Sintesi acquosa di nanoparticelle plasmoniche in lega oro-stagno
Summary
Qui, la sintesi dei semi d’oro (Au) è descritta utilizzando il metodo Turkevich. Questi semi vengono poi utilizzati per sintetizzare nanoparticelle di lega oro-stagno (Au-Sn) con proprietà plasmoniche sintonizzabili.
Abstract
Questo protocollo descrive la sintesi di semi di nanoparticelle di Au e la successiva formazione di nanoparticelle bimetalliche Au-Sn. Queste nanoparticelle hanno potenziali applicazioni nella catalisi, nell’optoelettronica, nell’imaging e nella somministrazione di farmaci. In precedenza, i metodi per la produzione di nanoparticelle di lega richiedevano molto tempo, richiedevano condizioni di reazione complesse e potevano avere risultati incoerenti. Il protocollo delineato descrive innanzitutto la sintesi di semi di nanoparticelle di Au a circa 13 nm utilizzando il metodo Turkevich. Il protocollo descrive poi la riduzione di Sn e la sua incorporazione nei semi di Au per generare nanoparticelle di lega Au-Sn. Viene descritta la caratterizzazione ottica e strutturale di queste nanoparticelle. Otticamente, le risonanze plasmoniche di superficie localizzate (LSPR) sono evidenti utilizzando la spettroscopia UV-visibile. Strutturalmente, la diffrazione di raggi X da polveri (XRD) riflette tutte le particelle con una temperatura inferiore a 20 nm e mostra modelli per Au, Sn e più fasi intermetalliche Au-Sn. La morfologia sferica e la distribuzione dimensionale sono ottenute dall’imaging al microscopio elettronico a trasmissione (TEM). La TEM rivela che dopo l’incorporazione di Sn, le nanoparticelle crescono fino a circa 15 nm di diametro.
Introduction
Le nanoparticelle metalliche plasmoniche 1,2 hanno applicazioni nella catalisi, nell’optoelettronica, nel rilevamento e nella sostenibilità grazie alla loro capacità di assorbire la luce con grande efficienza, concentrare la luce in volumi sub-nanometrici e migliorare le reazioni catalitiche 3,4,5. Solo pochi metalli mostrano efficienti risonanze plasmoniche di superficie localizzate (LSPR). Tra questi, uno dei metalli ampiamente esplorati è l’Au3.
L’Au è un metallo nobile ampiamente studiato, noto per la sua formazione stabile di leghe con altri metalli. Tuttavia, l’Au LSPR è limitato al visibile e all’infrarosso e non può essere sintonizzato su energie più elevate 6,7,8. Nel frattempo, i metalli post-transizione hanno una varietà di interessanti proprietà reattive e catalitiche distinte dai metalli nobili 6,9,10. Legando l’Au con metalli post-transizione, l’LSPR può essere sintonizzato verso energie più elevate verso l’UV1. Questo protocollo si concentra sulla lega Au-Sn. Sn è noto per legarsi facilmente con molti metalli, può avere LSPR UV e ha interessanti applicazioni catalitiche, come la formazione di acido formico attraverso la riduzione dell’anidride carbonica 6,7,8. Le leghe di Au e Sn sono state sintetizzate utilizzando un processo di semina attraverso la riduzione chimica e la diffusione di Sn nei semi.
L’obiettivo principale di questo metodo è sintetizzare leghe acquose di nanoparticelle metalliche in modo rapido (cioè in poche ore) e riproducibile al banco utilizzando la chimica acquosa. Inizialmente, i semi di Au vengono preparati utilizzando il metodo Turkevich11, seguito dalla sintesi di diffusione basata sui semi, una strategia comune quando si formano nanoparticelle di lega casuali8. In particolare, la lega di Sn richiede un tempo relativamente breve (~30 min) in un ambiente mite con attrezzature semplici rispetto ad altri metodi 7,8 che richiedono temperature più elevate, strumentazione a vuoto più elevato o solventi pericolosi. Questo processo può essere eseguito in condizioni acquose blande senza la necessità di onerosi controlli ambientali. Le leghe Au-Sn risultanti hanno morfologia, dimensioni, forma e proprietà ottiche coerenti che possono essere controllate manipolando il contenuto di Sn.
Protocol
Representative Results
Discussion
In questo studio, i semi di Au sono stati preparati utilizzando il metodo Turkevich11. Per quanto riguarda le limitazioni procedurali di questo metodo, è necessario eseguire rapidamente l’iniezione di 480 μL di citrato trisodico 100 mM. Se la soluzione di citrato viene iniettata lentamente, possono formarsi particelle polidisperse con una distribuzione dimensionale ampia. Inoltre, la pulizia della vetreria può influire in modo significativo sulla qualità e sulla consistenza dei semi di Au. Se …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro si riferisce ai premi del Dipartimento della Marina N00014-20-1-2858 e N00014-22-1-2654 emessi dall’Office of Naval Research. La caratterizzazione è stata supportata in parte dal programma Major Research Instrumentation della National Science Foundation nell’ambito di Grant 2216240. Questo lavoro è stato anche parzialmente sostenuto dall’Università del Massachusetts Lowell e dal Commonwealth del Massachusetts. Siamo grati alle strutture di ricerca di base di UMass Lowell.
Materials
| Basix Microcentrifuge Tubes | Fisher Scientific | Cat#02-682-004 | |
| Cary 100 UV-visible Spectrophotometer | Agilent Technologies | Cat#G9821A; RRID:SCR_019481 | |
| Cary WinUV | Agilent Technologies | https://www.agilent.com/en/product/molecular-spectroscopy/uv-vis-uv-visnir-spectroscopy/uv-vis-uv-vis-nirsoftware/cary-winuv-softwar | |
| Crystallography Open Database | CrystalEye | RRID: SCR_005874 | http://www.crystallography.net/ |
| Cu Carbon Type-B Grids (200 mesh, 97 µm grid holes) |
Ted Pella | Cat#01811 | |
| Direct-Q 3 UV-R Water Purification System | MilliporeSigma | Cat#ZRQSVR300 | |
| Entris Analytical Balance | Sartorius | Cat#ENTRIS64I-1SUS | |
| Glass round-bottom flask (250 mL) | Fisher Scientific | Cat#FB201250 | |
| Glass scintillation vials | Wheaton | Cat#986548 | |
| Hydrochloric acid (HCl, NF/FCC) |
Fisher Scientific | CAS: 7647-01-0, 7732-18-5 | |
| Hydrogen tetrachloroaurate (III) trihydrate (HAuCl4·3H2O, 99.99%) |
Alfa Aesar | CAS: 16961-25-4 | kept in a desiccator for consistency of purity and stability |
| ImageJ | National Institute of Health | RRID: SCR_003070 | https://imagej.nih.gov/ij/download.html |
| Isotemp GPD 10 Hot Water Bath | Fisher Scientific | Cat#FSGPD10 | |
| Isotemp Hot Plate Stirrer | Fisher Scientific | Cat#SP88857200 | |
| Mili-Q Ultrapure Water (18.2 MΩ-cm) |
Water purification system | ||
| Miniflex X-Ray Diffractometer | Rigaku | RRID:SCR_020451 | https://www.rigaku.com/products/xrd/miniflex |
| Model 5418 Microcentrifuge | Eppendorf | Cat#022620304 | |
| Nitric acid (HNO3, Certified ACS Plus) |
Fisher Scientific | CAS: 7697-37-2, 7732-18-5 | |
| On/Off Temperature Controller for Heating Mantle | Fisher Scientific | Cat#11476289 | |
| Optifit Racked Pipette Tips (0.5-200 µL) | Sartorius | Cat#790200 | |
| Optifit Racked Pipette Tips (10-1000 µL) | Sartorius | Cat#791000 | |
| Philips CM12 120 kV Transmission Electron Microscope | Philips | RRID:SCR_020411 | |
| Pipette Tups (1-10 mL) | USA Scientific | Cat#1051-0000 | |
| Poly(vinylpyrrolidone) (PVP; molecular weight [MW] = 40,000) |
Alfa Aesar | CAS: 9003-39-8 | kept in a desiccator for consistency of purity and stability |
| Practum Precision Balance | Sartorius | Cat# PRACTUM1102-1S | |
| PTFE Magnetic Stir Bar (12.7 mm) | Fisher Scientific | Cat#14-513-93 | |
| PTFE Magnetic Stir Bar (25.4 mm) | Fisher Scientific | Cat#14-513-94 | |
| Quartz Cuvette (length × width × height: 10 mm × 12.5 mm × 45 mm) |
Fisher Scientific | Cat#14-958-126 | |
| Round Bottom Heating Mantle 120 V 250 mL | Fisher Scientific | Cat#11-476-004 | |
| SmartLab Studio II | Rigaku | https://www.rigaku.com/products/xrd/studio | |
| Sodium borohydride (NaBH4, 97+%) |
Alfa Aesar | CAS: 16940-66-2 | kept in a desiccator for consistency of purity and stability |
| SureOne Pipette Tips (0.1-10 µL) | Fisher Scientific | Cat#02-707-437 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P10) | Sartorius | Cat#LH-729020 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P1000) | Sartorius | Cat#LH-729070 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P10000) | Sartorius | Cat#LH-729090 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P20) | Sartorius | Cat#LH-729030 | |
| Tacta Mechanical Pipette (P200) | Sartorius | Cat#LH-729060 | |
| Tin (IV) chloride (SnCl4, 99.99%) |
Alfa Aesar | CAS: 7646-78-8 | kept in the fume hood and sealed with Parafilm between uses to avoid exposure to ambient conditions |
| Trisodium citrate dihydrate (C6H5Na3O7·2H2O, 99%) |
Alfa Aesar | CAS: 6132-04-3 | kept in a desiccator for consistency of purity and stability |
| Zero-Background Si Sample Holder | Rigaku |
References
- Fonseca Guzman, M. V., et al. Plasmon manipulation by post-transition metal alloying. Matter. 6 (3), 1-17 (2023).
- Branco, A. J., et al. Synthesis of gold-tin alloy nanoparticles with tunable plasmonic properties. STAR Protoc. 4 (3), 102410 (2023).
- Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The optical properties of metal nanoparticles: The influence of size, shape, and dielectric environment. J Phys Chem B. 107 (3), 668-677 (2003).
- Linic, S., Christopher, P., Xin, H., Marimuthu, A. Catalytic and photocatalytic transformations on metal nanoparticles with targeted geometric and plasmonic properties. Acc Chem Res. 46 (8), 1890-1899 (2013).
- Naldoni, A., Shalaev, V. M., Brongersma, M. L. Applying plasmonics to a sustainable future. Science. 356 (6341), 908-909 (2017).
- King, M. E., Fonseca Guzman, M. V., Ross, M. B. Material strategies for function enhancement in plasmonic architectures. Nanoscale. 14 (3), 602-611 (2022).
- Zhou, M., Li, C., Fang, J. Noble-metal based random alloy and intermetallic nanocrystals: Syntheses and applications. Chem Rev. 121 (2), 736-795 (2020).
- Cortie, M. B., McDonagh, A. M. Synthesis and optical properties of hybrid and alloy plasmonic nanoparticles. Chem Rev. 111 (6), 3713-3735 (2011).
- Leitao, E. M., Jurca, T., Manners, I. Catalysis in service of main group chemistry offers a versatile approach to p-block molecules and materials. Nat Chem. 5 (10), 817-829 (2013).
- Melen, R. L. Frontiers in molecular p-block chemistry: From structure to reactivity. Science. 363 (6426), 479-484 (2019).
- Turkevich, J., Stevenson, P. C., Hillier, J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold. Farad Disc. 11, 55-75 (1951).
