Gold-Nanopartikel-Synthese
Summary
Ein Protokoll zur Synthese von Goldnanopartikeln (Au-Nanopartikeln) mit einem Durchmesser von ~ 12 nm in einem organischen Lösungsmittel wird vorgestellt. Die Goldnanopartikel sind mit Oleylaminliganden verschlossen, um eine Agglomeration zu verhindern. Die Goldnanopartikel sind in organischen Lösungsmitteln wie Toluol löslich.
Abstract
Goldnanopartikel (Au-Nanopartikel) mit einem Durchmesser von ~12 nm wurden synthetisiert, indem schnell eine Lösung von 150 mg (0,15 mmol) Tetrachloraurinsäure in 3,0 g (3,7 mmol, 3,6 ml) Oleylamin (technische Qualität) und 3,0 ml Toluol in eine Siedelösung von 5,1 g (6,4 mmol, 8,7 ml) Oleylamin in 147 ml Toluol injiziert wurde. Während des Kochens und Mischens der Reaktionslösung für 2 Stunden änderte sich die Farbe der Reaktionsmischung von klar zu hellgelb zu hellrosa und dann langsam zu dunkelrot. Die Hitze wurde dann ausgeschaltet und die Lösung wurde für 1 Stunde allmählich auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die Goldnanopartikel wurden dann gesammelt und mit einer Zentrifuge von der Lösung getrennt und dreimal gewaschen; durch Vortexing und Dispergieren der Goldnanopartikel in 10 ml Toluolanteilen und anschließendem Ausfälzen der Goldnanopartikel durch Zugabe von 40 ml Methanolanteilen und Spinnen in einer Zentrifuge. Die Lösung wurde dann dekantiert, um verbleibende Nebenprodukte und nicht umgesetzte Ausgangsstoffe zu entfernen. Das Trocknen der Goldnanopartikel in einer Vakuumumgebung ergab ein festes schwarzes Pellet; die für lange Zeiträume (bis zu einem Jahr) für die spätere Verwendung gelagert und dann in organischen Lösungsmitteln wie Toluol wieder gelöst werden können.
Introduction
Gold-Nanopartikel sind eine interessante und nützliche Klasse von Nanomaterialien, die Gegenstand vieler Forschungsstudien und Anwendungen sind; wie Biologie1, Medizin2, Nanotechnologie3und elektronische Geräte4. Die wissenschaftliche Forschung zu Goldnanopartikeln geht auf das Jahr 1857 zurück, als Michael Faraday grundlegende Studien zur Synthese und den Eigenschaften von Goldnanopartikeln durchführte5. Die beiden primären “Bottom-up”-Techniken zur Synthese von Goldnanopartikeln sind die Citratreduktionsmethode6,7,8 und die organische Zweiphasensynthesemethode9,10. Die “Turkevich” Citratreduktionsmethode erzeugt ziemlich monodisperse Goldnanopartikel unter 20 nm Durchmesser, aber die Polydispersität nimmt bei Goldnanopartikeln über 20 nm Durchmesser zu; während das “Brust-Schiffrin”-Zweiphasenverfahren schwefel/thiol-Liganden-Stabilisierung verwendet, um Gold-Nanopartikel bis zu ~10 nm Durchmesser11herzustellen. Gold-Nanopartikel-Lösungen, die mit diesen Methoden vorsynthetisiert werden, sind kommerziell erhältlich. Für Anwendungen, bei denen große Mengen, hohe Monodispersität und große Durchmesser von Goldnanopartikeln nicht erforderlich sind, kann es ausreichen, diese vorsynthetisierten Goldnanopartikel von Lieferanten zu kaufen und zu verwenden. Goldnanopartikel, die in Lösung gelagert werden, wie viele von denen, die im Handel erhältlich sind, können sich jedoch im Laufe der Zeit abbauen, wenn Nanopartikel beginnen, sich zu agglomerieren und Cluster zu bilden. Alternativ kann es bei Großanwendungen, Langzeitprojekten, bei denen Goldnanopartikel häufig oder über einen langen Zeitraum eingesetzt werden müssen oder in denen strengere Anforderungen an die Monodispersität und Größe der Goldnanopartikel bestehen, wünschenswert sein, die Goldnanopartikelsynthese selbst durchzuführen. Durch die Durchführung des Gold-Nanopartikel-Syntheseprozesses hat man die Möglichkeit, verschiedene Syntheseparameter wie die Menge der produzierten Gold-Nanopartikel, den Durchmesser der Gold-Nanopartikel, die Monodispersität der Gold-Nanopartikel und die als Kappligande verwendeten Moleküle potenziell zu kontrollieren. Darüber hinaus können solche Goldnanopartikel als feste Pellets in einer trockenen Umgebung gelagert werden, was dazu beiträgt, die Goldnanopartikel so zu konservieren, dass sie zu einem späteren Zeitpunkt, bis zu einem Jahr später, mit minimalem Qualitätsabbau verwendet werden können. Es besteht auch das Potenzial für Kosteneinsparungen und die Reduzierung von Abfällen, indem Goldnanopartikel in größeren Mengen hergestellt und dann in einem trockenen Zustand gelagert werden, so dass sie länger halten. Insgesamt bietet die Synthese von Goldnanopartikeln selbst überzeugende Vorteile, die mit kommerziell erhältlichen Goldnanopartikeln möglicherweise nicht realisierbar sind.
Um die vielen Vorteile zu realisieren, die mit der Gold-Nanopartikelsynthese möglich sind, wird hier ein Verfahren zur Synthese von Gold-Nanopartikeln vorgestellt. Der beschriebene Gold-Nanopartikel-Syntheseprozess ist eine modifizierte Version eines Prozesses, der von Hiramatsu und Osterloh12entwickelt wurde. Gold-Nanopartikel werden typischerweise mit einem Durchmesser von ~ 12 nm mit diesem Syntheseverfahren synthetisiert. Die primären chemischen Reagenzien, die zur Durchführung des Gold-Nanopartikel-Syntheseprozesses verwendet werden, sind Tetrachlorauriersäure (HAuCl4),Oleylamin und Toluol. Ein Stickstoff-Handschuhfach wird verwendet, um eine inerte trockene Umgebung für den Gold-Nanopartikel-Syntheseprozess bereitzustellen, da Tetrachloraurinsäure empfindlich auf Wasser / Feuchtigkeit reagiert. Die Goldnanopartikel sind mit Oleylamin-Ligandenmolekülen verkapselt, um zu verhindern, dass die Goldnanopartikel in Lösung agglomerieren. Am Ende des Syntheseprozesses werden die Goldnanopartikel in einer Vakuumumgebung getrocknet, so dass sie bis zu einem Jahr später in trockenem Zustand gelagert und konserviert werden können. Wenn die Goldnanopartikel gebrauchsfertig sind, können sie in organischen Lösungsmitteln wie Toluol wieder in Lösung gebracht werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Durchführung des oben beschriebenen Gold-Nanopartikel-Syntheseprotokolls sollte Gold-Nanopartikel mit ~ 12 nm Durchmesser und ziemlich hoher Monodispersität (± 2 nm) erzeugen. Es gibt jedoch einige kritische Schritte und Prozessparameter, die angepasst werden können, um möglicherweise die Größe / den Durchmesser und die Monodispersität / Polydispersität der Goldnanopartikel zu ändern. Zum Beispiel besteht nach dem Einspritzen der Vorläuferlösung in das Reaktionsgefäß und dem Zulassen der Tetrachloraurie…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Frank Osterloh für die Unterstützung bei Nanopartikelsynthesemethoden. Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung der National Science Foundation (1807555 & 203665) und der Semiconductor Research Corporation (2836) anerkennen.
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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