التخليق المائي للجسيمات النانوية البلازمونية من سبائك الذهب والقصدير
Summary
هنا ، يتم وصف تخليق بذور الذهب (Au) باستخدام طريقة Turkevich. ثم تستخدم هذه البذور لتجميع الجسيمات النانوية المصنوعة من سبائك الذهب والقصدير (Au-Sn) ذات الخصائص البلازمونية القابلة للضبط.
Abstract
يصف هذا البروتوكول تخليق بذور الجسيمات النانوية Au والتكوين اللاحق للجسيمات النانوية ثنائية المعدن Au-Sn. هذه الجسيمات النانوية لها تطبيقات محتملة في الحفز والإلكترونيات الضوئية والتصوير وتوصيل الأدوية. في السابق ، كانت طرق إنتاج جسيمات السبائك النانوية تستغرق وقتا طويلا ، وتتطلب ظروف تفاعل معقدة ، ويمكن أن يكون لها نتائج غير متسقة. يصف البروتوكول المبين أولا تخليق ما يقرب من 13 نانومتر من بذور الجسيمات النانوية Au باستخدام طريقة Turkevich. يصف البروتوكول التالي اختزال Sn ودمجه في بذور Au لتوليد جسيمات نانوية من سبائك Au-Sn. يتم وصف التوصيف البصري والهيكلي لهذه الجسيمات النانوية. بصريا ، تظهر رنين البلازمون السطحي الموضعي البارز (LSPRs) باستخدام التحليل الطيفي للأشعة فوق البنفسجية. من الناحية الهيكلية ، يعكس حيود الأشعة السينية للمسحوق (XRD) جميع الجسيمات لتكون أقل من 20 نانومتر ويظهر أنماطا لمراحل Au و Sn و Au-Sn المتعددة بين المعادن. يتم الحصول على التشكل الكروي وتوزيع الحجم من التصوير المجهري الإلكتروني (TEM). يكشف TEM أنه بعد دمج Sn ، تنمو الجسيمات النانوية إلى قطر 15 نانومتر تقريبا.
Introduction
الجسيمات النانوية المعدنية البلازمونية 1,2 لها تطبيقات في الحفز ، والإلكترونيات الضوئية ، والاستشعار ، والاستدامة نظرا لقدرتها على امتصاص الضوء بكفاءة كبيرة ، وتركيز الضوء في أحجام دون نانومتر ، وتعزيز التفاعلات التحفيزية3،4،5. فقط عدد قليل من المعادن تعرض رنين البلازمون السطحي الموضعي الفعال (LSPRs). من بينها ، أحد المعادن المستكشفة على نطاق واسع هو Au3.
Au هو معدن نبيل تمت دراسته على نطاق واسع ومعروف بتكوين سبيكة مستقر مع معادن أخرى. ومع ذلك ، فإن Au LSPR يقتصر على المرئي والأشعة تحت الحمراء ولا يمكن ضبطه على طاقات أعلى6،7،8. وفي الوقت نفسه ، تتمتع فلزات ما بعد الانتقال بمجموعة متنوعة من الخصائص التفاعلية والتحفيزية المثيرة للاهتمام والتي تختلف عن المعادن النبيلة6،9،10. من خلال خلط Au مع معادن ما بعد الانتقال ، يمكن ضبط LSPR نحو طاقات أعلى نحو الأشعة فوق البنفسجية1. يركز هذا البروتوكول على صناعة السبائك Au-Sn. من المعروف أن Sn يمزج بسهولة مع العديد من المعادن ، ويمكن أن يحتوي على LSPRs للأشعة فوق البنفسجية ، وله تطبيقات تحفيزية مثيرة للاهتمام ، مثل تكوين حمض الفورميك عن طريق تقليل ثاني أكسيد الكربون6،7،8. تم تصنيع سبائك Au و Sn باستخدام عملية البذور من خلال الاختزال الكيميائي ونشر Sn في البذور.
الهدف الأساسي من هذه الطريقة هو توليف سبائك الجسيمات النانوية المعدنية المائية بسرعة (أي في غضون ساعات قليلة) واستنساخها على سطح الطاولة باستخدام الكيمياء المائية. في البداية ، يتم تحضير بذور Au باستخدام طريقة Turkevich11 ، متبوعة بتوليف الانتشار القائم على البذور ، وهي استراتيجية شائعة عند تكوين جسيمات نانوية عشوائية من السبائك8. والجدير بالذكر أن صناعة السبائك من Sn تتطلب وقتا قصيرا نسبيا (~ 30 دقيقة) في بيئة معتدلة بمعدات بسيطة مقارنة بالطرق الأخرى 7,8 التي تتطلب درجة حرارة أعلى أو أجهزة تفريغ أعلى أو مذيبات خطرة. يمكن إجراء هذه العملية في ظروف مائية خفيفة دون الحاجة إلى ضوابط بيئية مرهقة. تتميز سبائك Au-Sn الناتجة بمورفولوجيا وحجم وشكل وخصائص بصرية متسقة يمكن التحكم فيها عن طريق معالجة محتوى Sn.
Protocol
Representative Results
Discussion
في هذه الدراسة ، تم تحضير بذور Au باستخدام طريقة Turkevich11. فيما يتعلق بالقيود الإجرائية لهذه الطريقة ، من الضروري إجراء حقن 480 ميكرولتر من سترات الصوديوم 100 مللي متر بسرعة. إذا تم حقن محلول السيترات ببطء ، فقد تتشكل جزيئات polydisperse بتوزيع كبير الحجم. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤثر نظ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يتعلق هذا العمل بجوائز وزارة البحرية N00014-20-1-2858 و N00014-22-1-2654 الصادرة عن مكتب البحوث البحرية. تم دعم التوصيف جزئيا من قبل برنامج أجهزة البحث الرئيسية لمؤسسة العلوم الوطنية في إطار Grant 2216240. كما تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل جامعة ماساتشوستس لويل وكومنولث ماساتشوستس. نحن ممتنون لمرافق الأبحاث الأساسية 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).
