Synthèse des nanoparticules d’or
Summary
Un protocole de synthèse de nanoparticules d’or d’environ 12 nm de diamètre (nanoparticules Au) dans un solvant organique est présenté. Les nanoparticules d’or sont coiffées de ligands d’oléylamine pour éviter l’agglomération. Les nanoparticules d’or sont solubles dans des solvants organiques tels que le toluène.
Abstract
Les nanoparticules d’or (nanoparticules Au) d’environ 12 nm de diamètre ont été synthétisées en injectant rapidement une solution de 150 mg (0,15 mmole) d’acide tétrachloroaurique dans 3,0 g (3,7 mmole, 3,6 mL) d’oléylamine (qualité technique) et 3,0 mL de toluène dans une solution bouillante de 5,1 g (6,4 mmoles, 8,7 mL) d’oléylamine dans 147 mL de toluène. Lors de l’ébullition et du mélange de la solution de réaction pendant 2 heures, la couleur du mélange réactionnel est passée de claire à jaune clair, à rose clair, puis lentement au rouge foncé. La chaleur a ensuite été éteinte et la solution a été laissée refroidir progressivement à la température ambiante pendant 1 heure. Les nanoparticules d’or ont ensuite été collectées et séparées de la solution à l’aide d’une centrifugeuse et lavées trois fois; en vortexant et en dispersant les nanoparticules d’or dans des portions de 10 mL de toluène, puis en précipitant les nanoparticules d’or en ajoutant 40 mL de méthanol et en les faisant tourner dans une centrifugeuse. La solution a ensuite été décantée pour éliminer les sous-produits restants et les matières premières qui n’ont pas réagi. Le séchage des nanoparticules d’or dans un environnement sous vide a produit une pastille noire solide; qui pourraient être stockés pendant de longues périodes (jusqu’à un an) pour une utilisation ultérieure, puis redissolus dans des solvants organiques tels que le toluène.
Introduction
Les nanoparticules d’or sont une classe intéressante et utile de nanomatériaux qui font l’objet de nombreuses études et applications de recherche; tels que la biologie1,la médecine2,la nanotechnologie3,et les dispositifs électroniques4. La recherche scientifique sur les nanoparticules d’or remonte à 1857, lorsque Michael Faraday a effectué des études fondamentales sur la synthèse et les propriétés des nanoparticules d’or5. Les deux principales techniques « ascendantes » de synthèse des nanoparticules d’or sont la méthode de réduction du citrate6,7,8 et la méthode de synthèse organique en deux phases9,10. La méthode de réduction du citrate « Turkevich » produit des nanoparticules d’or assez monodisperses de moins de 20 nm de diamètre, mais la polydispersité augmente pour les nanoparticules d’or de plus de 20 nm de diamètre; alors que la méthode biphasée « Brust-Schiffrin » utilise la stabilisation du ligand soufre/thiol pour produire des nanoparticules d’or jusqu’à ~10 nm de diamètre11. Des solutions de nanoparticules d’or pré-synthétisées à l’aide de ces méthodes sont disponibles dans le commerce. Pour les applications où de grands volumes, une monodispersité élevée et de grands diamètres de nanoparticules d’or ne sont pas nécessaires, il peut être suffisant d’acheter et d’utiliser ces nanoparticules d’or pré-synthétisées auprès de fournisseurs. Cependant, les nanoparticules d’or qui sont stockées en solution, comme beaucoup de celles qui sont disponibles dans le commerce, peuvent se dégrader au fil du temps à mesure que les nanoparticules commencent à s’agglomérer et à former des grappes. Alternativement, pour les applications à grande échelle, les projets à long terme dans lesquels les nanoparticules d’or doivent être utilisées fréquemment ou sur une longue période de temps, ou dans lesquels il existe des exigences plus strictes pour la monodispersité et la taille des nanoparticules d’or, il peut être souhaitable d’effectuer la synthèse des nanoparticules d’or soi-même. En effectuant le processus de synthèse des nanoparticules d’or, on a la possibilité de contrôler potentiellement divers paramètres de synthèse tels que la quantité de nanoparticules d’or produites, le diamètre des nanoparticules d’or, la monodispersité des nanoparticules d’or et les molécules utilisées comme ligands de capsulage. En outre, ces nanoparticules d’or peuvent être stockées sous forme de pastilles solides dans un environnement sec, ce qui contribue à préserver les nanoparticules d’or afin qu’elles puissent être utilisées ultérieurement, jusqu’à un an plus tard, avec une dégradation minimale de la qualité. Il existe également un potentiel d’économies de coûts et de réduction des déchets en fabriquant des nanoparticules d’or dans des volumes plus importants, puis en les stockant à l’état sec afin qu’elles durent plus longtemps. Dans l’ensemble, la synthèse des nanoparticules d’or elle-même offre des avantages convaincants qui peuvent ne pas être réalisables avec les nanoparticules d’or disponibles dans le commerce.
Afin de réaliser les nombreux avantages qui sont possibles avec la synthèse de nanoparticules d’or, un processus est présenté ici pour synthétiser des nanoparticules d’or. Le processus de synthèse de nanoparticules d’or qui est décrit est une version modifiée d’un processus qui a été développé par Hiramatsu et Osterloh12. Les nanoparticules d’or sont généralement synthétisées avec un diamètre d’environ 12 nm en utilisant ce processus de synthèse. Les principaux réactifs chimiques utilisés pour effectuer le processus de synthèse des nanoparticules d’or sont l’acide tétrachloroaurique (HAuCl4),l’oléylamine et le toluène. Une boîte à gants d’azote est utilisée pour fournir un environnement sec inerte pour le processus de synthèse des nanoparticules d’or, car l’acide tétrachloroaurique est sensible à l’eau / humidité. Les nanoparticules d’or sont encapsulées avec des molécules de ligand oléylamine pour empêcher les nanoparticules d’or de s’agglomérer en solution. À la fin du processus de synthèse, les nanoparticules d’or sont séchées dans un environnement sous vide afin qu’elles puissent être stockées et conservées à l’état sec pour une utilisation ultérieure, jusqu’à un an plus tard. Lorsque les nanoparticules d’or sont prêtes à être utilisées, elles peuvent être remises en solution dans des solvants organiques tels que le toluène.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’exécution du protocole de synthèse des nanoparticules d’or tel que présenté ci-dessus devrait produire des nanoparticules d’or avec un diamètre d’environ 12 nm et une monodispersité assez élevée (± 2 nm). Cependant, certaines étapes critiques et certains paramètres de processus peuvent être ajustés pour modifier potentiellement la taille / diamètre et la monodispersité / polydispersité des nanoparticules d’or. Par exemple, après avoir injecté la solution précurseur dans le récipient réact…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier Frank Osterloh pour son aide dans les méthodes de synthèse de nanoparticules. Les auteurs tiennent à remercier la National Science Foundation (1807555 &203665) et la 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 |
References
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