Sonchemické zariadenia pre sériovú a nepretržitú inline výrobu v prietokových reaktoroch sú ľahko dostupné v akejkoľvek lavičke a priemyselnej veľkosti. Robustnosť Ultrazvukového zariadenia Hielscher umožňuje 24/7 prevádzku pri ťažkých a náročných prostrediach.

Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: