Altın Nanopartikül Sentezi
Summary
Organik bir çözücüde ~12 nm çapında altın nanopartiküllerin (Au nanopartikülleri) sentezlenmesi için bir protokol sunulmuştur. Altın nanopartiküller aglomerayı önlemek için oleylamin ligandları ile kaplanmıştır. Altın nanopartiküller toluen gibi organik çözücülerde çözünür.
Abstract
~12 nm çapında altın nanopartiküller (Au nanopartikülleri), 3,0 g (3,7 mmol) tetraktraroarik asit çözeltisi hızla enjekte ederek sentezlendi. 3.6 mL) oleylamin (teknik sınıf) ve 3.0 mL toluen kaynayan çözelti içine 5.1 g (6.4 mmol, 8.7 mL) oleylamin 147 mL toluen. Reaksiyon çözeltisini 2 saat kaynatıp karıştırırken, reaksiyon karışımının rengi açıktan açık sarıya, açık pembeye ve ardından yavaşça koyu kırmızıya dönüştü. Daha sonra ısı kapatıldı ve çözeltinin yavaş yavaş oda sıcaklığına 1 saat soğumasına izin verildi. Altın nanopartiküller daha sonra toplandı ve bir santrifüj kullanılarak çözeltiden ayrıldı ve üç kez yıkandı; altın nanopartikülleri 10 mL toluen kısımlarında girdaplayıp dağıtarak ve daha sonra 40 mL metanol porsiyonları ekleyerek ve bir santrifüjde döndürerek altın nanopartikülleri çöke katarak. Çözelti daha sonra kalan yan ürünleri ve yayınlanmamış başlangıç malzemelerini çıkarmak için dekante edildi. Altın nanopartiküllerin vakum ortamında kurutülerek katı siyah bir pelet üretildi; daha sonra kullanılmak üzere uzun süre (bir yıla kadar) saklanabilir ve daha sonra toluen gibi organik çözücülerde yeniden çözülebilir.
Introduction
Altın nanopartiküller, birçok araştırma çalışmasına ve uygulamaya konu olan ilginç ve yararlı bir nanomalzeme sınıfıdır; biyoloji1,tıp2,nanoteknoloji3ve elektronik cihazlar4gibi . Altın nanopartiküller üzerine bilimsel araştırmalar, Michael Faraday’ın altın nanopartiküllerin sentezi ve özellikleri üzerine temel çalışmalar yaptığı1857kadar eskiye kadar uzanır 5 . Altın nanopartikülleri sentezlemek için iki birincil “aşağıdan yukarıya” teknik, sitrat azaltma yöntemi 6,7,8 ve organik iki fazlı sentez yöntemi9,10 ‘dur. “Turkevich” sitrat azaltma yöntemi, çapı 20 nm’nin altında oldukça monodisperse altın nanopartiküller üretir, ancak çapı 20 nm’nin üzerindeki altın nanopartiküller için polidispersite artar; “Brust-Schiffrin” iki fazlı yöntem ise11çapı ~10 nm’ye kadar altın nanopartiküller üretmek için kükürt/tiyol ligand stabilizasyonu kullanır. Bu yöntemler kullanılarak önceden sentezlenen altın nanopartikül çözeltileri ticari olarak mevcuttur. Büyük hacimlerin, yüksek monodispersitenin ve büyük çapta altın nanopartiküllerin gerekli olmadığı uygulamalar için, tedarikçilerden önceden sentezlenmiş bu altın nanopartikülleri satın almak ve kullanmak yeterli olabilir. Bununla birlikte, piyasada bulunanların çoğu gibi çözeltide depolanan altın nanopartiküller, nanopartiküller aglomeralaşmaya ve kümeler oluşturmaya başladıkça zamanla bozulabilir. Alternatif olarak, büyük ölçekli uygulamalar için, altın nanopartiküllerin sık veya uzun bir süre boyunca kullanılması gereken veya altın nanopartiküllerin monodispersitesi ve boyutu için daha katı gereksinimlerin olduğu uzun vadeli projeler için, altın nanopartikül sentezinin kendisi yapılması istenebilir. Altın nanopartikül sentez sürecini gerçekleştirerek, üretilen altın nanopartiküllerin miktarı, altın nanopartiküllerin çapı, altın nanopartiküllerin monodispersitesi ve kapak ligandları olarak kullanılan moleküller gibi çeşitli sentez parametrelerini potansiyel olarak kontrol etme fırsatına sahiptir. Ayrıca, bu tür altın nanopartiküller kuru bir ortamda katı peletler olarak saklanabilir, böylece altın nanopartiküllerin daha sonra, bir yıl sonraya kadar, kalitede minimum bozulma ile kullanılabilmesi için korunmasına yardımcı olur. Ayrıca, altın nanopartikülleri daha büyük hacimlerde üreterek ve daha uzun süre dayanmaları için kuru bir durumda depolayarak maliyet tasarrufu ve atıkların azaltılması potansiyeli de vardır. Genel olarak, altın nanopartiküllerin sentezlenmesi, piyasada bulunan altın nanopartiküllerle mümkün olmayabilecek zorlayıcı avantajlar sağlar.
Altın nanopartikül sentezi ile mümkün olan birçok avantajı gerçekleştirmek için, burada altın nanopartiküllerin sentezlenmesi için bir süreç sunulmaktadır. Açıklanan altın nanopartikül sentez süreci Hiramatsu ve Osterloh12tarafından geliştirilen bir sürecin değiştirilmiş bir versiyonudur. Altın nanopartiküller tipik olarak bu sentez işlemi kullanılarak ~12 nm çapında sentezlenir. Altın nanopartikül sentezi işlemini gerçekleştirmek için kullanılan birincil kimyasal reaktifler tetrakhloroaurik asit (HAuCl4), oleylamin ve toluendir. Tetraktraroaurik asit suya/neme duyarlı olduğundan, altın nanopartikül sentezi işlemi için inert kuru bir ortam sağlamak için bir azot torpido gözü kullanılır. Altın nanopartiküller, altın nanopartiküllerin çözeltide aglomeralanmasını önlemek için oleylamin ligand molekülleri ile kapsüllenir. Sentez sürecinin sonunda, altın nanopartiküller vakum ortamında kurutulur, böylece bir yıl sonraya kadar daha sonra kullanılmak üzere kuru bir durumda saklanabilir ve korunabilir. Altın nanopartiküller kullanılmaya hazır olduğunda, toluen gibi organik çözücülerde çözeltiye yeniden kullanılabilirler.
Protocol
Representative Results
Discussion
Yukarıda sunulduğu gibi altın nanopartikül sentez protokolünü gerçekleştirmek~ 12 nm çapında ve oldukça yüksek monodispersiteye (± 2 nm) sahip altın nanopartiküller üretmelidir. Bununla birlikte, altın nanopartiküllerin boyutunu/çapını ve monodispersitesini/polidispersitesini potansiyel olarak değiştirmek için ayarlanabilecek bazı kritik adımlar ve proses parametreleri vardır. Örneğin, öncü çözeltiyi reaksiyon kabına enjekte ettikten ve tetraktiloroorik asit, oleylamin ve toluen çözelt…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, nanopartikül sentez yöntemlerine yardımcı olduğu için Frank Osterloh’a teşekkür eder. Yazarlar, Ulusal Bilim Vakfı (1807555 & 203665) ve Yarı İletken Araştırma Kurumu’ndan (2836) finansal destek almak isterler.
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).
