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Chemistry

Gold-Nanopartikel-Synthese

Published: July 10, 2021 doi: 10.3791/62176
Automatic Translation
1, 2, 1, 3, 1
1Department of Electrical and Computer Engineering, University of California, Davis, 2Department of Computer Sciences and Electrical Engineering, Marshall University, 3Department of Materials Science and Engineering, University of California, Davis

Summary

Ein Protokoll zur Synthese von Goldnanopartikeln (Au-Nanopartikeln) mit einem Durchmesser von ~ 12 nm in einem organischen Lösungsmittel wird vorgestellt. Die Goldnanopartikel sind mit Oleylaminliganden verschlossen, um eine Agglomeration zu verhindern. Die Goldnanopartikel sind in organischen Lösungsmitteln wie Toluol löslich.

Abstract

Goldnanopartikel (Au-Nanopartikel) mit einem Durchmesser von ~12 nm wurden synthetisiert, indem schnell eine Lösung von 150 mg (0,15 mmol) Tetrachloraurinsäure in 3,0 g (3,7 mmol, 3,6 ml) Oleylamin (technische Qualität) und 3,0 ml Toluol in eine Siedelösung von 5,1 g (6,4 mmol, 8,7 ml) Oleylamin in 147 ml Toluol injiziert wurde. Während des Kochens und Mischens der Reaktionslösung für 2 Stunden änderte sich die Farbe der Reaktionsmischung von klar zu hellgelb zu hellrosa und dann langsam zu dunkelrot. Die Hitze wurde dann ausgeschaltet und die Lösung wurde für 1 Stunde allmählich auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Die Goldnanopartikel wurden dann gesammelt und mit einer Zentrifuge von der Lösung getrennt und dreimal gewaschen; durch Vortexing und Dispergieren der Goldnanopartikel in 10 ml Toluolanteilen und anschließendem Ausfälzen der Goldnanopartikel durch Zugabe von 40 ml Methanolanteilen und Spinnen in einer Zentrifuge. Die Lösung wurde dann dekantiert, um verbleibende Nebenprodukte und nicht umgesetzte Ausgangsstoffe zu entfernen. Das Trocknen der Goldnanopartikel in einer Vakuumumgebung ergab ein festes schwarzes Pellet; die für lange Zeiträume (bis zu einem Jahr) für die spätere Verwendung gelagert und dann in organischen Lösungsmitteln wie Toluol wieder gelöst werden können.

Introduction

Gold-Nanopartikel sind eine interessante und nützliche Klasse von Nanomaterialien, die Gegenstand vieler Forschungsstudien und Anwendungen sind; wie Biologie1, Medizin2, Nanotechnologie3und elektronische Geräte4. Die wissenschaftliche Forschung zu Goldnanopartikeln geht auf das Jahr 1857 zurück, als Michael Faraday grundlegende Studien zur Synthese und den Eigenschaften von Goldnanopartikeln durchführte5. Die beiden primären "Bottom-up"-Techniken zur Synthese von Goldnanopartikeln sind die Citratreduktionsmethode6,7,8 und die organische Zweiphasensynthesemethode9,10. Die "Turkevich" Citratreduktionsmethode erzeugt ziemlich monodisperse Goldnanopartikel unter 20 nm Durchmesser, aber die Polydispersität nimmt bei Goldnanopartikeln über 20 nm Durchmesser zu; während das "Brust-Schiffrin"-Zweiphasenverfahren schwefel/thiol-Liganden-Stabilisierung verwendet, um Gold-Nanopartikel bis zu ~10 nm Durchmesser11herzustellen. Gold-Nanopartikel-Lösungen, die mit diesen Methoden vorsynthetisiert werden, sind kommerziell erhältlich. Für Anwendungen, bei denen große Mengen, hohe Monodispersität und große Durchmesser von Goldnanopartikeln nicht erforderlich sind, kann es ausreichen, diese vorsynthetisierten Goldnanopartikel von Lieferanten zu kaufen und zu verwenden. Goldnanopartikel, die in Lösung gelagert werden, wie viele von denen, die im Handel erhältlich sind, können sich jedoch im Laufe der Zeit abbauen, wenn Nanopartikel beginnen, sich zu agglomerieren und Cluster zu bilden. Alternativ kann es bei Großanwendungen, Langzeitprojekten, bei denen Goldnanopartikel häufig oder über einen langen Zeitraum eingesetzt werden müssen oder in denen strengere Anforderungen an die Monodispersität und Größe der Goldnanopartikel bestehen, wünschenswert sein, die Goldnanopartikelsynthese selbst durchzuführen. Durch die Durchführung des Gold-Nanopartikel-Syntheseprozesses hat man die Möglichkeit, verschiedene Syntheseparameter wie die Menge der produzierten Gold-Nanopartikel, den Durchmesser der Gold-Nanopartikel, die Monodispersität der Gold-Nanopartikel und die als Kappligande verwendeten Moleküle potenziell zu kontrollieren. Darüber hinaus können solche Goldnanopartikel als feste Pellets in einer trockenen Umgebung gelagert werden, was dazu beiträgt, die Goldnanopartikel so zu konservieren, dass sie zu einem späteren Zeitpunkt, bis zu einem Jahr später, mit minimalem Qualitätsabbau verwendet werden können. Es besteht auch das Potenzial für Kosteneinsparungen und die Reduzierung von Abfällen, indem Goldnanopartikel in größeren Mengen hergestellt und dann in einem trockenen Zustand gelagert werden, so dass sie länger halten. Insgesamt bietet die Synthese von Goldnanopartikeln selbst überzeugende Vorteile, die mit kommerziell erhältlichen Goldnanopartikeln möglicherweise nicht realisierbar sind.

Um die vielen Vorteile zu realisieren, die mit der Gold-Nanopartikelsynthese möglich sind, wird hier ein Verfahren zur Synthese von Gold-Nanopartikeln vorgestellt. Der beschriebene Gold-Nanopartikel-Syntheseprozess ist eine modifizierte Version eines Prozesses, der von Hiramatsu und Osterloh12entwickelt wurde. Gold-Nanopartikel werden typischerweise mit einem Durchmesser von ~ 12 nm mit diesem Syntheseverfahren synthetisiert. Die primären chemischen Reagenzien, die zur Durchführung des Gold-Nanopartikel-Syntheseprozesses verwendet werden, sind Tetrachlorauriersäure (HAuCl4),Oleylamin und Toluol. Ein Stickstoff-Handschuhfach wird verwendet, um eine inerte trockene Umgebung für den Gold-Nanopartikel-Syntheseprozess bereitzustellen, da Tetrachloraurinsäure empfindlich auf Wasser / Feuchtigkeit reagiert. Die Goldnanopartikel sind mit Oleylamin-Ligandenmolekülen verkapselt, um zu verhindern, dass die Goldnanopartikel in Lösung agglomerieren. Am Ende des Syntheseprozesses werden die Goldnanopartikel in einer Vakuumumgebung getrocknet, so dass sie bis zu einem Jahr später in trockenem Zustand gelagert und konserviert werden können. Wenn die Goldnanopartikel gebrauchsfertig sind, können sie in organischen Lösungsmitteln wie Toluol wieder in Lösung gebracht werden.

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Protocol

Chemische Mengen:
HINWEIS: Um die entsprechenden chemischen Mengen für die Nanopartikelsynthese zu erhalten, nehmen Sie die Anfangsmengen auf dem Blatt "Nanopartikelsynthese" (auf der 2. Seite der unterstützenden Informationen aus dem Osterloh-Forschungsartikel12)und multiplizieren Sie die Menge aller Dosen mit 3, mit einigen leichten Modifikationen. Tabelle 1 zeigt die chemischen Mengen, die für die Injektionslösung, die Siedelösung, die Wasch-/Reinigungslösungen und die Goldätzlösung benötigt werden.

Reinigung und Vorbereitung für den Gold-Nanopartikel-Syntheseprozess (Tag 1)
HINWEIS: Die folgenden Schritte können am ersten Tag des Syntheseprozesses abgeschlossen werden.

1. Dinge, die Sie überprüfen und sicherstellen sollten, bevor Sie sich auf die Gold-Nanopartikelsynthese vorbereiten

ACHTUNG: Stellen Sie sicher, dass die Reinigung und Vorbereitung vor der Synthese in der Abzugshaube und der sauren nassen Bank durchgeführt wird, während Sie persönliche Schutzausrüstung (PSA) wie Nitrilhandschuhe, Schutzbrille / Schutzbrille und einen Laborkittel tragen, während Sie den Abzug verwenden. und zusätzlich chemische Handschuhe, ein chemisches Kleid, einen Gesichtsschutz und eine Schutzbrille tragen, während Sie die saure nasse Bank benutzen.

  1. Stellen Sie sicher, dass ein Stickstoffhandschuhfach verfügbar ist, in dem die Lösungsmittel- / Reagenzpräparate und der Synthese- / chemische Reaktionsprozess durchgeführt werden können.
    HINWEIS: Wenn kein Stickstoffhandschuhfach verfügbar ist, kann stattdessen ein Abzug verwendet werden (möglicherweise mit einer Schlenk-Linie), obwohl die inerte Atmosphäre im Stickstoffhandschuhfach unter Erhaltung der Reinheit der Tetrachlorauriersäure (HAuCl4)qualitativ hochwertigere Nanopartikel erzeugen sollte. Die Gold-Nanopartikel-Injektionslösung, die die Tetrachloraurinsäure enthält, sollte nach Möglichkeit in einer inerten Atmosphäre oder einem Stickstoffhandschuhfach hergestellt werden.
  2. Stellen Sie sicher, dass sich ein Ständer mit einer Klemme im Stickstoffhandschuhfach befindet, um das Kondensatorrohr während des Gold-Nanopartikel-Syntheseprozesses zu halten und zu unterstützen.
    HINWEIS: Dieser Ständer mit Klemme ermöglicht es auch, das Kondensatorrohr anzuheben und über dem Reaktionsgefäß aufzuhängen, während die Toluol-, Tetrachlorauriersäure- und Oleylaminlösung in das Reaktionsgefäß injiziert wird.
  3. Stellen Sie sicher, dass sich die Heizung mit dem Magnetrührer und der kreisförmigen konkaven Buchse mit einer Glasfaserauskleidung (zum Halten und Stützen der Reaktionsgefäßkugel sowie zum Erwärmen des Reaktionsgefäßes und zum Drehen der Magnetrührerstange) im Stickstoffhandschuhfach befindet.
  4. Stellen Sie sicher, dass sich zwei Gummischläuche (zum Anschließen des Kondensatorrohrs an die Wassereinlass-/Auslassöffnungen) im Stickstoffhandschuhfach befinden.
  5. Stellen Sie sicher, dass sich im Stickstoffhandschuhfach eine Mikrowaage befindet, die eine Auflösung von Milligramm (mg) erreichen kann.
  6. Stellen Sie sicher, dass genügend chemische Reagenzien und Lösungsmittel für den Reinigungs- und Syntheseprozess vorhanden sind (siehe Tabelle 1).
    HINWEIS: Es ist am besten, frische / neue hochreine (≥99,8%) Toluol und Methanol, die nie geöffnet oder Luft/Wasser ausgesetzt wurden. Es ist auch am besten, frische / neue Tetrachloraurinsäure (HAuCl4) zu verwenden, die im Kühlschrank aufbewahrt und nie geöffnet wird, bis sie in das Stickstoffhandschuhfach überführt wird. Die Tetrachlorauriersäure sollte zu keinem Zeitpunkt Luft oder Wasser/Feuchtigkeit ausgesetzt werden, sollte nur im Stickstoffhandschuhfach geöffnet und nach dem Öffnen im Stickstoffhandschuhfach im Stickstoffhandschuhfach aufbewahrt werden. Es ist vorzuziehen, neues Oleylamin zu verwenden, und das Oleylamin sollte auch im Stickstoffhandschuhfach gelagert werden. Tetrachloraurinsäure und Oleylamin, die brandneu oder weniger als 1 Jahr alt sind, sollten bessere Ergebnisse erzielen.
  7. Stellen Sie sicher, dass sich Plastiktüten, XL-Nitrilhandschuhe, Reinraumtücher und Aluminiumfolie im Stickstoffhandschuhfach befinden.

2. Reinigen Sie die chemischen Reaktionsgläser (vor der Gold-Nanopartikelsynthese)

ACHTUNG: Gold etchant TFA und aqua regia sind ätzend. Tragen Sie die notwendige persönliche Schutzausrüstung (PSA) wie Chemikalienhandschuhe, Chemikalienkleid, Schutzbrille und Gesichtsschutz. Behandeln Sie die korrosive Lösung nur in einer sauren nassen Bank, während Sie die erforderliche PSA tragen.

  1. Legen Sie in die säurenasse Bank das Glasreaktionsgefäß mit dem daran befestigten Kondensatorrohr zur Unterstützung in ein 600-ml-Becherglas und legen Sie die Seite des Kondensatorrohrs zur weiteren Unterstützung gegen die Seitenwand der sauren Nassbank.
  2. Reinigen Sie die chemischen Reaktionsgläser (Kondensatorrohr, Reaktionsgefäß, Glaspipette) und den magnetischen Rührstab, indem Sie ~ 150 ml der Goldätz-TFA-Lösung und ~ 150 ml DI-Wasser (1: 1-Mischung) in das Kondensatorrohr und das Reaktionsgefäßglas gießen. Legen Sie die magnetische Rührstange und die lange Glasmischpipette in das Kondensatorrohr und lassen Sie das Goldätzbad TFA 30 Minuten lang sitzen und reinigen Sie die Glaswaren.
    HINWEIS: Ergänzende Abbildung 1 zeigt die chemischen Reaktionsgläser, die mit Goldätzgut gereinigt werden.
  3. Trennen Sie nach 30 Minuten die Glaswaren, um die Dichtung zwischen dem Kondensatorrohr und dem Reaktionsgefäß zu knacken, um die gesamte Goldätzlösung in das Reaktionsgefäß zu sammeln, und gießen Sie die verwendete Goldätzlösung in ein 400-ml-Becherglas in der sauren nassen Bank.
    HINWEIS: Die Goldätzlösung wird später wiederverwendet, um die chemischen Reaktionsgläser nach Abschluss des Syntheseprozesses zu reinigen.
  4. Noch in der säurenassen Bank die chemischen Reaktionsgläser und den magnetischen Rührstab 3-4 Mal mit DI-Wasser waschen, um die verbleibende Goldätzlösung auszuspülen, und lassen Sie dann die chemischen Reaktionsgläser und den magnetischen Rührstab für weitere 30 Minuten in einem DI-Wasserbad sitzen.
  5. Nach 30 Minuten in einem DI-Wasserbad sitzen, entleeren Sie das Wasser und verwenden Sie die DI-Wasserpistole, um das Wasser in den sauren nassen Bankablauf zu waschen. Blasen Sie die Glaswaren mit der Stickstoffpistole trocken.
  6. Reinigen Sie im Abzug die chemischen Reaktionsgläser (Kondensatorrohr, Reaktionsgefäß, Glaspipette) und den magnetischen Rührstab durch Spülen mit Aceton, Methanol und Isopropanol; dann föhnen Sie die Glaswaren mit Stickstoff. Entsorgen Sie die schmutzigen Lösungsmittel in eine brennbare Abfallflasche.
  7. Reinigen Sie in der sauren Nassbank die chemischen Reaktionsgläser und den magnetischen Rührstab mit DI-Wasser und föhnen Sie die Glaswaren dann mit Stickstoff.
  8. Reinigen Sie im Abzug die chemischen Reaktionsgläser und den magnetischen Rührstab mit Toluol und föhnen Sie die Glaswaren dann mit Stickstoff. Entsorgen Sie die schmutzige Toluollösung in eine brennbare Abfallflasche.
  9. Decken Sie die chemischen Reaktionsgläser (Kondensatorrohr, Reaktionsgefäß, Glaspipette) und den magnetischen Rührstab mit Aluminiumfolie (insbesondere die Öffnungen / Anschlüsse der Glaswaren) ab, um die Glaswaren sauber zu halten. Stecken Sie ein paar kleine Löcher mit einer Pinzette in die Aluminiumfolie, damit Wasser aus den Glaswaren verdunsten kann.

3. Reinigen Sie die anderen Glaswaren und Synthesematerialien

  1. Reinigen Sie im Abzug die anderen Glaswaren (z. B. 400-ml-Glasbecher, 5 ml kleiner Messglaszylinder, zwei nicht wässrige 20-ml-Glasfläschchen mit PTFE-ausgekleideten Kappen) und Verbrauchsmaterialien (z. B. Metallspatel/Schaufel, Pinzette) mit Aceton, Methanol oder Isopropanol und DI-Wasser; dann die anderen Glaswaren föhnen und mit Stickstoff versorgen. Entsorgen Sie die schmutzigen Lösungsmittel in eine brennbare Abfallflasche.
  2. Wenn Rückstände auf den Glaswaren oder Vorräten sichtbar sind, wischen Sie sie mit einem Reinraumtuch ab oder waschen Sie sie mit Seife und Aceton / Isopropanol, bis der Rückstand verschwindet. Dann spülen Sie sie erneut mit Aceton-, Methanol- und Isopropanol-Lösungsmitteln ab und blasen Sie die Glaswaren dann mit Stickstoff trocken.
  3. Reinigen Sie im Abzug die anderen Glaswaren und versorgen Sie sie mit Toluol; dann die anderen Glaswaren föhnen und mit Stickstoff versorgen. Entsorgen Sie die schmutzige Toluollösung in eine brennbare Abfallflasche.
  4. Reinigen Sie im Abzug die konischen 50 mL Zentrifugenröhrchen mit Aceton, Methanol oder Isopropanol und Toluol; dann föhnen Sie sie mit Stickstoff.
  5. Decken Sie die anderen Glaswaren und Lieferungen mit Aluminiumfolie ab, insbesondere die Öffnungen / Anschlüsse der Glaswaren, um die Glaswaren sauber zu halten. Stecken Sie ein paar kleine Löcher mit einer Pinzette in die Aluminiumfolie, damit Wasser aus den Glaswaren verdunsten kann. Stellen Sie sicher, dass sich die Kappen auf den 50 mL Zentrifugenröhrchen befinden.
  6. Reinigen Sie die Gummipipettenlampe mit Ventilen, indem Sie sie mit einem Reinraumtuch mit Isopropanol abwischen, dann verwenden Sie die Ventile, um etwas Isopropanol (z. B. während Sie etwas aus einer Isopropanol-Quetschflasche hineinspritzen) in die Glühbirne zu saugen und das Isopropanol in eine brennbare Abfallflasche zu spritzen. Stellen Sie sicher, dass sich keine Rückstände auf der Glühbirne befinden. Föhnen Sie die Glühbirne mit Stickstoff und bedecken Sie sie mit Aluminiumfolie.
    HINWEIS: Ergänzende Abbildung 2 zeigt die Glaswaren und Vorräte nach der Reinigung.

4. Geben Sie die Chemikalien, Glaswaren und Verbrauchsmaterialien in die Stickstoffhandschuhbox

  1. Verwenden Sie ein frisches Paar XL-Nitrilhandschuhe über den Handschuhen für die Handhabung von Gegenständen und Chemikalien in der Stickstoffhandschuhbox.
  2. Legen Sie die neuen Chemikalienflaschen (Toluol und Methanol) in das Stickstoffhandschuhfach (indem Sie sie in die Ladesperre geben und abpumpen, um die Umgebungsluft mit der Vakuumpumpe zu entfernen, und dann die Ladesperre mit Stickstoff spülen). Stellen Sie sicher, dass sich auch eine brennbare Abfallflasche für gebrauchtes / schmutziges Toluol in der Stickstoffhandschuhbox befindet.
  3. Stellen Sie sicher, dass sich die Tetrachlorauriersäure (HAuCl4)und das Oleylamin auch im Stickstoffhandschuhfach befinden, wo sie gelagert werden, um die Exposition gegenüber Sauerstoff und Wasser / Feuchtigkeit zu verhindern.
  4. Legen Sie die chemischen Reaktionsgläser (Kondensatorrohr, Reaktionsgefäß, Glaspipette), magnetische Rührstange, 50 mL konische Zentrifugenröhrchen und andere Glaswaren (z. B. 400 mL Glasbecher, 5 mL kleiner Messglaszylinder, zwei nicht wässrige 20 ml Glasfläschchen mit PTFE-ausgekleideten Kappen) und andere Vorräte (z. B. Mikropipette, neue saubere Mikropipettenspitzen in einem Plastikbeutel, Metallspatel / Schaufel, Pinzette, Ventilpipettenlampe) in den Ladeschloss des Handschuhfachs. Schließen Sie die Loadlock-Tür, pumpen Sie die Loadlock zum Vakuum herunter, lassen Sie sie 2 Minuten unter Vakuum, reinigen Sie die Loadlock mit Stickstoff und legen Sie die Gegenstände dann in das Stickstoffhandschuhfach.
    HINWEIS: Restwasser und Lösungsmittel sollten im Loadlock verdampft sein, während es ins Vakuum gepumpt wurde, bevor das Loadlock mit Stickstoff gespült wird.
  5. Nachdem Sie die Gegenstände in das Stickstoffhandschuhfach übertragen haben, verwenden Sie eine weitere Schicht Aluminiumfolie, um die Gegenstände (insbesondere die Glaswaren), die mit Aluminiumfolie mit Löchern in der Folie bedeckt sind, zu bedecken, die Löcher abzudecken und zu verhindern, dass die Gegenstände im Stickstoffhandschuhfach schmutzig werden.
  6. Lassen Sie die sauberen Gegenstände über Nacht im Stickstoffhandschuhfach, wobei der Stickstoff zirkuliert, um Restwasser / Feuchtigkeit / Feuchtigkeit aus dem Stickstoffhandschuhfach zu entfernen und herauszufiltern.

Gold-Nanopartikel-Syntheseprozess (Tag 2)
HINWEIS: Die folgenden Schritte können am zweiten Tag des Syntheseprozesses abgeschlossen werden.

5. Richten Sie die chemischen Reaktionsgläser und -zubehör in der Stickstoffhandschuhbox ein und reinigen Sie sie

  1. Beginnen Sie mit dem Aufstellen und Reinigen der chemischen Reaktionsgläser und -vorräte im Stickstoffhandschuhfach. Legen Sie das Glasreaktionsgefäß in das Stickstoffhandschuhfach auf die Glasfasernetzbuchse auf die Oberseite der Heizung / des Rührers und legen Sie das Kondensatorrohr über das Glasreaktionsgefäß, wobei das Kondensatorrohr mit dem Ständer mit den Klemmen unterstützt wird.
    HINWEIS: Ergänzende Abbildung 3 zeigt den Versuchsaufbau der Gold-Nanopartikelsynthese.
  2. Stellen Sie sicher, dass sich der magnetische Rührstab im Glasreaktionsgefäß befindet. Gießen Sie ~ 200 ml Toluol in das Glasreaktionsgefäß. Legen Sie das Glasreaktionsgefäß mit ~200 mL Toluol auf den Rührwärmemantel und senken Sie das Glaskondensatorrohr in das Reaktionsgefäß.
  3. Verbinden Sie die beiden Schläuche im Stickstoffhandschuhfach mit den Wasserein- und -auslassöffnungen des Kondensatorrohrs.
  4. Legen Sie außerhalb des Stickstoffhandschuhfachs das Ende des Wasserauslassabflussschlauchs in das Abflussreservoir / die Spüle in der angrenzenden Abzugshaube. Verwenden Sie eine Klemme oder ein Klebeband, um den Schlauch zu halten, und halten Sie den Schlauch bis in den Abfluss ausgerichtet.
  5. Schließen Sie den Wasserversorgungseinlassschlauch an die Wasserversorgungsleitung am angrenzenden Abzug an.
  6. Schalten Sie das Wasser langsam ein und überwachen Sie es, um sicherzustellen, dass es sanft durch die äußere Kammer des Kondensatorrohrs nach oben fließt. Stellen Sie den Wasserfluss nach Bedarf ein, indem Sie das Wasserventil leicht öffnen/schließen.
  7. Lassen Sie Wasser durch den Einlasskanal an der Unterseite des Kondensatorrohrs, das Kondensatorrohr und den Auslasskanal an der Oberseite des Kondensatorrohrs fließen.
  8. Achten Sie darauf, dass sich keine großen Luftblasen in der Wasserversorgung befinden und achten Sie darauf, dass die Schläuche mechanisch stabil sind.
    HINWEIS: Wenn Sie Lösungen im chemischen Reaktionsgefäß kochen, fließen Sie langsam etwas Wasser von der Unterseite des Kondensatorrohrs durch die äußere Kammer des Kondensatorrohrbehälters nach oben in das Kondensatorrohr, so dass das Wasser langsam durch den Drainageschlauch abfließt. Dieser langsame, aber kontinuierliche Wasserfluss kühlt das Kondensatorrohr und hilft beim Kondensieren und Zurückhalten des gekochten Dampfes.
  9. Stellen Sie sicher, dass Wasser sanft durch das Kondensatorrohr fließt, um es zu kühlen.
  10. Fließen Sie kontinuierlich frischen Stickstoff in das Stickstoffhandschuhfach, um das Handschuhfach zu reinigen. Belüften Sie das Stickstoffhandschuhfach kontinuierlich, indem Sie ein leichtes Vakuum auf das Stickstoffhandschuhfach ziehen, so dass Stickstoff und Toluoldampf aus dem Handschuhfach gepumpt werden.
    HINWEIS: Ziehen Sie ein leichtes Vakuum auf das Stickstoffhandschuhfach, indem Sie das Ausgleichsventil zwischen dem Stickstoffhandschuhfach und dem Loadlock leicht öffnen, während Sie das Vakuum am Loadlock ziehen. Öffnen Sie das Ausgleichsventil nicht vollständig, da sonst das Vakuumniveau und der Stickstofffluss zu hoch ist. Fließen Sie gerade genug Stickstoff, um den Toluol/ chemischen Dampf im Handschuhfach im Laufe der Zeit kontinuierlich auszuspülen und zu belüften. Die Vakuumabzugsleitung sollte in einen Abzug entlüftet werden.
  11. Beginnen Sie mit dem Erhitzen und Rühren des Toluols mit dem Magnetrührer am Rühr- und Heizmantel. Lassen Sie das Toluol sich einem sanften Kochen nähern. Nähern Sie sich nicht der Flammpunkttemperatur von Toluol oder überschreiten Sie sie nicht; reduzieren Sie die Hitze, wenn es zu kochen beginnt.
  12. Lassen Sie das Toluol kochen und verdampfen Sie für 30 Minuten unter dem magnetischen Rührstab, um die Reaktionsgläser (Reaktionsgefäß und Kondensatorrohr) zu reinigen.
    HINWEIS: Das verdampfte Toluol kühlt ab und kondensiert im Kondensatorrohr und tropft zurück in das Reaktionsgefäß.
  13. Schalten Sie nach 30 Minuten die Heizung und den Magnetrührer aus und lassen Sie das Toluol einige Minuten abkühlen, bis das Toluol aufhört zu verdampfen und im Reaktionsgefäß zu kondensieren.
  14. Nachdem das Toluol abgekühlt ist, heben Sie das Kondensatorrohr vorsichtig an und hängen Sie es über dem Reaktionsgefäß auf, indem Sie es mit dem Ständer mit Klemmen stützen. Stellen Sie sicher, dass Sie die Klemme festziehen und das Kondensatorrohr richtig stützen, da es instabil sein könnte.
  15. Gießen Sie das Toluol aus dem Reaktionsgefäß in das 400 ml Glasbecherglas. Achten Sie darauf, den magnetischen Rührstab nicht versehentlich auszugießen. Legen Sie das Reaktionsgefäß wieder auf den Heiz- und Rührmantel.
  16. Schwenken Sie das Toluol im 400-ml-Glasbecherglas herum, um das Becherglas zu reinigen. Gießen Sie das schmutzige/gebrauchte Toluol aus und entsorgen Sie es in die brennbare Abfallflasche. Reinigen Sie das 400 ml Glasbecherglas erneut mit etwas frischem Toluol und entsorgen Sie dann das gebrauchte Toluol in die brennbare Abfallflasche.

6. Toluol & Oleylamin Kochlösung Zubereitung

VORSICHT: Oleylamin ist giftig und ätzend, also behandeln Sie es sorgfältig. Wenn Sie Oleylamin außerhalb des Stickstoffhandschuhfachs handhaben, tragen Sie die erforderliche persönliche Schutzausrüstung (PSA) wie chemische Handschuhe, chemisches Kleid, Schutzbrille und Gesichtsschutz. Wenn Sie Oleylamin im Stickstoffhandschuhfach behandeln, stellen Sie sicher, dass Sie die Handschuhe mit neuen/sauberen XL-Nitrilhandschuhen abdecken. Achten Sie darauf, das Oleylamin nicht versehentlich zu verschütten. Einige Reinraumtücher können auf die Oberfläche der Laborbank im Handschuhfach gelegt werden, um kleine Verschüttungen zu absorbieren.

  1. Im Stickstoffhandschuhfach wird eine siedende Lösung von 147 ml (~ 150 ml) Toluol und 8,7 ml (~ 9 ml) Oleylamin im Reaktionsgefäß herstellen.
    1. Verwenden Sie das 400 ml Glasbecherglas, um die 147 ml (~ 150 ml) Toluol zu messen. Gießen Sie die 147 ml (~ 150 ml) Toluol aus dem Glasbecher in das Reaktionsgefäß.
    2. Verwenden Sie den 5 mL kleinen Glasmesszylinder, um die 8,7 mL (~ 9 mL) Oleylamin sorgfältig zu messen. Zuerst sorgfältig messen und 4 mL und dann 4,7 ml Oleylamin aus dem kleinen Glasmesszylinder in das Reaktionsgefäß gießen.
  2. Senken Sie das Kondensatorrohr vorsichtig wieder in das Glasreaktionsgefäß ab.
  3. Stellen Sie sicher, dass Wasser sanft durch die äußere Kammer des Kondensatorrohrs fließt, um das Toluol und den Oleylamindampf zu kühlen, zu kondensieren und zu sammeln.
  4. Erhitzen und rühren Sie die Oleylamin- und Toluollösung im Reaktionsgefäß und lassen Sie die Lösung sich einem langsamen / sanften Kochen nähern (mit dem Rühr- und Erhitzungsmantel, wobei sich der magnetische Rührstab dreht, um die Lösung zu mischen). Sobald die Oleylamin- und Toluollösung ein sanftes Kochen erreicht hat, drehen Sie die Hitze ein wenig herunter, damit sie langsam kocht. Nähern Sie sich dem Flammpunkt von Toluol nicht und überschreiten Sie ihn nicht.

7. Tetrachloraurinsäure, Oleylamin & Toluol Injektionslösung Zubereitung

  1. Beginnen Sie mit der Herstellung der Injektionslösung (150 mg Tetrachloraurinsäure, 3,6 ml Oleylamin, 3,0 ml Toluol).
  2. Stellen Sie sicher, dass die Tetrachloraurinsäure frisch ist oder nicht Luft, Wasser, Feuchtigkeit oder Feuchtigkeit ausgesetzt wurde. Entfernen Sie die Laborfolie oder Dichtung, die die Tetrachloraurinsäure vor Luft und Feuchtigkeit schützt.
    HINWEIS: Die Tetrachloraurinsäure ist sehr empfindlich gegenüber Wasser / Feuchtigkeit / Feuchtigkeit. Es sollten alle Anstrengungen unternommen werden, um zu verhindern, dass das Tetrachloraurinsäurepulver Luft/Wasser ausgesetzt wird. Die Tetrachlorauriersäure wird in einem versiegelten Beutel geliefert und neue Behältergefäße werden mit Wachs versiegelt, um zu verhindern, dass Wasserdampf in neue Gefäße gelangt. Eine neue Charge Tetrachloraurinsäure kostet ~ $ 100, sollte aber ein Jahr dauern, wenn sie nicht Wasserdampf ausgesetzt ist. Lagern Sie neue ungeöffnete Chargen Tetrachloraurinsäure im Kühlschrank. Übertragen Sie eine neue ungeöffnete Charge Tetrachloraurinsäure vor dem Öffnen in das Stickstoffhandschuhfach. Öffnen Sie einen neuen Behälter mit Tetrachlorauriersäure erst dann in der Stickstoffhandschuhbox, wenn die Luftfeuchtigkeit ein entsprechend niedriges und stabiles Niveau erreicht hat (weniger als 0,8% relative Luftfeuchtigkeit). Lagern Sie die Tetrachloraurinsäure nach dem Öffnen im Stickstoffhandschuhfach. Nach dem Öffnen der Tetrachloraurinsäure wickeln Sie laborfilm um den Deckel des Behälters, um den Behälter zu versiegeln und zu verhindern, dass Wasserdampf und Verunreinigungen in den Behälter gelangen.
  3. Legen Sie in das Stickstoffhandschuhfach eine der beiden nicht wässrigen 20-ml-Glasfläschchen mit den PTFE-ausgekleideten Kappen auf die Mikrowaage/Skala und entfernen Sie die mit PTFE ausgekleidete Kappe.
  4. Stellen Sie sicher, dass Sie die Mikrowaage mit der 20-ml-Glasfläschchen auf der Waage "wieder null" oder "tarieren", bevor Sie mit dem Abwiegen des Tetrachloraurinsäurepulvers beginnen.
  5. Verwenden Sie im Stickstoffhandschuhfach den kleinen Metallspatel, um Tetrachlorauriersäurepulver aus dem Behälter in die 20-ml-Glasdurchstechflasche auf der Mikrowaage auf einem gemessenen Gewicht von 150 mg Tetrachlorauriersäurepulver abzuscheiden.
  6. Entfernen Sie die mit PTFE ausgekleidete Kappe von der anderen nicht wässrigen 20-ml-Glasdurchstechflasche (der leeren, die sich derzeit nicht auf der Mikrowaage befindet).
    VORSICHT: Oleylamin ist giftig und ätzend, also behandeln Sie es sorgfältig.
  7. Verwenden Sie den 5 mL kleinen Glasmesszylinder, um 3,6 ml Oleylamin zu messen. Gießen Sie vorsichtig die 3,6 ml Oleylamin aus dem 5 mL kleinen Glasmesszylinder in die 20 mL Glasfläschchen ohne die Tetrachloraurinsäure.
  8. Gießen und messen Sie vorsichtig 3,0 ml Toluol in den 5 ml kleinen Glasmesszylinder. Gießen Sie vorsichtig die 3,0 ml Toluol aus dem 5 mL kleinen Glasmesszylinder in die 20 mL Glasfläschchen mit dem Oleylamin.
    HINWEIS: Wenn zu viel Toluol in den Milchglaszylinder gegossen wird, kann das überschüssige Lösungsmittel in die brennbare Abfallflasche gegossen werden. Es ist am besten, den kleinen 5 mL Messglaszylinder zur Messung des Oleylamins und Toluols zu verwenden. Achten Sie darauf, das Oleylamin nicht zu verschütten, da es ätzend und giftig ist.
  9. Schrauben Sie die PTFE-ausgekleidete Kappe mit dem Oleylamin und Toluol im Inneren wieder auf die 20-ml-Glasfläschchen. Schütteln und schwenken Sie die geschlossene Glasfläschchen, um das Oleylamin und die Toluollösung miteinander zu mischen.
  10. Öffnen Sie die Durchstechflasche mit 20 ml Lösungsglas. Gießen Sie vorsichtig die ~ 150 mg Tetrachloraurinsäurepulver in die Glasfläschchen mit der Oleylamin- und Toluollösung.
  11. Schrauben Sie die mit PTFE ausgekleideten Kappen wieder auf die Glasfläschchen. Schütteln und schwenken Sie die geschlossene Glasfläschchen mit der Tetrachloraurinsäure, Oleylamin und Toluol, um die Lösung miteinander zu mischen. Schütteln Sie die Lösung weiter und stellen Sie sicher, dass sie gründlich gemischt wird.
    HINWEIS: Die Tetrachloraurinsäure, Oleylamin und Toluol-Injektionslösung sollten nach dem Schütteln und Mischen dunkelrot oder violett werden, wie in ergänzende Abbildung 4gezeigt.

8. Injektion der Tetrachlorauriersäure, Oleylamin & Toluollösung in das Gefäß

  1. Stellen Sie sicher, dass Wasser langsam in den Boden des Kondensatorrohrs und nach oben in die Oberseite des Kondensatorrohrs fließt. Stellen Sie den Wasserfluss nach Bedarf ein, indem Sie das Wasserventil vorsichtig öffnen/schließen.
  2. Stellen Sie sicher, dass die Oleylamin- und Toluollösung im Glasreaktionsgefäß schonend ist, wobei etwas Toluol und Oleylamin in das Kondensatorrohr verdampfen. Stellen Sie sicher, dass der Magnetrührer eingeschaltet ist.
  3. Heben Sie das Kondensatorrohr über das Reaktionsgefäß an und verwenden Sie den Ständer mit Klemmen, um die Glaswaren zu stützen. Stellen Sie sicher, dass genügend Platz und Freiraum vorhanden ist, um die Tetrachlorauriersäure, Oleylamin und Toluollösung in das Reaktionsgefäß zu injizieren.
  4. Entfernen Sie die lange abgestufte Glaspipette aus der Aluminiumfolie (die die Pipette schützte, um sie sauber zu halten) und befestigen Sie die Gummilampe mit Ventilen an der Pipette. Stellen Sie sicher, dass Sie mit dem Betrieb der Gummilampe mit Ventilen vertraut sind, um eine Lösung mit der langen, abgestuften Glaspipette aufzusaugen und auszuspritzen, bevor Sie sie verwenden.
  5. Schütteln Sie die geschlossene 20-ml-Durchstechflasche aus nicht wässrigem Glas mit der PTFE-ausgekleideten Kappe mit der Tetrachloraurinsäure-, Oleylamin- und Toluol-Injektionslösung und stellen Sie sicher, dass sie gut gemischt ist. Öffnen Sie die 20 ml Glasfläschchen mit der Injektionslösung, indem Sie die Kappe entfernen.
  6. Drücken Sie auf das obere Ventil, während Sie die Gummilampe zusammendrücken, um die Gummilampe zu entleeren. Legen Sie vorsichtig die Spitze der langen Milchpipette in die 20-ml-Glasdurchstechflasche mit der Tetrachloraurinsäure, Oleylamin und Toluol-Injektionslösung.
  7. Drücken Sie vorsichtig das untere Ventil auf den Gummikolben, der mit der langen Milchpipette verbunden ist, um langsam die gesamte Tetrachloraurinsäure, Oleylamin und Toluol-Injektionslösung in die Glaspipette zu ziehen.
    HINWEIS: Ergänzende Abbildung 5 zeigt, wie die Injektionslösung kurz vor dem Einspritzen der Lösung in das Reaktionsgefäß mit dem Gummikolben mit Ventilen in die lange Abstreifglaspipette gezogen wird. Es kann vorteilhaft sein, die lange abgestufte Glaspipette mit dem Kolben mit Ventilen (z. B. mit etwas Toluol) zu betreiben, bevor die Tetrachlorauriersäure, Oleylamin und Toluollösung tatsächlich gezogen und injiziert werden.
  8. Legen Sie vorsichtig die Spitze der Glaspipette in die Öffnung des Reaktionsgefäßes und injizieren Sie schnell die Tetrachlorauriersäure, Oleylamin und Toluol-Injektionslösung in die Siedelösung von Oleylamin und Toluol im Reaktionsgefäß.
    HINWEIS: Die Lösungsfarbe sollte sich zunächst innerhalb von etwa einer Minute von Rot über Gelb zu Weiß ändern, da Goldnanopartikel zu keimen und zu wachsen beginnen.
  9. Verwenden Sie die Klemme am Ständer, um das Kondensatorrohr wieder in das Reaktionsgefäß abzusenken.
  10. Die chemische Reaktionslösung des Goldnanopartikels 2 Stunden lang sanft kochen.
    HINWEIS: Der Toluoldampf aus der Siedelösung sollte im Röhrchen kondensieren und wieder in das Reaktionsgefäß tropfen. Über mehrere Minuten sollte sich die Farbe der Reaktionsmischung dann von weiß über gelb zu hellrosa und dann zu rot ändern, wenn die Goldnanopartikel größer werden. Im Laufe von 1-2 Stunden sollte sich die Farbe der Reaktionsmischung allmählich von hellrot zu tiefrot/violett ändern.
  11. Nach 2 Stunden Erhitzen der Reaktionslösung schalten Sie die Heizung aus.
    HINWEIS: An dieser Stelle kann die Lösung entweder auf natürliche Weise auf Raumtemperatur abkühlen, oder die Lösung kann sofort durch Zugabe von ~ 100 ml Methanol in die Lösung abgeschreckt werden. Die bisher bekannteste Praxis besteht darin, die Lösung auf natürliche Weise abkühlen zu lassen, anstatt die Lösung sofort abzuschrecken.
  12. Lassen Sie die Lösung für 1 Stunde auf natürliche Weise auf Raumtemperatur abkühlen (empfohlen); oder löschen Sie die Gold-Nanopartikellösung sofort mit 100 ml Methanol (nicht empfohlen).

9. Abschrecken der Reaktion mit Methanol nach dem Abkühlen der Gold-Nanopartikellösung

  1. Stellen Sie sicher, dass die Heizung ausgeschaltet wurde und die Lösung abgekühlt ist.
  2. Hören Sie auf, Wasser durch das Kondensatorrohr zu fließen. Entfernen Sie vorsichtig den Wasserabflussschlauch aus der Spüle / dem Abfluss in der angrenzenden Abzugshaube und schließen Sie ihn an den Vakuumanschluss im Abzug an.
  3. Ziehen Sie Vakuum auf den Drainageschlauch, um das Wasser im Kondensatorrohr und im Drainageschlauch abzusaugen. Entfernen Sie vorsichtig das Kondensatorrohr mit der Klemme vom Ständer und legen Sie es horizontal in das Stickstoffhandschuhfach.
    HINWEIS: Das Vakuum, das am Glaskondensatorrohr gezogen wird, sollte das Wasser im Kondensatorrohr verdampfen.
  4. Im Stickstoffhandschuhfach ~35 ml Methanol in jedes der 50 ml konischen Zentrifugenröhrchen gießen (Menge 12).
    HINWEIS: Methanol wird verwendet, um nicht umgesetzte Reagenzien und Nebenprodukte aus dem Syntheseprozess zu entfernen, um die Goldnanopartikel zu reinigen und zu waschen. Die 50 mL Zentrifugenröhrchen sollten in Reagenzglasgestellen aufrecht gehalten werden.
  5. Gießen Sie die Gold-Nanopartikellösung in gleichen Mengen (~12 mL) in jedes der 50 mL Zentrifugenröhrchen (Menge 12) mit Methanol. Achten Sie darauf, den magnetischen Rührstab nicht versehentlich auszugießen, während Sie die Goldnanopartikellösung in jedes Zentrifugenröhrchen gießen.
    HINWEIS: Ergänzende Abbildung 6 zeigt ~ 12 ml Gold-Nanopartikellösung, die in jedes der 50 ml konischen Zentrifugenröhrchen mit Methanol gegossen wird. Nach dem Gießen von ~12 ml Goldnanopartikellösung in jede der 50 mL konischen Zentrifugenröhrchen mit ~35 ml Methanol sollte jedes Zentrifugenröhrchen ~47 ml Lösung enthalten (etwas unter der 50 mL Marke).
  6. Verteilen Sie die verbleibende Gold-Nanopartikellösung gleichmäßig zwischen den Zentrifugenröhrchen.
  7. Schrauben Sie die Kappen auf die 50 mL Zentrifugenröhrchen, um sie zu schließen und die Kappen festzuziehen.
  8. Trennen Sie die Ein- und Auslassschläuche vom Glaskondensatorrohr, verbinden Sie die Einlass- und Auslassschläuche miteinander, indem Sie sie ineinander einspeisen, und wickeln Sie dann die Verbindung der Rohre mit Laborfolie ein, um die Verbindung zu versiegeln. Schalten Sie das Vakuum aus, das an den Schläuchen gezogen wird.
    HINWEIS: Die Schläuche sind verbunden und versiegelt, um zu verhindern, dass Wasser oder Wasserdampf versehentlich in das Stickstoffhandschuhfach gelangen.
  9. Entfernen Sie die 50 mL konischen Zentrifugenröhrchen mit der Gold-Nanopartikellösung und Methanol aus dem Stickstoffhandschuhfach durch die Lastverriegelung. Entfernen Sie auch die Methanolflasche und die Toluolflasche aus dem Stickstoffhandschuhfach. Legen Sie sie in den angrenzenden Abzug.
  10. Entfernen Sie auch das Glasreaktionsgefäß, den magnetischen Rührstab, das Glaskondensatorrohr, die lange Glasmischpipette und die Gummilampe mit Ventilen aus dem Stickstoffhandschuhfach durch die Lastverriegelung. Legen Sie sie in den angrenzenden Abzug.
  11. Beschriften Sie die Oberseite jedes 50-ml-Zentrifugenröhrchens auf den Kappen mit einer Probennummer (z. B. 1, 2, 3, 4, ...), um die verschiedenen Proben zu verfolgen.
    HINWEIS: Nach dem Entfernen der Gold-Nanopartikellösung und der Glaswaren / Vorräte sollte das Stickstoffhandschuhfach mehrere Stunden oder über Nacht weiter belüftet werden, indem frischer Stickstoff in das Handschuhfach geleitet wird, während ein leichtes Vakuum gezogen wird, um den Toluol / Oleylamindampf auszuspülen und zu belüften. Die Vakuumabzugsleitung sollte in einen Abzug entlüftet werden. Das Stickstoff-Handschuhfach sollte auch mit Regenerationsgas regeneriert werden, um Feuchtigkeit / Lösungsmittel aus dem Filtersystem zu entfernen. Einige Stickstoffhandschuhboxen können auch mit einer Lösungsmittelfalle kommen, die beim Entfernen von Lösungsmitteldämpfen hilft.

10. Waschen und Reinigen der Goldnanopartikel mit Toluol und Methanol

HINWEIS: Jedes 50-ml-Zentrifugenröhrchen mit Goldnanopartikeln wird gewaschen und mit 10 ml Toluol und 40 ml Methanol 3 Mal gereinigt, wobei die Goldnanopartikel in Chargen von jeweils 6 Zentrifugenröhrchen gereinigt werden. Die Zentrifugenröhrchen sollten eine gleiche Menge an Gold-Nanopartikellösung aufweisen und gleich gewichtet und ausbalanciert sein.

  1. Legen Sie 6 der 50 mL Zentrifugenröhrchen mit Gold-Nanopartikellösung in die Zentrifuge.
  2. Schließen Sie den Deckel der Zentrifuge und geben Sie die folgenden Einstellungen zum Spinnen der Goldnanopartikel ein:
    Drehzahl: 2328
    RCF: 1000
    Zeit: 5 Minuten
  3. Beginnen Sie mit dem Spinnen von 6 der 12 konischen Zentrifugenröhrchen mit der Goldnanopartikellösung und Methanol in der Zentrifuge.
  4. Nachdem die ersten 6 Zentrifugenröhrchen mit Goldnanopartikeln gedreht wurden, entfernen Sie die Röhrchen vorsichtig aus der Zentrifuge. Achten Sie darauf, die Gold-Nanopartikel-Pellets nicht zu stören, während Sie die Zentrifugenröhrchen in die Röhrengestelle legen.
    HINWEIS: Ergänzende Abbildung 7 zeigt, wie die Gold-Nanopartikellösung nach der Zentrifugation in den konischen 50-ml-Zentrifugenröhrchen erscheinen sollte. Die Zentrifugalkraft zieht die Goldnanopartikel in Lösung herunter und trennt sie vom Methanol und Toluol. Die Goldnanopartikel fallen am Boden jedes Zentrifugenröhrchens zu Pellets aus. Die überstandige Methanol/Toluol-Lösung scheint über den dunklen Gold-Nanopartikel-Pellets klar/transparent zu sein, was darauf hindeutet, dass die Zentrifugation die Gold-Nanopartikel aus der Lösung ausgefallen ist.
  5. Legen Sie die letzten 6 der 12 konischen Zentrifugenröhrchen mit der Gold-Nanopartikellösung und Methanol in die Zentrifuge. Schließen Sie den Deckel der Zentrifuge und geben Sie die gleichen Zentrifugeneinstellungen wie zuvor ein. Beginnen Sie mit dem Drehen der Rohre in der Zentrifuge.
  6. Nachdem die letzten 6 Zentrifugenröhrchen mit dem Spinnen fertig sind, entfernen Sie die Röhrchen vorsichtig aus der Zentrifuge. Achten Sie darauf, die Gold-Nanopartikel-Pellets nicht zu stören, während Sie die Zentrifugenröhrchen in die Röhrengestelle legen.
  7. Tragen Sie vorsichtig alle Zentrifugenröhrchen mit den Goldnanopartikeln zum Abzug und versuchen Sie, sie während des Transports nicht zu stören oder zu rühren.
  8. Gießen Sie das Methanolabfall langsam und vorsichtig in ein brennbares Abfallgefäß / Becherglas. Achten Sie darauf, die schwarzen Gold-Nanopartikel-Pellets am Boden der Zentrifugenröhrchen nicht zu stören und nicht auszugießen oder zu verlieren.
    HINWEIS: Der erste Methanol-Spülzyklus ist nun abgeschlossen.
  9. Beginnen Sie den zweiten Methanol-Spülzyklus, indem Sie ~ 10 ml frisches Toluol in jede der konischen Zentrifugenröhrchen mit schwarzen Nanopartikelpellets im Abzug gießen. Schrauben Sie die Kappen wieder auf, um die 50 mL Zentrifugenröhrchen zu schließen.
  10. Wirbeln Sie jedes der 50-ml-Zentrifugenröhrchen durch, bis die schwarzen Flüssigen / Niederschlags- / Goldnanopartikel resuspendiert und in der 10-ml-Toluollösung dispergiert sind, und die Lösung sieht trüb / dunkel aus. Überprüfen Sie den Boden jedes Zentrifugenröhrchens, um sicherzustellen, dass der größte Teil der schwarzen Rückstände (Goldnanopartikel) wieder in Lösung resuspendiert wurde.
    HINWEIS: Ergänzende Abbildung 8 zeigt die Zentrifugenröhrchen mit Gold-Nanopartikellösung und Toluol, die vortexed und resuspendiert werden. Vortexing ist viel besser und schonender für die Goldnanopartikel als das Beschallen der Goldnanopartikel. Beschallen Sie die Goldnanopartikel nicht, da die Beschallung die Oleylaminliganden von den Goldnanopartikeln abstreifen und eine Aggregation und Sedimentation der Goldnanopartikel verursachen könnte.
    HINWEIS: Ergänzende Abbildung 9 zeigt, wie die Gold-Nanopartikel-Lösung aussehen sollte, wenn die Gold-Nanopartikel in Lösung resuspendiert werden, indem jedes Gold-Nanopartikel-Pellet mit ~ 10 ml Toluol vortext wird.
  11. Gießen Sie ~ 40 ml frisches Methanol in jede der konischen Zentrifugenröhrchen mit Toluol und Nanopartikeln, so dass mit den 10 ml Toluol, die sich bereits in jedem Zentrifugenröhrchen befinden, insgesamt ~ 50 ml Lösung in jedem 50 ml Zentrifugenröhrchen vorhanden sind. Schrauben Sie die Kappen wieder auf die 50-ml-Zentrifugenröhrchen, um die Rohre zu schließen, und stellen Sie sicher, dass die Kappen fest sind.
  12. Legen Sie die Zentrifugenröhrchen in die Zentrifuge. Drehen Sie die Zentrifugenröhrchen in der Zentrifuge, um die Goldnanopartikel in einem Pellet am Boden jeder Röhre zu sammeln, jeweils 6 Zentrifugenröhrchen. Verwenden Sie die gleichen Zentrifugeneinstellungen wie zuvor (RCF 1000, 5 Minuten).
  13. Nachdem die Zentrifuge aufgehört hat, nehmen Sie die Röhrchen mit den Nanopartikeln vorsichtig heraus und nehmen Sie sie dann vorsichtig zum Abzug (versuchen Sie, sie während des Transports nicht zu stören oder zu rühren). Gießen Sie das Abfalltluol und Methanol vorsichtig in das brennbare Abfallgefäß / Becherglas.
    HINWEIS: Der zweite Methanol-Spülzyklus ist nun abgeschlossen.
  14. Befolgen Sie für den dritten und letzten Spülzyklus den gleichen Prozess wie zuvor für das Wirbeln in 10 ml Toluol, das Reinigen in 40 ml Methanol, das Zentrifugieren und das vorsichtige Ausgießen des Toluol/ Methanollösungsmittels. Stellen Sie sicher, dass die Goldnanopartikel in jedem der 50-ml-Zentrifugenröhrchen mit Toluol resuspendiert und 3 Mal mit Methanol gewaschen werden.

