Plazmonik Altın-Kalay Alaşımı Nanopartiküllerinin Sulu Sentezi
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
Representative Results
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
- 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).
