Các hạt nano vàng có hình dạng và hình thái đồng nhất có thể được tổng hợp hiệu quả thông qua đường sonochemical. Phản ứng hóa học được thúc đẩy siêu âm của tổng hợp hạt nano vàng có thể được kiểm soát chính xác về kích thước hạt, hình dạng (ví dụ: nanospheres, nanorods, nanobelts, v.v.) và hình thái. Quy trình hóa học hiệu quả, đơn giản, nhanh chóng và xanh cho phép sản xuất đáng tin cậy các cấu trúc nano vàng trên quy mô công nghiệp.

Hạt nano vàng và cấu trúc nano

Các hạt nano vàng và các cấu trúc có kích thước nano được thực hiện rộng rãi trong R&D và các quy trình công nghiệp do các tính chất độc đáo của vàng có kích thước nano bao gồm các đặc tính điện tử, từ tính và quang học, hiệu ứng kích thước lượng tử, cộng hưởng plasmon bề mặt, hoạt động xúc tác cao, tự lắp ráp giữa các tính chất khác. Các lĩnh vực ứng dụng cho các hạt nano vàng (Au-NPs) bao gồm từ việc sử dụng làm chất xúc tác đến sản xuất các thiết bị điện tử nano, cũng như sử dụng trong hình ảnh, quang tử nano, nano từ, cảm biến sinh học, cảm biến hóa học, cho các ứng dụng quang học và theranostic, phân phối thuốc cũng như các sử dụng khác.

Phương pháp tổng hợp hạt nano vàng

Các hạt vàng có cấu trúc nano có thể được tổng hợp thông qua các tuyến đường khác nhau bằng cách sử dụng siêu âm hiệu suất cao. Siêu âm không chỉ là một kỹ thuật đơn giản, hiệu quả và đáng tin cậy, sonication hơn nữa tạo điều kiện cho việc giảm hóa học của các ion vàng mà không có tác nhân hóa học độc hại hoặc khắc nghiệt và cho phép hình thành các hạt nano kim loại cao quý của các morphologies khác nhau. Việc lựa chọn phương pháp điều trị sonochemical (còn được gọi là sonosynthesis) cho phép sản xuất các cấu trúc nano vàng như tấm nano vàng, nanorods, nanobelts, v.v. với kích thước và hình thái đồng đều.
Dưới đây bạn có thể tìm thấy các đường sonochemical được chọn để chuẩn bị các hạt nano vàng.

Phương pháp Turkevich cải tiến siêu âm

Sonication được sử dụng để tăng cường phản ứng giảm citrate Turkevich cũng như các thủ tục Turkevich sửa đổi.
Phương pháp Turkevich tạo ra các hạt nano vàng hình cầu khiêm tốn có đường kính khoảng 10-20nm. Các hạt lớn hơn có thể được tạo ra, nhưng với chi phí đơn phân biệt và hình dạng. Trong phương pháp này, axit chloroauric nóng được xử lý bằng dung dịch natri citrate, tạo ra vàng keo. Phản ứng Turkevich tiến hành thông qua sự hình thành các dây nano vàng thoáng qua. Những dây nano vàng này chịu trách nhiệm cho sự xuất hiện tối của dung dịch phản ứng trước khi nó chuyển sang màu đỏ ruby.
Fuentes-García et al. (2020), người đã tổng hợp các hạt nano vàng, báo cáo rằng có thể sản xuất các hạt nano vàng với tương tác hấp thụ cao bằng cách sử dụng siêu âm như một nguồn năng lượng duy nhất, giảm yêu cầu trong phòng thí nghiệm và kiểm soát các tính chất sửa đổi các thông số đơn giản.
Lee et al. (2012) đã chứng minh rằng năng lượng siêu âm là một thông số quan trọng để sản xuất các hạt nano vàng hình cầu (AuNPs) có kích thước điều chỉnh từ 20 đến 50 nm. Quá trình sonosynthesis thông qua giảm natri citrate tạo ra các hạt nano vàng hình cầu đơn bào trong dung dịch nước trong điều kiện khí quyển.

Phương pháp Turkevich-Frens sử dụng siêu âm

Một sửa đổi của đường phản ứng được mô tả ở trên là phương pháp Turkevich-Frens, là một quá trình nhiều bước đơn giản để tổng hợp các hạt nano vàng. Siêu âm thúc đẩy con đường phản ứng Turkevich-Frens theo cách tương tự như tuyến đường Turkevich. Bước đầu tiên của quá trình nhiều bước Turkevich-Frens, nơi các phản ứng xảy ra theo chuỗi và song song, là quá trình oxy hóa citrate mang lại acetone dicarboxy. Sau đó, muối auric được giảm xuống muối kích thích và Au⁰, và muối aurous được lắp ráp trên Au⁰ các nguyên tử để tạo thành AuNP (xem sơ đồ bên dưới).

Tổng hợp hạt nano vàng thông qua phương pháp Turkevich.
sơ đồ và nghiên cứu: ©Zhao et al., 2013

Điều này có nghĩa là dicarboxy acetone do quá trình oxy hóa citrate thay vì citrate đang hoạt động như chất ổn định AuNP thực tế trong phản ứng Turkevich-Frens. Muối citrate cũng làm thay đổi độ pH của hệ thống, ảnh hưởng đến kích thước và kích thước phân bố của các hạt nano vàng (AuNPs). Những điều kiện phản ứng Turkevich-Frens tạo ra các hạt nano vàng gần như đơn phân với kích thước hạt từ 20 đến 40nm. Kích thước hạt chính xác có thể được sửa đổi khi biến đổi độ pH của dung dịch cũng như các thông số siêu âm. AuNP ổn định citrate luôn lớn hơn 10 nm, do khả năng giảm hạn chế của trisodium citrate dihydrate. Tuy nhiên, sử dụng D₂O là dung môi thay vì H₂O trong quá trình tổng hợp AuNPs cho phép tổng hợp AuNPs với kích thước hạt 5 nm. Như sự bổ sung của D₂O làm tăng sức mạnh giảm của citrate, sự kết hợp của D₂O và C₆H₉Na₃các₉. (xem. Zhao et al., 2013)

Giao thức cho tuyến đường Sonochemical Turkevich-Frens

Để tổng hợp các hạt nano vàng trong quy trình từ dưới lên thông qua phương pháp Turkevich-Frens, 50mL axit chloroauric (HAuCl₄), 0,025 mM được đổ vào cốc thủy tinh 100 mL, trong đó 1 mL 1,5% (w / v) dung dịch nước của trisodium citrate (Na₃Ct) được thêm vào dưới siêu âm ở nhiệt độ phòng. Siêu âm được thực hiện ở 60W, 150W và 210W. The Na₃Ct/HAuCl₄ tỷ lệ sử dụng trong các mẫu là 3: 1 (w /v). Sau khi siêu âm, các giải pháp keo cho thấy các màu sắc khác nhau, tím cho 60 W và đỏ ruby cho các mẫu 150 và 210 W. Kích thước nhỏ hơn và nhiều cụm hình cầu của các hạt nano vàng được tạo ra bằng cách tăng công suất sonication, theo đặc điểm cấu trúc. Fuentes-García et al. (2021) cho thấy trong các cuộc điều tra của họ ảnh hưởng mạnh mẽ của việc tăng âm thanh lên kích thước hạt, cấu trúc đa tầng và tính chất quang học của các hạt nano vàng tổng hợp sonochemical và động học phản ứng cho sự hình thành của chúng. Cả hai, các hạt nano vàng với kích thước 16nm và 12nm có thể được sản xuất với một quy trình sonochemical phù hợp. (Fuentes-García et al., 2021)

(a,b) Hình ảnh TEM và (c) phân bố kích thước của các hạt nano vàng tổng hợp sonochemical (AuNPs)
Hình ảnh và nghiên cứu: © Dheyab et al., 2020.

Sonolysis của các hạt nano vàng

Một phương pháp khác cho thế hệ thử nghiệm của các hạt vàng là bằng sonolysis, trong đó siêu âm được áp dụng để tổng hợp các hạt vàng có đường kính dưới 10 nm. Tùy thuộc vào thuốc thử, phản ứng sonolytic có thể được chạy theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, sonication của một giải pháp nước của HAuCl₄ với glucose, gốc hydroxyl và các gốc pyrolysis đường hoạt động như các tác nhân giảm. Những gốc này hình thành ở vùng giao tiếp giữa các khoang sụp đổ được tạo ra bởi siêu âm cường độ cao và nước số lượng lớn. Hình thái của các cấu trúc nano vàng là nanoribbons với chiều rộng 30-50 nm và chiều dài vài micromet. Những dải ruy băng này rất linh hoạt và có thể uốn cong với các góc lớn hơn 90 °. Khi glucose được thay thế bằng cyclodextrin, một oligomer glucose, chỉ thu được các hạt vàng hình cầu, cho thấy glucose rất cần thiết trong việc hướng hình thái về phía ruy băng.

Giao thức mẫu mực để tổng hợp nano-vàng sonochemical

Vật liệu tiền chất được sử dụng để tổng hợp AuNPs phủ citrate bao gồm HAuCl₄, natri citrate và nước cất. Để chuẩn bị mẫu, bước đầu tiên liên quan đến việc giải thể HAuCl₄ trong nước cất với nồng độ 0,03 M. Sau đó, giải pháp của HAuCl₄ (2 mL) đã được thêm dropwise vào 20 mL dung dịch citrate natri nước 0,03 M. Trong giai đoạn trộn, một đầu dò siêu âm mật độ cao (20 kHz) với sừng siêu âm đã được đưa vào dung dịch trong 5 phút với công suất âm thanh 17,9 W·cm²
(xem Dhabey tại al. 2020)

Tổng hợp nanobelt vàng sử dụng Sonication

Các nanobelts cristalline đơn (xem hình ảnh TEM bên trái) có thể được tổng hợp thông qua sonication của một dung dịch nước của HAuCl₄ sự hiện diện của α-D-Glucose như reagens. Các nanobel vàng được tổng hợp soniochemical cho thấy chiều rộng trung bình từ 30 đến 50 nm và dài vài micromet. Phản ứng siêu âm để sản xuất dây nano vàng rất đơn giản, nhanh chóng và tránh sử dụng các chất độc hại. (xem: Zhang et al, 2006)

Chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến tổng hợp sonochemical của NPs vàng

Việc áp dụng siêu âm cường độ cao trên các phản ứng hóa học bắt đầu và thúc đẩy chuyển đổi và năng suất. Để có được kích thước hạt đồng đều và một số hình dạng / morphologies được nhắm mục tiêu, việc lựa chọn chất hoạt động bề mặt là một yếu tố quan trọng. Việc bổ sung rượu cũng giúp kiểm soát hình dạng và kích thước hạt. Ví dụ, với sự hiện diện của a-d-glucose, các phản ứng chính trong quá trình siêu phân của HAuCl nước₄ như được mô tả trong các phương trình sau đây (1-4):
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) đường —> các gốc pyrolysis
(3) AIII + giảm các gốc —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(xem. Zhao et al., 2014)

Sức mạnh của máy siêu âm kiểu đầu dò

Đầu dò siêu âm hoặc sonotrodes (còn được gọi là sừng siêu âm) cung cấp siêu âm cường độ cao và cavitation âm thanh ở dạng rất tập trung vào các giải pháp hóa học. Việc truyền siêu âm điện có thể kiểm soát chính xác và hiệu quả này cho phép các điều kiện đáng tin cậy, có thể kiểm soát chính xác và tái tạo, nơi các con đường phản ứng hóa học có thể được bắt đầu, tăng cường và chuyển đổi. Ngược lại, một bồn tắm siêu âm (còn được gọi là chất tẩy rửa siêu âm hoặc bể) cung cấp siêu âm với mật độ năng lượng rất thấp và các điểm sâu răng ngẫu nhiên thành một thể tích chất lỏng lớn. Điều này làm cho bồn tắm siêu âm không đáng tin cậy cho bất kỳ phản ứng sonochemical.
"Bồn tắm làm sạch siêu âm có mật độ năng lượng tương ứng với một tỷ lệ nhỏ trong số đó được tạo ra bởi một chiếc sừng siêu âm. Việc sử dụng bồn tắm làm sạch trong sonochemistry bị hạn chế, xem xét rằng kích thước hạt và hình thái hoàn toàn đồng nhất không phải lúc nào cũng đạt được. Điều này là do tác động vật lý của siêu âm đối với các quá trình hạt nhân và đang phát triển". (González-Mendoza et al. 2015)

Máy siêu âm hiệu suất cao để tổng hợp các hạt nano vàng

Siêu âm Hielscher cung cấp bộ xử lý siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy để tổng hợp sonochemical (tổng hợp sono) của các hạt nano như vàng và các cấu trúc nano kim loại cao quý khác. Khuấy và phân tán siêu âm làm tăng sự chuyển giao khối lượng trong các hệ thống không đồng nhất và thúc đẩy sự làm ướt và hạt nhân tiếp theo của các cụm nguyên tử để kết tủa các hạt nano. Tổng hợp siêu âm của các hạt nano là một phương pháp đơn giản, hiệu quả về chi phí, tương thích sinh học, tái tạo, nhanh chóng và an toàn.
Siêu âm Hielscher cung cấp các bộ xử lý siêu âm mạnh mẽ và có thể kiểm soát chính xác cho sự hình thành các cấu trúc có kích thước nano như tấm nano, nanorods, nanobelts, ruy băng nano, nanoclusters, các hạt vỏ lõi, v.v.
Khách hàng của chúng tôi đánh giá cao các tính năng thông minh của các thiết bị kỹ thuật số Hielscher, được trang bị phần mềm thông minh, màn hình cảm ứng màu, giao thức dữ liệu tự động trên thẻ SD tích hợp và có menu trực quan để hoạt động thân thiện và an toàn với người dùng.
Bao gồm phạm vi năng lượng hoàn chỉnh từ máy siêu âm cầm tay 50 watt cho phòng thí nghiệm lên đến 16.000 watt hệ thống siêu âm công nghiệp mạnh mẽ, Hielscher có thiết lập siêu âm lý tưởng cho ứng dụng của bạn. Thiết bị sonochemical cho sản xuất hàng loạt và liên tục trong các lò phản ứng chảy qua có sẵn ở bất kỳ kích thước băng ghế dự bị và công nghiệp. Sự mạnh mẽ của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép hoạt động 24/7 tại nhiệm vụ nặng nề và trong môi trường đòi hỏi khắt khe.

Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: