Sintesi della nanoparticella d'oro
Summary
Viene presentato un protocollo per sintetizzare nanoparticelle d’oro di ~12 nm di diametro (nanoparticelle Au) in un solvente organico. Le nanoparticelle d’oro sono sormontate da ligandi di orelammina per prevenire l’agglomerazione. Le nanoparticelle d’oro sono solubili in solventi organici come il toluene.
Abstract
Le nanoparticelle d’oro (nanoparticelle au) di circa 12 nm di diametro sono state sintetizzati iniettando rapidamente una soluzione di 150 mg (0,15 mmol) di acido tetracloroaurico in 3,0 g (3,7 mmol, 3,6 mL) di oleylamina (grado tecnico) e 3,0 mL di toluene in una soluzione bollente di 5,1 g (6,4 mmol, 8,7 mL) di orelammina in 147 mL di toluene. Durante l’ebollizione e la miscelazione della soluzione di reazione per 2 ore, il colore della miscela di reazione è cambiato da chiaro, a giallo chiaro, a rosa chiaro e quindi lentamente a rosso scuro. Il calore è stato quindi spento e la soluzione è stata autorizzata a raffreddarsi gradualmente a temperatura ambiente per 1 ora. Le nanoparticelle d’oro furono quindi raccolte e separate dalla soluzione usando una centrifuga e lavate tre volte; facendo vortici e disperdendo le nanoparticelle d’oro in porzioni di toluene da 10 mL, e poi precipitando le nanoparticelle d’oro aggiungendo porzioni di metanolo da 40 mL e facendole girare in una centrifuga. La soluzione è stata quindi decantata per rimuovere eventuali sottoprodotti rimanenti e materie prime non transazionate. Essiccare le nanoparticelle d’oro in un ambiente sottovuoto ha prodotto un pellet nero solido; che potrebbero essere conservati per lunghi periodi di tempo (fino a un anno) per un uso successivo, e quindi riassociati in solventi organici come il toluene.
Introduction
Le nanoparticelle d’oro sono una classe interessante e utile di nanomateriali che sono oggetto di molti studi e applicazioni di ricerca; come biologia1,medicina2,nanotecnologia3e dispositivi elettronici4. La ricerca scientifica sulle nanoparticelle d’oro risale al 1857, quando Michael Faraday eseguì studi fondamentali sulla sintesi e le proprietà delle nanoparticelled’oro 5. Le due tecniche primarie “bottom up” per sintetizzare nanoparticelle d’oro sono il metodo di riduzione del citrato6,7,8 e il metodo di sintesi organica in duefasi 9,10. Il metodo di riduzione del citrato “Turkevich” produce nanoparticelle d’oro abbastanza monodisperse di diametro inferiore a 20 nm, ma la polidispersità aumenta per le nanoparticelle d’oro superiori a 20 nm di diametro; che il metodo bifase “Brust-Schiffrin” utilizza la stabilizzazione del ligando zolfo/tiolo per produrre nanoparticelle d’oro fino a ~10 nm di diametro11. Le soluzioni di nanoparticelle d’oro che sono pre-sintetizzati usando questi metodi sono disponibili in commercio. Per applicazioni in cui grandi volumi, alta monodispersità e grandi diametri di nanoparticelle d’oro non sono necessari, può essere sufficiente acquistare e utilizzare queste nanoparticelle d’oro pre-sintetizzata dai fornitori. Tuttavia, le nanoparticelle d’oro che sono immagazzinate in soluzione, come molte di quelle disponibili in commercio, possono degradarsi nel tempo quando le nanoparticelle iniziano ad agglomerarsi e formare ammassi. In alternativa, per applicazioni su larga scala, progetti a lungo termine in cui le nanoparticelle d’oro devono essere utilizzate frequentemente o per un lungo periodo di tempo, o in cui ci sono requisiti più severi per la monodispersità e le dimensioni delle nanoparticelle d’oro, può essere auspicabile eseguire la sintesi della nanoparticella d’oro da soli. Eseguendo il processo di sintesi della nanoparticella d’oro, si ha l’opportunità di controllare potenzialmente vari parametri di sintesi come la quantità di nanoparticelle d’oro prodotte, il diametro delle nanoparticelle d’oro, la monodispersità delle nanoparticelle d’oro e le molecole usate come ligandi di tappatura. Inoltre, tali nanoparticelle d’oro possono essere conservate come pellet solidi in un ambiente asciutto, contribuendo a preservare le nanoparticelle d’oro in modo che possano essere utilizzate in un secondo momento, fino a un anno dopo, con una minima degradazione della qualità. C’è anche il potenziale di risparmio sui costi e la riduzione degli sprechi fabbricando nanoparticelle d’oro in volumi maggiori e poi immagazzinandole in uno stato secco in modo che durano più a lungo. Nel complesso, sintetizzare le nanoparticelle d’oro a se stessi fornisce vantaggi convincenti che potrebbero non essere fattibili con nanoparticelle d’oro disponibili in commercio.
Per realizzare i numerosi vantaggi che sono possibili con la sintesi della nanoparticella d’oro, viene presentato un processo per sintetizzare nanoparticelle d’oro. Il processo di sintesi della nanoparticella d’oro descritto è una versione modificata di un processo sviluppato da Hiramatsu e Osterloh12. Le nanoparticelle d’oro sono tipicamente sintetizzati con un diametro di ~12 nm usando questo processo di sintesi. I reagenti chimici primari utilizzati per eseguire il processo di sintesi della nanoparticella d’oro sono l’acido tetracloroaurico (HAuCl4),l’oleylamina e il toluene. Un glovebox azotato viene utilizzato per fornire un ambiente secco inerte per il processo di sintesi della nanoparticella d’oro, perché l’acido tetracloroaurico è sensibile all’acqua / umidità. Le nanoparticelle d’oro sono incapsulate con molecole di ligando di oleylamina per impedire alle nanoparticelle d’oro di agglomerarsi in soluzione. Alla fine del processo di sintesi, le nanoparticelle d’oro vengono essiccate in un ambiente sottovuoto in modo che possano essere conservate e conservate in uno stato secco per un uso successivo, fino a un anno dopo. Quando le nanoparticelle d’oro sono pronte per essere utilizzate, possono essere rimortinite in soluzione in solventi organici come il toluene.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’esecuzione del protocollo di sintesi della nanoparticelle d’oro come presentato sopra dovrebbe produrre nanoparticelle d’oro con un diametro di ~ 12 nm e una monodispersità abbastanza elevata (± 2 nm). Tuttavia, ci sono alcuni passaggi critici e parametri di processo che possono essere regolati per cambiare potenzialmente le dimensioni / diametro e la monodispersità / polidispersità delle nanoparticelle d’oro. Ad esempio, dopo aver iniettato la soluzione precursore nel recipiente di reazione e aver permesso all’aci…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Frank Osterloh per l’assistenza con i metodi di sintesi delle nanoparticelle. Gli autori vorrebbero riconoscere il sostegno finanziario della National Science Foundation (1807555 & 203665) e della Semiconductor Research Corporation (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 |
Referências
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