Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie nanocząstek o zerowym rdzeniu metalowym przy użyciu n-(2-aminoetylo)-3-aminolohydrotriolu

7.1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/53507

⸱

11 lutego 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Chemistry, William Paterson University

W tym artykule

Podsumowanie

Opisano nowatorską metodę syntezy nanocząstek z metalowym rdzeniem przy użyciu stabilnego w wodzie silanolu.

Streszczenie

W tej pracy przedstawiono łatwą reakcję jednogarnkową do tworzenia nanocząstek metali w roztworze wodnym za pomocą n-(2-aminoetylo)-3-aminolohydrotriolu. Związek ten może być stosowany do skutecznej redukcji i łączenia soli metali w nanocząstki rdzenia metalowego pokryte tym związkiem. Kontrolując stężenia soli i silanu, można kontrolować szybkość reakcji, wielkość cząstek i powłokę nanocząstek. Efekty tych zmian scharakteryzowano za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), spektrometrii UV-Vis (UV-Vis), spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR) oraz spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR). Unikalnym aspektem tej reakcji jest to, że zwykle silany hydrolizują i sieciują się w wodzie; Jednak w tym systemie silan jest rozpuszczalny w wodzie i stabilny. Wiadomo, że ugrupowania krzemowe i aminowe mogą tworzyć kompleksy z solami metali. Wiadomo, że krzem rozszerza swoją sferę koordynacyjną, tworząc gatunki skoordynowane penta- lub heksa. Ponadto grupa silanolowa może ulegać hydrolizie w celu utworzenia sieci krzemionkowej Si-O-Si, przekształcając w ten sposób nanocząstki metalu w funkcjonalizowane nanokompozyty.

Wprowadzenie

Wraz ze wzrostem popytu i zastosowań nanomateriałów, rosną również różne metody syntezy. Metody "odgórne", takie jak ablacja laserowa lub trawienie chemiczne, zostały zastosowane ze względu na ich doskonałą sterowność i zdolność do niezawodnej rozdzielczości materiałów aż do poziomu submikronowego. Metody te polegają na przetwarzaniu materiałów sypkich na drobniejsze komponenty, które zazwyczaj zwiększają koszty produkcji wraz ze zmniejszaniem się pożądanego rozmiaru nanostruktury. Alternatywną metodą syntezy jest podejście "oddolne", które kontroluje syntezę na poziomie molekularnym i prowadzi do uzyskania pożądanej nanostruktury. Daje to znaczny stopień kontroli nad pożądanym samomontażem, funkcjonalnością, pasywnością i stabilnością w wytwarzaniu tych materiałów nanostrukturalnych1. Pracując na poziomie molekularnym, można wytworzyć nanokompozyty hybrydowe, które zapewniają korzyści płynące z obu materiałów w tej samej strukturze.

Ponieważ nanomateriały są syntetyzowane za pomocą strategii bottom-up, należy zastosować metody kontroli wielkości cząstek, kształtu, tekstury, hydrofobowości, porowatości, ładunku i funkcjonalności2. W syntezie nanocząstek z rdzeniem metalowym początkowa sól metalu jest redukowana w procesie autokatalitycznym w celu wytworzenia cząstek o zerowej wartości, które z kolei kierują zarodkowaniem innej cząstki. Prowadzi to do grupowania i ostatecznie do produkcji nanocząstek3. W celu kontrolowania wielkości tworzonych nanocząstek i zapobiegania ich wytrącaniu się z roztworu, wykorzystuje się stabilizatory, takie jak ligandy, środki powierzchniowo czynne, ładunek jonowy i duże polimery ze względu na ich zdolność do blokowania nanocząstek przed dalszą aglomeracją4-10. Materiały te hamują przyciąganie nanocząstek van der Waalsa, albo poprzez przeszkodę steryczną spowodowaną obecnością dużych grup, albo poprzez odpychania kulombowskie3.

W tej pracy przedstawiono prostą, jednogatunkową, syntetyczną strategię generowania różnych nanocząstek rdzenia metalowego przy użyciu silanu, n-(2-aminoetylo)-3-aminolohydrotriolu (2-AST) (Rysunek 1). Ligandy na tym związku są zdolne do redukcji prekursorów metali i stabilizacji nanocząstek metali ze stosunkowo wysoką skutecznością. Trzy obecne ugrupowania silanolu są również zdolne do sieciowania, co tworzy połączoną sieć polimeru organosilanowego impregnowanego nanocząstkami w jego matrycy (ryc. 2). W przeciwieństwie do większości silanów, które łatwo ulegają hydrolizie w obecności wody, związek ten jest stabilizowany w wodzie, co jest korzystne dla hydrofobowości, stabilności i kontroli.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

Uwaga: Wszystkie odczynniki są używane bez konieczności dalszego oczyszczania. Reakcje monitorowano przez okres do jednego tygodnia za pomocą spektroskopii UV-Vis, aby zapewnić całkowitą redukcję. Wszystkie reakcje odbywają się pod kapturem wentylacyjnym i przez cały czas noszony jest odpowiedni strój ochronny, w tym rękawice, okulary ochronne i fartuchy laboratoryjne.

1. Synteza nanocząstek srebra

  1. Odważyć 0,0169 g (0,1 mmol) azotanu srebra bezpośrednio do kolby Erlenmeyera o pojemności 50 ml.
  2. Dodać 20 ml 18,2 MΩ ultraczystej wody i mieszadło magnetyczne. Przykryj kolbę korkiem, aby zapobiec parowaniu.
  3. Umieścić kolbę w łaźni olejowej umieszczonej na mieszadle/płycie grzejnej i upewnić się, że temperatura jest utrzymywana na poziomie 60 °C.
  4. Powoli dodawać 144 μl (0,2 mmol) 2-AST za pomocą precyzyjnej mikropipety. Przepłucz kilkakrotnie pipetę w roztworze, aby upewnić się, że cały silan został przeniesiony do roztworu.
  5. Odczyty spektroskopii UV-VIS należy wykonać zgodnie z protokołem wymienionym w rozdziale 5.
  6. Po 6 godzinach wyjąć próbkę z łaźni olejowej i przenieść do fiolki z próbką o pojemności 20 ml w celu przechowywania, TEM, FTIR i dalszej analizy.
    Uwaga: Synteza nanocząstek złota i palladu przebiega według tej samej metody i ilości stechiometrycznych, z wyjątkiem nanocząstek złota wymagających 216 μl (0,3 mmol) 2-AST. Reakcja może kontynuować wytwarzanie nanocząstek przez okres do 2 tygodni, ale szybkość nie jest znacząca w porównaniu z szybkością początkową.

2. Przygotowanie próbki z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM)

  1. Upewnij się, że próbka ostygła do temperatury pokojowej.
  2. Umieść siatkę miedzianą pokrytą siatką węglową o grubości 200 na czystym kawałku bibuły filtracyjnej.
  3. Za pomocą plastikowej pipety Pasteura o pojemności 1 ml odlać około 60 μl próbki nanocząstek bezpośrednio na siatkę.
  4. Pozostaw siatkę do wyschnięcia na 24 godziny przed obrazowaniem.
  5. Wykonaj obrazy TEM o wysokiej rozdzielczości w następujących warunkach: prąd 10 μA i napięcie przyspieszenia 100 kV22.

3. Przygotowanie próbki magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR)

Uwaga: Wykonaj NMR w RT. W wysokich temperaturach sygnały mogą się łączyć, co pogarsza jakość uzyskiwanych widm

.
  1. Za pomocą pipety precyzyjnej odpipetować 50 μl dwutlenku deuteru (D2O) do czystej probówki NMR.
  2. Za pomocą innej czystej pipety precyzyjnej odpipetuj 400 μl próbki nanocząstek do tej samej probówki NMR.
    1. Ponieważ próbki mogą przylegać do wewnętrznych ścianek probówki NMR, powoli dodawaj roztwory do probówki NMR. Jeśli próbka przylega, zakryj probówkę i potrząśnij górną częścią probówki, aby wymusić sprowadzenie roztworu na dno.
  3. Wymieszaj próbkę, potrząsając i kilkakrotnie odwracając probówkę NMR.
  4. Umieść probówkę z próbką w NMR zgodnie ze wskazówkami określonymi w protokole NMR dostarczonym przez producenta. Do prawidłowej rozdzielczości w programie 1-godzinnegoimpulsu protonowego NMR może być konieczne wykonanie ponad 1,000 skanów.
    Uwaga: Ścianki rurki NMR powinny być czyste. Zaleca się, aby przed analizą przetrzeć zewnętrzną ściankę rurki mikrofibrą lub niestrzępiącą się szmatką w celu uzyskania jasności widma.
  5. Po zakończeniu wyrzuć próbkę. Nie zwracaj próbki do roztworu macierzystego.

4. Przygotowanie próbki do spektroskopii w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR)

  1. Umieścić 2 ml próbki nanocząstek w małym szklanym pojemniku. Dobrze sprawdza się probówka o pojemności 3 ml lub szklana fiolka o pojemności 1 dram.
  2. Wysuszyć próbki, umieszczając szklany pojemnik w eksykatorze próżniowym wyposażonym w zawór odcinający.
  3. Podłączyć eksykator do aparatury pompy próżniowej. Suszenie próbek może trwać kilka godzin, w zależności od siły podciśnienia. Próbki należy uznać za suche, gdy w pojemniku nie ma widocznej cieczy.
  4. Zeskrob próbkę za pomocą czystej szpatułki i zbierz materiały stałe.
  5. Umieścić materiał stały na spektroskopie ATR-FTIR wyposażonym w kryształkowy laser diodowy ZnSe.
  6. Uzyskaj widma FTIR integrując 32 skany w zakresie 4,000-500 cm-1 z rozdzielczością spektralną 2,0. Użyj tła powietrza23.

5. Przygotowanie próbki do spektroskopii UV-VIS

  1. Przeprowadzić spektroskopię UV-VIS na próbkach nanocząstek, które są w rozcieńczeniu od 1 do dziesięciu próbek nanocząstek do wody, tak aby w analizie spektrometru nie doszło do nasycenia.
  2. Usuń próbki nanocząstek pod kątem UV-Vis, gdy reakcja przebiega w odstępach półgodzinnych.
  3. Za pomocą precyzyjnej pipety usuń 100 μl materiału nanocząsteczkowego i umieść go w plastikowej kuwecie.
  4. Dodaj 1 ml ultraczystej wody do tej samej kuwety i dokładnie wymieszaj, kilkakrotnie przepłukując pipetę.
  5. Zapis widma absorbancji UV-Vis w zakresie 250-800 nm.
  6. Po analizie nie należy ponownie poddawać próbki reakcji. Anality należy utylizować w odpowiedni sposób.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Reakcję monitorowano za pomocą spektrometrii UV-Vis, ponieważ tworzenie się nanocząstek powinno generować piki charakterystyczne dla poszczególnych nanocząstek metalu. Końcową analizę zsyntetyzowanych materiałów przeprowadzono za pomocą TEM i FTIR. Widma FTIR uzyskano z wysuszonego proszku próbek. Analizę wielkości cząstek można przeprowadzić poprzez pomiar średnicy nanocząstek na obrazach uzyskanych za pomocą TEM i wyciągnięcie średniej z wyników.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Sole opisane w tym artykule są jedynymi solami, które zostały przetestowane w odniesieniu do tego metalu. W rezultacie nie jest pewne, czy ta strategia reakcji zadziała ze wszystkimi solami metali, w szczególności ze złotem. Rozpuszczalność tych soli w wodzie może również wpływać na wynik reakcji pod względem czasu reakcji, morfologii i wydajności. We wszystkich reakcjach silan dodawano do już rozpuszczonego roztworu soli metalu.

Warto zauważyć, że należy zachować ostrożność, aby zapewnić dokł...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Nie ma sprzecznych interesów finansowych.

Podziękowania

Dr. B.P.S. Chauhan chciałby podziękować Uniwersytetowi Williama Patersona za przyznanie czasu na uwolnienie (ART) za część opisanych tutaj badań, a także za program badawczy w ogóle.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
n-(2-aminoetylo)-3-aminolonitrol (2-AST)GelestSIA0590,025% w H2O
Azotan srebraSigma AldrichS6506
Trójwodny chlorek złota(III)Sigma Aldrich520918
Azotan palladu(II)Alfa Aesar11035
Dwutlenek deuteruIzotop Cambridge LaboratoriaDLM-4-100

Bibliografia

  1. Corriu, R. Organosilicon Chemistry and Nanoscience. J Organomet Chem. 686, 32-41 (2003).
  2. Chou, L. Y., Ming, K., Chan, W. Strategies for the intracellular delivery of nanoparticles. Chem. Soc. Rev. 40 (1), 233-245 (2011).
  3. Richards, R., Bönnemann, H. Synthetic Approaches to Metallic Nanomaterials. Nanofabrication towards Biomedical Applications. , Wiley-VCH. 4-9 (2005).
  4. Bradley, J. Chapter 6, Unit 6.2.2, The Chemistry of Transition Metal Colloids: Synthetic Methods for the Preparation of Colloidal Transition Metals. Clusters and Colloids. Schmid, G. , Wiley-VCH. 469-473 (1994).
  5. Paterer, A., et al. Investigation on the formation of copper zinc tin sulphide nanoparticles from metal salts and dodecanethiol. Mater. Chem. Phys. 149-150, 94-98 (2015).
  6. Yi, D. K., Lee, S. S., Ying, J. Y. Synthesis and Applications of Magnetic Nanocomposite Catalysts. Chem. Mater. 18, 2459-2461 (2006).
  7. Piepenbrock, M. M., Lloyd, G. O., Clarke, N., Steed, J. W. Metal- and Anion-Binding Supramolecular Gels. Chem. Rev. 110, 1960-2004 (2010).
  8. Wu, J. Preparation and Structural Characterization of Novel Nanohybrids by Cationic 3D Silica Nanoparticles Sandwiched between 2D Anionic Montmorillonite Clay through Electrostatic Attraction. J. Phys. Chem. C. 113 (30), 13036-13044 (2009).
  9. Spitalsky, Z. Carbon nanotube-polymer composites: Chemistry, Processing, Mechanical and Electrical Properties. Prog. Polym. Sci. 35, 357-401 (2010).
  10. Link, S., El-Sayed, M. A. Spectral Properties and Relaxation Dynamics of Surface Plasmon Electronic Oscillations in Gold and Silver Nanodots and Nanorods. J. Phys. Chem. B. 103 (40), 8410-8426 (1999).
  11. Fau, P., et al. Monitoring the Coordination of Amine Ligands on Silver Nanoparticles Using NMR and SERS. Langmuir. 31 (4), 1362-1367 (2015).
  12. Patil, H. B., Borse, S. V., Patil, D. R., Patil, U. K., Patil, H. M. Synthesis of silver nanoparticles by microbial method and their characterization. Arch. Phys. Res. 2 (3), 153-158 (2011).
  13. Ghosh, S., Sarma, N., Mandal, M., Kundu, S., Esumi, K., Pal, T. Evolution of gold nanoparticles in micelle by UV-irradiation: A conductometric study. Curr. Sci. 84 (6), 791-795 (2003).
  14. Paul, B., Bhuyan, B., Purkayastha, D. D., Dey, M., Dhar, S. S. Green synthesis of gold nanoparticles using Pogestemon benghalensis (B) O. Ktz leaf extract and studies of their photocatalytic activity in degradation of methylene. Mater. Lett. 148, 37-40 (2015).
  15. Chauhan, B. P. S., Rathore, S. Regioselective Synthesis of Multifunctional Hybrid Polysiloxanes Achieved by Pt-Nanocluster Catalysis. J. Am. Chem. Soc. 127, 5790-5791 (2005).
  16. Chauhan, B. P. S., Rathore, S., Bandoo, T. "Polysiloxane-Pd" Nanocomposites as Recyclable Chemoselective Hydrogenation Catalysts. J. Am. Chem. Soc. 126, 8493-8500 (2004).
  17. Chauhan, B. P. S., Rathore, S., Chauhan, M., Krawicz, A. Synthesis of Polysiloxane Stabilized Palladium Colloids and Evidence of Their Participation in Silaesterification Reactions. J. Am. Chem. Soc. 125, 2876-2877 (2003).
  18. Chauhan, B. P. S., Sardar, R., Tewari, P., Sharma, P. Proceedings of the Third International Workshop on Silicon Containing Polymers, Troy, NY, , 23-25 (2003).
  19. Pouchert, C. J. Non-Aromatic Amines. The Aldrich Library of Infrared Spectra. Pouchert, C. .J. , Aldrich Chemical Company. Wisconsin. (1983).
  20. Arkles, B., et al. Infrared Analysis of Organosilicon Compounds: Spectra-Structure Correlations. Silicon Compounds Register and Review. , (1987).
  21. Corriu, R. J. P. Hypervalent Species of Silicon-structure and Reactivity. J. Organomet. Chem. 400, 81-106 (1990).
  22. Basic Instruction Manual: Hitachi HT7700 TEM. , Tokyo, Japan. 1-28 (2014).
  23. OMNIC User's Guide Version 7.3: Thermo Electron Corporation. , Madison, Wisconsin. 151-216 (2006).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

nanocz stki metalicznesynteza nanocz stekspektroskopia UV Vistransmisyjna mikroskopia elektronowaspektroskopia w podczerwieni z transformacj Fourierarezonans magnetyczny j drarozpuszczalny w wodzie silannanocz stki srebracharakterystyka nanocz stektworzenie nanokompozyt w
Wytwarzanie nanocząstek o zerowym rdzeniu metalowym przy użyciu n-(2-aminoetylo)-3-aminolohydrotriolu
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.