Effektiv och kontrollerad syntes av guldnanopartiklar

Guldnanopartiklar med enhetlig form och morfologi kan effektivt syntetiseras via sonokemisk väg. Den ultraljudsfrämjade kemiska reaktionen av syntesen av guldnanopartiklar kan kontrolleras exakt för partikelstorlek, form (t.ex. nanosfärer, nanostavar, nanobälten etc.) och morfologi. Den effektiva, enkla, snabba och miljövänliga kemiska proceduren möjliggör tillförlitlig produktion av guldnanostrukturer i industriell skala.

Guld nanopartiklar och nanostrukturer

Guldnanopartiklar och strukturer i nanostorlek 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 guldnanopartiklar (Au-NP) sträcker sig från användning som katalysator till tillverkning av nanoelektroniska enheter, såväl som användning inom avbildning, nanofotonik, nanomagnetiska, biosensorer, kemiska sensorer, för optiska och teranostiska applikationer, läkemedelsleverans samt andra användningsområden.

Metoder för syntes av guldnanopartiklar

Nanostrukturerade guldpartiklar kan syntetiseras via olika vägar med hjälp av högpresterande ultraljud. Ultraljud är inte bara en enkel, effektiv och pålitlig teknik, dessutom skapar ultraljudsbehandling förutsättningar för kemisk reduktion av guldjoner utan giftiga eller hårda kemiska medel och möjliggör bildandet av nanopartiklar av ädelmetall med olika morfologier. Valet av väg och sonokemisk behandling (även känd som sonosyntes) gör det möjligt att producera guldnanostrukturer som guldnanoferer, nanostavar, nanobälten etc. med enhetlig storlek och morfologi.
Nedan hittar du utvalda sonokemiska vägar för framställning av guldnanopartiklar.

Ultraljudsförbättrad Turkevich-metod

Ultraljudsbehandling används för att intensifiera Turkevich citratreduktion reaktion samt modifierade Turkevich förfaranden.
Turkevich-metoden producerar blygsamt monodispersiva sfäriska guldnanopartiklar med en diameter på cirka 10–20 nm. Större partiklar kan produceras, men på bekostnad av monodispersitet och form. I denna metod behandlas het kloraurinsyra med natriumcitratlösning, vilket producerar kolloidalt guld. Turkevitj-reaktionen fortskrider genom bildning av transienta guldnanotrådar. Dessa guldnanotrådar är ansvariga för att reaktionslösningen ser mörk ut innan den blir rubinröd.
Fuentes-García et al. (2020), som sonokemiskt syntetiserade guldnanopartiklar, rapporterar att det är möjligt att tillverka guldnanopartiklar med hög absorptionsinteraktion med hjälp av ultraljud som en enda energikälla, vilket minskar laboratoriekraven och kontrollerar egenskaper som modifierar enkla parametrar.
Lee et al. (2012) visade att ultraljudsenergi är en nyckelparameter för att producera sfäriska guldnanopartiklar (AuNP) med justerbara storlekar på 20 till 50 nm. Sonosyntesen via natriumcitratreduktion producerar monodispersiva sfäriska guldnanopartiklar i vattenlösning under atmosfäriska förhållanden.

Turkevich-Frens-metoden med hjälp av ultraljud

En modifiering av den ovan beskrivna reaktionsvägen är Turkevich-Frens-metoden, som är en enkel flerstegsprocess för syntes av guldnanopartiklar. Ultraljud främjar Turkevich-Frens reaktionsväg på samma sätt som Turkevich rutt. Det första steget i Turkevich-Frens flerstegsprocess, där reaktionerna sker i serie och parallellt, är oxidationen av citrat som ger dikarboxiacton. Sedan reduceras aurasaltet till auröst salt och Au⁰, och det aurösa saltet samlas på Au⁰ atomer för att bilda AuNP (se schema nedan).
 

Syntes av guldnanopartiklar via Turkevitj-metoden.
schema och studie: ©Zhao et al., 2013

Detta innebär att dikarboxy aceton som är ett resultat av oxidation av citrat snarare än citrat i sig fungerar som den faktiska AuNP-stabilisatorn i Turkevich-Frens-reaktionen. Citratsaltet modifierar dessutom systemets pH, vilket påverkar storleken och storleksfördelningen av guldnanopartiklarna (AuNP). Dessa betingelser för Turkevich-Frens-reaktionen producerar nästan monodispersiva guldnanopartiklar med partikelstorlekar mellan 20 och 40 nm. Den exakta partikelstorleken kan modifieras på variation av lösningens pH samt av ultraljudsparametrarna. Citratstabiliserade AuNP är alltid större än 10 nm, på grund av den begränsade reducerande förmågan hos trinatriumcitratdihydrat. 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. Eftersom tillsatsen av D2O ökar den reducerande hållfastheten hos citrate, kombinationen av D2O och C₆H₉Na₃O₉. (jfr Zhao et al., 2013)

Protokoll för den sonokemiska rutten Turkevich-Frens

För att syntetisera guldnanopartiklar i en bottom-up-procedur via Turkevich-Frens-metoden, 50 ml kloraursyra (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 vid 60W, 150W, och 210W. Den Na₃Ct/HAuCl₄ Förhållandet som används i proverna är 3:1 (w/v). Efter ultraljud visade de kolloidala lösningarna olika färger, violett för 60 W och rubinröd för 150 och 210 W prover. Mindre storlekar och mer sfäriska kluster av guld nanopartiklar producerades genom att öka ultraljudsbehandling kraft, enligt den strukturella karakteriseringen. Fuentes-García et al. (2021) visar i sina undersökningar det starka inflytandet av ökande ultraljudsbehandling på partikelstorlek, polyedrisk struktur och optiska egenskaper hos de sonokemiskt syntetiserade guldnanopartiklarna och reaktionskinetiken för deras bildning. Både guldnanopartiklar med storleken 16 nm och 12 nm kan produceras med en skräddarsydd sonokemisk procedur. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM-bild (skala 50 nm) och (c) storleksfördelning av AuNP syntetiserade vid en
ultraljudsbehandling effekt 17,9 Wcm2.
Bild och studie: © Dheyab et al., 2020.

Sonolys av guldnanopartiklar

En annan metod för experimentell generering av guldpartiklar är genom sonolys, där ultraljud används för syntes 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 fungerar hydroxylradikaler och sockerpyrolysradikaler som reduktionsmedel. Dessa radikaler bildas i gränsytan mellan de kollapsande håligheterna som skapas av intensivt ultraljud och bulkvattnet. Guldnanostrukturernas morfologi är nanoremsor med en bredd på 30–50 nm och en längd på flera mikrometer. Dessa band är mycket flexibla och kan böjas med vinklar större än 90°. När glukos ersätts med cyklodextrin, en glukosoligomer, erhålls endast sfäriska guldpartiklar, vilket tyder på att glukos är viktigt för att styra morfologin mot ett band.

Exemplariskt protokoll för sonokemisk nano-guldsyntes

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

Guld Nanobelt Syntes med hjälp av ultraljudsbehandling

Enstaka kristallina nanobälten (se TEM-bilden till vänster) kan syntetiseras via ultraljudsbehandling av en vattenlösning av HAuCl4 i närvaro av α-D-glukos som reagener. De sonokemiskt syntetiserade guldnanobältena visar en genomsnittlig bredd på 30 till 50 nm och flera mikrometers längd. Ultraljudsreaktionen för produktion av guldnanobälten är enkel, snabb och undviker användning av giftiga ämnen. (jfr Zhang et al, 2006)

Ytaktiva ämnen för att påverka sonokemisk syntes av guld-NP

Appliceringen av intensivt ultraljud på kemiska reaktioner initierar och främjar omvandling och utbyten. För att få enhetlig partikelstorlek och vissa riktade former/morfologier är valet av ytaktiva ämnen en kritisk faktor. Tillsatsen av alkoholer hjälper också till att kontrollera partiklarnas form och storlek. Till exempel, i närvaro av a-d-glukos, är de viktigaste reaktionerna i sonolysprocessen av vattenhaltig HAuCl₄ som visas i följande ekvationer (1-4):
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) EnIII + reducing radicals —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(jfr Zhao et al., 2014)

Kraften i ultraljudsapparater av sondtyp

Ultraljudssonder eller sonotroder (även kallade ultraljudshorn) levererar högintensivt ultraljud och akustisk kavitation i mycket fokuserad form till kemiska lösningar. Detta exakt kontrollerbara och effektiva överföring av kraftultraljud möjliggör tillförlitliga, exakt kontrollerbara och reproducerbara förhållanden, där kemiska reaktionsvägar kan initieras, intensifieras och växlas. Däremot levererar ett ultraljudsbad (även känt som ultraljudsrengörare eller tank) ultraljud med mycket låg effekttäthet och slumpmässigt förekommande kavitationsfläckar till en stor vätskevolym. Detta gör ultraljudsbad opålitliga för några sonokemiska reaktioner.
"Ultraljudsrengöringsbad har en effekttäthet som motsvarar en liten andel av den som genereras av ett ultraljudshorn. Användningen av rengöringsbad inom sonokemi är begränsad, med tanke på att helt homogen partikelstorlek och morfologi inte alltid uppnås. Detta beror på de fysiska effekterna av ultraljud över kärnbildning och odlingsprocesser. (González-Mendoza et al. 2015)

Högpresterande ultraljudsapparater för syntes av guld nanopartiklar

Hielscher Ultrasonics levererar kraftfulla och pålitliga ultraljudsprocessorer för sonokemisk syntes (sono-syntes) av nanopartiklar som guld och andra ädelmetallnanostrukturer. Ultraljudsomrörning och dispersion ökar massöverföringen i heterogena system och främjar vätning och efterföljande kärnbildning av atomkluster för att fälla ut nanopartiklar. Ultraljudssyntes av nanopartiklar är en enkel, kostnadseffektiv, biokompatibel, reproducerbar, snabb och säker metod.
Hielscher Ultrasonics levererar kraftfulla och exakt kontrollerbara ultraljudsprocessorer för bildandet av nano-storlek strukturer såsom nanosheres, nanorods, nanobälten, nano-band, nanokluster, kärna-skal partiklar etc.
Läs mer om ultraljudssyntes av magnetiska nanopartiklar!
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.
Täcker hela effektområdet från 50 watt handhållna ultraljudsapparater för labbet upp till 16 000 watt kraftfulla industriella ultraljudssystem, har Hielscher den perfekta ultraljudsinställningen för din applikation. Sonokemisk utrustning för batch- och kontinuerlig inline-produktion i genomströmningsreaktorer är lätt tillgänglig i alla stationära och industriella storlekar. Robustheten hos Hielscher sonikatorer möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: