ゴールドナノ粒子合成
Summary
有機溶媒中で直径12nmの金ナノ粒子(Auナノ粒子)を合成するプロトコルを提示する。金ナノ粒子は、凝集を防ぐためにオレイラミンリガンドでキャップされています。金ナノ粒子はトルエンなどの有機溶媒に可溶性である。
Abstract
直径12nmの金ナノ粒子(Auナノ粒子)を、テトラクロロイ酸の溶液を3.0g(3.7mmol)に速やかに注入して合成した 3.6 mL)のオレイラミン(技術グレード)と3.0mLのトルエンを、トルエン147mLのオレイラミンの5.1g(6.4 mmol,8.7 mL)の沸騰溶液にする。反応液を沸騰させ、2時間混合しながら、反応混合物の色は透明から薄い黄色、薄いピンク色に変化し、次いでゆっくりと濃赤色に変化した。その後、熱を消し、溶液を1時間室温まで徐々に冷却した。その後、金ナノ粒子を回収し、遠心分離機を用いて溶液から分離し、3回洗浄した。トルエンの10 mL部分に金ナノ粒子をボルテックスして分散させ、その後40mLのメタノール部分を加えて遠心分離機で回転させることで金ナノ粒子を沈殿させる。その後、溶液をデカンデーして、残りの副産物および未反応の出発物質を除去した。真空環境で金ナノ粒子を乾燥させることで、固体の黒色ペレットが生成されます。後で使用するために長期間(最長1年)保存し、トルエンなどの有機溶媒に再溶解することができます。
Introduction
金ナノ粒子は、多くの研究研究や応用の対象であるナノ材料の興味深く有用なクラスです。生物学1、医学2、ナノテクノロジー3、電子機器4など。金ナノ粒子に関する科学的研究は、マイケル・ファラデーが金ナノ粒子の合成と特性に関する基礎的研究を行った1857年にさかのぼります。金ナノ粒子を合成する二つの主要な「ボトムアップ」技術は、クエン酸還元法6,7,8と有機二相合成法9,10である。「トゥルケビッチ」クエン酸還元法は、直径20nm以下の金ナノ粒子をかなり単分散化するが、直径20nmを超える金ナノ粒子の多分散性が増加する。一方、「Brust-シフリン」二相法は、直径11で〜10nmまでの金ナノ粒子を生成するために硫黄/チオール配位安定化を使用する。これらの方法を用いて事前に合成された金ナノ粒子溶液は市販されている。大量、高い単分散性、および金ナノ粒子の大径が必要ない用途では、これらの事前合成された金ナノ粒子をサプライヤーから購入して使用するだけで十分である可能性があります。しかし、市販されているものの多くのような溶液に保存されている金ナノ粒子は、ナノ粒子が凝集し始め、クラスターを形成し始めるにつれて、時間の経過とともに劣化する可能性がある。あるいは、大規模な用途に対して、金ナノ粒子を頻繁に使用する必要がある、または金ナノ粒子の単分散性および大きさに対してより厳しい要件がある場合に、金ナノ粒子合成を自ら行うことが望ましい場合がある。金ナノ粒子合成プロセスを行うことにより、製造される金ナノ粒子の量、金ナノ粒子の直径、金ナノ粒子の単分散性、キャッピングリガンドとして使用される分子など、さまざまな合成パラメータを潜在的に制御する機会があります。さらに、このような金ナノ粒子は、乾燥した環境で固体ペレットとして保存することができ、金ナノ粒子を保存して、1年後まで、品質の低下を最小限に抑えて使用できるようにしています。また、金ナノ粒子を大量に製造し、乾燥状態で保存して長持ちさせることで、コスト削減と廃棄物の削減の可能性もあります。全体的に見て、金ナノ粒子を自己合成することは、市販の金ナノ粒子では実現不可能な魅力的な利点を提供する。
金ナノ粒子合成で可能な多くの利点を実現するために、金ナノ粒子を合成するプロセスを本明細書に提示する。記載されている金ナノ粒子合成プロセスは、平松とオステルロー12によって開発されたプロセスの修正版である。金ナノ粒子は、通常、この合成プロセスを用いて〜12nmの直径で合成される。金ナノ粒子合成プロセスを行うために使用される主な化学試薬は、テトラクロロウリン酸(HAuCl4)、オレイラミン、トルエンです。テトラクロローリン酸は水/湿度に敏感であるため、窒素グローブボックスは、金ナノ粒子合成プロセスのための不活性乾燥環境を提供するために使用されます。金ナノ粒子は、オレイラミンリガンド分子で封入され、金ナノ粒子が溶液中に凝集するのを防ぎます。合成プロセスの最後に、金ナノ粒子は真空環境で乾燥し、後で使用するために乾燥状態で保存することができます。金ナノ粒子を使用する準備ができたら、トルエンなどの有機溶媒中に再懸濁させることができます。
Protocol
化学物質の量:注:ナノ粒子合成に適した化学量を得るには、”ナノ粒子合成”シート(Osterloh研究論文12の支持情報の2ページ目)に記載された初期量をとり、全ての用量の量に3を掛け、わずかな修正を加えます。 表1 は、注入溶液、沸騰溶液、洗浄/精製溶液、および金エッチャント溶液に必要な化学量を示しています。 金ナ…
Representative Results
図1は、金ナノ粒子合成化学反応混合物溶液(テトラクロロウ酸、オレイラミン、トルエン)が反応容器内で最初に沸騰するにつれて、数分の間に徐々に色を変化させる方法を示しています。クリアから薄い黄色(左画像)、薄いピンク(中央の画像)へ、明るい赤(右画像)へ。溶液の色の変化は、金ナノ粒子が核を作り始め、時間の経過とともに大きく成長し始めるにつれて、?…
Discussion
上記のように金ナノ粒子合成プロトコルを実行すると、直径が12nmとかなり高い単分散性(±2nm)の金ナノ粒子を生成する必要があります。しかし、金ナノ粒子のサイズ/直径および単分散/多分散性を潜在的に変化させるために調整できる重要なステップおよびプロセスパラメータがいくつかあります。例えば、反応容器に前駆体溶液を注入し、テトラクロロウ酸、オレイラミン、トルエン溶液を…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、ナノ粒子合成法の支援に対してフランク・オステルローに感謝したいと考えています。著者らは、国立科学財団(1807555&203665)と半導体研究公社(2836)からの財政的支援を認めたい。
Materials
| 50 mL Conical Centrifuge Tubes with Plastic Caps (Quantity: 12) | Ted Pella, Inc. | 12942 | used for cleaning/storing gold nanoparticle solution/precipitate (it's best to use 12 tubes, to allow the gold nanoparticles from the synthesis process to last up to one year (e.g., 1 tube per month)) |
| Acetone | Sigma-Aldrich | 270725-2L | solvent for cleaning glassware/tubes |
| Acid Wet Bench | N/A | N/A | for cleaning chemical reaction glassware/supplies with gold etchant solution (part of wet chemical lab facilities) |
| Aluminum Foil | Reynolds | B08K3S7NG1 | for covering glassware after cleaning it to keep it clean |
| Burette Clamps | Fisher Scientific | 05-769-20 | for holding the condenser tube and reaction vessel during the synthesis process (located in the nitrogen glove box) |
| Centrifuge (with 50 mL Conical Centrifuge Tube Rotor/Adapter) | ELMI | CM-7S | for spinning the gold nanoparticles in solution and precipitating/collecting them at the bottom of the 50 mL conical centrifuge tubes |
| DI Water | Millipore | Milli-Q Direct | deionized water |
| Fume Hood | N/A | N/A | for cleaning laboratory glassware and supplies with solvents (part of wet chemical lab facilities) |
| Glass Beaker (600 mL) | Ted Pella, Inc. | 17327 | for holding reaction vessel, condenser tube, glass pipette, and magnetic stir bar during cleaning with gold etchant and then with water |
| Glass Beakers (400 mL) (Quantity: 2) | Ted Pella, Inc. | 17309 | for measuring toluene and gold etchant |
| Glass Graduated Cylinder (5 mL) | Fisher Scientific | 08-550A | for measuring toluene and oleylamine for injection |
| Glass Graduated Pipette (10 mL) | Fisher Scientific | 13-690-126 | used with the rubber bulb with valves to inject the gold nanoparticle precursor solution into the reaction vessel |
| Gold Etchant TFA | Sigma-Aldrich | 651818-500ML | (with potassium iodide) for cleaning reaction vessel, condenser tube, magnetic stir bar, glass pipette [alternatively, use Aqua Regia] |
| Isopropanol | Sigma-Aldrich | 34863-2L | solvent for cleaning glassware/tubes |
| Liebig Condenser Tube (~500 mm) (24/40) | Fisher Scientific | 07-721C | condenser tube, attaches to glass reaction vessel |
| Magnetic Stirring Bar | Fisher Scientific | 14-513-51 | for stirring reaction solution during the synthesis process |
| Methanol (≥99.9%) | Sigma-Aldrich | 34860-2L-R | new, ≥99.9% purity (for washing gold nanoparticles after synthesis) |
| Microbalance (mg resolution) | Accuris Instruments | W3200-120 | for weighing tetrachloroauric acid powder (located in the nitrogen glove box) |
| Micropipette (1000 µL) | Fisher Scientific | FBE01000 | for measuring and dispensing liquid chemicals such as oleylamine and toluene (if using micropipette instead of graduated cylinder for measurement) |
| Micropipette Tips (1000 µL) | USA Scientific | 1111-2831 | for measuring and dispensing liquid chemicals such as oleylamine and toluene (if using micropipette instead of graduated cylinder for measurement) |
| Nitrile Gloves | Ted Pella, Inc. | 81853 | personal protective equipment (PPE), for protection, and for keeping nitrogren glove box gloves clean |
| Nitrogen Glove Box | M. Braun | LABstar pro | for performing gold nanoparticle synthesis in a dry and inert environment |
| Non-Aqueous 20 mL Glass Vials with PTFE-Lined Caps (Quantity: 2) | Fisher Scientific | 03-375-25 | for weighing tetrachloroauric acid powder and mixing with oleylamine and toluene to make injection solution |
| Oleylamine (Technical Grade, 70%) | Sigma-Aldrich | O7805-100G | technical grade, 70%, preferably new, stored in the nitrogen glove box |
| Parafilm M Sealing Film (2 in. x 250 ft) | Sigma-Aldrich | P7543 | for sealing the gold nanoparticles in the 50 mL centrifuge tubes after the synthesis process is over |
| Round Bottom Flask (250 mL) (24/40) | Wilmad-LabGlass | LG-7291-234 | glass reaction vessel, attaches to condenser tube |
| Rubber Bulb with Valves (Rubber Bulb-Type Safety Pipet Filler) | Fisher Scientific | 13-681-50 | used with the long graduated glass pipette to inject the gold nanoparticle precursor solution into the reaction vessel |
| Rubber Hoses (PVC Tubes) (Quantity: 2) | Fisher Scientific | 14-169-7D | for connecting the condenser tube to water inlet/outlet ports |
| Stainless Steel Spatula | Ted Pella, Inc. | 13590-1 | for scooping tetrachloroauric acid powder from small container |
| Stand (Base with Rod) | Fisher Scientific | 12-000-102 | for holding the condenser tube and reaction vessel during the synthesis process (located in the nitrogen glove box) |
| Stirring Heating Mantle (250 mL) | Fisher Scientific | NC1089133 | for holding and supporting reaction vessel sphere, while heating with magnetic stirrer rotating the magnetic stirrer bar |
| Tetrachloroauric(III) Acid (HAuCl4) (≥99.9%) | Sigma-Aldrich | 520918-1G | preferably new or never opened, ≥99.9% purity, stored in fridge, then opened only in the nitrogen glove box, never exposed to air/water/humidity |
| Texwipes / Kimwipes / Cleanroom Wipes | Texwipe | TX8939 | for miscellaneous cleaning and surface protection |
| Toluene (≥99.8%) | Sigma-Aldrich | 244511-2L | new, anhydrous, ≥99.8% purity |
| Tweezers | Ted Pella, Inc. | 5371-7TI | for poking small holes in aluminum foil, and for removing Parafilm |
| Vortexer | Cole-Parmer | EW-04750-51 | for vortexing the gold nanoparticles in toluene in 50 mL conical centrifuge tubes to resuspend the gold nanoparticles into the toluene solution |
References
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Citer Cet Article
Marrs, J., Ghomian, T., Domulevicz, L., McCold, C., Hihath, J. Gold Nanoparticle Synthesis. J. Vis. Exp. (173), e62176, doi:10.3791/62176 (2021).