Altın Nanoparçacıkların Verimli ve Kontrollü Sentezi

Tekdüze şekil ve morfolojiye sahip altın nanoparçacıklar, sonokimyasal yolla verimli biçimde sentezlenebilir. Altın nanoparçacık sentezinin ultrasonik olarak desteklenen kimyasal reaksiyonu; parçacık boyutu, şekli (örneğin nanoküreler, nanoçubuklar, nanokuşaklar vb.) ve morfolojisi bakımından hassas biçimde kontrol edilebilir. Etkili, basit, hızlı ve yeşil kimyaya dayalı bu kimyasal yöntem, altın nanoyapıların endüstriyel ölçekte güvenilir biçimde üretilmesine olanak tanır.

Altın Nanoparçacıklar ve Nanoyapılar

Altın nanoparçacıklar ve nano boyutlu yapılar; nano boyutlu altının elektronik, manyetik ve optik özellikler, kuantum boyut etkileri, yüzey plazmon rezonansı, yüksek katalitik aktivite ve kendiliğinden düzenlenme gibi benzersiz özellikleri nedeniyle Ar-Ge çalışmalarında ve endüstriyel süreçlerde yaygın biçimde kullanılır. Altın nanoparçacıkların (Au-NPs) uygulama alanları; katalizör olarak kullanımdan nanoelektronik cihazların üretimine, görüntüleme, nanofotonik, nanomanyetik, biyosensörler, kimyasal sensörler, optik ve teranostik uygulamalar, ilaç taşıma ve diğer kullanımlara kadar uzanır.

Altın Nanoparçacık Sentezi Yöntemleri

Nanoyapılı altın parçacıklar, yüksek performanslı ultrasonik işlem kullanılarak çeşitli yollarla sentezlenebilir. Ultrasonik işlem basit, verimli ve güvenilir bir teknik olmasının yanı sıra, sonikasyon toksik veya sert kimyasal ajanlar olmadan altın iyonlarının kimyasal indirgenmesi için gerekli koşulları oluşturur ve farklı morfolojilerde soy metal nanoparçacıkların oluşumunu mümkün kılar. İzlenecek yolun ve sonokimyasal işlemin (sonosentez olarak da bilinir) seçimi, altın nanoküreler, nanoçubuklar, nanokuşaklar vb. altın nanoyapıların tekdüze boyut ve morfolojide üretilmesine olanak tanır.
Aşağıda altın nanoparçacıkların hazırlanması için seçilmiş sonokimyasal yolları bulabilirsiniz.

Ultrasonik Olarak İyileştirilmiş Turkevich Yöntemi

Sonikasyon, Turkevich sitrat indirgeme reaksiyonunun yanı sıra değiştirilmiş Turkevich prosedürlerini yoğunlaştırmak için kullanılır.
Turkevich yöntemi, yaklaşık 10–20nm çapında, orta derecede monodispers küresel altın nanoparçacıklar üretir. Daha büyük parçacıklar üretilebilir, ancak bu, monodisperslikten ve şekilden ödün verilmesi pahasına olur. Bu yöntemde sıcak kloroaurik asit, sodyum sitrat çözeltisiyle işlenerek kolloidal altın üretilir. Turkevich reaksiyonu, geçici altın nanotellerin oluşumuyla ilerler. Bu altın nanoteller, reaksiyon çözeltisinin yakut kırmızısına dönmeden önceki koyu görünümünden sorumludur.
Altın nanoparçacıkları sonokimyasal olarak sentezleyen Fuentes-García et al. (2020), ultrasonik işlemi tek enerji kaynağı olarak kullanarak yüksek absorpsiyon etkileşimine sahip altın nanoparçacıkların üretilmesinin, laboratuvar gereksinimlerinin azaltılmasının ve basit parametrelerin değiştirilmesiyle özelliklerin kontrol edilmesinin mümkün olduğunu bildirmektedir.
Lee et al. (2012), ultrasonik enerjinin, boyutları 20–50 nm arasında ayarlanabilen küresel altın nanoparçacıkların (AuNPs) üretilmesinde temel bir parametre olduğunu göstermiştir. Sodyum sitrat indirgemesi yoluyla sonosentez, atmosferik koşullarda sulu çözeltide monodispers küresel altın nanoparçacıklar üretir.

Ultrason Kullanılan Turkevich-Frens Yöntemi

Yukarıda açıklanan reaksiyon yolunun bir modifikasyonu, altın nanoparçacıkların sentezi için basit, çok adımlı bir süreç olan Turkevich-Frens yöntemidir. Ultrasonik işlem, Turkevich-Frens reaksiyon yolunu Turkevich yoluyla aynı biçimde destekler. Reaksiyonların seri ve paralel olarak gerçekleştiği çok adımlı Turkevich-Frens sürecinin ilk adımı, dikarboksi aseton oluşturan sitrat oksidasyonudur. Ardından altın(III) tuzu, altın(I) tuzuna ve Au⁰‘a indirgenir; altın(I) tuzu ise Au⁰ atomları üzerinde bir araya gelerek AuNP’yi oluşturur (aşağıdaki şemaya bakınız).
 

Turkevich yöntemiyle altın nanoparçacık sentezi.
Şema ve çalışma: ©Zhao et al., 2013

Bu, Turkevich-Frens reaksiyonunda gerçek AuNP stabilizatörü olarak sitratın kendisinin değil, sitratın oksidasyonu sonucunda oluşan dikarboksi asetonun işlev gördüğü anlamına gelir. Sitrat tuzu ayrıca sistemin pH değerini değiştirir; bu da altın nanoparçacıkların (AuNPs) boyutunu ve boyut dağılımını etkiler. Turkevich-Frens reaksiyonunun bu koşulları, parçacık boyutları 20–40nm arasında olan, neredeyse monodispers altın nanoparçacıklar üretir. Kesin parçacık boyutu, çözeltinin pH değerinin değiştirilmesiyle ve ultrasonik parametrelerle değiştirilebilir. Trisodyum sitrat dihidratın sınırlı indirgeme yeteneği nedeniyle sitratla stabilize edilmiş AuNP’ler her zaman 10 nm’den büyüktür. Ancak AuNP’lerin sentezi sırasında çözücü olarak D₂O’nun H2O yerine kullanılması, parçacık boyutu 5 nm olan AuNP’lerin sentezlenmesine olanak tanır. D2O ilavesi sitratın indirgeme gücünü artırdığından, D2O ile C₆H₉Na₃O₉ kombinasyonu. (bkz. Zhao et al., 2013)

Sonokimyasal Turkevich-Frens Yolu İçin Protokol

Turkevich-Frens yöntemiyle aşağıdan yukarıya bir süreçte altın nanoparçacıkları sentezlemek için 50mL kloroaurik asit (HAuCl₄), 0,025 mM derişimde 100 mL’lik cam bir behere dökülür; bu behere 1 mL %1,5 (w/v) sulu trisodyum sitrat (Na₃Ct) çözeltisi oda sıcaklığında ultrasonik işlem altında eklenir. Ultrasonik işlem 60W, 150W ve 210W güçte gerçekleştirilmiştir. Numunelerde kullanılan Na₃Ct/HAuCl₄ oranı 3:1 (w/v) şeklindedir. Ultrasonik işlemden sonra kolloidal çözeltiler farklı renkler göstermiştir: 60 W numunesinde menekşe rengi, 150 ve 210 W numunelerinde ise yakut kırmızısı. Yapısal karakterizasyona göre, sonikasyon gücünün artırılmasıyla daha küçük boyutlu ve daha küresel altın nanoparçacık kümeleri üretilmiştir. Fuentes-García et al. (2021), araştırmalarında sonikasyonun artırılmasının sonokimyasal olarak sentezlenen altın nanoparçacıkların parçacık boyutu, çokyüzlü yapısı ve optik özellikleri ile oluşumlarına ilişkin reaksiyon kinetiği üzerindeki güçlü etkisini göstermektedir. Özel olarak uyarlanmış bir sonokimyasal prosedürle hem 16nm hem de 12nm boyutunda altın nanoparçacıklar üretilebilir. (Fuentes-García et al., 2021)
 

(a,b) TEM görüntüsü (50 nm ölçek) ve (c)
17,9 Wcm2 sonikasyon gücünde sentezlenen AuNP’lerin boyut dağılımı.
Görsel ve çalışma: © Dheyab et al., 2020.

Altın Nanoparçacıkların Sonolizi

Altın parçacıkların deneysel üretimi için bir diğer yöntem, çapı 10 nm’nin altında olan altın parçacıkların sentezi için ultrasonun uygulandığı sonolizdir. Reaktiflere bağlı olarak sonolitik reaksiyon çeşitli biçimlerde yürütülebilir. Örneğin, sulu HAuCl₄ çözeltisinin glikozla sonikasyonu sırasında hidroksil radikalleri ve şeker piroliz radikalleri indirgeme ajanları olarak işlev görür. Bu radikaller, yoğun ultrasonun oluşturduğu çöken kaviteler ile suyun ana kütlesi arasındaki ara yüz bölgesinde oluşur. Altın nanoyapıların morfolojisi, 30–50 nm genişliğinde ve birkaç mikrometre uzunluğunda nanoşeritler şeklindedir. Bu şeritler çok esnektir ve 90°’den büyük açılarla bükülebilir. Glikozun yerine bir glikoz oligomeri olan siklodekstrin kullanıldığında yalnızca küresel altın parçacıklar elde edilir; bu da morfolojinin şerit biçimine yönlendirilmesinde glikozun gerekli olduğunu düşündürür.

Sonokimyasal Nanoaltın Sentezi İçin Örnek Protokol

Sitrat kaplı AuNP’leri sentezlemek için kullanılan öncül malzemeler arasında HAuCl4, sodyum sitrat ve damıtılmış su bulunur. Numuneyi hazırlamak için ilk adımda HAuCl4, damıtılmış suda 0,03 M derişimde çözülmüştür. Ardından HAuCl4 çözeltisi (2 mL), 20 mL sulu 0,03 M sodyum sitrat çözeltisine damla damla eklenmiştir. Karıştırma aşamasında, ultrasonik boynuzlu yüksek yoğunluklu bir ultrasonik prob (20 kHz), 5 min süreyle 17,9 W·cm²
sonikasyon gücünde çözeltiye yerleştirilmiştir.
(bkz. Dhabey at al. 2020)

Sonikasyonla Altın Nanokuşak Sentezi

Tek kristalli nanokuşaklar (soldaki TEM görüntüsüne bakınız), reaktif olarak α-D-Glucose varlığında sulu HAuCl4 çözeltisinin sonikasyonuyla sentezlenebilir. Sonokimyasal olarak sentezlenen altın nanokuşaklar, ortalama 30–50 nm genişlik ve birkaç mikrometre uzunluk gösterir. Altın nanokuşakların üretimine yönelik ultrasonik reaksiyon basit ve hızlıdır; toksik maddelerin kullanımını önler. (bkz. Zhang et al, 2006)

Altın NP’lerin Sonokimyasal Sentezini Etkileyen Yüzey Aktif Maddeler

Kimyasal reaksiyonlara yoğun ultrason uygulanması, dönüşümü ve verimi başlatır ve artırır. Tekdüze parçacık boyutu ve hedeflenen belirli şekiller / morfolojiler elde etmek için yüzey aktif maddelerin seçimi kritik bir faktördür. Alkollerin eklenmesi de parçacık şeklinin ve boyutunun kontrol edilmesine yardımcı olur. Örneğin, a-d-glucose varlığında sulu HAuCl₄ çözeltisinin sonoliz sürecindeki başlıca reaksiyonlar aşağıdaki denklemlerde (1–4) gösterilmiştir:
(1) H₂ O –> H∙ + OH∙
(2) şeker –> piroliz radikalleri
(3) AIII + indirgeme radikalleri –> Au⁰
(4) nAu⁰ –> AuNP (nanokuşaklar)
(bkz. Zhao et al., 2014)

Prob Tipi Sonikatörlerin Gücü


Ultrasonik problar veya sonotrotlar (ultrasonik boynuzlar olarak da adlandırılır), yüksek yoğunluklu ultrasonu ve akustik kavitasyonu kimyasal çözeltilere çok odaklanmış biçimde iletir. Güç ultrasonunun bu hassas biçimde kontrol edilebilir ve verimli iletimi, kimyasal reaksiyon yollarının başlatılabileceği, yoğunlaştırılabileceği ve değiştirilebileceği güvenilir, hassas biçimde kontrol edilebilir ve tekrarlanabilir koşullara olanak tanır. Buna karşılık, ultrasonik banyo (ultrasonik temizleyici veya tank olarak da bilinir), büyük bir sıvı hacmine çok düşük güç yoğunluğunda ultrason ve rastgele oluşan kavitasyon noktaları iletir. Bu, ultrasonik banyoları tüm sonokimyasal reaksiyonlar için güvenilmez kılar.
“Ultrasonik temizleme banyolarının güç yoğunluğu, ultrasonik bir boynuzun ürettiği güç yoğunluğunun küçük bir yüzdesine karşılık gelir. Tamamen homojen parçacık boyutuna ve morfolojisine her zaman ulaşılamadığı göz önünde bulundurulduğunda, temizleme banyolarının sonokimyada kullanımı sınırlıdır. Bunun nedeni, ultrasonun çekirdeklenme ve büyüme süreçleri üzerindeki fiziksel etkileridir.” (González-Mendoza et al. 2015)

Altın Nanoparçacıkların Sentezi İçin Yüksek Performanslı Sonikatörler

Hielscher Ultrasonics, altın ve diğer soy metal nanoyapılar gibi nanoparçacıkların sonokimyasal sentezi (sonosentez) için güçlü ve güvenilir ultrasonik işlemciler sunar. Ultrasonik çalkalama ve dispersiyon, heterojen sistemlerde kütle aktarımını artırır ve nanoparçacıkların çökelmesi için atom kümelerinin ıslanmasını ve ardından çekirdeklenmesini destekler. Nanoparçacıkların ultrasonik sentezi; basit, uygun maliyetli, biyouyumlu, tekrarlanabilir, hızlı ve güvenli bir yöntemdir.
Hielscher Ultrasonics; nanoküreler, nanoçubuklar, nanokuşaklar, nanoşeritler, nanokümeler, çekirdek-kabuk parçacıkları vb. nano boyutlu yapıların oluşumu için güçlü ve hassas biçimde kontrol edilebilir ultrasonik işlemciler sunar.
Brokoli aracılı altın nanoparçacıkların ultrasonik sentezi ve biyojenik ilaçlar olarak kullanımları hakkında daha fazla bilgi edinin!
Manyetik nanoparçacıkların ultrasonik sentezi hakkında daha fazla bilgi edinin!
Müşterilerimiz, akıllı yazılım, renkli dokunmatik ekran ve yerleşik bir SD karta otomatik veri kaydı özellikleriyle donatılan; kullanıcı dostu ve güvenli kullanım için sezgisel bir menü sunan Hielscher dijital cihazlarının akıllı özelliklerine değer verir.
Laboratuvar için 50 wattlık el tipi sonikatörlerden 16.000 watt gücündeki güçlü endüstriyel ultrasonik sistemlere kadar tüm güç aralığını kapsayan Hielscher, uygulamanız için ideal ultrasonik düzeneğe sahiptir. Akışlı reaktörlerde kesikli ve sürekli hat içi üretim için sonokimyasal ekipmanlar, her türlü tezgâh üstü ve endüstriyel boyutta kolaylıkla temin edilebilir. Hielscher sonikatörlerinin sağlamlığı, ağır çalışma koşullarında ve zorlu ortamlarda 24/7 çalışmaya olanak tanır.

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir: