Summary
Um protocolo para sintetizar nanopartículas de ouro de ~12 nm de diâmetro (nanopartículas Au) em um solvente orgânico é apresentado. As nanopartículas de ouro são tampadas com ligantes de oleylamina para evitar aglomeração. As nanopartículas de ouro são solúveis em solventes orgânicos, como o tolueno.
Abstract
As nanopartículas de ouro (nanopartículas de Au) de ~12 nm de diâmetro foram sintetizadas injetando rapidamente uma solução de 150 mgs (0,15 mmol) de ácido tetracloroautérico em 3,0 g (3,7 mmol, 3,6 mL) de oleylamina (grau técnico) e 3,0 mL de tolueno em uma solução de ebulição de 5,1 g (6,4 mmol, 8,7 mL) de oleylamina em 147 mL de tolueno. Enquanto ferve e mistura a solução de reação por 2 horas, a cor da mistura de reação mudou de claro, para amarelo claro, para rosa claro, e depois lentamente para vermelho escuro. O calor foi então desligado, e a solução foi permitida a esfriar gradualmente até a temperatura ambiente por 1 hora. As nanopartículas de ouro foram então coletadas e separadas da solução usando uma centrífuga e lavadas três vezes; vórtices e dispersão das nanopartículas de ouro em porções de 10 mL de tolueno, e, em seguida, precipitando as nanopartículas de ouro adicionando porções de 40 mL de metanol e girando-as em uma centrífuga. A solução foi então decantada para remover quaisquer subprodutos remanescentes e materiais de partida não redigidos. A secagem das nanopartículas de ouro em um ambiente de vácuo produziu uma pelota preta sólida; que poderia ser armazenado por longos períodos de tempo (até um ano) para uso posterior, e depois redissucionado em solventes orgânicos, como tolueno.
Introduction
As nanopartículas de ouro são uma classe interessante e útil de nanomateriais que são objeto de muitos estudos e aplicações de pesquisa; como biologia1, medicina2,nanotecnologia3, e dispositivos eletrônicos4. A pesquisa científica sobre nanopartículas de ouro remonta a 1857, quando Michael Faraday realizou estudos fundamentais sobre a síntese e propriedades das nanopartículas de ouro5. As duas técnicas primárias de “de baixo para cima” para sintetizar nanopartículas de ouro são o método de redução de citrato6,7,8 e o método orgânico de síntese bi fase9,10. O método de redução de citrato “Turkevich” produz nanopartículas de ouro bastante monodisperse com menos de 20 nm de diâmetro, mas a polidispersidade aumenta para nanopartículas de ouro acima de 20 nm de diâmetro; que o método de duas fases “Brust-Schiffrin” usa a estabilização de ligante de enxofre/tial para produzir nanopartículas de ouro de até ~10 nm de diâmetro11. As soluções de nanopartículas de ouro pré-sintetizadas usando esses métodos estão disponíveis comercialmente. Para aplicações onde grandes volumes, alta monodispersidade e grandes diâmetros de nanopartículas de ouro não são necessários, pode ser suficiente para comprar e usar essas nanopartículas de ouro pré-sintetizadas de fornecedores. No entanto, as nanopartículas de ouro armazenadas em solução, como muitas das que estão comercialmente disponíveis, podem se degradar ao longo do tempo à medida que as nanopartículas começam a aglomerar e formar clusters. Alternativamente, para aplicações em larga escala, projetos de longo prazo em que as nanopartículas de ouro precisam ser usadas com frequência ou durante um longo período de tempo, ou em que há requisitos mais rigorosos para a monodispersidade e tamanho das nanopartículas de ouro, pode ser desejável realizar a síntese de nanopartículas de ouro. Ao realizar o processo de síntese de nanopartículas de ouro, tem-se a oportunidade de controlar potencialmente vários parâmetros de síntese, como a quantidade de nanopartículas de ouro que são produzidas, o diâmetro das nanopartículas de ouro, a monodispersidade das nanopartículas de ouro, e as moléculas usadas como ligantes de capping. Além disso, tais nanopartículas de ouro podem ser armazenadas como pelotas sólidas em um ambiente seco, ajudando a preservar as nanopartículas de ouro para que possam ser usadas posteriormente, até um ano depois, com mínima degradação na qualidade. Há também o potencial de redução de custos e a redução de resíduos fabricando nanopartículas de ouro em volumes maiores e, em seguida, armazenando-as em um estado seco para que durem mais tempo. No geral, sintetizar nanopartículas de ouro em si mesmo fornece vantagens convincentes que podem não ser viáveis com nanopartículas de ouro disponíveis comercialmente.
Para perceber as muitas vantagens possíveis com a síntese de nanopartículas de ouro, um processo é apresentado aqui para sintetizar nanopartículas de ouro. O processo de síntese de nanopartículas de ouro descrito é uma versão modificada de um processo que foi desenvolvido por Hiramatsu e Osterloh12. As nanopartículas de ouro são tipicamente sintetizadas com um diâmetro de ~12 nm usando este processo de síntese. Os reagentes químicos primários que são usados para realizar o processo de síntese de nanopartículas de ouro são o ácido tetracloroaurico (HAuCl4), a oleylamina e o tolueno. Uma caixa de luvas de nitrogênio é usada para fornecer um ambiente seco inerte para o processo de síntese de nanopartículas de ouro, porque o ácido tetracloroaurico é sensível à água/umidade. As nanopartículas de ouro são encapsuladas com moléculas de ligante de oleylamina para evitar que as nanopartículas de ouro se agglomerem em solução. Ao final do processo de síntese, as nanopartículas de ouro são secas em um ambiente de vácuo para que possam ser armazenadas e preservadas em estado seco para uso posterior, até um ano depois. Quando as nanopartículas de ouro estão prontas para serem usadas, elas podem ser resuspendidas em solução em solventes orgânicos, como o tolueno.
Protocol
Representative Results
Discussion
A realização do protocolo de síntese de nanopartículas de ouro apresentado acima deve produzir nanopartículas de ouro com ~12 nm de diâmetro e monodispersidade bastante alta (± 2 nm). No entanto, existem algumas etapas críticas e parâmetros de processo que podem ser ajustados para potencialmente alterar o tamanho/diâmetro e a monodispersidade/polidispersidade das nanopartículas de ouro. Por exemplo, depois de injetar a solução precursora no vaso de reação e permitir que a solução de tetracloroautérico, …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de agradecer a Frank Osterloh pela ajuda com métodos de síntese de nanopartículas. Os autores gostariam de reconhecer o apoio financeiro da Fundação Nacional de Ciência (1807555 & 203665) e da Corporação de Pesquisa de Semicondutores (2836).
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
- Sperling, R. A., Gil, P. R., Zhang, F., Zanella, M., Parak, W. J. Biological applications of gold nanoparticles. Chemical Society Reviews. 37 (9), 1896-1908 (2008).
- Dreaden, E. C., Alkilany, A. M., Huang, X., Murphy, C. J., El-Sayed, M. A. The golden age: Gold nanoparticles for biomedicine. Chemical Society Reviews. 41 (7), 2740-2779 (2012).
- Daniel, M. -. C., Astruc, D. Gold Nanoparticles: Assembly, Supramolecular Chemistry, Quantum-Size-Related Properties, and Applications toward Biology, Catalysis, and Nanotechnology. Chemical Reviews. 104 (1), 293-346 (2004).
- McCold, C. E., et al. Ligand exchange based molecular doping in 2D hybrid molecule-nanoparticle arrays: length determines exchange efficiency and conductance. Molecular Systems Design & Engineering. 2 (4), 440-448 (2017).
- Faraday, M. Experimental Relations of Gold (and other Metals) to Light. Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 147, 145-181 (1857).
- Turkevich, J., Stevenson, P. C., Hillier, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Discussions of the Faraday Society. 11, 55-75 (1951).
- Frens, G. Controlled Nucleation for the Regulation of the Particle Size in Monodisperse Gold Suspensions. Nature Physical Science. 241 (105), 20-22 (1973).
- Kimling, J., Maier, M., Okenve, B., Kotaidis, V., Ballot, H., Plech, A. Turkevich method for gold nanoparticle synthesis revisited. Journal of Physical Chemistry B. 110 (32), 15700-15707 (2006).
- Wilcoxon, J. P., Williamson, R. L., Baughman, R. Optical properties of gold colloids formed in inverse micelles. The Journal of Chemical Physics. 98 (12), 9933-9950 (1993).
- Brust, M., Walker, M., Bethell, D., Schiffrin, D. J., Whyman, R. Synthesis of thiol-derivatised gold nanoparticles in a two-phase liquid-liquid system. Journal of the Chemical Society, Chemical Communications. (7), 801-802 (1994).
- Zhao, P., Li, N., Astruc, D. State of the art in gold nanoparticle synthesis. Coordination Chemistry Reviews. 257 (3-4), 638-665 (2013).
- Hiramatsu, H., Osterloh, F. E. A Simple Large-Scale Synthesis of Nearly Monodisperse Gold and Silver Nanoparticles with Adjustable Sizes and with Exchangeable Surfactants. Chemistry of Materials. 16 (13), 2509-2511 (2004).
- Voorhees, P. W. The Theory of Ostwald Ripening. Journal of Statistical Physics. 38 (1-2), 231-252 (1985).
- Lifshitz, I. M., Slyozov, V. V. The kinetics of precipitation from supersaturated solid solutions. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 19 (1-2), 35-50 (1961).
- Haiss, W., Thanh, N. T. K., Aveyard, J., Fernig, D. G. Determination of Size and Concentration of Gold Nanoparticles from UV-Vis Spectra. Analytical Chemistry. 79 (11), 4215-4221 (2007).
- McCold, C. E., Fu, Q., Howe, J. Y., Hihath, J. Conductance based characterization of structure and hopping site density in 2D molecule-nanoparticle arrays. Nanoscale. 7 (36), 14937-14945 (2015).
- Hihath, S., McCold, C., March, K., Hihath, J. L. Characterization of Ligand Exchange in 2D Hybrid Molecule-nanoparticle Superlattices. Microscopy and Microanalysis. 24 (1), 1722-1723 (2018).
- McCold, C. E., et al. Molecular Control of Charge Carrier and Seebeck Coefficient in Hybrid Two-Dimensional Nanoparticle Superlattices. The Journal of Physical Chemistry C. 124 (1), 17-24 (2020).
