Ефективний і контрольований синтез наночастинок золота

Наночастинки золота однорідної форми та морфології можуть бути ефективно синтезовані сонохімічним шляхом. Ультразвукова хімічна реакція синтезу наночастинок золота може бути точно контрольована за розміром частинок, формою (наприклад, наносфери, наностержни, нанопояси тощо) та морфологією. Ефективна, проста, швидка та екологічна хімічна процедура дозволяє надійно отримувати наноструктури золота в промислових масштабах.

Наночастинки та наноструктури золота

Наночастинки золота і нанорозмірні структури широко впроваджені в R&D та промислові процеси завдяки унікальним властивостям нанорозмірного золота, включаючи електронні, магнітні та оптичні характеристики, квантові розмірні ефекти, поверхневий плазмонний резонанс, високу каталітичну активність, самозбірку та інші властивості. Сфери застосування наночастинок золота (Au-NPs) варіюються від використання в якості каталізатора до виробництва наноелектронних пристроїв, а також використання в візуалізації, нанофотоніці, наномагніті, біосенсорах, хімічних сенсорах, для оптичних і тераностичних застосувань, доставки ліків та інших застосувань.

Методи синтезу наночастинок золота

Наноструктуровані частинки золота можуть бути синтезовані різними шляхами за допомогою високоефективного ультразвуку. Ультразвук є не тільки простим, ефективним і надійним методом, крім того, ультразвукове дослідження створює умови для хімічного відновлення іонів золота без токсичних або агресивних хімічних речовин і дозволяє формувати наночастинки благородних металів різної морфології. Вибір шляху та сонохімічної обробки (також відомої як соносинтез) дозволяє отримувати наноструктури золота, такі як наношери золота, наностержні, нанопояси тощо з однаковими розмірами та морфологією.
Нижче ви можете ознайомитися з вибраними сонохімічними шляхами для отримання наночастинок золота.

Ультразвуково вдосконалений метод Туркевича

Ультразвукове дослідження використовується для посилення реакції відновлення цитрату Туркевича, а також модифіковані процедури Туркевича.
Метод Туркевича дозволяє отримати скромні монодисперсні сферичні наночастинки золота діаметром близько 10–20 нм. Можна виробляти більші частинки, але за рахунок монодисперсності і форми. При цьому методі гарячу хлороауринову кислоту обробляють розчином цитрату натрію, отримуючи колоїдне золото. Реакція Тюркевича протікає шляхом утворення перехідних нанодротів золота. Ці золоті нанодроти відповідають за темний вигляд реакційного розчину, перш ніж він стане рубіново-червоним.
Fuentes-García et al. (2020), які сонохімічно синтезували наночастинки золота, повідомляють, що можливо виготовляти наночастинки золота з високою абсорбційною взаємодією, використовуючи ультразвук як єдине джерело енергії, зменшуючи лабораторні вимоги та контролюючи властивості, змінюючи прості параметри.
Lee et al. (2012) продемонстрували, що ультразвукова енергія є ключовим параметром для виробництва сферичних наночастинок золота (AuNPs) з розмірами, що налаштовуються, від 20 до 50 нм. В результаті соносинтезу шляхом відновлення цитрату натрію в атмосферних умовах утворюються монодисперсні сферичні наночастинки золота у водному розчині.

Метод Туркевича-Френса з використанням ультразвуку

Модифікацією вищеописаного шляху реакції є метод Туркевича-Френса, що представляє собою простий багатоступінчастий процес синтезу наночастинок золота. Ультразвук сприяє шляху реакції Туркевича-Френса так само, як і шлях Туркевича. Початковим етапом багатоступінчастого процесу Туркевича-Френса, де реакції відбуваються послідовно і паралельно, є окислення цитрату, що дає дикарбоксиацетон. Потім аурическая сіль відновлюється до аурической солі і Au⁰, а авружна сіль збирається на Au⁰ атомів з утворенням AuNP (див. схему нижче).
 

Синтез наночастинок золота методом Туркевича.
схема та дослідження: ©Zhao et al., 2013

Це означає, що дикарбоксиацетон, що утворюється в результаті окислення цитрату, а не сам цитрат, діє як фактичний стабілізатор AuNP в реакції Туркевича-Френса. Цитратна сіль додатково змінює рН системи, що впливає на розмір і розподіл наночастинок золота (AuNPs). Ці умови реакції Туркевича-Френса утворюють майже монодисперсні наночастинки золота з розмірами частинок від 20 до 40 нм. Точний розмір частинок може бути змінений при зміні рН розчину, а також за допомогою ультразвукових параметрів. Стабілізовані цитратами AuNP завжди більші за 10 нм через обмежену відновну здатність дигідрату тринатрію цитрату. Однак, використовуючи D₂O як розчинник замість H2O при синтезі AuNPs дозволяє синтезувати AuNPs з розміром частинок 5 нм. У міру того, як додавання D2O збільшує відновну міцність цитрату, комбінація D2O і C₆H₉На₃O₉. (пор. Чжао та ін., 2013)

Протокол для сонохімічного маршруту Туркевича-Френса

Для синтезу наночастинок золота за методом «знизу-вгору» за методом Туркевича-Френса використовується 50 мл хлорауринової кислоти (HAuCl₄), у скляну мензурку об'ємом 100 мл наливають 0,025 мМ, в яку наливають 1 мл 1,5% (ж/об) водного розчину тринатрій цитрату (Na₃Ct) додається під ультразвуком при кімнатній температурі. Ультразвук проводився при потужностях 60 Вт, 150 Вт і 210 Вт. На₃Ct/HAuCl₄ Співвідношення, що використовується в зразках, становить 3:1 (Вт/Об). Після ультразвуку колоїдні розчини показали різні кольори: фіолетовий для 60 Вт і рубіново-червоний для зразків 150 і 210 Вт. Менші розміри та більш сферичні скупчення наночастинок золота були отримані шляхом збільшення потужності звуку, відповідно до структурних характеристик. Fuentes-García et al. (2021) у своїх дослідженнях показують сильний вплив зростаючого ультразвуку на розмір частинок, поліедричну структуру та оптичні властивості сонохімічно синтезованих наночастинок золота та кінетику реакцій для їх утворення. Обидва наночастинки золота розміром 16 нм і 12 нм можуть бути виготовлені за допомогою спеціальної сонохімічної процедури. (Фуентес-Гарсія та ін., 2021)
 

(а,б) Зображення ТЕМ (масштаб 50 нм) і (в) розподіл розмірів AuNP, синтезованих при
Потужність звукового звуку 17,9 Вт см2.
Малюнок і дослідження: © Dheyab et al., 2020.

Соноліз наночастинок золота

Іншим методом експериментальної генерації частинок золота є соноліз, де ультразвук застосовується для синтезу частинок золота діаметром менше 10 нм. Залежно від реагентів сонолітична реакція може протікати по-різному. Наприклад, ультразвукове дослідження водного розчину HAuCl₄ Разом з глюкозою в якості відновників виступають гідроксильні радикали і радикали піролізу цукру. Ці радикали утворюються в міжфазній області між порожнинами, що руйнуються, створеними інтенсивним ультразвуком, і об'ємом води. Морфологія золотих наноструктур являє собою нанострічки шириною 30–50 нм і довжиною в кілька мікрометрів. Ці стрічки дуже гнучкі і можуть згинатися з кутами більше 90°. Коли глюкоза заміщається циклодекстрином, глюкозним олігомером, виходять лише сферичні частинки золота, що свідчить про те, що глюкоза має важливе значення для спрямування морфології до стрічки.

Зразковий протокол сонохімічного синтезу нанозолота

Прекурсорні матеріали, що використовуються для синтезу AuNP з цитратним покриттям, включають HAuCl4, цитрат натрію та дистильовану воду. Для того щоб приготувати зразок, першим етапом було розчинення HAuCl4 в дистильованій воді з концентрацією 0,03 М. Згодом розчин HAuCl4 (2 мл) додавали по краплях до 20 мл водного 0,03 М розчину цитрату натрію. Під час фази перемішування в розчин на 5 хв вводили ультразвуковий зонд високої щільності (20 кГц) з ультразвуковим ріжком при потужності зондування 17,9 Вт·см²
(пор. Dhabey at al. 2020)

Синтез нанопоясу золота за допомогою ультразвукового апарату

Поодинокі кристалічні нанопояси (див. зображення TEM ліворуч) можуть бути синтезовані шляхом ультразвукового дослідження водного розчину HAuCl4 у присутності α-D-глюкози у вигляді реагенів. Сонхімічно синтезовані золоті нанопояси мають середню ширину від 30 до 50 нм і довжину в кілька мікрометрів. Ультразвукова реакція для виробництва золотих нанопоясів проста, швидка і дозволяє уникнути використання токсичних речовин. (пор. Чжан та ін., 2006)

Поверхнево-активні речовини для впливу на сонохімічний синтез НЧ золота

Застосування інтенсивного ультразвуку на хімічних реакціях ініціює і сприяє перетворенню і виходам. Для отримання однорідного розміру частинок і певних цільових форм / морфології вибір поверхнево-активних речовин є критичним фактором. Додавання спиртів також допомагає контролювати форму і розмір частинок. Наприклад, в присутності a-d-глюкози основні реакції в процесі сонолізу водного HAuCl₄ як показано в наступних рівняннях (1-4):
(1) Ч₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) АІІІ + reducing radicals —> Au⁰
(4) нАу⁰ —> AuNP (nanobelts)
(пор. Чжао та ін., 2014)

Потужність ультразвукових апаратів зондового типу

Ультразвукові зонди або сонотроди (також звані ультразвуковими ріжками) подають високоінтенсивний ультразвук і акустичну кавітацію в дуже сфокусованій формі в хімічні розчини. Ця точно контрольована та ефективна передача ультразвуку потужності забезпечує надійні, точно контрольовані та відтворювані умови, де хімічні реакційні шляхи можуть ініціюватися, посилюватися та перемикатися. На противагу цьому, ультразвукова ванна (також відома як ультразвуковий очищувач або резервуар) подає ультразвук з дуже низькою щільністю потужності та випадково виникаючими плямами кавітації у великому об'ємі рідини. Це робить ультразвукові ванни ненадійними для будь-яких сонохімічних реакцій.
«Ванни для ультразвукового очищення мають щільність потужності, яка відповідає невеликому відсотку тієї, що генерується ультразвуковим ріжком. Застосування очисних ванн в сонохімії обмежена, враховуючи, що не завжди досягається повністю однорідний розмір і морфологія частинок. Це пов'язано з фізичним впливом ультразвуку на процеси зародження та росту». (González-Mendoza et al. 2015)

Високоефективні ультразвукові апарати для синтезу наночастинок золота

Hielscher Ultrasonics постачає потужні та надійні ультразвукові процесори для сонохімічного синтезу (соносинтезу) наночастинок, таких як золото та інші наноструктури благородних металів. Ультразвукове перемішування і дисперсія збільшує масообмін в гетерогенних системах і сприяє змочуванню і подальшому зародженню кластерів атомів з метою осадження наночастинок. Ультразвуковий синтез наночастинок є простим, економічно ефективним, біосумісним, відтворюваним, швидким та безпечним методом.
Hielscher Ultrasonics постачає потужні та точно керовані ультразвукові процесори для формування нанорозмірних структур, таких як наношере, наностержні, нанопояси, нанострічки, нанокластери, частинки ядра-оболонки тощо.
Дізнайтеся більше про ультразвуковий синтез магнітних наночастинок!
Наші клієнти цінують інтелектуальні 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 50 Вт ручних ультразвукових систем для лабораторії до 16 000 Вт потужних промислових ультразвукових систем, Hielscher має ідеальну ультразвукову установку для вашого застосування. Сонохімічне обладнання для періодичного та безперервного потокового виробництва в проточних реакторах легко доступне для будь-якого настільного та промислового розміру. Міцність звукорежисерів Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах і в складних умовах.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: