Efficient and Controlled Synthesis of Gold Nanoparticles

Các hạt nano vàng có hình dạng và hình thái đồng nhất có thể được tổng hợp hiệu quả thông qua con đường sonochemical. Phản ứng hóa học 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, thanh nano, vành đai nano vv) 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 ở quy mô công nghiệp.

Hạt nano vàng và cấu trúc nano

Các hạt nano vàng và cấu trúc kích thước nano được triển khai 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 trong số 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 ứng 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. Ultrasonication không chỉ là một kỹ thuật đơn giản, hiệu quả và đáng tin cậy, hơn nữa sonication 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 quý có hình thái khác nhau. Việc lựa chọn tuyến đường và xử lý sonochemical (còn được gọi là sonosynthesis) cho phép tạo ra các cấu trúc nano vàng như nanosheres vàng, thanh nano, vành đai nano, v.v. với kích thước và hình thái đồng nhất.
Dưới đây bạn có thể tìm thấy các đường dẫn sonochemical được lựa chọn để điều chế các hạt nano vàng.

Phương pháp Turkevich được cải thiện bằng siêu âm

Sonication được sử dụng để tăng cường phản ứng khử citrate Turkevich, cũng như các quy trình Turkevich sửa đổi.
Phương pháp Turkevich tạo ra các hạt nano vàng hình cầu đơn phân tán khiêm tốn có đường kính khoảng 10–20nm. Các hạt lớn hơn có thể được tạo ra, nhưng với chi phí đơn phân tán 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 việc 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 sonochemically các hạt nano vàng, báo cáo rằng việc sản xuất các hạt nano vàng có tương tác hấp thụ cao bằng cách sử dụng siêu âm như một nguồn năng lượng duy nhất là khả thi, 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 có thể điều chỉnh từ 20 đến 50 nm. Quá trình tổng hợp sonosynthesis thông qua khử natri citrat tạo ra các hạt nano vàng hình cầu đơn phân tán trong dung dịch nước trong điều kiện khí quyển.

Phương pháp Turkevich-Frens sử dụng siêu âm

Một sửa đổi của đường dẫn phản ứng được mô tả ở trên là phương pháp Turkevich-Frens, đây là một quy trình nhiều bước đơn giản để tổng hợp các hạt nano vàng. Ultrasonication thúc đẩy con đường phản ứng Turkevich-Frens theo cách tương tự như tuyến đường Turkevich. Bước đầu tiên của quy trình nhiều bước Turkevich-Frens, trong đó các phản ứng xảy ra theo chuỗi và song song, là quá trình oxy hóa citrate tạo ra dicarboxy acetone. Sau đó, muối auric được giảm thành muối aurous và Au⁰, và muối mạo hiểm 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.
Đề án và nghiên cứu: ©Zhao et al., 2013

 
Tổng hợp hạt nano vàng thông qua phương pháp Turkevich.
scheme and study: ©Zhao et al., 2013[/caption]
Điều này có nghĩa là dicarboxy acetone do quá trình oxy hóa citrate thay vì chính citrate đang hoạt động như chất ổn định AuNP thực tế trong phản ứng Turkevich-Frens. Muối citrat cũng làm thay đổi độ pH của hệ thống, ảnh hưởng đến sự phân bố kích thước và kích thước của các hạt nano vàng (AuNPs). Những điều kiện này của phản ứng Turkevich-Frens tạo ra các hạt nano vàng gần như đơn phân tán với kích thước hạt từ 20 đến 40nm. Kích thước hạt chính xác có thể được sửa đổi theo sự thay đổi độ pH của dung dịch cũng như bởi các thông số siêu âm. AuNP ổn định citrate luôn lớn hơn 10 nm, do khả năng khử hạn chế của trisodium citrate dihydrate. Tuy nhiên, sử dụng D₂O là dung môi thay vì H2O trong quá trình tổng hợp AuNP cho phép tổng hợp AuNP với kích thước hạt 5nm. Khi bổ sung D2O làm tăng cường độ khử của citrate, sự kết hợp của D2O và C₆H₉Na₃O₉. (xem Zhao và cộng sự, 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 dung dịch nước trisodium citrat (w / v) 1,5% (w / v)₃Ct) được thêm vào dưới siêu âm ở nhiệt độ phòng. Ultrasonication được thực hiện ở 60W, 150W, và 210W. Các Na₃Ct/HAuCl₄ Tỷ lệ được sử dụng trong các mẫu là 3: 1 (W / V). Sau khi siêu âm, các giải pháp keo cho thấy màu sắc khác nhau, tím cho 60 W và đỏ ruby cho các mẫu 150 và 210 W. Kích thước nhỏ hơn và các cụm hạt nano vàng hình cầu hơn được tạo ra bằng cách tăng sức mạnh sonication, theo đặc tính cấu trúc. Fuentes-García et al. (2021) cho thấy trong các cuộc điều tra của họ ảnh hưởng mạnh mẽ của việc tăng sonication đến kích thước hạt, cấu trúc đa diện 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 có kích thước 16nm và 12nm đều có thể được sản xuất với quy trình sonochemical phù hợp. (Fuentes-García và cộng sự, 2021)
 

(a,b) TEM image (scale of 50 nm) and (c) size distribution of AuNPs synthesized at a
sonication power 17.9 Wcm2.
Hình ảnh và nghiên cứu: © Dheyab et al., 2020.

Sonolysis của hạt nano vàng

Một phương pháp khác để tạo ra các hạt vàng thử nghiệm là bằng phương pháp siêu âm, trong đó siêu âm được áp dụng để tổng hợp các hạt vàng có đường kính dưới 10nm. Tùy thuộc vào thuốc thử, phản ứng sonolytic có thể được chạy theo nhiều cách khác nhau. Ví dụ, sonication của một dung dịch nước của HAuCl₄ Với glucose, các gốc hydroxyl và các gốc nhiệt phân đường đóng vai trò là chất khử. Những gốc này hình thành ở vùng giao thoa giữa các khoang sụp đổ được tạo ra bởi siêu âm cường độ cao và nước khối. Hình thái của các cấu trúc nano vàng là các dải ruy băng nano với chiều rộng 30–50nm 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 oligome 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

Các vật liệu tiền chất được sử dụng để tổng hợp AuNP phủ citrate bao gồm HAuCl4, natri citrat và nước cất. Để chuẩn bị mẫu, bước đầu tiên liên quan đến việc hòa tan HAuCl4 trong nước cất với nồng độ 0,03 M. Sau đó, dung dịch HAuCl4 (2 mL) được thêm từng giọt vào 20 ml dung dịch natri citrat 0,03 M nước. Trong giai đoạn trộn, một đầu dò siêu âm mật độ cao (20 kHz) với còi siêu âm đã được đưa vào dung dịch trong 5 phút với công suất âm thanh 17,9 W · cm²
(cf. Dhabey tại al. 2020)

Tổng hợp vành đai nano vàng bằng cách sử dụng Sonication

Các vành đai nano cristalline đơn (xem hình ảnh TEM bên trái) có thể được tổng hợp thông qua sonication dung dịch nước HAuCl4 với sự có mặt của α-D-Glucose dưới dạng reagens. Các vành đai nano vàng tổng hợp sonochemical cho thấy chiều rộng trung bình từ 30 đến 50 nm và chiều dài vài micromet. Phản ứng siêu âm để sản xuất vành đai nano vàng rất đơn giản, nhanh chóng và tránh sử dụng các chất độc hại. (cf. Zhang và cộng sự, 2006)

Chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến tổng hợp sonochemical của NP 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 nhất và các hình dạng / hình thái được nhắm mục tiêu nhất định, 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 sonolysis của HAuCl nước₄ Như được mô tả trong các phương trình sau (1-4):
(1) H₂ O —> H∙ + OH∙
(2) sugar —> pyrolysis radicals
(3) ĐIII + reducing radicals —> Au⁰
(4) nAu⁰ —> AuNP (nanobelts)
(xem Zhao và cộng sự, 2014)

Sức mạnh của Ultrasonicators loại thăm dò

Đầu dò siêu âm hoặc sonotrodes (còn 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 xâm thực xảy ra ngẫu nhiên thành một khối lượng chất lỏng lớn. Điều này làm cho phòng tắm siêu âm không đáng tin cậy cho bất kỳ phản ứng sonochemical.
"Phòng tắm làm sạch siêu âm có mật độ năng lượng tương ứng với một tỷ lệ nhỏ được tạo ra bởi còi siêu âm. Việc sử dụng phòng tắm làm sạch trong sonochemistry bị hạn chế, xem xét rằng kích thước và hình thái hạt hoàn toàn đồng nhất không phải lúc nào cũng đạt được. Điều này là do các tác động vật lý của siêu âm qua quá trình tạo mầm và phát triển. " (González-Mendoza và cộng sự 2015)

Ultrasonicators hiệu suất cao để tổng hợp các hạt nano vàng

Hielscher Ultrasonics cung cấp bộ vi xử lý siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy cho tổng hợp sonochemical (sono-tổng hợp) của các hạt nano như vàng và các cấu trúc nano kim loại quý khác. Kích động siêu âm và phân tán làm tăng sự chuyển khối lượng trong các hệ thống không đồng nhất và thúc đẩy việc làm ướt và tạo mầm tiếp theo của các cụm nguyên tử để kết tủa các hạt nano. Tổng hợp siêu âm 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.
Hielscher Ultrasonics cung cấp bộ vi xử lý siêu âm mạnh mẽ và chính xác có thể kiểm soát cho sự hình thành các cấu trúc kích thước nano như nanosheres, nanorods, nanobelts, nano-ribbons, nanoclusters, core-shell hạt vv
Khách hàng của chúng tôi đánh giá cao các tính năng thông minh của 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 vận hành thân thiện và an toàn.
Bao gồm phạm vi năng lượng hoàn chỉnh từ 50 watt cầm tay ultrasonicators 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 để sản xuất hàng loạt và liên tục trong dây chuyền trong các lò phản ứng dòng chảy có sẵn ở bất kỳ quy mô băng ghế dự bị và công nghiệp nào. Sự mạnh mẽ của thiết bị siêu âm của Hielscher cho phép hoạt động 24/7 ở nhiệm vụ nặng nề và trong môi trường đòi hỏi khắt khe.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: