توليف الجسيمات النانوية الذهبية
Summary
يتم تقديم بروتوكول لتجميع ~ 12 نانومتر قطر الذهب الجسيمات النانوية (Au) في المذيبات العضوية. وتوج الجسيمات النانوية الذهب مع ليغاندس أوليلامين لمنع التكتل. الجسيمات النانوية الذهبية قابلة للذوبان في المذيبات العضوية مثل التولوين.
Abstract
تم تصنيع الجسيمات النانوية الذهبية (Au nanoparticles) التي يبلغ قطرها ~ 12 نانومتر عن طريق حقن محلول بسرعة 150 ملغ (0.15 ملليمول) من حمض رباعي الكلور في 3.0 غرام (3.7 ملليمول، 3.6 مل) من أوليلامين (الصف التقني) و 3.0 مل من التولوين إلى محلول غليان 5.1 غرام (6.4 ملليمول، 8.7 مل) من الأوليلامين في 147 مل من التولوين. أثناء غلي وخلط محلول التفاعل لمدة ساعتين ، تغير لون خليط التفاعل من واضح ، إلى أصفر فاتح ، إلى وردي فاتح ، ثم ببطء إلى أحمر داكن. ثم تم إيقاف الحرارة ، وسمح للحل بالتبريد تدريجيا لدرجة حرارة الغرفة لمدة ساعة واحدة. ثم تم جمع الجسيمات النانوية الذهبية وفصلها عن المحلول باستخدام جهاز طرد مركزي وغسلها ثلاث مرات؛ عن طريق الدوامة وتشتيت الجسيمات النانوية الذهبية في أجزاء 10 مل من التولوين ، ثم تسريع الجسيمات النانوية الذهبية عن طريق إضافة أجزاء 40 مل من الميثانول وغزلها في جهاز طرد مركزي. ثم تم إزالة الحل لإزالة أي منتجات ثانوية متبقية ومواد بدء غير منقحة. تجفيف الجسيمات النانوية الذهب في بيئة فراغ أنتجت بيليه أسود صلب. التي يمكن تخزينها لفترات طويلة من الزمن (تصل إلى سنة واحدة) لاستخدامها في وقت لاحق، ومن ثم إعادة حلها في المذيبات العضوية مثل التولوين.
Introduction
الجسيمات النانوية الذهبية هي فئة مثيرة للاهتمام ومفيدة من المواد النانوية التي هي موضوع العديد من الدراسات البحثية والتطبيقات. مثل البيولوجيا1، الطب2، تكنولوجيا النانو3، والأجهزة الإلكترونية4. يعود تاريخ البحث العلمي في الجسيمات النانوية الذهبية إلى عام 1857، عندما أجرى مايكل فاراداي دراسات تأسيسية حول تركيب وخصائص الجسيمات النانوية الذهبية5. التقنيتين الأوليتين “من أسفل إلى أعلى” لتجميع الجسيمات النانوية الذهبية هما طريقة تقليل السيترات6و7و8 وطريقة التوليف العضوية ذات المرحلتين9و10. “Turkevich” أسلوب خفض سيترات تنتج أحادية الجسيمات النانوية الذهب إلى حد ما تحت 20 نانومتر في القطر، ولكن يزيد من تعدد الأضلاع للجسيمات النانوية الذهب فوق 20 نانومتر في القطر؛ في حين أن طريقة “بروست شيفرين” على مرحلتين تستخدم الكبريت / ثيول ليجند – الاستقرار لإنتاج الجسيمات النانوية الذهب تصل إلى ~ 10 نانومتر في القطر11. حلول الجسيمات النانوية الذهبية التي يتم تصنيعها مسبقا باستخدام هذه الطرق متوفرة تجاريا. بالنسبة للتطبيقات التي لا تكون فيها الكميات الكبيرة والاحادية العالية والأقطار الكبيرة من الجسيمات النانوية الذهبية ضرورية ، قد يكون كافيا لشراء واستخدام هذه الجسيمات النانوية الذهبية المركبة مسبقا من الموردين. ومع ذلك، فإن الجسيمات النانوية الذهبية المخزنة في المحلول، مثل العديد من الجسيمات المتاحة تجاريا، قد تتحلل بمرور الوقت مع بدء الجسيمات النانوية في التكتل وتشكيل مجموعات. بدلا من ذلك، بالنسبة للتطبيقات واسعة النطاق، والمشاريع طويلة الأجل التي تحتاج الجسيمات النانوية الذهب لاستخدامها بشكل متكرر أو على مدى فترة طويلة من الزمن، أو التي هناك متطلبات أكثر صرامة ل مونوديسبيرز وحجم الجسيمات النانوية الذهب، قد يكون من المستحسن لأداء تخليق الجسيمات النانوية الذهب نفسه. من خلال تنفيذ عملية تخليق الجسيمات النانوية الذهبية ، يمكن للمرء أن يتحكم في معلمات توليف مختلفة مثل كمية الجسيمات النانوية الذهبية التي يتم إنتاجها ، وقطر الجسيمات النانوية الذهبية ، وتوحيد الجسيمات النانوية الذهبية ، والجزيئات المستخدمة كليجاندس متوجا. وعلاوة على ذلك، يمكن تخزين هذه الجسيمات النانوية الذهبية ككريات صلبة في بيئة جافة، مما يساعد على الحفاظ على الجسيمات النانوية الذهبية بحيث يمكن استخدامها في وقت لاحق، حتى بعد عام، مع الحد الأدنى من التدهور في الجودة. وهناك أيضا إمكانية تحقيق وفورات في التكاليف والحد من النفايات عن طريق تصنيع الجسيمات النانوية الذهبية بكميات أكبر ثم تخزينها في حالة جافة بحيث تستمر لفترة أطول. وعموما، فإن توليف الجسيمات النانوية الذهبية يوفر لنفسه مزايا مقنعة قد لا تكون مجدية مع الجسيمات النانوية الذهبية المتاحة تجاريا.
من أجل تحقيق العديد من المزايا التي هي ممكنة مع تخليق الجسيمات النانوية الذهب، يتم تقديم عملية هنا لتجميع الجسيمات النانوية الذهب. عملية تخليق الجسيمات النانوية الذهبية الموصوفة هي نسخة معدلة من عملية تم تطويرها من قبل هيراماتسو وأوسترلوه12. وعادة ما يتم تصنيع الجسيمات النانوية الذهبية بقطر ~ 12 نانومتر باستخدام عملية التوليف هذه. الكواشف الكيميائية الأولية التي تستخدم لأداء عملية تخليق الجسيمات النانوية الذهب هي حمض رباعي الكلور (HAuCl4),أوليلامين, والتولوين. يستخدم صندوق قفازات النيتروجين لتوفير بيئة جافة خاملة لعملية تخليق الجسيمات النانوية الذهبية ، لأن حمض رباعي الكلور هو حساس للماء / الرطوبة. يتم تغليف الجسيمات النانوية الذهبية بجزيئات أوليلامين ليجند لمنع الجسيمات النانوية الذهبية من التكتل في المحلول. في نهاية عملية التوليف ، يتم تجفيف الجسيمات النانوية الذهبية في بيئة فراغ بحيث يمكن تخزينها والحفاظ عليها في حالة جافة لاستخدامها لاحقا ، حتى بعد عام واحد. عندما تكون الجسيمات النانوية الذهبية جاهزة لاستخدامها ، يمكن إعادة إنفاقها في محلول في المذيبات العضوية مثل التولوين.
Protocol
Representative Results
Discussion
أداء بروتوكول تخليق الجسيمات النانوية الذهب كما هو معروض أعلاه ينبغي أن تنتج الجسيمات النانوية الذهب مع ~ 12 نانومتر قطرها وتوحيد عالية إلى حد ما (± 2 نانومتر). ومع ذلك، هناك بعض الخطوات الحاسمة والمعلمات العملية التي يمكن تعديلها لتغيير حجم / قطر وحادة / تعدد الأضلاع من الجسيمات النانوية الذ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويود المؤلفون أن يشكروا فرانك أوسترلوه على المساعدة في أساليب تخليق الجسيمات النانوية. ويود المؤلفون أن يعترفوا بالدعم المالي المقدم من المؤسسة الوطنية للعلوم (1807555 203665) ومؤسسة أبحاث أشباه الموصلات (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).
