Učinkovita in nadzorovana sinteza nanodelcev zlata
Zlate nanodelce enotne oblike in morfologije je mogoče učinkovito sintetizirati po sonokemični poti. Ultrazvočno spodbujano kemično reakcijo sinteze nanodelcev zlata je mogoče natančno nadzorovati glede na velikost delcev, obliko (npr. nanosfere, nanopalice, nanopasove itd.) in morfologijo. Učinkovit, enostaven, hiter in okolju prijazen kemijski postopek omogoča zanesljivo proizvodnjo zlatih nanostruktur v industrijskem obsegu.
Zlati nanodelci in nanostrukture
Zlati nanodelci in nano-velike strukture se v R široko uporabljajo&D in industrijski procesi zaradi edinstvenih lastnosti zlata nano-velikosti, vključno z elektronskimi, magnetnimi in optičnimi lastnostmi, učinki kvantne velikosti, površinsko plazmonsko resonanco, visoko katalitično aktivnostjo, samostojno sestavljanjem med drugimi lastnostmi. Področja uporabe nanodelcev zlata (Au-NP) segajo od uporabe kot katalizatorja do izdelave nanoelektronskih naprav, pa tudi uporabe v slikanju, nanofotoniki, nanomagnetnih, biosenzorjih, kemičnih senzorjih, za optične in teranostične aplikacije, dostavo zdravil in druge uporabe.
Metode sinteze nanodelcev zlata
Nanostrukturirani delci zlata se lahko sintetizirajo po različnih poteh z uporabo visoko zmogljive ultrazvočne obdelave. Ultrasonication ni le preprosta, učinkovita in zanesljiva tehnika, poleg tega ultrazvočna obdelava ustvarja pogoje za kemično redukcijo zlatih ionov brez strupenih ali ostrih kemičnih dejavnikov in omogoča nastajanje nanodelcev žlahtnih kovin različnih morfologij. Izbira poti in sonokemične obdelave (znana tudi kot sonosinteza) omogoča proizvodnjo zlatih nanostruktur, kot so zlati nanosheres, nanopalice, nanopasovi itd. z enotno velikostjo in morfologijo.
Spodaj lahko najdete izbrane sonokemične poti za pripravo nanodelcev zlata.
Ultrazvočno izboljšana Turkevičeva metoda
Sonication se uporablja za okrepitev reakcije redukcije Turkevičevega citrata in modificiranih Turkevičevih postopkov.
Turkevičeva metoda proizvaja skromno monodisperzne sferične nanodelce zlata s premerom okoli 10–20 nm. Lahko se proizvedejo večji delci, vendar na račun monodisperzije in oblike. Pri tej metodi vročo kloroavrinsko kislino obdelamo z raztopino natrijevega citrata, pri čemer nastane koloidne zlato. Turkevičeva reakcija poteka z nastajanjem prehodnih zlatih nanožic. Te zlate nanožice so odgovorne za temen videz reakcijske raztopine, preden postane rubinasto rdeča.
Fuentes-García et al. (2020), ki so sonokemično sintetizirali nanodelce zlata, poročajo, da je mogoče proizvajati nanodelce zlata z visoko absorpcijsko interakcijo z uporabo ultrazvoka kot edinega vira energije, kar zmanjšuje laboratorijske zahteve in nadzoruje lastnosti, ki spreminjajo preproste parametre.
(2012) so pokazali, da je ultrazvočna energija ključni parameter za proizvodnjo sferičnih nanodelcev zlata (AuNP) nastavljivih velikosti od 20 do 50 nm. Sonosinteza z redukcijo natrijevega citrata proizvaja monodisperzne sferične nanodelce zlata v vodni raztopini v atmosferskih pogojih.
Turkevičev-Frensova metoda z uporabo ultrazvoka
Sprememba zgoraj opisane reakcijske poti je Turkevič-Frensova metoda, ki je preprost večstopenjski postopek za sintezo zlatih nanodelcev. Ultrasonication spodbuja reakcijsko pot Turkevič-Frens na enak način kot Turkevičeva pot. Začetni korak Turkevičev-Frensovega večstopenjskega procesa, kjer se reakcije odvijajo v seriji in vzporedno, je oksidacija citrata, ki daje dikarboksi aceton. Nato se avrična sol reducira v aurozno sol in Au0, in aurous sol se sestavi na Au0 atomov, ki tvorijo AuNP (glej shemo spodaj).
Sinteza nanodelcev zlata po Turkevičevi metodi.
scheme and study: ©Zhao et al., 2013[/caption]
To pomeni, da dikarboksi aceton, ki nastane zaradi oksidacije citrata in ne citrata, deluje kot dejanski stabilizator AuNP v Turkevičev-Frenovi reakciji. Citratna sol dodatno spremeni pH sistema, kar vpliva na velikost in porazdelitev velikosti nanodelcev zlata (AuNP). Ti pogoji Turkevičeve-Frenove reakcije proizvajajo skoraj monodisperzne nanodelce zlata z velikostjo delcev med 20 in 40 nm. Natančna velikost delcev se lahko spremeni s spremembo pH raztopine in ultrazvočnimi parametri. Citratno stabilizirani AuNP so vedno večji od 10 nm zaradi omejene redukcijske sposobnosti trinatrijevega citrata dihidrata. Vendar pa uporaba D2O kot topilo namesto H2O med sintezo AuNP omogoča sintezo AuNP z velikostjo delcev 5 nm. Ker dodatek D2O poveča redukcijsko moč citrata, kombinacija D2O in C6H9Na3O9. (prim. Zhao et al., 2013)
Protokol za sonokemično turkeviško pot Turkevich-Frens
Za sintezo nanodelcev zlata v postopku od spodaj navzgor po Turkevich-Frensovi metodi je 50 ml kloroavrinske kisline (HAuCl4), 0,025 mM se vlije v 100 ml stekleno čašo, v katero se vlijemo 1 ml 1,5 % (m/v) vodne raztopine trinatrijevega citrata (Na3Ct) se doda pod ultrazvokom pri sobni temperaturi. Ultrasonication je bil izveden pri 60W, 150W in 210W. The Na3Ct/HAuCl4 razmerje, uporabljeno v vzorcih, je 3:1 (m/v). Po ultrazvočni obdelavi so koloidne raztopine pokazale različne barve, vijolično za 60 W in rubinasto rdečo za vzorce 150 in 210 W. Manjše velikosti in bolj sferični grozdi zlatih nanodelcev so nastali s povečanjem moči ultrazvočnega razbijanja, v skladu s strukturno karakterizacijo. (2021) v svojih raziskavah kažejo močan vpliv naraščajoče ultrazvočne razbijanje na velikost delcev, poliedrsko strukturo in optične lastnosti sonokemično sintetiziranih nanodelcev zlata ter reakcijsko kinetiko za njihovo tvorbo. Oba zlata nanodelca velikosti 16nm in 12nm se lahko proizvedeta s prilagojenim sonokemičnim postopkom. (Fuentes-García et al., 2021)
Sonoliza zlatih nanodelcev
Druga metoda za eksperimentalno nastajanje delcev zlata je sonoliza, kjer se ultrazvok uporablja za sintezo delcev zlata s premerom pod 10 nm. Glede na reagente lahko sonolitična reakcija poteka na različne načine. Na primer, ultrazvočno razbijanje vodne raztopine HAuCl4 Z glukozo hidroksilni radikali in radikali za pirolizo sladkorja delujejo kot redukcijska sredstva. Ti radikali nastanejo na medfaznem območju med propadajočimi votlinami, ki jih ustvarja intenziven ultrazvok in vodo. Morfologija zlatih nanostruktur so nanotrakovi širine 30–50 nm in dolžine nekaj mikrometrov. Ti trakovi so zelo prožni in se lahko upognejo pod kotom, večjim od 90°. Ko glukozo nadomestimo s ciklodekstrinom, oligomerom glukoze, dobimo le sferične delce zlata, kar kaže, da je glukoza bistvenega pomena za usmerjanje morfologije proti traku.
Vzorčni protokol za sonokemično sintezo nano-zlata
Predhodni materiali, ki se uporabljajo za sintezo AuNP, prevlečenih s citratom, vključujejo HAuCl4, natrijev citrat in destilirano vodo. Za pripravo vzorca je prvi korak vključeval raztapljanje HAuCl4 v destilirani vodi s koncentracijo 0,03 M. Nato smo raztopino HAuCl4 (2 ml) po kapljicah dodali 20 ml vodne 0,03 M raztopine natrijevega citrata. Med fazo mešanja je bila v raztopino vstavljena ultrazvočna sonda visoke gostote (20 kHz) z ultrazvočnim rogom za 5 minut pri zvočni moči 17,9 W·cm2
(prim. Dhabey na al. 2020)
Sinteza zlatega nanopasu z uporabo ultrazvočnega razbijanja
Enojni kristalni nanopasovi (glej sliko TEM levo) se lahko sintetizirajo s ultrazvočno razbijanjem vodne raztopine HAuCl4 v prisotnosti α-D-glukoze kot reagena. Sonokemično sintetizirani zlati nanopasovi kažejo povprečno širino od 30 do 50 nm in dolžino nekaj mikrometrov. Ultrazvočna reakcija za proizvodnjo zlatih nanopasov je preprosta, hitra in preprečuje uporabo strupenih snovi. (prim. Zhang et al, 2006)
Površinsko aktivne snovi, ki vplivajo na sonokemično sintezo zlatih NP
Uporaba intenzivnega ultrazvoka na kemijske reakcije sproži in spodbuja pretvorbo in donos. Da bi dobili enotno velikost delcev in določene ciljne oblike / morfologije, je izbira površinsko aktivnih snovi kritičen dejavnik. Dodajanje alkoholov pomaga tudi pri nadzoru oblike in velikosti delcev. Na primer, v prisotnosti ad-glukoze, glavne reakcije v procesu sonolize vodne HAuCl4 kot je prikazano v naslednjih enačbah (1–4):
(1) H2 O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) A
(4) nAu0 —> AuNP (nanobelts)
(prim. Zhao et al., 2014)
Moč ultrazvočnih aparatov tipa sonde
Ultrazvočne sonde ali sonotrode (imenovane tudi ultrazvočni rogovi) zagotavljajo ultrazvok visoke intenzivnosti in akustično kavitacijo v zelo osredotočeni obliki v kemične raztopine. Ta natančno nadzorovan in učinkovit prenos ultrazvoka moči omogoča zanesljive, natančno nadzorovane in ponovljive pogoje, v katerih se lahko sprožijo, okrepijo in preklopijo kemične reakcijske poti. V nasprotju s tem ultrazvočna kopel (znana tudi kot ultrazvočni čistilec ali rezervoar) zagotavlja ultrazvok z zelo nizko gostoto moči in naključno pojavljajočimi se kavitacijskimi točkami v velik volumen tekočine. Zaradi tega so ultrazvočne kopeli nezanesljive za kakršne koli sonokemične reakcije.
"Ultrazvočne čistilne kopeli imajo gostoto moči, ki ustreza majhnemu odstotku tistega, ki ga ustvarja ultrazvočni rog. Uporaba čistilnih kopeli v sonokemiji je omejena, glede na to, da popolnoma homogena velikost in morfologija delcev ni vedno dosežena. To je posledica fizičnih učinkov ultrazvoka na nukleacijo in rastne procese. (González-Mendoza et al. 2015)
- Enostavna reakcija v enem loncu
- visoka učinkovitost
- Varen
- Hiter postopek
- nizki stroški
- linearna razširljivost
- okolju prijazna, zelena kemija
Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za sintezo zlatih nanodelcev
Hielscher Ultrasonics dobavlja zmogljive in zanesljive ultrazvočne procesorje za sonokemično sintezo (sono-sintezo) nanodelcev, kot so zlato in druge nanostrukture plemenitih kovin. Ultrazvočno mešanje in disperzija povečata prenos mase v heterogenih sistemih in spodbuja vlaženje in kasnejšo nukleacijo atomskih grozdov, da bi oborili nano-delce. Ultrazvočna sinteza nanodelcev je preprosta, stroškovno učinkovita, biokompatibilna, ponovljiva, hitra in varna metoda.
Hielscher Ultrasonics dobavlja zmogljive in natančno nadzorovane ultrazvočne procesorje za oblikovanje nano-velikih struktur, kot so nanosheres, nanorods, nanobelts, nano-ribbons, nanoclusters, core-shell delci itd.
Naše stranke cenijo pametne funkcije digitalnih naprav Hielscher, ki so opremljene z inteligentno programsko opremo, barvnim zaslonom na dotik, samodejnim protokoliranjem podatkov na vgrajeni kartici SD in intuitivnim menijem za uporabniku prijazno in varno upravljanje.
Hielscher, ki pokriva celoten razpon moči od 50 vatnih ročnih ultrazvočnih aparatov za laboratorij do 16.000 vatov močnih industrijskih ultrazvočnih sistemov, ima idealno ultrazvočno nastavitev za vašo aplikacijo. Sonokemična oprema za serijsko in neprekinjeno inline proizvodnjo v pretočnih reaktorjih je na voljo v vseh velikostih in industrijskih velikostih. Robustnost Hielscherjeve ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje pri težkih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
---|---|---|
1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Literatura / Reference
- Pan, H.; Low, S;, Weerasuriya, N; Wang, B.; Shon, Y.-S. (2019): Morphological transformation of gold nanoparticles on graphene oxide: effects of capping ligands and surface interactions. Nano Convergence 6, 2; 2019.
- Fuentes-García, J.A.; Santoyo-Salzar, J.; Rangel-Cortes, E.; Goya, VG.;. Cardozo-Mata, F.; Pescador-Rojas, J.A. (2021): Effect of ultrasonic irradiation power on sonochemical synthesis of gold nanoparticles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 70, 2021.
- Dheyab, M.; Abdul Aziz, A.; Jameel, M.S.; Moradi Khaniabadi, P.; Oglat, A.A. (2020): Rapid Sonochemically-Assisted Synthesis of Highly Stable Gold Nanoparticles as Computed Tomography Contrast Agents. Appl. Sci. 2020, 10, 7020.
- Zhang, J.; Du, J.; Han, B.; Liu, Z.; Jiang, T.; Zhang, Z. (2006): Sonochemical formation of single-crystalline gold nanobelts. Angewandte Chemie, 45 (7), 2006. 1116-1119
- Bang, Jin Ho; Suslick, Kenneth (2010): Applications of Ultrasound to the Synthesis of Nanostructured Materials. Cheminform 41 (18), 2010.
- Hinman, J.J.; Suslick, K.S. (2017): Nanostructured Materials Synthesis Using Ultrasound. Topics in Current Chemistry Volume 375, 12, 2017.
- Zhao, Pengxiang; Li, Na; Astruc, Didier (2013): State of the art in gold nanoparticle synthesis. Coordination Chemistry Reviews, Volume 257, Issues 3–4, 2013. 638-665.