Золоті наночастинки однорідної форми і морфології можуть бути ефективно синтезовані за допомогою сонохімічного маршруту. Ультразвуково сприяювана хімічна реакція синтезу наночастинок золота може бути точно контрольована для розміру частинок, форми (наприклад, наносфер, нанородів, нанобелтів тощо) та морфології. Ефективна, проста, швидка і зелена хімічна процедура дозволяє забезпечити надійне виробництво наноструктур золота в промислових масштабах.

Золоті наночастинки та наноструктури

Золоті наночастинки і нанорозмірні структури широко реалізовані в R&D і промислові процеси завдяки унікальним властивостям нанорозмірного золота, включаючи електронні, магнітні та оптичні характеристики, квантові ефекти розміру, резонанс поверхневого плазмону, високу каталітичну активність, самозбереженість серед інших властивостей. Поля застосування наночастинок золота (Au-NPs) варіюються від використання в якості каталізатора до виробництва наноелектронних пристроїв, а також використання в візуалізації, нанофоніка, наномагнітність, біосенсори, хімічні датчики, для оптичного та теранозтичного застосування, доставки ліків, а також інших утилізацій.

Методи синтезу наночастинок золота

Наноструктуровані частинки золота можуть бути синтезовані за допомогою різних маршрутів за допомогою високопродуктивного ультразвуку. Ультразвук - це не тільки проста, ефективна і надійна техніка, крім того, ультразвук створює умови для хімічного скорочення іонів золота без токсичних або суворих хімічних агентів і дозволяє для утворення благородних металевих наночастинок різної морфології. Вибір маршруту і сонохімічної обробки (також відомий як sonosynthesis) дозволяє виробляти наноструктури золота, такі як наношерні золото, нанороди, нанобелти і т.д. з рівномірним розміром і морфологією.
Нижче ви можете знайти обрані сонохімічні шляхи для приготування наночастинок золота.

Ультразвуково вдосконалений метод Туркевича

Ультразвукова індикація використовується для посилення реакції на зменшення цитрату Туркевича, а також модифікованих процедур Туркевича.
Метод Туркевича виробляє скромно монодисперсні сферичні наночастинки золота діаметром близько 10-20 нм. Більші частинки можуть вироблятися, але ціною монодисперсності і форми. При такому способі гарячу хлороауринову кислоту обробляють розчином цитрату натрію, виробляючи колоїдне золото. Реакція Туркевича протікає через утворення перехідних нанодротів золота. Ці золоті нанодроти відповідають за темний зовнішній вигляд реакційного розчину, перш ніж він стане рубіново-червоним.
Fuentes-García et al. (2020), які сонохімічно синтезували наночастинки золота, повідомляють, що можна виробляти золоті наночастинки з високою абсорбційною взаємодією з використанням ультразвуку як єдиного джерела енергії, зменшуючи лабораторні потреби та контролюючи властивості, змінюючи прості параметри.
Lee et al. (2012) продемонстрували, що ультразвукова енергія є ключовим параметром для виробництва сферичних золотих наночастинок (AuNPs) регульованих розмірів від 20 до 50 нм. Соносинтез за допомогою зменшення цитрату натрію виробляє монодисперс сферичні наночастинки золота у водному розчині в атмосферних умовах.

Метод Туркевича-Френса за допомогою ультразвуку

Модифікацією вищеописаного шляху реакції є метод Тюркевича-Френса, який є простим багатоступінчастинним процесом синтезу наночастинок золота. Ультразвук сприяє шляху реакції Туркевича-Френса так само, як і маршрут Туркевича. Початковим етапом багатоступінчастого процесу Туркевича-Френса, де реакції відбуваються послідовно і паралельно, є окислення цитрату, що дає дікарбоксійний ацетон. Потім аурична сіль зводиться до аурної солі і au⁰, а а ваурна сіль збирається на⁰ атомів для формування AuNP (див. схему нижче).

Синтез наночастинок золота за методом Тюркевича.
схема та навчання: ©Жао та ін., 2013

Це означає, що дікарбоксний ацетон в результаті окислення цитрату, а не цитрату сам по собі діє як фактичний стабілізатор AuNP в реакції Туркевича-Френса. Солі цитрату додатково змінює рН системи, що впливає на розподіл розмірів і розмірів золотих наночастинок (AuNPs). Ці умови реакції Туркевича-Френса виробляють майже монодисперсні наночастинки золота з розмірами частинок від 20 до 40 нм. Точний розмір частинок може бути змінений при варіації рН розчину, а також за ультразвуковими параметрами. АтН, стабілізовані цитратом, завжди перевищують 10 нм, через обмежену відновну здатність дигідрату цитрату трисодію. Однак, використовуючи D₂O як розчинник замість H₂O при синтезі AuNPs дозволяє синтезувати AuNPs з розміром частинок 5 нм. Як додавання D₂O збільшити зменшення міцності цитрату, комбінацію D₂О і С₆H₉Na₃О.₉. (пор Чжао та ін., 2013)

Протокол сонохімічного маршруту Туркевич-Френс

Для синтезу наночастинок золота в процедурі «знизу вгору» методом Туркевича-Френса 50 мл хлороауринової кислоти (HAuCl)₄), 0,025 мМ наливають в скляний стакан об'ємний 100 мл, в який 1 мл 1,5% (ж/в) водний розчин цитрату трисодію (Na₃Кт) додається під ультразвук при кімнатній температурі. Ультразвук був виконаний на 60W, 150W і 210W. На₃Ct/HAuCl₄ співвідношення, що використовується в зразках, дорівнює 3:1 (w/v). Після ультразвуку колоїдні розчини показали різні кольори, фіолетові для 60 Вт і рубіново-червоний для зразків 150 і 210 Вт. Менші розміри і більш сферичні скупчення золотих наночастинок були отримані за рахунок збільшення потужності ультразвукової обробки, відповідно до структурної характеристики. Fuentes-García et al. (2021) показують у своїх дослідженнях сильний вплив збільшення ультразвукової обробки на розмір частинок, багатогранну структуру та оптичні властивості сонохімічно синтезованих наночастинок золота та кінетику реакції для їх формування. Обидва, золоті наночастинки розміром 16 нм і 12 нм можуть бути виготовлені за допомогою спеціальної сонохімічної процедури. (Фуентес-Гарсія та ін., 2021)

(a,b) Зображення ТЕМ і (в) розподіл розмірів сонохімічно синтезованих золотих наночастинок (AuNPs)
Фото та дослідження: © Dheyab та ін., 2020.

Соноліз наночастинок золота

Ще один метод експериментального генерації частинок золота - соноліз, де застосовується ультразвук для синтезу частинок золота діаметром менше 10 нм. Залежно від реагентів сонолітична реакція може проводитися різними способами. Наприклад, ультразвукова розв'язок HAuCl₄ з глюкозою, гідроксильними радикалами і цукровими радикалами піролізу діють редукційними агентами. Ці радикали утворюються в міжфазній області між порожнинами, що руйнуються, створеними інтенсивним ультразвуком, і об'ємною водою. Морфологією наноструктур золота є нанориббони шириною 30-50 нм і довжиною в кілька мікрометрів. Ці стрічки дуже гнучкі і можуть згинатися з кутами більше 90°. Коли глюкоза замінюється циклодекстрином, глюкозним олігомером, отримують тільки сферичні частинки золота, що свідчить про те, що глюкоза має важливе значення для спрямування морфології до стрічки.

Зразковий протокол для сонохімічного синтезу нано-золота

Прекурсори матеріали, що використовуються для синтезу цитрат покриття AuNPs включають HAuCl₄, цитрат натрію і дистильована вода. Для того, щоб підготувати зразок, першим кроком було розпуск HAuCl₄ в дистильованій воді з концентрацією 0,03 М. Згодом рішення HAuCl₄ (2 мл) було додано краплинно до 20 мл водного розчину цитрату натрію 0,03 М. Під час фази змішування ультразвуковий зонд високої щільності (20 кГц) з ультразвуковим рогом був вставлений в розчин протягом 5 хв при звуковій потужності 17,9 Вт·см.²
(див. Dhabey на al. 2020)

Синтез золотих нанобелтів за допомогою ультразвукової обробки

Єдині кристаліальні нанобелти (див. зображення ТЕМ ліворуч) можуть бути синтезовані за допомогою ультразвукової обробки водного розчину HAuCl₄ в присутності α-D-глюкози в якості повторних. Соніохімічно синтезовані золоті нанобелти показують середню ширину від 30 до 50 нм і довжину декількох мікрометрів. Ультразвукова реакція на виробництво золотих нанобелтів проста, швидка і дозволяє уникнути використання токсичних речовин. (пор Чжан та ін., 2006)

Поверхнево-активні речовини впливають на сонохімічний синтез золотих НП

Застосування інтенсивного ультразвуку на хімічних реакціях ініціює і сприяє перетворенню і врожайності. Для того, щоб отримати рівномірний розмір частинок і певні цільові форми / морфології, вибір ПОВЕРХНЕВО-АКТИВНИХ РЕЧОВИН є критичним фактором. Додавання спиртів також допомагає контролювати форму і розмір частинок. Наприклад, при наявності а-d-глюкози основні реакції в процесі сонолізу водного HAuCl₄ як показано в наступних рівняннях (1-4):
1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) цукор - > піролізні радикали
3) АIII + зменшення радикалів - > Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (нанобелти)
(пор Чжао та ін., 2014)

Потужність ультразвукових апаратів зондового типу

Ультразвукові зонди або сонотроди (також звані ультразвуковими рогами) забезпечують високоінтенсивну ультразвукову та акустичну кавітацію в дуже сфокусованій формі в хімічні розчини. Ця точно контрольована і ефективна передача ультразвуку дозволяє забезпечити надійні, точно контрольовані і відтворювані умови, де шляхи хімічної реакції можуть бути ініційовані, посилені і перемикаються. На відміну від цього, ультразвукова ванна (також відома як ультразвукова чистіша або бак) забезпечує ультразвук з дуже низькою щільністю потужності та випадковими місцями кавітації у великий об'єм рідини. Це робить ультразвукові ванни ненадійними для будь-яких сонохімічних реакцій.
Ультразвукові чистячі ванни мають щільність потужності, що відповідає невеликому відсотку того, що генерується ультразвуковим рогом. Використання чистячих ванн в сонохімії обмежено, враховуючи, що повністю однорідний розмір частинок і морфологія досягаються не завжди. Це пов'язано з фізичним впливом ультразвуку на зародження і зростаючі процеси». (González-Mendoza et al. 2015)

Високопродуктивні ультраакукатори для синтезу золотих наночастинок

Hielscher Ультразвук поставляє потужні і надійні ультразвукові процесори для сонохімічного синтезу (соно-синтез) наночастинок, таких як золото та інші благородні металеві наноструктури. Ультразвукова збудження та дисперсія збільшує передачу маси в гетерогенних системах і сприяє змоченню та подальшому зародженням кластерів атомів з метою осадження наночастинок. Ультразвуковий синтез наночастинок є простим, економічно ефективним, біосумісним, відтворюваним, швидким і безпечним методом.
Hielscher Ультразвук поставляє потужні і точно керовані ультразвукові процесори для формування нанорозмірних структур, таких як наношерні, нанороди, нанобелти, нано-стрічки, наноскупчення, частинки оболонки ядра і т.д.
Наші клієнти цінують розумні функції цифрових пристроїв Hielscher, які оснащені інтелектуальним програмним забезпеченням, кольоровим сенсорним дисплеєм, автоматичним протоколюванням даних на вбудованій SD-карті та мають інтуїтивно зрозуміле меню для зручної та безпечної роботи.
Охоплюючи повний діапазон потужності від ручних ультразвукових апаратів 50 Вт для лабораторії до 16 000 Вт потужних промислових ультразвукових систем, Hielscher має ідеальну ультразвукову установку для вашого застосування. Сонохімічне обладнання для серійного та безперервного вбудованого виробництва в проточних реакторах легко доступне на будь-якому рівні та промислових розмірах. Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 при важких умовах та у вимогливих умовах.

У таблиці нижче наведено приблизну потужність обробки наших ультразвукових пристроїв: