סינתזה מימית של ננו-חלקיקי סגסוגת זהב-בדיל פלסמוניים
Summary
כאן, הסינתזה של זרעי זהב (Au) מתוארת בשיטת Turkevich. זרעים אלה משמשים לאחר מכן לסנתז ננו-חלקיקים מסגסוגת בדיל זהב (Au-Sn) עם תכונות פלסמוניות מתכווננות.
Abstract
פרוטוקול זה מתאר את הסינתזה של זרעי ננו-חלקיקי Au ואת היווצרותם לאחר מכן של ננו-חלקיקים דו-מתכתיים Au-Sn. לננו-חלקיקים אלה יש יישומים פוטנציאליים בקטליזה, אופטואלקטרוניקה, הדמיה ואספקת תרופות. בעבר, שיטות לייצור ננו-חלקיקי סגסוגת גוזלות זמן, דורשות תנאי תגובה מורכבים ויכולות להביא לתוצאות לא עקביות. הפרוטוקול המתואר מתאר תחילה סינתזה של זרעי ננו-חלקיקים Au בגודל של כ-13 ננומטר בשיטת טורקביץ’. הפרוטוקול הבא מתאר את הפחתת Sn ושילובו בזרעי Au ליצירת ננו-חלקיקים מסגסוגת Au-Sn. מתואר האפיון האופטי והמבני של ננו-חלקיקים אלה. מבחינה אופטית, תהודה פלסמונית מקומית בולטת על פני השטח (LSPR) ניכרת באמצעות ספקטרוסקופיה נראית UV. מבחינה מבנית, עקיפה של קרני רנטגן אבקה (XRD) משקפת את כל החלקיקים כקטנים מ-20 ננומטר ומראה תבניות עבור Au, Sn ופאזות בין-מתכתיות מרובות של Au-Sn. מורפולוגיה כדורית והתפלגות גודל מתקבלים מהדמיית מיקרוסקופ אלקטרונים תמסורת (TEM). TEM מגלה כי לאחר שילוב Sn, הננו-חלקיקים גדלים לקוטר של כ-15 ננומטר.
Introduction
לננו-חלקיקי מתכת פלסמונית 1,2 יש יישומים בקטליזה, אופטואלקטרוניקה, חישה וקיימות בשל יכולתם לקלוט אור ביעילות רבה, לרכז אור לנפחים תת-ננומטריים ולשפר תגובות קטליטיות: 3,4,5. רק מתכות מעטות מציגות תהודה פלסמונית מקומית יעילה (LSPR). ביניהם, אחת המתכות שנחקרו באופן נרחב היא Au3.
Au היא מתכת אצילה נחקרת בהרחבה הידועה בהיווצרות הסגסוגת היציבה שלה עם מתכות אחרות. עם זאת, Au LSPR מוגבל לגלוי ולאינפרא אדום ולא ניתן לכוונן אותו לאנרגיות גבוהות יותר 6,7,8. בינתיים, למתכות שלאחר המעבר יש מגוון תכונות תגובתיות וקטליטיות, מעניינות הנבדלות מהמתכות האצילות 6,9,10. על ידי סגסוגת Au עם מתכות שלאחר המעבר, LSPR יכול להיות מכוון לאנרגיות גבוהות יותר לכיוון UV1. פרוטוקול זה מתמקד בסגסוגת Au-Sn. Sn ידוע סגסוגת בקלות עם מתכות רבות, יכול להיות UV LSPRs, ויש לו יישומים קטליטיים מעניינים, כגון היווצרות חומצה פורמית באמצעות הפחתת פחמן דו חמצני 6,7,8. סגסוגות Au ו- Sn סונתזו באמצעות תהליך זרעים באמצעות הפחתה כימית ודיפוזיה של Sn לתוך הזרעים.
המטרה העיקרית של שיטה זו היא לסנתז סגסוגות ננו-חלקיקים מתכתיים מימיות במהירות (כלומר, תוך מספר שעות) ובאופן שניתן לשכפל על הספסל באמצעות כימיה מימית. בתחילה, זרעי Au מוכנים בשיטת Turkevich11, ואחריה סינתזת דיפוזיה מבוססת זרעים, אסטרטגיה נפוצה בעת יצירת ננו-חלקיקי סגסוגת אקראיים8. יש לציין כי סגסוגת של Sn דורשת זמן קצר יחסית (~ 30 דקות) בסביבה מתונה עם ציוד פשוט בהשוואה לשיטות אחרות 7,8 הדורשות טמפרטורה גבוהה יותר, מכשור ואקום גבוה יותר או ממיסים מסוכנים. תהליך זה יכול להתבצע בתנאים מימיים קלים ללא צורך בבקרות סביבתיות מכבידות. לסגסוגות Au-Sn המתקבלות יש מורפולוגיה, גודל, צורה ותכונות אופטיות עקביות שניתן לשלוט בהן על ידי מניפולציה של תוכן Sn.
Protocol
Representative Results
Discussion
במחקר זה, זרעי Au הוכנו בשיטת Turkevich11. לגבי מגבלות פרוצדורליות של שיטה זו, יש צורך לבצע הזרקת 480 μL של 100 mM trisodium ציטראט במהירות. אם תמיסת הציטראט מוזרקת לאט, חלקיקים polydisperse עשוי להיווצר עם פיזור גודל גדול. בנוסף, ניקיון כלי הזכוכית יכול להשפיע באופן משמעותי על האיכות והעקביות של זרע…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו מתייחסת לפרסי מחלקת הצי N00014-20-1-2858 ו- N00014-22-1-2654 שהונפקו על ידי המשרד למחקר ימי. האפיון נתמך בחלקו על ידי תוכנית מכשור המחקר העיקרי של הקרן הלאומית למדע במסגרת מענק 2216240. עבודה זו נתמכה חלקית גם על ידי אוניברסיטת מסצ’וסטס לואל וחבר העמים של מסצ’וסטס. אנו אסירי תודה למתקני המחקר של UMass Lowell Core.
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).
