Summary

Plazmonik Altın-Kalay Alaşımı Nanopartiküllerinin Sulu Sentezi

Published: March 15, 2024
doi:

Summary

Burada, altın (Au) tohumlarının sentezi Turkevich yöntemi kullanılarak açıklanmaktadır. Bu tohumlar daha sonra ayarlanabilir plazmonik özelliklere sahip altın-kalay alaşımı (Au-Sn) nanopartiküllerini sentezlemek için kullanılır.

Abstract

Bu protokol, Au nanopartikül tohumlarının sentezini ve ardından Au-Sn bimetalik nanopartiküllerin oluşumunu tanımlar. Bu nanopartiküllerin kataliz, optoelektronik, görüntüleme ve ilaç dağıtımında potansiyel uygulamaları vardır. Önceden, alaşım nanopartikülleri üretme yöntemleri zaman alıcıydı, karmaşık reaksiyon koşulları gerektiriyordu ve tutarsız sonuçlar verebiliyordu. Ana hatlarıyla belirtilen protokol ilk olarak Turkevich yöntemi kullanılarak yaklaşık 13 nm Au nanopartikül tohumlarının sentezini açıklamaktadır. Protokol daha sonra Sn’nin indirgenmesini ve Au-Sn alaşımlı nanopartiküller üretmek için Au tohumlarına dahil edilmesini açıklar. Bu nanopartiküllerin optik ve yapısal karakterizasyonu açıklanmaktadır. Optik olarak, belirgin lokalize yüzey plazmon rezonansları (LSPR’ler) UV görünür spektroskopi kullanılarak belirgindir. Yapısal olarak, toz X-ışını kırınımı (XRD), tüm parçacıkların 20 nm’den daha az olduğunu yansıtır ve Au, Sn ve çoklu Au-Sn intermetalik fazları için modeller gösterir. Küresel morfoloji ve boyut dağılımı, transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntülemesinden elde edilir. TEM, Sn dahil edildikten sonra nanopartiküllerin çapının yaklaşık 15 nm’ye kadar büyüdüğünü ortaya koymaktadır.

Introduction

Plazmonik metal nanopartiküller 1,2, ışığı büyük bir verimlilikle emme, ışığı nanometre altı hacimlere yoğunlaştırma ve katalitik reaksiyonları geliştirme yetenekleri nedeniyle kataliz, optoelektronik, algılama ve sürdürülebilirlik uygulamalarına sahiptir 3,4,5. Sadece birkaç metal verimli lokalize yüzey plazmon rezonansları (LSPR’ler) gösterir. Bunlar arasında, yaygın olarak araştırılan metallerden biri Au3’tür.

Au, diğer metallerle kararlı alaşım oluşumu ile bilinen, kapsamlı bir şekilde incelenmiş bir soy metaldir. Bununla birlikte, Au LSPR görünür ve kızılötesi ile sınırlıdır ve daha yüksek enerjilereayarlanamaz 6,7,8. Bu arada, geçiş sonrası metaller, soy metallerdenfarklı çeşitli ilginç reaktif ve katalitik özelliklere sahiptir 6,9,10. Au’yu geçiş sonrası metallerle alaşımlayarak, LSPR UV1’e doğru daha yüksek enerjilere ayarlanabilir. Bu protokol Au-Sn alaşımına odaklanmaktadır. Sn’nin birçok metalle kolayca alaşımlandığı bilinmektedir, UV LSPR’lere sahip olabilir ve karbondioksit indirgemesi 6,7,8 yoluyla formik asit oluşumu gibi ilginç katalitik uygulamalara sahiptir. Au ve Sn alaşımları, kimyasal indirgeme ve Sn’nin tohumlara difüzyonu yoluyla tohumlanmış bir işlem kullanılarak sentezlendi.

Bu yöntemin birincil amacı, sulu metal nanopartikül alaşımlarını sulu kimya kullanarak tezgah üstünde hızlı bir şekilde (yani birkaç saat içinde) ve tekrarlanabilir bir şekilde sentezlemektir. Başlangıçta, Au tohumları Turkevich yöntemi11 kullanılarak hazırlanır, ardından rastgele alaşım nanopartikülleri oluştururken yaygın bir strateji olan tohum bazlı difüzyon sentezi8 yapılır. Özellikle, Sn’nin alaşımlanması, daha yüksek sıcaklık, daha yüksek vakum enstrümantasyonu veya tehlikeli çözücüler gerektiren diğer yöntemlere 7,8 kıyasla basit ekipmanla ılıman bir ortamda nispeten kısa bir süre (~ 30 dakika) gerektirir. Bu işlem, külfetli çevresel kontrollere ihtiyaç duymadan ılıman, sulu koşullarda gerçekleştirilebilir. Elde edilen Au-Sn alaşımları, Sn içeriğini manipüle ederek kontrol edilebilen tutarlı morfolojiye, boyuta, şekle ve optik özelliklere sahiptir.

Protocol

Çalışmada kullanılan ekipman ve reaktifler Malzeme Tablosunda listelenmiştir. 1. Sitrat başlıklı Au nanopartikül tohumlarının Turkevich sentez yöntemi Cam eşyaların temizlenmesiCam malzemeleri ve karıştırma çubuklarını aqua regia (HNO3: HCl’nin 1: 3 mol oranı) kullanarak temizleyin. Koku kalmayana kadar ultra saf su ile durulayın ve kullanmadan önce kurulayın. Reaktif çözel…

Representative Results

Şekil 1 , Au tohumları ve Au-Sn alaşımlı nanopartiküller için temsili sonuçları göstermektedir. Au tohumları sentez protokolünü takiben, LSPR’ye karşılık gelen, maksimum yaklaşık 0,7 yok olma ile 517 nm civarında belirgin, asimetrik bir absorpsiyon zirvesi gözlenir. Tepe mavisi, numunede bordodan turuncuya ve ten rengi kahverengiye belirgin bir optik renk değişikliği ile ilişkili olarak Sn ilavesiyle kayar. Eklenen Sn yüzdesinin artmasıyla zirvenin daha fazla maviye…

Discussion

Bu çalışmada Au tohumları Türkeviç yöntemi kullanılarak hazırlanmıştır11. Bu yöntemin prosedürel sınırlamaları ile ilgili olarak, 480 μL’lik 100 mM trisodyum sitrat enjeksiyonunun hızlı bir şekilde gerçekleştirilmesi gerekmektedir. Sitrat çözeltisi yavaşça enjekte edilirse, büyük bir boyut dağılımına sahip polidispers parçacıkları oluşabilir. Ek olarak, cam eşyaların temizliği, Au tohumlarının kalitesini ve kıvamını önemli ölçüde etkileyebilir. Aqua…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu çalışma, Deniz Araştırmaları Ofisi tarafından verilen Donanma Bakanlığı ödülleri N00014-20-1-2858 ve N00014-22-1-2654 ile ilgilidir. Karakterizasyon, kısmen Grant 2216240 kapsamındaki Ulusal Bilim Vakfı Büyük Araştırma Enstrümantasyon programı tarafından desteklenmiştir. Bu çalışma aynı zamanda Massachusetts Lowell Üniversitesi ve Massachusetts Topluluğu tarafından da kısmen desteklendi. UMass Lowell Çekirdek Araştırma Tesislerine minnettarız.

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

  1. Fonseca Guzman, M. V., et al. Plasmon manipulation by post-transition metal alloying. Matter. 6 (3), 1-17 (2023).
  2. Branco, A. J., et al. Synthesis of gold-tin alloy nanoparticles with tunable plasmonic properties. STAR Protoc. 4 (3), 102410 (2023).
  3. 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).
  4. 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).
  5. Naldoni, A., Shalaev, V. M., Brongersma, M. L. Applying plasmonics to a sustainable future. Science. 356 (6341), 908-909 (2017).
  6. King, M. E., Fonseca Guzman, M. V., Ross, M. B. Material strategies for function enhancement in plasmonic architectures. Nanoscale. 14 (3), 602-611 (2022).
  7. Zhou, M., Li, C., Fang, J. Noble-metal based random alloy and intermetallic nanocrystals: Syntheses and applications. Chem Rev. 121 (2), 736-795 (2020).
  8. Cortie, M. B., McDonagh, A. M. Synthesis and optical properties of hybrid and alloy plasmonic nanoparticles. Chem Rev. 111 (6), 3713-3735 (2011).
  9. 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).
  10. Melen, R. L. Frontiers in molecular p-block chemistry: From structure to reactivity. Science. 363 (6426), 479-484 (2019).
  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).

Play Video

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).

View Video