การสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำอย่างมีประสิทธิภาพและควบคุมได้

อนุภาคนาโนทองคำที่มีรูปร่างและสัณฐานวิทยาสม่ำเสมอสามารถสังเคราะห์ได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยวิธีโซโนเคมี ปฏิกิริยาเคมีในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำที่ส่งเสริมด้วยคลื่นอัลตราโซนิกสามารถควบคุมขนาดอนุภาค รูปร่าง (เช่น ทรงกลมนาโน แท่งนาโน แถบนาโน เป็นต้น) และสัณฐานวิทยาได้อย่างแม่นยำ กระบวนการทางเคมีที่มีประสิทธิผล เรียบง่าย รวดเร็ว และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมนี้ช่วยให้ผลิตโครงสร้างนาโนทองคำในระดับอุตสาหกรรมได้อย่างน่าเชื่อถือ

อนุภาคนาโนทองคำและโครงสร้างนาโน

อนุภาคนาโนทองคำและโครงสร้างขนาดนาโนถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในงานวิจัยและพัฒนาและกระบวนการอุตสาหกรรม เนื่องจากสมบัติเฉพาะของทองคำขนาดนาโน ซึ่งรวมถึงลักษณะทางอิเล็กทรอนิกส์ แม่เหล็ก และแสง ผลของขนาดเชิงควอนตัม การสั่นพ้องของพลาสมอนพื้นผิว ความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาสูง การประกอบตัวเอง และสมบัติอื่น ๆ การประยุกต์ใช้อนุภาคนาโนทองคำ (Au-NPs) ครอบคลุมตั้งแต่การใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาไปจนถึงการผลิตอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์ รวมทั้งการใช้ในการสร้างภาพ นาโนโฟโตนิกส์ นาโนแม่เหล็ก ไบโอเซนเซอร์ เซนเซอร์ทางเคมี งานด้านแสงและการวินิจฉัยควบคู่การรักษา การนำส่งยา ตลอดจนการใช้งานอื่น ๆ

วิธีการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำ

อนุภาคทองคำที่มีโครงสร้างนาโนสามารถสังเคราะห์ได้ด้วยวิธีต่าง ๆ โดยใช้การอัลตราโซนิกสมรรถนะสูง การอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่เรียบง่าย มีประสิทธิภาพ และเชื่อถือได้ อีกทั้งยังสร้างสภาวะสำหรับการรีดักชันทางเคมีของไอออนทองคำโดยไม่ใช้สารเคมีที่เป็นพิษหรือรุนแรง และช่วยให้เกิดอนุภาคนาโนของโลหะมีสกุลที่มีสัณฐานวิทยาต่างกัน การเลือกวิธีและการบำบัดด้วยโซโนเคมี (หรือที่เรียกว่า การสังเคราะห์ด้วยคลื่นเสียง) ช่วยให้ผลิตโครงสร้างนาโนทองคำ เช่น ทรงกลมนาโนทองคำ แท่งนาโน แถบนาโน เป็นต้น ที่มีขนาดและสัณฐานวิทยาสม่ำเสมอได้
ด้านล่างนี้เป็นวิธีโซโนเคมีที่คัดเลือกมาสำหรับการเตรียมอนุภาคนาโนทองคำ

วิธี Turkevich ที่ปรับปรุงด้วยคลื่นอัลตราโซนิก

การใช้คลื่นเสียงช่วยเพิ่มความเข้มข้นของปฏิกิริยารีดักชันด้วยซิเตรตตามวิธี Turkevich รวมทั้งกระบวนการ Turkevich ที่ดัดแปลงแล้ว
วิธี Turkevich ผลิตอนุภาคนาโนทองคำทรงกลมที่มีขนาดค่อนข้างสม่ำเสมอ โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 10–20nm สามารถผลิตอนุภาคที่ใหญ่ขึ้นได้ แต่ต้องแลกกับความสม่ำเสมอของขนาดและรูปร่าง ในวิธีนี้ กรดคลอโรออริกร้อนจะทำปฏิกิริยากับสารละลายโซเดียมซิเตรต ทำให้เกิดทองคำคอลลอยด์ ปฏิกิริยา Turkevich ดำเนินผ่านการก่อตัวของลวดนาโนทองคำชั่วคราว ลวดนาโนทองคำเหล่านี้ทำให้สารละลายปฏิกิริยามีสีเข้มก่อนเปลี่ยนเป็นสีแดงทับทิม
Fuentes-García et al. (2020) ซึ่งสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำด้วยโซโนเคมี รายงานว่าสามารถผลิตอนุภาคนาโนทองคำที่มีอันตรกิริยาการดูดกลืนสูงได้ โดยใช้การอัลตราโซนิกเป็นแหล่งพลังงานเพียงแหล่งเดียว ลดความต้องการด้านห้องปฏิบัติการ และควบคุมสมบัติด้วยการปรับพารามิเตอร์ที่เรียบง่าย
Lee et al. (2012) แสดงให้เห็นว่าพลังงานอัลตราโซนิกเป็นพารามิเตอร์สำคัญในการผลิตอนุภาคนาโนทองคำทรงกลม (AuNPs) ที่ปรับขนาดได้ตั้งแต่ 20 ถึง 50 nm การสังเคราะห์ด้วยคลื่นเสียงผ่านการรีดักชันด้วยโซเดียมซิเตรตทำให้ได้อนุภาคนาโนทองคำทรงกลมที่มีขนาดสม่ำเสมอในสารละลายน้ำภายใต้สภาวะบรรยากาศ

วิธี Turkevich-Frens ที่ใช้คลื่นอัลตราโซนิก

วิธี Turkevich-Frens เป็นวิธีที่ดัดแปลงจากเส้นทางปฏิกิริยาที่อธิบายข้างต้น และเป็นกระบวนการหลายขั้นตอนที่เรียบง่ายสำหรับการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำ การอัลตราโซนิกส่งเสริมเส้นทางปฏิกิริยา Turkevich-Frens ในลักษณะเดียวกับวิธี Turkevich ขั้นตอนเริ่มต้นของกระบวนการหลายขั้นตอน Turkevich-Frens ซึ่งปฏิกิริยาเกิดขึ้นทั้งแบบต่อเนื่องและแบบขนาน คือการออกซิเดชันของซิเตรตที่ให้ dicarboxy acetone จากนั้นเกลือทองคำ(III) จะถูกรีดิวซ์เป็นเกลือทองคำ(I) และ Au⁰ และเกลือทองคำ(I) จะประกอบตัวบนอะตอม Au⁰ เพื่อก่อตัวเป็น AuNP (ดูแผนภาพด้านล่าง)
 

การสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำด้วยวิธี Turkevich
แผนภาพและการศึกษา: ©Zhao et al., 2013

นั่นหมายความว่า dicarboxy acetone ที่เกิดจากการออกซิเดชันของซิเตรตเป็นสารที่ทำหน้าที่รักษาเสถียรภาพของ AuNP อย่างแท้จริงในปฏิกิริยา Turkevich-Frens แทนที่จะเป็นซิเตรตเอง นอกจากนี้ เกลือซิเตรตยังปรับ pH ของระบบ ซึ่งส่งผลต่อขนาดและการกระจายขนาดของอนุภาคนาโนทองคำ (AuNPs) สภาวะเหล่านี้ของปฏิกิริยา Turkevich-Frens ทำให้ได้อนุภาคนาโนทองคำที่มีขนาดเกือบสม่ำเสมอ โดยมีขนาดอนุภาคระหว่าง 20 ถึง 40nm สามารถปรับขนาดอนุภาคที่แน่นอนได้โดยเปลี่ยน pH ของสารละลาย รวมทั้งพารามิเตอร์อัลตราโซนิก AuNPs ที่รักษาเสถียรภาพด้วยซิเตรตมีขนาดใหญ่กว่า 10 nm เสมอ เนื่องจากความสามารถในการรีดิวซ์ที่จำกัดของไตรโซเดียมซิเตรตไดไฮเดรต อย่างไรก็ตาม การใช้ D₂O เป็นตัวทำละลายแทน H2O ระหว่างการสังเคราะห์ AuNPs ช่วยให้สังเคราะห์ AuNPs ที่มีขนาดอนุภาค 5 nm ได้ เนื่องจากการเติม D2O เพิ่มความสามารถในการรีดิวซ์ของซิเตรต การใช้ D2O ร่วมกับ C₆H₉Na₃O₉. (ดู Zhao et al., 2013)

ขั้นตอนปฏิบัติสำหรับวิธี Turkevich-Frens ด้วยโซโนเคมี

ในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำด้วยกระบวนการจากล่างขึ้นบนตามวิธี Turkevich-Frens ให้เทกรดคลอโรออริกปริมาตร 50mL (HAuCl₄) ความเข้มข้น 0.025 mM ลงในบีกเกอร์แก้วขนาด 100 mL แล้วเติมสารละลายไตรโซเดียมซิเตรตในน้ำความเข้มข้น 1.5% (w/v) ปริมาตร 1 mL (Na₃Ct) ลงไปขณะใช้คลื่นอัลตราโซนิกที่อุณหภูมิห้อง การอัลตราโซนิกดำเนินการที่ 60W, 150W และ 210W อัตราส่วน Na₃Ct/HAuCl₄ ที่ใช้ในตัวอย่างคือ 3:1 (w/v) หลังการอัลตราโซนิก สารละลายคอลลอยด์มีสีต่างกัน โดยตัวอย่างที่ 60 W มีสีม่วง และตัวอย่างที่ 150 และ 210 W มีสีแดงทับทิม การเพิ่มกำลังในการใช้คลื่นเสียงทำให้ได้อนุภาคนาโนทองคำที่มีขนาดเล็กลงและกลุ่มอนุภาคที่มีรูปร่างเป็นทรงกลมมากขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับผลการวิเคราะห์ลักษณะโครงสร้าง Fuentes-García et al. (2021) แสดงให้เห็นในการศึกษาว่าการเพิ่มการใช้คลื่นเสียงมีอิทธิพลอย่างมากต่อขนาดอนุภาค โครงสร้างทรงหลายหน้า และสมบัติทางแสงของอนุภาคนาโนทองคำที่สังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี รวมทั้งจลนพลศาสตร์ของปฏิกิริยาการก่อตัวของอนุภาคเหล่านี้ สามารถผลิตอนุภาคนาโนทองคำทั้งขนาด 16nm และ 12nm ได้ด้วยกระบวนการโซโนเคมีที่ปรับให้เหมาะสม (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) ภาพ TEM (มาตราส่วน 50 nm) และ (c) การกระจายขนาดของ AuNPs ที่สังเคราะห์ด้วย
กำลังในการใช้คลื่นเสียง 17.9 Wcm2
ภาพและการศึกษา: © Dheyab et al., 2020.

โซโนไลซิสของอนุภาคนาโนทองคำ

อีกวิธีหนึ่งสำหรับการผลิตอนุภาคทองคำในการทดลองคือโซโนไลซิส ซึ่งใช้คลื่นอัลตราโซนิกในการสังเคราะห์อนุภาคทองคำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางต่ำกว่า 10 nm ปฏิกิริยาโซโนไลซิสสามารถดำเนินการได้หลายลักษณะ ขึ้นอยู่กับสารที่ใช้ทำปฏิกิริยา ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้คลื่นเสียงกับสารละลาย HAuCl₄ ในน้ำร่วมกับกลูโคส อนุมูลไฮดรอกซิลและอนุมูลจากไพโรไลซิสของน้ำตาลจะทำหน้าที่เป็นตัวรีดิวซ์ อนุมูลเหล่านี้ก่อตัวที่บริเวณรอยต่อระหว่างโพรงที่กำลังยุบตัวซึ่งเกิดจากคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงกับน้ำส่วนมวลรวม โครงสร้างนาโนทองคำมีสัณฐานวิทยาเป็นริบบิ้นนาโนที่มีความกว้าง 30–50 nm และความยาวหลายไมโครเมตร ริบบิ้นเหล่านี้มีความยืดหยุ่นสูงมากและสามารถโค้งงอเป็นมุมมากกว่า 90° เมื่อแทนที่กลูโคสด้วยไซโคลเดกซ์ทริน ซึ่งเป็นโอลิโกเมอร์ของกลูโคส จะได้เฉพาะอนุภาคทองคำทรงกลมเท่านั้น บ่งชี้ว่ากลูโคสจำเป็นต่อการกำหนดสัณฐานวิทยาให้เป็นรูปริบบิ้น

ตัวอย่างขั้นตอนปฏิบัติสำหรับการสังเคราะห์ทองคำนาโนด้วยโซโนเคมี

สารตั้งต้นที่ใช้สังเคราะห์ AuNPs ที่เคลือบด้วยซิเตรต ได้แก่ HAuCl4 โซเดียมซิเตรต และน้ำกลั่น ในการเตรียมตัวอย่าง ขั้นตอนแรกคือการละลาย HAuCl4 ในน้ำกลั่นให้มีความเข้มข้น 0.03 M จากนั้นเติมสารละลาย HAuCl4 (2 mL) แบบหยดลงในสารละลายโซเดียมซิเตรตในน้ำความเข้มข้น 0.03 M ปริมาตร 20 mL ระหว่างขั้นตอนการผสม สอดโพรบอัลตราโซนิกความหนาแน่นสูง (20 kHz) ที่มีฮอร์นอัลตราโซนิกลงในสารละลายเป็นเวลา 5 min โดยใช้กำลังเสียง 17.9 W·cm²
(ดู Dhabey at al. 2020)

การสังเคราะห์แถบนาโนทองคำโดยใช้คลื่นเสียง

แถบนาโนผลึกเดี่ยว (ดูภาพ TEM ทางซ้าย) สามารถสังเคราะห์ได้โดยใช้คลื่นเสียงกับสารละลาย HAuCl4 ในน้ำที่มี α-D-Glucose เป็นสารที่ใช้ทำปฏิกิริยา แถบนาโนทองคำที่สังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีมีความกว้างเฉลี่ย 30 ถึง 50 nm และความยาวหลายไมโครเมตร ปฏิกิริยาอัลตราโซนิกสำหรับการผลิตแถบนาโนทองคำมีความเรียบง่าย รวดเร็ว และหลีกเลี่ยงการใช้สารพิษ (ดู Zhang et al, 2006)

สารลดแรงตึงผิวที่มีอิทธิพลต่อการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำด้วยโซโนเคมี

การใช้คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงกับปฏิกิริยาเคมีช่วยเริ่มต้นและส่งเสริมการเปลี่ยนสารและผลได้ของปฏิกิริยา การเลือกสารลดแรงตึงผิวเป็นปัจจัยสำคัญในการให้ได้ขนาดอนุภาคที่สม่ำเสมอและรูปร่าง / สัณฐานวิทยาเฉพาะที่ต้องการ การเติมแอลกอฮอล์ยังช่วยควบคุมรูปร่างและขนาดอนุภาคด้วย ตัวอย่างเช่น เมื่อมี a-d-glucose ปฏิกิริยาหลักในกระบวนการโซโนไลซิสของสารละลาย HAuCl₄ ในน้ำแสดงในสมการต่อไปนี้ (1–4):
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) น้ำตาล –> อนุมูลจากไพโรไลซิส
(3) AIII + อนุมูลรีดิวซ์ –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (แถบนาโน)
(ดู Zhao et al., 2014)

พลังของเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ


โพรบอัลตราโซนิกหรือโซโนโทรด (เรียกอีกอย่างว่า ฮอร์นอัลตราโซนิก) ส่งคลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงและคาวิเทชันเชิงเสียงเข้าสู่สารละลายเคมีโดยมุ่งรวมอย่างเฉพาะเจาะจง การถ่ายทอดคลื่นอัลตราโซนิกกำลังสูงที่มีประสิทธิภาพและควบคุมได้อย่างแม่นยำนี้ช่วยให้เกิดสภาวะที่เชื่อถือได้ ควบคุมได้อย่างแม่นยำ และทำซ้ำได้ ซึ่งสามารถเริ่มต้น เพิ่มความเข้มข้น และสลับเส้นทางปฏิกิริยาเคมีได้ ในทางตรงกันข้าม อ่างอัลตราโซนิก (เรียกอีกอย่างว่า เครื่องล้างหรือถังอัลตราโซนิก) ส่งคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความหนาแน่นกำลังต่ำมากและจุดคาวิเทชันที่เกิดขึ้นแบบสุ่มเข้าสู่ของเหลวปริมาตรมาก จึงทำให้อ่างอัลตราโซนิกไม่น่าเชื่อถือสำหรับปฏิกิริยาโซโนเคมีใด ๆ
“อ่างล้างอัลตราโซนิกมีความหนาแน่นกำลังเพียงส่วนน้อยของความหนาแน่นกำลังที่เกิดจากฮอร์นอัลตราโซนิก การใช้อ่างล้างในงานโซโนเคมีมีข้อจำกัด เนื่องจากไม่สามารถทำให้ขนาดอนุภาคและสัณฐานวิทยาสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์ได้เสมอไป ทั้งนี้เป็นผลจากอิทธิพลทางกายภาพของคลื่นอัลตราโซนิกต่อกระบวนการเกิดนิวเคลียสและการเติบโต” (González-Mendoza et al. 2015)

เครื่องอัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำ

Hielscher Ultrasonics จัดหาเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกกำลังสูงที่เชื่อถือได้สำหรับการสังเคราะห์อนุภาคนาโนด้วยโซโนเคมี (การสังเคราะห์ด้วยคลื่นเสียง) เช่น โครงสร้างนาโนของทองคำและโลหะมีสกุลอื่น ๆ การกวนและการกระจายตัวด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเพิ่มการถ่ายเทมวลในระบบวิวิธพันธุ์ และส่งเสริมการเปียกและการเกิดนิวเคลียสของกลุ่มอะตอมในลำดับต่อมา เพื่อให้อนุภาคนาโนตกตะกอน การสังเคราะห์อนุภาคนาโนด้วยคลื่นอัลตราโซนิกเป็นวิธีที่เรียบง่าย คุ้มค่า เข้ากันได้ทางชีวภาพ ทำซ้ำได้ รวดเร็ว และปลอดภัย
Hielscher Ultrasonics จัดหาเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิกกำลังสูงที่ควบคุมได้อย่างแม่นยำสำหรับการสร้างโครงสร้างขนาดนาโน เช่น ทรงกลมนาโน แท่งนาโน แถบนาโน ริบบิ้นนาโน กลุ่มอนุภาคนาโน อนุภาคแบบแกน–เปลือก เป็นต้น
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทองคำด้วยคลื่นอัลตราโซนิกโดยใช้บรอกโคลีเป็นตัวกลาง และการใช้อนุภาคเหล่านี้เป็นยาจากกระบวนการชีวภาพ!
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์อนุภาคนาโนแม่เหล็กด้วยคลื่นอัลตราโซนิก!
ลูกค้าของเราให้ความสำคัญกับคุณสมบัติอัจฉริยะของอุปกรณ์ดิจิทัล Hielscher ซึ่งติดตั้งซอฟต์แวร์อัจฉริยะ จอสัมผัสสี ระบบบันทึกข้อมูลอัตโนมัติลงในการ์ด SD ในตัว และเมนูที่เข้าใจได้ง่ายเพื่อการใช้งานที่สะดวกและปลอดภัย
Hielscher ครอบคลุมช่วงกำลังทั้งหมด ตั้งแต่เครื่องอัลตราโซนิกแบบมือถือกำลัง 50 วัตต์สำหรับห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงระบบอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมกำลังสูงถึง 16,000 วัตต์ จึงมีชุดอัลตราโซนิกที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานของคุณ มีอุปกรณ์โซโนเคมีสำหรับการผลิตแบบแบตช์และแบบอินไลน์ต่อเนื่องในเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลผ่านพร้อมใช้งานในทุกขนาด ทั้งแบบตั้งโต๊ะและระดับอุตสาหกรรม ความแข็งแกร่งของเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher ช่วยให้ทำงานได้ตลอด 24/7 ภายใต้การใช้งานหนักและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูง

ตารางด้านล่างแสดงขีดความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา: