Guld nanopartikelsyntes
Summary
Ett protokoll för syntetisering av guldnanopartiklar med ~12 nm diameter (Au nanopartiklar) i ett organiskt lösningsmedel presenteras. Guldnanopartiklarna är täckta med oleylaminligands för att förhindra agglomeration. Guldnanopartiklarna är lösliga i organiska lösningsmedel som toluen.
Abstract
Nanopartiklar av guld (Au nanopartiklar) som är ~12 nm i diameter syntetiserades genom att snabbt injicera en lösning på 150 mg (0,15 mmol) tetrakloroaurisk syra i 3,0 g (3,7 mmol, 3,6 ml oleylamin (teknisk kvalitet) och 3,0 ml toluen till en kokande lösning på 5,1 g (6,4 mmol, 8,7 ml) oleylamin i 147 ml toluen. Medan man kokar och blandar reaktionslösningen i 2 timmar ändrades reaktionsblandningens färg från klar, till ljusgul, till ljusrosa och sedan långsamt till mörkröd. Värmen stängdes sedan av och lösningen tilläts gradvis svalna till rumstemperatur i 1 timme. Guldnanopartiklarna samlades sedan in och separerades från lösningen med hjälp av en centrifuger och tvättades tre gånger; genom att virvelvinda och sprida guldnanopartiklarna i 10 ml toluen och sedan fälla ut guldnanopartiklarna genom att tillsätta 40 ml portioner metanol och snurra dem i en centrifug. Lösningen dekanterades sedan för att ta bort eventuella återstående biprodukter och oredovisade utgångsmaterial. Torkning av guldnanopartiklarna i vakuummiljö gav en fast svart pellet; som kan lagras under långa tidsperioder (upp till ett år) för senare användning och sedan återupptrödas i organiska lösningsmedel som toluen.
Introduction
Guldnanopartiklar är en intressant och användbar klass av nanomaterial som är föremål för många forskningsstudier och tillämpningar; såsombiologi 1,medicin 2,nanoteknik3och elektroniska enheter4. Vetenskaplig forskning om guldnanopartiklar går tillbaka till så tidigt som 1857, då Michael Faraday utförde grundläggande studier om syntesen och egenskaperna hos guldnanopartiklar5. De två primära “bottom up”-teknikerna för syntetisering av guldnanopartiklar är citratreduceringsmetoden6,7,8 och den organiska tvåfassyntesmetoden9,10. Metoden “Turkevich” citratreducering ger ganska monodisperse guldnanopartiklar under 20 nm i diameter, men polydispersiteten ökar för guldnanopartiklar över 20 nm i diameter. Tvåfasmetoden “Brust-Schiffrin” använder svavel/tiool ligand-stabilisering för att producera guldnanopartiklar upp till ~10 nm i diameter11. Guldnanopartiklar som är försyntiserade med dessa metoder är kommersiellt tillgängliga. För tillämpningar där stora volymer, hög monodispersitet och stora diametrar av guldnanopartiklar inte är nödvändiga kan det vara tillräckligt att köpa och använda dessa försyntiserade guldnanopartiklar från leverantörer. Guldnanopartiklar som lagras i lösning, till exempel många av dem som är kommersiellt tillgängliga, kan dock brytas ned med tiden när nanopartiklar börjar agglomerera och bilda kluster. Alternativt kan det, för storskaliga tillämpningar, långsiktiga projekt där guldnanopartiklar måste användas ofta eller under en lång tidsperiod, eller där det finns strängare krav på monodispersitet och storlek på guldnanopartiklarna, vara önskvärt att utföra guldnanopartiklarnas syntes. Genom att utföra guldnanopartiklarnas syntesprocess har man möjlighet att potentiellt kontrollera olika syntesparametrar som mängden guldnanopartiklar som produceras, diametern på guldnanopartiklarna, guldnanopartiklarnas monodispersitet och de molekyler som används som kapningsligands. Dessutom kan sådana guldnanopartiklar lagras som fasta pellets i en torr miljö, vilket hjälper till att bevara guldnanopartiklarna så att de kan användas vid ett senare tillfälle, upp till ett år senare, med minimal försämring i kvalitet. Det finns också potential för kostnadsbesparingar och minskning av avfall genom att tillverka guldnanopartiklar i större volymer och sedan lagra dem i torrt tillstånd så att de håller längre. Sammantaget ger syntetisering av guldnanopartiklar sig själv övertygande fördelar som kanske inte är genomförbara med kommersiellt tillgängliga guldnanopartiklar.
För att inse de många fördelar som är möjliga med guldnanopartiklar syntes, presenteras en process häri för att syntetisera guldnanopartiklar. Den guldnanopartiklar syntes process som beskrivs är en modifierad version av en process som utvecklades av Hiramatsu och Osterloh12. Guldnanopartiklar syntetiseras vanligtvis med en diameter på ~ 12 nm med hjälp av denna syntesprocess. De primära kemiska reagenserna som används för att utföra den guldnanopartiklar syntesen är tetrakloroaurisk syra (HAuCl4),oleylamin och toluen. En kvävehandskelåda används för att ge en inert torr miljö för guldnanopartiklarnas syntesprocess, eftersom tetrakloroaurisk syra är känslig för vatten / fuktighet. Guldnanopartiklarna är inkapslade med oleylamin ligandmolekyler för att förhindra att guldnanopartiklarna agglomererar i lösning. I slutet av syntesprocessen torkas guldnanopartiklarna ut i en vakuummiljö så att de kan lagras och bevaras i torrt tillstånd för senare användning, upp till ett år senare. När guldnanopartiklarna är redo att användas kan de återanvändas till lösning i organiska lösningsmedel som toluen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utför guld nanopartikelsyntesprotokollet som presenteras ovan bör producera guld nanopartiklar med ~ 12 nm diameter och ganska hög monodispersitet (± 2 nm). Det finns dock några kritiska steg och processparametrar som kan justeras för att potentiellt ändra storleken / diametern och monodispersiteten / polydispersiteten hos guldnanopartiklarna. Till exempel, efter att ha injicerat prekursorlösningen i reaktionskärlet och tillåtit tetrakloroaurisk syra, oleylamin och toluenlösning att koka i två timmar, finns d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka Frank Osterloh för hjälp med nanopartikelsyntesmetoder. Författarna vill uppmärksamma ekonomiskt stöd från National Science Foundation (1807555 & 203665) och 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
- 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).
