Zlato nanodelci enotne oblike in morfologije se lahko učinkovito sintetizirajo preko sonokemične poti. Ultrazvočno pospeševanje kemične reakcije sinteze zlatega nanodelca je mogoče natančno nadzorovati za velikost delcev, obliko (npr. nanosfere, nanorode, nanobelte itd.) in morfologijo. Učinkovit, preprost, hiter in zelen kemični postopek omogoča zanesljivo proizvodnjo nanostruktur zlata v industrijskem obsegu.

Zlati nanodelci in nanostrukture

Zlato nanodelci in nano-velikosti strukture se široko izvajajo v R&D in industrijski procesi zaradi edinstvenih lastnosti zlata nano velikosti, vključno z elektronskimi, magnetnimi in optičnimi značilnostmi, kvantnimi učinki velikosti, površinsko plazmono resonanco, visoko katalitično aktivnostjo, samomontažo med drugimi lastnostmi. Področja uporabe za zlate nanodelce (Au-NP) segajo od uporabe kot katalizanta do proizvodnje nanoelektronskih naprav, kot tudi uporabe pri slikanju, nano-fotoniki, nanomagnetičnih, biosenzorjih, kemičnih senzorjih, za optične in teranostike uporabe, dostava drog in druge uporabe.

Metode sinteze zlatega nanodelca

Nanostrukturirane zlate delce lahko sintetizirajo prek različnih poti z ultrasonikacijo visokih zmogljivosti. Ultrasonication ni le preprosta, učinkovita in zanesljiva tehnika, poleg tega sonication ustvarja pogoje za kemično zmanjšanje zlatih ionov brez strupenih ali ostro kemičnih sredstev in omogoča oblikovanje plemenitih kovinskih nanodelcev različnih morfologij. Izbira poti in sonokemične obdelave (znan tudi kot sonozinteza) omogoča izdelavo zlatih nanostruktur, kot so zlato nanosheres, nanorodi, nanobelti itd. z enotno velikostjo in morfologijo.
Spodaj najdete izbrane sonokemične poti za pripravo zlatih nanodelcev.

Ultrazvočno izboljšana Metoda Turkevich

Sonication se uporablja za intenzivne turkevich citrat-reduction reakcije, kot tudi spremenjene Turkevich postopke.
Metoda Turkevich proizvaja skromno monodisperzijo krogličnih zlatih nanodelcev premera okoli 10–20nm. Večje delce lahko proizvedemo, vendar za ceno monodisperziteta in oblike. Pri tej metodi se vroča kloroavrična kislina zdravi z raztopino natrijevega citrata, ki proizvaja koloidno zlato. Turkevičeva reakcija se nadaljuje z nastanek prehodnih zlatih nano žic. Te zlate nano žice so odgovorne za temni videz reakcijske raztopine, preden postane rubin-rdeča.
Fuentes-García et al. (2020), ki sonokemično sintetiizirali nanodelce zlata, poročajo, da je izvedljivo proizvajati zlate nanodelce z visoko absorpcijo interakcije z uporabo ultrazvočnosti kot edini vir energije, zmanjšanjem laboratorijskih zahtev in kontrolnimi lastnostmi, ki spreminjajo preproste parametre.
Lee et al. (2012) je dokazala, da je ultrazvočna energija ključni parameter za proizvodnjo sferičnih zlatih nanodelcev (AuNPs) tunable velikosti od 20 do 50 nm. Sonozinteza z zmanjšanjem natrijevega citrata proizvaja monodisperzijo sferičnih zlatih nanodelcev v kedi raztopini v atmosferskih pogojih.

Metoda Turkevich-Frens z ultrazvokom

Sprememba zgoraj opisane reakcijske poti je metoda Turkevich-Frens, ki je preprost postopek z več koraki za sintezo zlatih nanodelcev. Ultrasonication spodbuja Turkevich-Frens reakcijo pot na enak način kot Turkevich poti. Začetni korak Turkevich-Frens večstopenjnega procesa, kjer se reakcije pojavljajo v seriji in vzporedno, je oksidacija citrata, ki daje dikarboksi aceton. Nato se avrična sol zmanjša na aurous sol in Au⁰, in aurous sol se sestave na Au⁰ atomov, da tvorijo AuNP (glej spodnjo shemo).

Sinteza zlatega nanodelca prek Turkevich metode.
shema in študija: ©Zhao et al., 2013

To pomeni, da dikarboksi aceton, ki je posledica oksidacije citrata in ne samega citrata, deluje kot dejanski stabilizator AuNP v reakciji Turkevich-Frens. Citratna sol dodatno spreminja pH sistema, kar vpliva na velikost in velikost porazdelitve zlatih nanodelcev (AuNPs). Ti pogoji reakcije Turkevich-Frens proizvajajo skoraj monodisperzijo zlatih nanodelcev z velikostmi delcev med 20 in 40nm. Natančno velikost delcev je mogoče spremeniti ob spremembi pH raztopine, kot tudi z ultrazvočnimi parametri. Citrat stabilizirane AuNP so vedno večje od 10 nm, zaradi omejene zmanjšane sposobnosti trinatrijevega citrat dihidrata. Vendar uporaba zdravila D₂O kot topilo namesto H₂O med sintezo AuNPs omogoča sintezo AuNPs z velikostjo delcev 5 nm. Kot dodatek D₂O povečajte zniževanje jakosti citrata, kombinacijo D₂O in C₆H_9.Na₃O_9.. (prim. Zhao et al., 2013)

Protokol za sonokemično Turkevich-Frens pot

Za sintezo zlatih nanodelcev v postopku od spodaj navzgor po metodi Turkevich-Frens 50mL kloroavrične kisline (HAuCl₄), 0,025 mM se vliva v stekleno čašo s 100 ml, v katero 1 ml 1,5% (w/v) vodene raztopine trinatrijevega citrata (Na₃Ct) se doda pri ultrasonikacijo pri sobni temperaturi. Ultrasonication so izvedli pri 60W, 150W in 210W. The Na₃CT/HAuCl₄ razmerje, uporabljeno v vzorcih, je 3:1 (w/v). Po ultrasonikacijo so koloidne raztopine pokazale različne barve, vijolično za 60 W in rubin-rdeče za vzorce 150 in 210 W. Manjše velikosti in več krogličnih grozdov zlatih nanodelcev so bile proizvedene s povečanjem sonication moči, glede na strukturno karakterizacijo. Fuentes-García et al. (2021) v svojih preiskavah kažejo močan vpliv povečanja sonikacije na velikost delcev, poliedralno strukturo in optične lastnosti sonokemično sintetiiziranih zlatih nanodelcev in reakcijske kinetike za njihovo nastanek. Oba, zlate nanodelce velikosti 16nm in 12nm lahko proizvajamo s prilagojenim sonokemični postopek. (Fuentes-García et al., 2021)

(a,b) SLIKA TEM in (c) porazdelitev velikosti sonokemično sintetičnih zlatih nanodelcev (AuNPs)
Slika in študija: © Dheyab et al., 2020.

Sonoliza zlatih nanodelcev

Druga metoda za eksperimentalno generacijo zlatih delcev je sonoliza, kjer se uporablja ultrazvok za sintezo zlatih delcev s premerom pod 10 nm. Odvisno od reagentov lahko sonolitično reakcijo izvajamo v različnih načinih. Na primer, sonication avouous raztopina zdravila HAuCl₄ z glukozo, hidroksil radikali in sladkor piroliza radikali delujejo kot redukcijo. Ti radikali se oblikujejo v medfacialni regiji med uhajajočo votlino, ki jo ustvarja intenzivni ultrazvok in razsuta voda. Morfologija zlatih nanostruktur so nanoribboni s širino 30–50 nm in dolžino več mikrometrov. Ti trakovi so zelo prilagodljivi in se lahko upognejo s koti, večjimi od 90°. Ko se glukoza nadomesti s ciklodekstrinom, glukozo oligomer, se pridobijo samo kroglični zlati delci, kar kaže, da je glukoza bistvenega pomena za usmerjanje morfologije proti traku.

Vzorčni protokol za sonokemično nano-zlato sintezo

Predhodna materiala, ki se uporabljajo za sintezo AUNP, obloženih s citratom, vključujejo₄, natrijev citrat in destilirana voda. Za pripravo vzorca je prvi korak vključeval razpust HAuCl₄ v destilirani vodi s koncentracijo 0,03 M. Nato je bila raztopina HAuCl₄ (2 ml) je bila dodana kapljica na 20 ml voske 0,03 M raztopine natrijevega citrata. Med fazo mešanja je bila ultrazvočna sonda visoke gostote (20 kHz) z ultrazvočnim rogom vstavljena v raztopino 5 min pri zveneči moči 17,9 W·cm²
(prim. Dhabey na al. 2020)

Gold Nanobelt Sinteza z uporabo Sonication

Enojne kristalne nanobele (glejte sliko TEM levo) se lahko sintetizujejo s sonikacijo vodne raztopine zdravila HAuCl₄ prisotnosti α-D-glukoze kot reagens. Soniokemično sintetiizirani zlati nanobeli kažejo povprečno širino od 30 do 50 nm in več mikrometrov dolžine. Ultrazvočna reakcija za proizvodnjo zlatih nanobeltov je preprosta, hitra in se izogiba uporabi strupenih snovi. (prim. Zhang et al, 2006)

Površinsko aktivne snovi za vpliv Sonokemična sinteza zlatih NPS

Uporaba intenzivnega ultrazvoka na kemične reakcije sproži in spodbuja pretvorbo in donose. Za pridobitev enotne velikosti delcev in nekaterih ciljnih oblik / morfologij, je izbira površinsko aktivnih snovi kritičen dejavnik. Dodajanje alkohola pomaga tudi pri nadzoru oblike in velikosti delcev. V prisotnosti a-d-glukoze so na primer glavne reakcije v procesu sonolize v₄ kot je prikazano v naslednjih enačbah (1–4):
(1) H₂ O –> H. + OH.
(2) sladkor – > piroliza radikali
(3) AIII + zmanjšanje radikalov – > Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelti)
(prim. Zhao et al., 2014)

Moč ultrasonicatorjev tipa Probe

Ultrazvočne sonde ali sonotrodi (imenovani tudi ultrazvočni rogovi) prinašajo ultrazvok visoke intenzivnosti in akustično kavitacijo v zelo osredotočeni obliki v kemične rešitve. Ta natančno kontroliran in učinkovit prenos električnega ultrazvoka omogoča zanesljive, natančno kontrolirane in pomnilljive pogoje, kjer se lahko sprožijo, poostrejo in preklapljajo poti kemične reakcije. Nasprotno pa ultrazvočna kopel (znana tudi kot ultrazvočni čistilec ali cisterna) zagotavlja ultrazvok z zelo nizko gostoto moči in naključno pojavlja kavitacijskih lis v veliko prostornino tekočine. Zaradi tega so ultrazvočne kopeli nezaustavljive za vse sonokemične reakcije.
»Ultrazvočne čistilne kopeli imajo gostoto moči, ki ustreza majhnemu odstotku, ki ga ustvari ultrazvočni rog. Uporaba čistilnih kopeli v sonokemiji je omejena, glede na to, da popolnoma homogena velikost delcev in morfologija ni vedno dosežena. To je posledica fizičnih učinkov ultrazvoka nad jedmi in rastočimi procesi." (González-Mendoza et al. 2015)

Ultrasonicatorji visoke zmogljivosti za sintezo zlatih nanodelcev

Hielscher Ultrasonics dobavlja zmogljive in zanesljive ultrazvočne procesorje za sonokemično sintezo (sono-sinteza) nanodelcev, kot so zlato in druge plemenite kovinske nanostrukture. Ultrazvočna vznemirjenost in disperzija povečuje prenos mase v heterogenih sistemih in spodbuja vlaženje in kasneje jednje atomskih grozdov, da se oborijo nanodelci. Ultrazvočna sinteza nano delcev je preprosta, stroškovno učinkovita, biokompatibilna, pomnožljiva, hitra in varna metoda.
Hielscher Ultrasonics dobavlja zmogljive in natančno nadzorovane ultrazvočne procesorje za oblikovanje nano-velikih struktur, kot so nanosheres, nanorodi, nanobelts, nano-trakovi, nanoclusters, jedro-lupina delcev itd.
Naše stranke cenijo pametne funkcije digitalnih naprav Hielscher, ki so opremljene z inteligentno programsko opremo, barvnim zaslonom na dotik, samodejnim protokolom podatkov na vgrajeni SD kartici in imajo intuitiven meni za uporabniku prijazno in varno delovanje.
Pokriva celotno območje moči od 50 vatov ročni ultrasonicatorji za laboratorij do 16.000 vatov močan industrijski ultrazvočni sistemi, Hielscher ima idealno ultrazvočno nastavitev za vašo aplikacijo. Sonokemična oprema za sestavo in neprekinjeno inline proizvodnjo v pretočnih reaktorjih je lahko na voljo na vseh klopnih in industrijskih velikostih. Robustnost Hielscherove ultrazvočne opreme omogoča 24/7 delovanje na težkih dolžnostih in v zahtevnih okoljih.

V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators: