Guldnanopartiklar av enhetlig form och morfologi kan syntetiseras effektivt via sonokemisk väg. Ultraljud främjas kemisk reaktion av guld nanopartikelsyntesen kan kontrolleras exakt för partikel storlek, form (t.ex. nanosfärer, nanoroder, nanobälten etc.) och morfologi. Det effektiva, enkla, snabba och gröna kemiska förfarandet möjliggör tillförlitlig produktion av guldnananostrukturer i industriell skala.

Guldnanopartiklar och nanostrukturer

Guldnanopartiklar och nanostora strukturer implementeras i stor utsträckning i R&D och industriella processer på grund av de unika egenskaperna hos guld i nanostorlek inklusive elektroniska, magnetiska och optiska egenskaper, kvantstorlekseffekter, ytplasmonresonans, hög katalytisk aktivitet, självmontering bland andra egenskaper. Användningsområdena för nanopartiklar av guld (Au-NPs) sträcker sig från användning som katalysator till tillverkning av nanoelektroniska enheter, liksom användning vid avbildning, nanofotonik, nanomagnetisk, biosensorer, kemiska sensorer, för optiska ochranostiska tillämpningar, läkemedelsleverans samt andra användningar.

Metoder för guldnanopartiklar syntes

Nanostrukturerade guldpartiklar kan syntetiseras via olika rutter med högpresterande ultraljud. Ultraljudsbehandling är inte bara en enkel, effektiv och tillförlitlig teknik, dessutom ultraljudsbehandling skapar förutsättningar för kemisk minskning av guldjoner utan giftiga eller hårda kemiska medel och möjliggör bildandet av ädel metall nanopartiklar av olika morfologier. Valet av rutt och sonokemisk behandling (även känd som sonosyntes) gör det möjligt att producera guldnannoroser som guldnannoros, nanoroder, nanobälten etc. med enhetlig storlek och morfologi.
Nedan hittar du utvalda sonokemiska vägar för beredning av guldnanopartiklar.

Ultraljud förbättrad Turkevich metod

Ultraljudsbehandling används för att intensifiera Turkevich citrat-minskning reaktion samt modifierade Turkevich förfaranden.
Turkevich-metoden producerar blygsamt monodisperse sfäriska guldnanopartiklar med en diameter på cirka 10–20n m. Större partiklar kan produceras, men på bekostnad av monodispersitet och form. I denna metod behandlas varm kloroaurisk syra med natriumcitratlösning, vilket producerar kolloidalt guld. Turkevich-reaktionen fortsätter genom bildandet av övergående guldnanörtrådar. Dessa guldnananotrådar är ansvariga för reaktionslösningens mörka utseende innan den blir rubinröd.
Fuentes-García et al. (2020), som sonokemiskt syntetiserade guldnanopartiklar, rapporterar att det är möjligt att tillverka guldnanopartiklar med hög absorption samspel med ultraljud som enda energikälla, minska laboratoriekrav och kontrollera egenskaper som ändrar enkla parametrar.
(2012) visade att ultraljud energi är en nyckelparameter för att producera sfäriska guld nanopartiklar (AuNPs) av tunable storlekar på 20 till 50 nm. Sonosyntesen via natriumcitratreducering producerar monodisperse sfäriska guldnanopartiklar i vattenlösning under atmosfäriska förhållanden.

Turkevich-Frens-metoden med ultraljud

En ändring av ovanstående beskrivna reaktionsväg är Turkevich-Frens-metoden, som är en enkel flerstegsprocess för syntesen av guldnanopartiklar. Ultraljud främjar Turkevich-Frens reaktionsvägen på samma sätt som Turkevich rutten. Det första steget i Turkevich-Frens flerstegsprocess, där reaktioner uppstår i serie och parallellt, är oxidation av citrat som ger dikarboxy aceton. Sedan reduceras auric saltet till aurous salt och Au⁰, och aurous saltet monteras på Au⁰ atomer för att bilda AuNP (se schemat nedan).

Guld nanopartikelsyntes via Turkevich metod.
system och studie: ©Zhao et al., 2013

Detta innebär att dicarboxy aceton som härrör från oxidation av citrat snarare än citrat själv fungerar som den faktiska AuNP stabilisatorn i Turkevich-Frens reaktion. Citratsaltet ändrar dessutom systemets pH-värde, vilket påverkar storleken och storleksfördelningen av guldnanopartiklarna (AuNPs). Dessa villkor för Turkevich-Frens reaktion producerar nästan monodisperse guld nanopartiklar med partikelstorlekar mellan 20 och 40nm. Den exakta partikelstorleken kan ändras vid variation av lösningens pH samt av ultraljudsparametrarna. Citratstabiliserade AuNPs är alltid större än 10 nm, på grund av den begränsade reducerande förmågan hos trinatriumcitrat dihydrat. Men med hjälp av D₂O som lösningsmedel istället för H₂O under syntesen av AuNPs gör det möjligt att syntetisera AuNPs med en partikelstorlek på 5 nm. Som tillägg av D₂O öka citratts minskande styrka, kombinationen av D₂O och C₆H₉Na₃den₉. (se Zhao et al., 2013)

Protokoll för den sonokemiska turkjevitj-frens-rutten

För att syntetisera guldnanopartiklar i ett bottom-up-förfarande via Turkevich-Frens-metoden, 50mL kloroaurisk syra (HAuCl₄), hälls 0,025 mM i en 100 ml glasbägare, i vilken 1 ml 1,5% (w/v) vattenlösning av trinatriumcitrat (Na₃Ct) tillsätts under ultraljud vid rumstemperatur. Ultraljud utfördes på 60W, 150W och 210W. Naen₃Ct/HAuCl (engelska)₄ som används i proverna är 3:1 (w/v). Efter ultraljud visade kolloidal lösningar olika färger, violett för 60 W och rubinröd för 150 och 210 W prover. Mindre storlekar och mer sfäriska kluster av guldnanopartiklar producerades genom ökad ultraljudsbehandling makt, enligt den strukturella karakteriseringen. Fuentes-García et al. (2021) visar i sina undersökningar det starka inflytandet av ökande ultraljudsbehandling på partikelstorlek, polyhedral struktur och optiska egenskaper hos sonokemiskt syntetiserade guldnanopartiklar och reaktionskinetiken för deras bildande. Båda guldnanopartiklar med storleken 16nm och 12nm kan produceras med en skräddarsydd sonokemisk procedur. (Fuentes-García et al., 2021)

a,b) TEM-bild och c) storleksfördelning av sonokemiskt syntetiserade guldnanopartiklar (AuNPs)
Bild och studie: © Dheyab et al., 2020.

Sonolys av guldnanopartiklar

En annan metod för den experimentella generationen av guldpartiklar är genom sonolys, där ultraljud appliceras för syntesen av guldpartiklar med en diameter under 10 nm. Beroende på reagenserna kan den sonolytiska reaktionen köras på olika sätt. Till exempel ultraljudsbehandling av en vattenlösning av HAuCl₄ med glukos, hydroxylradikaler och sockerpyrolysradikaler fungerar som reducerande medel. Dessa radikaler bildas i den interfacial regionen mellan de kollapsande håligheterna som skapas av intensiv ultraljud och bulkvattnet. Guldnannostrukturerna är nanoribbons morfologi med bredden 30–50 nm och längden på flera mikrometer. Dessa band är mycket flexibla och kan böja med vinklar större än 90°. När glukos ersätts av cyklodextrin erhålls en glukos oligomer, endast sfäriska guldpartiklar, vilket tyder på att glukos är viktigt för att rikta morfologin mot ett band.

Föredömligt protokoll för sonokemisk nanoguldsyntes

Prekursormaterial som används för att syntetisera citratbelagda AuNPs inkluderar HAuCl₄natriumcitrat och destillerat vatten. För att förbereda urvalet innebar det första steget upplösningen av HAuCl₄ i destillerat vatten med en koncentration av 0,03 M. Därefter ska lösningen av HAuCl₄ (2 ml) tillsattes dropwise till 20 ml vattenhaltig 0,03 M natriumcitratlösning. Under blandningsfasen sattes en ultraljudssond med hög densitet (20 kHz) med ultraljudshorn in i lösningen i 5 minuter med en ljudeffekt på 17,9 W·cm²
(se Dhabey vid al. 2020)

Guld nanobälte syntes med hjälp av ultraljudsbehandling

En enda cristalline nanobelts (se TEM bild vänster) kan syntetiseras via ultraljudsbehandling av en vattenlösning av HAuCl₄ i närvaro av α-D-Glukos som reagens. Soniochemically syntetiserade guld nanobelts visar en genomsnittlig bredd på 30 till 50 nm och flera mikrometer längd. Ultraljud reaktionen för produktion av guld nanobelts är enkel, snabb och undviker användning av giftiga ämnen. (jfr Zhang o.a., 2006)

Tensider för att påverka sonokemisk syntes av guld-NPs

Tillämpningen av intensiv ultraljud på kemiska reaktioner initierar och främjar omvandling och utbyten. För att få enhetlig partikelstorlek och vissa riktade former / morfologier är valet av tensider en kritisk faktor. Tillsatsen av alkoholer hjälper också till att kontrollera partikelformen och storleken. Till exempel, i närvaro av a-d-glukos, de viktigaste reaktionerna i sonolysprocessen av vattenhaltiga HAuCl₄ som beskrivs i följande ekvationer (1-4):
(1) H₂ O —> H▼ + OH▼
(2) Socker – > pyrolysradikaler
(3) AIII + minska radikaler – > Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobälten)
(se Zhao et al., 2014)

Kraften hos ultraljudsatorer av sondtyp

Ultraljud sonder eller sonotrodes (även kallade ultraljud horn) leverera högintensiv ultraljud och akustisk kavitation i mycket fokuserad form till kemiska lösningar. Denna exakt kontrollerbara och effektiva överföring av kraft ultraljud möjliggör tillförlitliga, exakt kontrollerbara och reproducerbara förhållanden, där kemiska reaktionsvägar kan initieras, intensifieras och bytas. Däremot levererar ett ultraljudsbad (även känt som ultraljud renare eller tank) ultraljud med mycket låg effekt densitet och slumpmässigt förekommande kavitation fläckar i en stor flytande volym. Detta gör ultraljud bad opålitliga för några sonokemiska reaktioner.
" Ultraljud rengöringsbad har en effekt densitet som motsvarar en liten andel av det som genereras av ett ultraljud horn. Användningen av rengöringsbad i sonochemistry är begränsad, med tanke på att helt homogen partikelstorlek och morfologi inte alltid uppnås. Detta beror på de fysiska effekterna av ultraljud över nukleation och växande processer. (González-Mendoza o.a. 2015)

Högpresterande ultraljud för syntesen av guldnanopartiklar

Hielscher Ultrasonics levererar kraftfulla och tillförlitliga ultraljud processorer för sonochemical syntes (sono-syntes) av nanopartiklar såsom guld och andra ädel metall nanostrukturer. Ultraljud agitation och spridning ökar massöverföringen i heterogena system och främjar våthet och efterföljande nukleation av atom kluster för att fälla ut nanopartiklar. Ultraljud syntes av nanopartiklar är en enkel, kostnadseffektiv, biokompatibar, reproducerbar, snabb och säker metod.
Hielscher Ultrasonics levererar kraftfulla och exakt kontrollerbara ultraljud processorer för bildandet av nano-storlek strukturer såsom nanosheres, nanorods, nanobälten, nanoband, nanoclusters, kärnskal partiklar etc.
Våra kunder värdesätter de smarta funktionerna i Hielschers digitala enheter, som är utrustade med intelligent programvara, färgad pekskärm, automatisk dataprotokollering på ett inbyggt SD-kort och har en intuitiv meny för användarvänlig och säker drift.
Hielscher täcker hela effektområdet från 50 watt handhållna ultraljudsatorer för labbet upp till 16 000 watt kraftfulla industriella ultraljudssystem och har den perfekta ultraljudsinstallationen för din applikation. Sonokemisk utrustning för batch- och kontinuerlig inlineproduktion i genomflödesreaktorer finns lätt tillgänglig i alla bänk- och industristorlekar. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tunga och krävande miljöer.

Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera: