Summary

Síntese aquosa de nanopartículas plasmônicas de liga de ouro-estanho

Published: March 15, 2024
doi:

Summary

Aqui, a síntese de sementes de ouro (Au) é descrita usando o método Turkevich. Essas sementes são então usadas para sintetizar nanopartículas de liga de ouro-estanho (Au-Sn) com propriedades plasmônicas ajustáveis.

Abstract

Este protocolo descreve a síntese de sementes de nanopartículas de Au e a subsequente formação de nanopartículas bimetálicas de Au-Sn. Essas nanopartículas têm aplicações potenciais em catálise, optoeletrônica, imagem e administração de medicamentos. Anteriormente, os métodos de produção de nanopartículas de liga eram demorados, exigiam condições de reação complexas e podiam ter resultados inconsistentes. O protocolo descrito descreve primeiro a síntese de sementes de nanopartículas de Au de aproximadamente 13 nm usando o método Turkevich. O protocolo descreve a seguir a redução de Sn e sua incorporação nas sementes de Au para gerar nanopartículas de liga Au-Sn. A caracterização óptica e estrutural dessas nanopartículas é descrita. Opticamente, ressonâncias plasmônicas de superfície localizadas proeminentes (LSPRs) são aparentes usando espectroscopia UV-visível. Estruturalmente, a difração de raios X em pó (XRD) reflete todas as partículas com menos de 20 nm e mostra padrões para Au, Sn e múltiplas fases intermetálicas Au-Sn. A morfologia esférica e a distribuição de tamanho são obtidas a partir de imagens de microscopia eletrônica de transmissão (MET). O TEM revela que após a incorporação de Sn, as nanopartículas crescem até aproximadamente 15 nm de diâmetro.

Introduction

As nanopartículas de metal plasmônico 1,2 têm aplicações em catálise, optoeletrônica, sensoriamento e sustentabilidade devido à sua capacidade de absorver luz com grande eficiência, concentrar a luz em volumes subnanométricos e melhorar as reações catalíticas 3,4,5. Apenas alguns metais exibem ressonâncias plasmônicas de superfície localizadas eficientes (LSPRs). Entre eles, um dos metais amplamente explorados é o Au3.

O Au é um metal nobre extensivamente estudado, conhecido por sua formação estável de ligas com outros metais. No entanto, o Au LSPR é limitado ao visível e infravermelho e não pode ser sintonizado em energias mais altas 6,7,8. Enquanto isso, os metais pós-transição têm uma variedade de propriedades reativas e catalíticas interessantes, distintas dos metais nobres 6,9,10. Ao ligar Au com metais pós-transição, o LSPR pode ser ajustado para energias mais altas em direção ao UV1. Este protocolo se concentra na liga Au-Sn. Sn é conhecido por se ligar facilmente a muitos metais, pode ter LSPRs UV e tem aplicações catalíticas interessantes, como a formação de ácido fórmico por meio da redução de dióxido de carbono 6,7,8. As ligas de Au e Sn foram sintetizadas por meio de um processo de semeadura por meio de redução química e difusão de Sn nas sementes.

O objetivo principal deste método é sintetizar ligas aquosas de nanopartículas metálicas rapidamente (ou seja, em poucas horas) e reprodutível na bancada usando química aquosa. Inicialmente, as sementes de Au são preparadas usando o método Turkevich11, seguido pela síntese de difusão baseada em sementes, uma estratégia comum na formação de nanopartículas de liga aleatórias8. Notavelmente, a liga de Sn requer um tempo relativamente curto (~ 30 min) em um ambiente ameno com equipamento simples em comparação com outros métodos 7,8 que requerem temperatura mais alta, instrumentação de vácuo mais alta ou solventes perigosos. Este processo pode ser realizado em condições aquosas e amenas, sem a necessidade de controles ambientais onerosos. As ligas Au-Sn resultantes têm morfologia, tamanho, forma e propriedades ópticas consistentes que podem ser controladas pela manipulação do conteúdo de Sn.

Protocol

Os equipamentos e reagentes utilizados no estudo estão listados na Tabela de Materiais. 1. Método de síntese de Turkevich de sementes de nanopartículas de Au com tampa de citrato Limpeza da vidrariaLimpe os copos e mexa as barras usando água régia (proporção molar de 1:3 de HNO3:HCl). Enxágue com água ultrapura até que não haja odor e seque antes de usar. Preparação de soluções reage…

Representative Results

A Figura 1 mostra resultados representativos para sementes de Au e nanopartículas de liga de Au-Sn. Seguindo o protocolo de síntese de sementes de Au, observa-se um pico de absorção distinto e assimétrico em torno de 517 nm com um máximo de extinção de aproximadamente 0,7, correspondendo ao LSPR. O pico de azul muda com a adição de Sn, correlacionando-se com uma aparente mudança de cor óptica na amostra de bordô para laranja e marrom-bronzeado. Mais deslocamento para o azul e al…

Discussion

Neste estudo, as sementes de Au foram preparadas pelo método de Turkevich11. Em relação às limitações processuais deste método, é necessário realizar a injeção de 480 μL de citrato trissódico 100 mM rapidamente. Se a solução de citrato for injetada lentamente, partículas polidispersas podem se formar com uma grande distribuição de tamanho. Além disso, a limpeza da vidraria pode afetar significativamente a qualidade e a consistência das sementes de Au. Se a vidraria não for bem…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabalho refere-se aos prêmios N00014-20-1-2858 e N00014-22-1-2654 do Departamento da Marinha emitidos pelo Escritório de Pesquisa Naval. A caracterização foi apoiada em parte pelo programa de Instrumentação de Pesquisa Principal da National Science Foundation sob a concessão 2216240. Este trabalho também foi parcialmente apoiado pela Universidade de Massachusetts Lowell e pela Comunidade de Massachusetts. Somos gratos às Instalações de Pesquisa Central da 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

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  11. 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).

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Cite This Article
Cha, J. H., Silva, S. M., Branco, A. J., Ross, M. B. Aqueous Synthesis of Plasmonic Gold-Tin Alloy Nanoparticles. J. Vis. Exp. (205), e66628, doi:10.3791/66628 (2024).

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