Ефикасна и контролисана синтеза наночестица злата

Наночестице злата уједначеног облика и морфологије могу се ефикасно синтетисати сонохемијским путем. Хемијска реакција синтезе наночестица злата поспешена ултразвуком може се прецизно контролисати у погледу величине честица, облика (нпр. наносфере, наноштапићи, нанопојасеви итд.) и морфологије. Делотворан, једноставан, брз и еколошки прихватљив хемијски поступак омогућава поуздану производњу наноструктура злата у индустријским размерама.

Наночестице и наноструктуре злата

Наночестице злата и структуре нанометарских димензија широко се примењују у истраживању и развоју и у индустријским процесима због јединствених својстава злата нанометарских димензија, која, између осталог, обухватају електронске, магнетне и оптичке карактеристике, квантне ефекте величине, површинску плазмонску резонанцу, високу каталитичку активност и самоорганизовање. Области примене наночестица злата (Au-NPs) обухватају употребу као катализатора, производњу наноелектронских уређаја, као и примену у снимању, нанофотоници, наномагнетици, биосензорима, хемијским сензорима, оптичким и тераностичким применама, испоруци лекова и другим областима.

Методе синтезе наночестица злата

Наноструктурисане честице злата могу се синтетисати различитим путевима применом ултразвучне обраде високих перформанси. Ултразвучна обрада није само једноставна, ефикасна и поуздана техника; соникација такође ствара услове за хемијску редукцију јона злата без токсичних или агресивних хемијских агенаса и омогућава формирање наночестица племенитих метала различитих морфологија. Избор реакционог пута и сонохемијске обраде (познате и као соносинтеза) омогућава производњу наноструктура злата, као што су наносфере, наноштапићи, нанопојасеви итд., уједначене величине и морфологије.
У наставку су наведени одабрани сонохемијски путеви за добијање наночестица злата.

Туркевичева метода побољшана ултразвуком

Соникација се користи за интензивирање Туркевичеве реакције редукције цитратом, као и модификованих Туркевичевих поступака.
Туркевичевом методом добијају се умерено монодисперзне сферне наночестице злата пречника око 10–20nm. Могу се произвести и веће честице, али науштрб монодисперзности и облика. У овој методи, врућа хлорозлатна киселина третира се раствором натријум-цитрата, при чему настаје колоидно злато. Туркевичева реакција одвија се преко формирања пролазних наножица злата. Ове наножице злата одговорне су за таман изглед реакционог раствора пре него што постане рубинскоцрвен.
Fuentes-García et al. (2020), који су сонохемијски синтетисали наночестице злата, наводе да је могуће произвести наночестице злата са високом апсорпционом интеракцијом користећи ултразвучну обраду као једини извор енергије, уз смањење лабораторијских захтева и контролу својстава променом једноставних параметара.
Lee et al. (2012) показали су да је ултразвучна енергија кључни параметар за производњу сферних наночестица злата (AuNPs) подесивих величина од 20 до 50 nm. Соносинтезом путем редукције натријум-цитратом добијају се монодисперзне сферне наночестице злата у воденом раствору при атмосферским условима.

Туркевич–Френсова метода уз примену ултразвука

Модификација претходно описаног реакционог пута је Туркевич–Френсова метода, која представља једноставан вишестепени процес синтезе наночестица злата. Ултразвучна обрада поспешује Туркевич–Френсов реакциони пут на исти начин као и Туркевичев пут. Почетни корак Туркевич–Френсовог вишестепеног процеса, у којем се реакције одвијају узастопно и паралелно, јесте оксидација цитрата, при којој настаје дикарбоксиацетон. Затим се со злата(III) редукује до соли злата(I) и Au⁰, а со злата(I) се групише на Au⁰ атомима да би се формирале AuNP (видети шему испод).
 

Синтеза наночестица злата Туркевичевом методом.
шема и студија: ©Zhao et al., 2013

То значи да дикарбоксиацетон који настаје оксидацијом цитрата, уместо самог цитрата, делује као стварни стабилизатор AuNP у Туркевич–Френсовој реакцији. Цитратна со додатно мења pH система, што утиче на величину и расподелу величине наночестица злата (AuNPs). Ови услови Туркевич–Френсове реакције дају готово монодисперзне наночестице злата са величинама честица од 20 до 40nm. Тачна величина честица може се мењати променом pH раствора, као и ултразвучних параметара. AuNPs стабилизоване цитратом увек су веће од 10 nm због ограничене редукционе способности тринатријум-цитрат дихидрата. Међутим, употреба D₂O као растварача уместо H2O током синтезе AuNPs омогућава синтезу AuNPs са величином честица од 5 nm. Пошто додавање D2O повећава редукциону моћ цитрата, комбинација D2O и C₆H₉Na₃O₉. (уп. Zhao et al., 2013)

Протокол за сонохемијски Туркевич–Френсов поступак

За синтезу наночестица злата поступком одоздо нагоре применом Туркевич–Френсове методе, 50mL хлорозлатне киселине (HAuCl₄), концентрације 0,025 mM, сипа се у стаклену лабораторијску чашу од 100 mL, у коју се додаје 1 mL 1,5% (w/v) воденог раствора тринатријум-цитрата (Na₃Ct) уз ултразвучни третман на собној температури. Ултразвучни третман је изведен при снагама од 60W, 150W и 210W. Однос Na₃Ct/HAuCl₄ коришћен у узорцима износи 3:1 (w/v). Након ултразвучног третмана, колоидни раствори показали су различите боје: љубичасту за узорак третиран при 60 W и рубинцрвену за узорке третиране при 150 и 210 W. Према структурној карактеризацији, повећањем снаге соникације добијени су мањи и сферичнији кластери наночестица злата. Fuentes-García et al. (2021) у својим истраживањима показују снажан утицај повећања соникације на величину честица, полиедарску структуру и оптичка својства сонохемијски синтетисаних наночестица злата, као и на кинетику реакције њиховог формирања. Прилагођеним сонохемијским поступком могу се произвести наночестице злата величине и 16nm и 12nm. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM снимак (скала од 50 nm) и (c) расподела величине AuNPs синтетисаних при
снази соникације од 17,9 Wcm2.
Слика и студија: © Dheyab et al., 2020.

Сонолиза наночестица злата

Још једна метода за експериментално добијање честица злата јесте сонолиза, при којој се ултразвук примењује за синтезу честица злата пречника мањег од 10 nm. У зависности од реагенаса, сонолитичка реакција може се изводити на различите начине. На пример, при соникацији воденог раствора HAuCl₄ са глукозом, хидроксилни радикали и радикали настали пиролизом шећера делују као редукциона средства. Ови радикали настају у међуфазној области између колабирајућих кавитационих шупљина створених интензивним ултразвуком и околне масе воде. Наноструктуре злата имају облик нанотрака ширине 30–50 nm и дужине неколико микрометара. Ове траке су веома савитљиве и могу се савијати под угловима већим од 90°. Када се глукоза замени циклодекстрином, олигомером глукозе, добијају се само сферичне честице злата, што указује на то да је глукоза неопходна за усмеравање морфологије ка облику траке.

Пример протокола за сонохемијску синтезу нанозлата

Прекурсорски материјали који се користе за синтезу AuNPs обложених цитратом укључују HAuCl4, натријум-цитрат и дестиловану воду. Ради припреме узорка, први корак обухватао је растварање HAuCl4 у дестилованој води до концентрације од 0,03 M. Затим је раствор HAuCl4 (2 mL) додат кап по кап у 20 mL воденог раствора натријум-цитрата концентрације 0,03 M. Током фазе мешања, ултразвучна сонда високе густине (20 kHz) са ултразвучним рогом уроњена је у раствор на 5 min при снази озвучавања од 17,9 W·cm²
.
(уп. Dhabey at al. 2020)

Синтеза златних нанотрака применом соникације

Монокристалне нанотраке (видети TEM снимак лево) могу се синтетисати соникацијом воденог раствора HAuCl4 у присуству α-D-глукозе као реагенса. Сонохемијски синтетисане златне нанотраке имају просечну ширину од 30 до 50 nm и дужину од неколико микрометара. Ултразвучна реакција за производњу златних нанотрака је једноставна, брза и избегава употребу токсичних супстанци. (уп. Zhang et al, 2006)

Површински активне материје за утицај на сонохемијску синтезу наночестица злата

Примена интензивног ултразвука на хемијске реакције покреће и подстиче конверзију и повећава приносе. Да би се постигла уједначена величина честица и одређени циљани облици / морфологије, избор површински активних материја је кључни фактор. Додавање алкохола такође помаже у контроли облика и величине честица. На пример, у присуству a-d-глукозе, главне реакције у процесу сонолизе воденог раствора HAuCl₄ приказане су следећим једначинама (1–4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) шећер –> радикали пиролизе
(3) AIII + редукујући радикали –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (нанотраке)
(уп. Zhao et al., 2014)

Снага ултразвучних уређаја са сондом


Ултразвучне сонде или сонотроде (које се називају и ултразвучним роговима) уносе ултразвук високог интензитета и акустичну кавитацију у хемијске растворе у веома фокусираном облику. Овај прецизно контролисан и ефикасан пренос ултразвука велике снаге омогућава поуздане, прецизно контролисане и поновљиве услове, у којима се путеви хемијских реакција могу покренути, интензивирати и преусмерити. Насупрот томе, ултразвучна када (позната и као ултразвучни чистач или резервоар) уноси ултразвук веома мале густине снаге и насумично настала кавитациона жаришта у велику запремину течности. Због тога су ултразвучне каде непоуздане за било које сонохемијске реакције.
„Ултразвучне каде за чишћење имају густину снаге која одговара малом проценту густине снаге коју ствара ултразвучни рог. Употреба када за чишћење у сонохемији је ограничена, с обзиром на то да се потпуно уједначена величина и морфологија честица не постижу увек. То је последица физичких ефеката ултразвука на процесе нуклеације и раста.“ (González-Mendoza et al. 2015)

Ултразвучни уређаји високих перформанси за синтезу наночестица злата

Hielscher Ultrasonics испоручује снажне и поуздане ултразвучне процесоре за сонохемијску синтезу (соносинтезу) наночестица, као што су наноструктуре злата и других племенитих метала. Ултразвучно мешање и дисперговање повећавају пренос масе у хетерогеним системима и подстичу квашење и накнадну нуклеацију кластера атома ради таложења наночестица. Ултразвучна синтеза наночестица је једноставна, економична, биокомпатибилна, поновљива, брза и безбедна метода.
Hielscher Ultrasonics испоручује снажне ултразвучне процесоре са прецизном контролом за формирање структура нанометарских димензија, као што су наносфере, наноштапићи, нанотраке, нанопантљике, нанокластери, честице са језгром и омотачем итд.
Прочитајте више о ултразвучној синтези наночестица злата уз посредовање броколија и њиховој употреби као биогених лекова!
Прочитајте више о ултразвучној синтези магнетних наночестица!
Наши купци цене паметне функције дигиталних уређаја Hielscher, који су опремљени интелигентним софтвером, екраном у боји осетљивим на додир, аутоматским бележењем података на уграђену SD картицу и интуитивним менијем за једноставно и безбедно руковање.
Покривајући целокупан опсег снаге, од ручних лабораторијских ултразвучних уређаја снаге 50 вати до снажних индустријских ултразвучних система снаге до 16.000 вати, Hielscher има идеалну ултразвучну поставку за вашу примену. Сонохемијска опрема за шаржну и континуалну проточну производњу у проточним реакторима лако је доступна у свим величинама, од стоних до индустријских. Робусност ултразвучних уређаја Hielscher омогућава рад 24/7 при великим оптерећењима и у захтевним окружењима.

Табела у наставку даје увид у приближан капацитет обраде наших ултразвучних уређаја: