Gouden nanodeeltjessynthese
Summary
Een protocol voor het synthetiseren van ~12 nm diameter gouden nanodeeltjes (Au nanodeeltjes) in een organisch oplosmiddel wordt gepresenteerd. De gouden nanodeeltjes zijn afgedekt met oleylamine liganden om agglomeratie te voorkomen. De gouden nanodeeltjes zijn oplosbaar in organische oplosmiddelen zoals tolueen.
Abstract
Gouden nanodeeltjes (Au nanodeeltjes) met een diameter van ~12 nm werden gesynthetiseerd door snel een oplossing van 150 mg (0,15 mmol) tetrachloorbizijnzuur in 3,0 g (3,7 mmol, 3,6 ml) oleylamine (technische kwaliteit) en 3,0 ml tolueen te injecteren in een kokende oplossing van 5,1 g (3,7 mmol) oleylamine (technische kwaliteit) en 3,0 ml tolueen in een kokende oplossing van 5,1 g (3,7 mmol, 3,6 ml) oleylamine (technische kwaliteit) en 3,0 ml tolueen in een kokende oplossing van 5,1 g (3,7 mmol, 3,6 ml) oleylamine (technische kwaliteit) en 3,0 ml tolueen in een kokende oplossing van 5,1 g (3,7 mmol, 3,6 ml) oleylamine (technische kwaliteit) en 3,0 ml tolueen in een kokende oplossing van 5,1 g (3,7 mmol) oleylamine (technische kwaliteit) en 3,0 ml tolueen in een kokende oplossing van 5,1 g (3,7 mmol, 3,6 ml) oleylamine (technische kwaliteit) en 3,0 ml tolueen in een kokende oplossing van 5,1 g (3,1 ml) oleylamine (technische kwaliteit) en 3,0 ml tolueen in een kokende oplossing van 5,1 g (3,7 mmol, 3,6 ml) oleylamine (technische kwaliteit) en 3,0 Tijdens het koken en mengen van de reactieoplossing gedurende 2 uur veranderde de kleur van het reactiemengsel van helder, naar lichtgeel, naar lichtroze en vervolgens langzaam naar donkerrood. De warmte werd vervolgens uitgeschakeld en de oplossing mocht geleidelijk afkoelen tot kamertemperatuur gedurende 1 uur. De gouden nanodeeltjes werden vervolgens verzameld en gescheiden van de oplossing met behulp van een centrifuge en driemaal gewassen; door de gouden nanodeeltjes in 10 ml tolueen te vortexen en te dispergeren, en vervolgens de gouden nanodeeltjes neer te slaan door porties methanol van 40 ml toe te voegen en ze in een centrifuge te draaien. De oplossing werd vervolgens gedecanteerd om eventuele resterende bijproducten en niet-gereageerde uitgangsmaterialen te verwijderen. Het drogen van de gouden nanodeeltjes in een vacuümomgeving produceerde een stevige zwarte pellet; die voor langdurig (tot een jaar) kunnen worden bewaard voor later gebruik en vervolgens opnieuw kunnen worden opgelost in organische oplosmiddelen zoals tolueen.
Introduction
Gouden nanodeeltjes zijn een interessante en nuttige klasse van nanomaterialen die het onderwerp zijn van vele onderzoeken en toepassingen; zoals biologie1, geneeskunde2, nanotechnologie3, en elektronische apparaten4. Wetenschappelijk onderzoek naar gouden nanodeeltjes dateert al uit 1857, toen Michael Faraday fundamenteel onderzoek deed naar de synthese en eigenschappen van gouden nanodeeltjes5. De twee primaire “bottom up”-technieken voor het synthetiseren van gouden nanodeeltjes zijn de citraatreductiemethode6,7,8 en de organische tweefasige synthesemethode9,10. De “Turkevich” citraatreductiemethode produceert vrij monodisperse gouden nanodeeltjes met een diameter van minder dan 20 nm, maar de polydispersiteit neemt toe voor gouden nanodeeltjes met een diameter van meer dan 20 nm; overwegende dat de tweefasige methode “Brust-Schiffrin” zwavel/thiol ligandstabilisatie gebruikt om gouden nanodeeltjes tot ~10 nm in diameter11te produceren . Gouden nanodeeltjesoplossingen die vooraf zijn gesynthetiseerd met behulp van deze methoden zijn commercieel beschikbaar. Voor toepassingen waar grote volumes, hoge monodispersiteit en grote diameters van gouden nanodeeltjes niet nodig zijn, kan het voldoende zijn om deze vooraf gesynthetiseerde gouden nanodeeltjes van leveranciers te kopen en te gebruiken. Gouden nanodeeltjes die in de oplossing worden opgeslagen, zoals veel van de nanodeeltjes die in de handel verkrijgbaar zijn, kunnen echter in de loop van de tijd afbreken naarmate nanodeeltjes beginnen te agglomereren en clusters vormen. Als alternatief kunnen voor grootschalige toepassingen, langetermijnprojecten waarbij gouden nanodeeltjes vaak of over een lange periode moeten worden gebruikt, of waarin strengere eisen worden gesteld aan de monodispersiteit en grootte van de gouden nanodeeltjes, wenselijk zijn om de gouden nanodeeltjessynthese zelf uit te voeren. Door het gouden nanodeeltjessyntheseproces uit te voeren, heeft men de mogelijkheid om mogelijk verschillende syntheseparameters te controleren, zoals de hoeveelheid geproduceerde gouden nanodeeltjes, de diameter van de gouden nanodeeltjes, de monodispersiteit van de gouden nanodeeltjes en de moleculen die worden gebruikt als de aftoppingsliganden. Bovendien kunnen dergelijke gouden nanodeeltjes worden opgeslagen als vaste pellets in een droge omgeving, waardoor de gouden nanodeeltjes worden bewaard, zodat ze op een later tijdstip, tot een jaar later, met minimale kwaliteitsvermindering kunnen worden gebruikt. Er is ook het potentieel voor kostenbesparingen en de vermindering van afval door gouden nanodeeltjes in grotere hoeveelheden te fabriceren en ze vervolgens in een droge staat op te slaan, zodat ze langer meegaan. Over het algemeen biedt het zelf synthetiseren van gouden nanodeeltjes overtuigende voordelen die mogelijk niet haalbaar zijn met in de handel verkrijgbare gouden nanodeeltjes.
Om de vele voordelen te realiseren die mogelijk zijn met gouden nanodeeltjessynthese, wordt hierin een proces gepresenteerd voor het synthetiseren van gouden nanodeeltjes. Het gouden nanodeeltjessyntheseproces dat wordt beschreven, is een aangepaste versie van een proces dat is ontwikkeld door Hiramatsu en Osterloh12. Gouden nanodeeltjes worden meestal gesynthetiseerd met een diameter van ~ 12 nm met behulp van dit syntheseproces. De primaire chemische reagentia die worden gebruikt om het gouden nanodeeltjessyntheseproces uit te voeren, zijn tetrachloorethrinezuur (HAuCl4),oleylamine en tolueen. Een stikstofhandschoenkastje wordt gebruikt om een inerte droge omgeving te bieden voor het gouden nanodeeltjessyntheseproces, omdat tetrachlooretrinezuur gevoelig is voor water/ vochtigheid. De gouden nanodeeltjes zijn ingekapseld met oleylamine ligand moleculen om te voorkomen dat de gouden nanodeeltjes agglomereren in oplossing. Aan het einde van het syntheseproces worden de gouden nanodeeltjes uitgedroogd in een vacuümomgeving, zodat ze in droge toestand kunnen worden opgeslagen en bewaard voor later gebruik, tot een jaar later. Wanneer de gouden nanodeeltjes klaar zijn voor gebruik, kunnen ze worden geresuspendeerd tot oplossing in organische oplosmiddelen zoals tolueen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het uitvoeren van het gouden nanodeeltjessyntheseprotocol zoals hierboven gepresenteerd, zou gouden nanodeeltjes moeten produceren met een diameter van ~ 12 nm en een vrij hoge monodispersiteit (± 2 nm). Er zijn echter enkele kritieke stappen en procesparameters die kunnen worden aangepast om mogelijk de grootte / diameter en monodispersiteit / polydispersiteit van de gouden nanodeeltjes te wijzigen. Bijvoorbeeld, na het injecteren van de precursoroplossing in het reactievat en het toestaan van de tetrachloroaurinezuur,…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen Frank Osterloh bedanken voor de hulp bij nanodeeltjessynthesemethoden. De auteurs willen graag financiële steun van de National Science Foundation (1807555 &203665) en de Semiconductor Research Corporation (2836) erkennen.
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 |
Riferimenti
- 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).
