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Chemistry

Generación de valencia cero metal Core nanopartículas usando N- (2-aminoetil) -3-aminosilanetriol

Published: February 11, 2016 doi: 10.3791/53507
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Department of Chemistry, William Paterson University

Introduction

A medida que la demanda aumenta y las aplicaciones de los nanomateriales de diseño, también lo hacen los diversos métodos de síntesis. Los métodos de "arriba hacia abajo", como la ablación con láser o grabado químico han sido empleados por su excelente capacidad de control y la capacidad de resolver los materiales de forma fiable hasta el nivel inferior a la micra. Estos métodos se basan en materiales a granel que se procesa en componentes más finos, que normalmente aumentan el coste de producción como el tamaño deseado nanoestructura disminuye. Un método alternativo de síntesis a esto es el enfoque "de abajo hacia arriba", que controla la síntesis a nivel molecular y se acumula a la nanoestructura deseada. Esto imparte un grado significativo de control en el auto-ensamblaje, la funcionalidad, la pasividad y la estabilidad deseada en la generación de estos materiales nanoestructurados 1. Trabajando desde el nivel molecular, nanocompuestos híbridos pueden ser generados proporcionando los beneficios de ambos materiales dentro de la misma structure.

A medida que los nanomateriales se sintetizan a través de la estrategia de abajo hacia arriba, los métodos deben ser empleados para controlar el tamaño de partícula, forma, textura, hidrofobicidad, la porosidad, la carga y funcionalidad 2. En la síntesis de nanopartículas de núcleo de metal, la sal de metal inicial se reduce en un proceso autocatalítico para generar partículas de valencia cero, que a su vez dirigen la nucleación de otra partícula. Esto conduce a la agrupación y la producción de nanopartículas por último 3. En un esfuerzo por controlar el tamaño de las nanopartículas creadas y evitar que precipite fuera de la solución, estabilizadores tales como ligandos, agentes tensioactivos, carga iónica, y polímeros grandes son explotados por su capacidad para bloquear las nanopartículas de aglomeración adicional 4-10. Estos materiales inhiben la atracción de van der Waals de las nanopartículas, ya sea a través de impedimento estérico debido a la presencia de grupos voluminosos o mediante repulsiones Coulombic 3.

en tsu trabajo, un solo recipiente, la estrategia Facile, sintético para la generación de diversas nanopartículas del núcleo de metal utilizando el silano, N- (2-aminoetil) -3-aminosilanetriol (2-AST) se presenta (Figura 1). Los ligandos de este compuesto son capaces de reducir los precursores de metales y la estabilización de las nanopartículas de metal con una relativamente alta eficacia. Los tres restos silanol presentes también son capaces de reticulación y esto forma una red interconectada de polímero de organosilano impregnada con nanopartículas dentro de su matriz (Figura 2). A diferencia de la mayoría de los silanos, que experimentan fácilmente hidrólisis en presencia de agua, este compuesto se estabiliza en el agua, lo cual es beneficioso para los propósitos de hidrofobicidad, estabilidad y control.

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Protocol

Nota: Todos los reactivos se utilizan como es desde el fabricante sin purificación adicional. Las reacciones fueron controlados durante hasta una semana por medio de espectroscopia UV-Vis para asegurar la reducción completa. Todas las reacciones se llevan a cabo bajo una campana de ventilación y vestimenta de seguridad apropiada es usar en todo momento, incluyendo guantes, gafas protectoras y batas de laboratorio.

1. Síntesis de nanopartículas de plata

  1. Pesar 0,0169 g (0,1 mmol) de nitrato de plata directamente en un 50 ml matraz de Erlenmeyer.
  2. Añadir en 20 ml de 18,2 mO de agua ultrapura y una barra agitadora magnética. Cubra matraz con tapón para evitar la evaporación.
  3. Colocar el frasco en un baño de aceite situado sobre una placa de agitación / caliente y asegúrese de que la temperatura se mantiene a 60 ° C.
  4. Añadir lentamente 144 l (0,2 mmol) de 2-AST usando una micropipeta de precisión. pipeta Flush varias veces en solución para asegurar todo el silano se transfiere a la solución.
  5. Tomar lecturas de espectroscopia UV-Vissegún el protocolo que aparece en la Sección 5.
  6. Después de 6 horas, retirar la muestra del baño de aceite y transferir a un vial de 20 ml de muestra para almacenamiento, TEM, FTIR y su posterior análisis.
    Nota: Síntesis de nanopartículas de oro y paladio sigue el mismo método y estequiométricas cantidades con la excepción de nanopartículas de oro que requieren 216 l (0,3 mmol) 2-AST. La reacción puede continuar para producir nanopartículas para un máximo de 2 semanas, pero la tasa no es significativo en comparación con la tasa inicial.

2. microscopio electrónico de transmisión (TEM) Preparación de muestras

  1. Asegúrese de que la muestra se haya enfriado hasta la temperatura ambiente.
  2. Coloque una rejilla de cobre recubierta de Formvar-200-malla de carbono en un pedazo de papel en blanco filtro.
  3. Usando una pipeta de plástico de 1 ml Pasteur, soltar fundido aproximadamente 60 l de la muestra de nanopartículas directamente sobre la rejilla.
  4. Deje que la rejilla se seque durante 24 horas antes de exponer.
  5. Tomar imágenes de TEM de alta resolución con las siguientes condiciones:10 mu actuales y 100 kV de tensión de aceleración 22.

3. Resonancia Magnética Nuclear (RMN) Preparación de la muestra

Nota: Realice RMN a temperatura ambiente. A altas temperaturas señales pueden coalescer, que degrada la calidad de los espectros obtenidos.

  1. Usando una pipeta de precisión, una pipeta 50 l de dióxido de deuterio (D2O) en un tubo de RMN limpio.
  2. Con otra pipeta limpia, pipeta de 400 l de muestra de nanopartículas en el mismo tubo de RMN.
    1. Como muestras pueden adherirse a las paredes internas del tubo de RMN, añadir lentamente las soluciones en el tubo de RMN. Si la muestra se adhiere, tapar el tubo y agitar la parte superior del tubo para forzar la solución a la parte inferior.
  3. Mezclar la muestra por agitación y repetidamente invirtiendo el tubo de RMN.
  4. tubo de muestras en el lugar de RMN siguiendo las instrucciones establecidas por el protocolo de RMN proporcionado por el fabricante. Un alza de 1.000 exploraciones pueden ser necesarios para res adecuadosolución en un programa de pulso de RMN de protón 1 H.
    Nota: Las paredes de los tubos de RMN deben estar limpios. Se recomienda que la pared exterior del tubo se limpia con una microfibra o un paño sin pelusa antes del análisis para mayor claridad espectros.
  5. Desechar la muestra cuando haya terminado. No devuelva la muestra de solución madre.

4. Fourier Transform Infrared Preparación de la muestra (FTIR)

  1. Coloque 2 ml de muestra de nanopartículas en un pequeño recipiente de vidrio. Un vial de vidrio de 3 ml tubo o de 1 dracma funciona bien.
  2. Secar las muestras al colocar el recipiente de vidrio en un desecador de vacío provista de llave.
  3. Adjuntar desecador a un aparato de bomba de vacío. El secado de las muestras puede tardar varias horas dependiendo de la fuerza de vacío. Considerar las muestras se secan después no hay líquido visible en el envase.
  4. Raspe la muestra usando una espátula limpia y recoger los materiales sólidos.
  5. Coloque el material sólido en ATR-FTIR espectroscopio equipado con un cri ZnSeal láser de diodo.
  6. Obtener espectros FTIR integración de 32 barridos entre 4,000-500 cm -1 con una resolución espectral de 2,0. Utilizar el fondo de aire 23.

5. UV-Vis Spectroscopy Preparación de la muestra

  1. Llevar a cabo la espectroscopía UV-Vis en muestras de nanopartículas que se encuentran en una dilución nueve y cincuenta y nueve de la muestra de nanopartículas de agua de modo que la saturación no se produce en el análisis de espectrómetro.
  2. Extraer muestras de nanopartículas de UV-Vis mientras que la reacción se ejecuta a intervalos de media hora.
  3. Usando una pipeta de precisión, eliminar 100 l de material de nanopartículas y colocar en una cubeta de plástico.
  4. Añadir 1 ml de agua ultrapura a la misma cubeta y se mezcla a fondo por lavado de la pipeta varias veces.
  5. Record UV-Vis espectro de absorbancia entre 250 a 800 nm.
  6. Después del análisis, no regrese a la muestra de reacción. Disponer de analito en una manera apropiada.

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Representative Results

La reacción se controló por medio de espectrometría de UV-Vis como la formación de nanopartículas debe producir picos característicos para cada nanopartícula metálica individual. El análisis final de los materiales sintetizados se llevó a cabo a través de TEM y FTIR. Los espectros de FTIR se obtuvo a partir de polvo seco de muestras. El análisis del tamaño de partícula se puede lograr mediante la medición de diámetro de nanopartículas a partir de imágenes obtenidas a través de TEM y los resultados de promedios.

La complejación de nanopartículas con silano 2-AST se puede verificar con FTIR por la presencia de picos característicos de silano y amina funcionalidades (Figura 3C, 5C, y 6C). La literatura sugiere la presencia de enlaces Si-O-Si puede producir una fuerte absorción de infrarrojos alrededor de 1.000 cm-1 con la ramificación y las cadenas de polímero extendidas ampliación de este pico 20. Los picos en el rango de 1,550-1,650 cm-1 se atribuyen a NH 2 deformación. Una moderada NH2 y NH tramo WAG se pueden ver en 3,000-2,750 cm -1 y 910-770 cm-1, respectivamente 19.

Para la síntesis de nanopartículas de plata, se añadieron los materiales de partida a una solución precalentada y la reacción se controló hasta que la reducción era completa. El Vis-UV espectroscópica de análisis del producto mostró la formación de nanopartículas de plata con un pico aumenta a aproximadamente 414 nm (Figura 3A), que siguió a los valores de la literatura de la resonancia de plasmones de superficie de nanopartículas de plata formación 11, 12. La concentración de plata nanopartículas aumenta hasta que la reducción de la sal de metal era completa. Después de 6 h de la reacción, el análisis de TEM (Figura 3B) confirmó la presencia de nanopartículas de plata. El análisis de tamaño de partícula mostró que la mayoría delas nanopartículas estaban en el intervalo de tamaño de 10 ± 2,3 nm. Con el fin de entender mejor el papel de nuestro compuesto de silano, un H NMR RT 1 de la solución de nanopartículas de plata se llevó a cabo (Figura 4B). Se cree que la coordinación de la amina a nanopartículas da lugar a los nuevos picos entre 2,73 a 3,40 δ. Además, las muestras se volvieron a analizar de nuevo después de un año y conservan las mismas características, la verificación de la estabilidad de las partículas.

La reacción con cloruro de oro se llevó a cabo en la misma manera que la síntesis de nanopartículas de plata nitrato. En las muestras de oro, se observó un pico de aumento en el rango de 533 nm a lo largo de 6 hr (Figura 5A), que es característico de la banda de resonancia de plasmón de superficie de las nanopartículas de oro 13, 14. El análisis de tamaño de partícula calcula el tamaño medio de a ser de aproximadamente 24 ± 5,4 nm en didiáme- (Figura 5B). Una muestra de 1 H NMR se preparó para las muestras de oro en la misma manera que la plata (Figura 4C). La coordinación de las aminas con las nanopartículas de oro generados puede ser visto por los picos de división adicionales entre 2,45 a 3,26 δ. Estas muestras fueron también analizados nuevamente después de un año y se han encontrado para conservar las mismas características que la muestra inicial, lo que indica que ellos también tenían una buena estabilidad coloidal.

nanopartículas de paladio se sintetizaron de la misma manera que las reacciones de plata y oro. Es bien conocido que se obtiene un espectro de rasgos distintivos de la producción de PD-nanopartículas; no hay un aumento max λ observable en la espectrometría de UV-Vis de resonancia de plasmón superficial (Figura 6A) como Pd 0 nanopartículas se producen 15, 16, 17. Sin embargo, imágenes de TEM y análisis de tamaño de partícula indicanque las nanopartículas de paladio, de un tamaño de 1,8 ± 0,56 nm de diámetro (Figura 6B), se sintetizaron. Una muestra de 1 H NMR se preparó para esta muestra siguiendo los mismos procedimientos de preparación como las nanopartículas anteriores (Figura 4D). En las muestras, la coordinación de las aminas con Pd 0 nanopartículas se puede observar a través de los picos adicionales entre 2,81 a 3,26 δ.

Figura 1
Figura 1. Propiedades de N- (2-aminoetil) -3-aminosilanetriol (2-AST). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. Esquema general de la síntesis de 2-AST estabilizado de metal nanoparticles. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. nanopartículas de plata. (A) UV-Vis análisis espectral de mezcla de reacción de nanopartículas de plata en una dilución 1 a 10 se controló con el tiempo. (B) de imágenes TEM de nanopartículas de plata. (C) FTIR de disolución de nanopartículas de plata seca. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
Figura 4. RMN Espectrometría. 1H RMN de la muestra en la solución de D2O ( (B) nanopartículas de plata; (C) nanopartículas de oro; (D) nanopartículas de paladio. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

La Figura 5
Figura 5. nanopartículas de oro. (A) UV-Vis análisis espectral de mezcla de reacción de nanopartículas de oro a una dilución 1 a 10 se controló con el tiempo. (B) de formación de imágenes TEM de nanopartículas de oro. (C) FTIR de disolución de nanopartículas de oro se seca. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6 Figura 6. Palladium nanopartículas. (A) UV-Vis análisis espectral de mezcla de reacción paladio de nanopartículas a una dilución 1 a 10 se controló con el tiempo. (B) de imágenes TEM de nanopartículas de paladio. (C) FTIR de la solución de nanopartículas de paladio seca. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

Las sales reportados en este trabajo son las únicas sales que se probaron de ese metal. Como resultado, no se sabe que esta estrategia de reacción trabajaría con todas las sales de los metales, en particular oro. La solubilidad de estas sales en el agua también puede afectar el resultado de la reacción en términos de tiempo de reacción, la morfología y los rendimientos. En todas las reacciones, se añadió el silano a una solución de sal de metal ya disuelto.

Vale la pena señalar que se debe tener cuidado para asegurar la exactitud de estas reacciones requieren una pequeña concentración de sales metálicas, que pueden ser higroscópicos o delicuescentes 18. Este problema se ha experimentado en la síntesis de nanopartículas de oro como cloruro de complejos de oro son sensibles al aire y se descompongan cuando se deja expuesto al aire. En un esfuerzo por aliviar este, la sal cloruro de oro se almacenó en un refrigerador hasta que sea necesario y luego se retira, de forma rápida midió y volvió a la refrigeración cuando se complete. También, puesto que un condensador esno se utiliza con el recipiente de reacción, se debe tener cuidado de que el disolvente no se evapora durante la fase de calentamiento. El agua utilizada como disolvente debe ser de alta pureza. Los contaminantes en variaciones de disolvente y pH pueden afectar a la formación de nanopartículas.

La producción de nanopartículas de oro y plata se lleva a cabo bajo condiciones suaves de reacción, que es un buen augurio para este protocolo en aplicaciones industriales. Este método permite producir nanopartículas de metales nobles en un medio acuoso con altos rendimientos. Una ventaja importante de este método es que no requiere ningún agente reductor adicional, que se sabe que complicar el aislamiento de las nanopartículas resultante como pueden ser necesarias etapas de purificación adicionales. Se espera que este protocolo se extenderá a otros metales también. Este método también puede proporcionar una vía en donde las partículas pueden volverse heterogéneo a través de métodos sol-gel.

Además, la mayoría de los materiales se puede convertir en gels a través de copolimerización con otros agentes de gelificación 21. La investigación ya está en marcha para preparar y analizar dichos geles. La investigación en curso está dirigida hacia la generación de un nanocompuesto tal, que será interesante para aplicaciones en catálisis heterogénea de reembolso.

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Disclosures

No hay conflictos de intereses financieros.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
n-(2-aminoethyl)-3-aminosilanetriol (2-AST) Gelest SIA0590.0 25% in H2O
Silver nitrate Sigma Aldrich S6506
Gold(III) chloride trihydrate Sigma Aldrich 520918
Palladium(II) Nitrate Alfa Aesar 11035
Deuterium Dioxide Cambridge Isotope Laboratories DLM-4-100

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References

  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).

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