11. Trocknen der Gold-Nanopartikel

HINWEIS: Nachdem die Goldnanopartikel in den 50-ml-Zentrifugenröhrchen 3 mal separat gewaschen wurden und das Toluol und Methanol zum letzten Mal ausgegossen wurden, müssen die Goldnanopartikel getrocknet werden, um das verbleibende Lösungsmittel zu verdampfen. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Goldnanopartikel zu trocknen und das Lösungsmittel zu verdampfen:

  1. Option 1 - Stickstoffpistole (nicht empfohlen):
    1. Verwenden Sie eine Stickstoffpistole oder ein Ventil im Abzug, um die Zentrifugenröhrchen, die die schwarzen Pellets von Goldnanopartikeln am Boden der Röhrchen enthalten, vorsichtig zu föhnen.
    2. Achten Sie darauf, nicht zu viel Stickstoffdruck zu verwenden, da sich sonst die zerbrechlichen Gold-Nanopartikel-Pellets entfernen können.
      HINWEIS: Das Trocknen der Goldnanopartikel mit der Stickstoffpistole ist nicht ideal, da dies dazu führen kann, dass die Goldnanopartikelpellets beschädigt / verloren gehen.
  2. Option 2 - Vakuumtrocknung (empfohlen):
    1. Lösen Sie die Kappen der 50-ml-Zentrifugenröhrchen mit Gold-Nanopartikel-Pellets, so dass die Röhrchen noch bedeckt sind, aber Lösungsmittel verdampfen und aus dem Inneren der Röhrchen entweichen kann.
    2. Legen Sie das Röhrchengestell mit Goldnanopartikeln in die Vakuumlastverriegelung des Stickstoffhandschuhfachs. Schließen und versiegeln Sie die äußere Lastverriegelungstür und öffnen Sie das Ventil zur Vakuumpumpe, um das Vakuum an der Lastverriegelung zu ziehen.
    3. Pumpen Sie auf etwa die Hälfte des Überdrucks (~-15 inHg) herunter, um das Lösungsmittel zu verdampfen und die Nanopartikel zu trocknen.
    4. Lassen Sie die Goldnanopartikel bei moderatem Vakuumdruck (Halbmaß, ~-15 inHg) ~5 Minuten in der Lastschleuse. Pumpen Sie nicht auf einen niedrigeren Druck herunter und lassen Sie sie nicht zu lange im Vakuum, da sich sonst die Oleylaminliganden lösen können.
    5. Nachdem die Goldnanopartikel einige Minuten unter Vakuum standen, um die Goldnanopartikel zu trocknen und das verbleibende Lösungsmittel zu verdampfen, spülen Sie die Lastsperre mit Stickstoff, bis die Lastsperre atmosphärischen Druck erreicht.
    6. Entfernen Sie die 50 mL Zentrifugenröhrchen mit Goldnanopartikeln aus dem Lastverschluss und untersuchen Sie die Trockenheit der Goldnanopartikelpellets im Abzug.
      HINWEIS: Ergänzende Abbildung 10 zeigt, wie ein getrocknetes Gold-Nanopartikel-Pellet am Boden eines 50-ml-konischen Zentrifugenröhrchens nach der Vakuumtrocknung aussehen sollte. Befindet sich noch etwas Lösungsmittel im konischen 50 mL Zentrifugenröhrchen, müssen die Goldnanopartikel weiter getrocknet werden, um das verbleibende Lösungsmittel zu verdampfen. Die Vakuumtrocknung ist die bevorzugte Methode zum Trocknen, da es im Vergleich zu aggressiveren Methoden wie der Stickstoffpistolentrocknung weniger wahrscheinlich ist, das Goldnanopartikelpellet zu beschädigen oder zu verlieren. Wenn keine Vakuum-Lastsperre verfügbar ist oder wenn dies bevorzugt ist, können die Goldnanopartikel auch in einem Vakuum-Austrocknungser getrocknet werden.
  3. Nachdem die Gold-Nanopartikel-Pellets getrocknet sind, schrauben Sie die Kappen fest auf die Zentrifugenröhrchen.
  4. Wickeln Sie laborische Folie um die dicht verschlossenen Kappen, um die Zentrifugenröhrchen mit den Gold-Nanopartikel-Pellets im Inneren zu versiegeln.
  5. Beschriften Sie die 50 mL Zentrifugenröhrchen mit Gold-Nanopartikel-Niederschlagspellets mit einem entsprechend beschreibenden Etikett wie "Dried Au NP" und dem Datum (z.B. 28.09.2020).
  6. Legen Sie die versiegelten Zentrifugenröhrchen mit getrockneten Gold-Nanopartikel-Pellets in einen 2 °C - 8 °C Kühlschrank. Verwenden Sie ein Tablett oder 50 ml konische Zentrifugenrohrgestelle, um die Rohre aufrecht zu halten.
    HINWEIS: Die ergänzende Abbildung 11 zeigt die Zentrifugenröhrchen mit Laborfolie umwickelt, etikettiert und in einem Kühlschrank mit 2 °C bis 8 °C gelagert. Jedes Zentrifugenröhrchen kann im Kühlschrank aufbewahrt werden, bis es zur Herstellung einer Lösung aus resuspendierten Goldnanopartikeln verwendet wird.

12. Reinigen Sie die chemischen Reaktionsgläser (nach der Gold-Nanopartikelsynthese)

ACHTUNG: Gold etchant TFA und aqua regia sind ätzend. Tragen Sie die notwendige persönliche Schutzausrüstung (PSA) wie Chemikalienhandschuhe, Chemikalienkleid, Schutzbrille und Gesichtsschutz. Behandeln Sie die korrosive Lösung nur in einer sauren nassen Bank, während Sie die erforderliche PSA tragen.

  1. Reinigen Sie im Abzug das Glasreaktionsgefäß mit Aceton und schwenken Sie das Aceton im Glasreaktionsgefäß herum, um die verbleibende Goldnanopartikellösung wegzuwaschen, dann das schmutzige Aceton in ein schmutziges Lösungsmittelsammelbecher zu werfen und das schmutzige Lösungsmittel in eine brennbare Abfallflasche zu entsorgen.
  2. Legen Sie in die säurenasse Bank das Glasreaktionsgefäß mit dem daran befestigten Kondensatorrohr zur Unterstützung in ein 600-ml-Becherglas und legen Sie die Seite des Kondensatorrohrs zur weiteren Unterstützung gegen die Seitenwand der sauren Nassbank.
  3. Reinigen Sie die chemischen Reaktionsgläser (Kondensatorrohr, Reaktionsgefäß, Glaspipette) und den magnetischen Rührstab, indem Sie die verwendete ~ 300 mL Goldätz-TFA-Lösung (die früher gespeichert und zur Wiederverwendung beiseite gelegt wurde) gießen, die 1: 1 mit DI-Wasser in das Kondensatorrohr und die Reaktionsgefäßglaswaren gemischt wurde. Legen Sie die magnetische Rührstange und die lange Glaspipette in das Kondensatorrohr. Füllen Sie das Kondensatorrohr nach Bedarf mit DI-Wasser auf, um es abzurunden, und lassen Sie das Goldätz-TFA-Bad 30 Minuten lang sitzen und die Glaswaren reinigen.
  4. Nach 30 Minuten die Dichtung zwischen dem Kondensatorrohr und dem Reaktionsgefäß knacken, um die gesamte Goldätzlösung in das Reaktionsgefäß zu sammeln, und die verwendete Goldätzlösung in das 400-ml-Becherglas gießen. Gießen Sie die Goldätzlösung in die chemische Abfallflasche für die gebrauchte Goldätzlösung.
  5. Noch in der säurenassen Bank die chemischen Reaktionsgläser und den magnetischen Rührstab 3-4 Mal mit DI-Wasser waschen, um die verbleibende Goldätzlösung auszuspülen, und lassen Sie dann die chemischen Reaktionsgläser und den magnetischen Rührstab für weitere 30 Minuten in einem DI-Wasserbad sitzen.
  6. Nach 30 Minuten in einem DI-Wasserbad sitzen, entleeren Sie das Wasser und verwenden Sie die DI-Wasserpistole, um das Wasser in den sauren nassen Bankablauf zu waschen. Mit Aceton abspülen und dann die Glaswaren mit der Stickstoffpistole trocken blasen.

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Representative Results

Abbildung 1 zeigt, wie die chemische Reaktionsgemischlösung der Gold-Nanopartikelsynthese (Tetrachloraurinsäure, Oleylamin und Toluol) im Laufe von mehreren Minuten allmählich ihre Farbe ändern sollte, wenn sie zunächst im Reaktionsgefäß kocht; von klar über hellgelb (linkes Bild), über hellrosa (mittleres Bild) bis hin zu hellrot (rechtes Bild). Die sich ändernde Farbe der Lösung ist ein Hinweis auf die sich ändernde Größe der Goldnanopartikel, wenn sie im Laufe der Zeit zu keimen beginnen und größer werden. Im Allgemeinen sollte die Gold-Nanopartikellösung im Laufe der Zeit dunkler und roter / violetter werden, wenn die Gold-Nanopartikel nukleieren und wachsen. Abbildung 2 zeigt die endgültige dunkelrote/violette Farbe der chemischen Reaktionsmischungslösung der Goldnanopartikelsynthese nach 2 Stunden Kochen. Die dunkelrote/violette Farbe der Gold-Nanopartikellösung ist charakteristisch für eine konzentrierte Lösung von Gold-Nanopartikeln mit einem Durchmesser von ~ 12 nm. Abbildung 3 zeigt ein Rasterelektronenmikroskop (REM) Einer Gold-Nanopartikel-Monoschicht (nach Abscheidung auf ein Siliziumsubstrat), mit der die Größe und Monodispersität der Goldnanopartikel charakterisiert wird. Die Goldnanopartikel sollten alle ungefähr die gleiche Größe / den gleichen Durchmesser haben, wenn sie stark monodispers sind. Wenn die Goldnanopartikel polydispers sind, haben sie große Unterschiede in ihrer Größe / durchmesser. Für die meisten Anwendungen wird in der Regel die Monodispersität gegenüber der Polydispersität bevorzugt. Abbildung 4 zeigt ein Rasterelektronenmikroskop (REM) Bild von Goldnanopartikeln und deren Durchmessermessungen, das für die Goldnanopartikel einen Durchmesser von ~12 nm ± 2 nm anzeigt. Diese Gold-Nanopartikel scheinen ziemlich monodispers zu sein.

Lösungstyp Artikelnummer Menge und Art der Chemikalie Kommentare/Beschreibung
Injektion 1 150 mg Tetrachloraurinsäure (HAuCl4) (0,15 mmol) zur Injektion in Reaktionsgefäß
2 3,0 g (3,7 mmol, 3,6 ml) Oleylamin
3 3,0 ml Toluol
siedend 1 5,1 g (6,4 mmol, 8,7 ml) Oleylamin zum Kochen im Reaktionsgefäß
2 147 ml Toluol
Waschen/Reinigen 1 10 ml Toluol (x3 Waschungen) (x12 Röhrchen) = 360 ml Toluol zum Waschen/Reinigen von Goldnanopartikeln
2 40 ml Methanol (x3 Waschungen) (x12 Röhrchen) = 1,44 l Methanol
Gold Etchant 1 150 ml Goldätz-TFA [oder Aqua Regia] zur Reinigung von chemischen Reaktionsgläsern/-zubehör
2 150 ml entionisiertes (DI) Wasser

Tabelle 1: Chemische Mengen Diese Tabelle zeigt die Menge und Art der Chemikalien, die für die Herstellung der Injektionslösung, der Siedelösung, der Wasch- / Reinigungslösung und der Goldätzlösung benötigt werden.

Ergänzende Abbildung 1: Reinigung von chemischen Reaktionsgläsern mit Goldätz-TFA-Lösung. Diese Abbildung zeigt, wie die chemischen Reaktionsgläser (Kondensatorrohr, Reaktionsgefäß, Glaspipette) und der magnetische Rührstab mit einer ~300 mL Mischung aus ~150 ml der Goldätz-TFA-Lösung und ~150 ml DI-Wasser (1:1-Gemisch) im Kondensatorrohr und Reaktionsgefäßglas gereinigt werden. Der magnetische Rührstab und die lange Glasmischpipette werden in das Kondensatorrohr gelegt, und das goldätzige TFA-Bad wird 30 Minuten lang in der sauren nassen Bank sitzen gelassen und die Glaswaren gereinigt. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 2: Reinigen Sie Glaswaren und Verbrauchsmaterialien, bevor sie in die Stickstoffhandschuhbox überführt werden. Diese Abbildung zeigt die Glaswaren und Vorräte nach der Reinigung und Getrockneten. Die Glaswaren und Vorräte werden mit Aluminiumfolie umwickelt/ abgedeckt, um sie vor Schmutz / Ablagerungen zu schützen, bevor sie in das Stickstoffhandschuhfach übertragen werden. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 3: Gold-Nanopartikel-Synthese Versuchsaufbau in Stickstoff-Handschuhbox. Diese Abbildung zeigt den Versuchsaufbau der Gold-Nanopartikelsynthese im Stickstoffhandschuhfach. Das Glasreaktionsgefäß ruht auf der Glasfaser-Mesh-Buchse auf der Oberseite der Heizung / des Rührers, und das Kondensatorrohr ist oben auf dem Glasreaktionsgefäß verbunden. Das Kondensatorrohr wird mechanisch durch den Ständer mit der Klemme gestützt. Es gibt zwei Schläuche, die mit den Wassereinlass- und -auslassöffnungen des Kondensatorrohrs verbunden sind (mit dem Einlassanschluss an der Unterseite des Rohrs und dem Auslassanschluss an der Oberseite des Rohrs), so dass Wasser von der Unterseite des Kondensatorrohrs zur Oberseite des Kondensatorrohrs fließt, das Rohr abkühlt und den Dampf im Inneren kondensiert. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 4: Mischen von Tetrachlorauriersäure, Oleylamin und Toluollösung vor der Injektion. Diese Abbildung zeigt die Tetrachloraurinsäure, Oleylamin und Toluol-Injektionslösung nach dem Mischen in einer nicht wässrigen Lösung 20 ml Glasfläschchen mit einer PTFE-ausgekleideten Kappe. Die Injektionslösung sollte nach dem Schütteln und Mischen dunkelrot oder violett aussehen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 5: Vorbereitung der Injektion von Lösung in das Reaktionsgefäß mit Glaspipette. Diese Abbildung zeigt, wie die Tetrachloraurinsäure, Oleylamin und Toluol-Injektionslösung mit dem Gummikolben mit Ventilen in die lange Abgestufte Glaspipette gezogen werden, kurz bevor die Lösung schnell mit einem schnellen Spritzer in die Siedelösung von Oleylamin und Toluol im Glasreaktionsgefäß injiziert wird. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 6: Gießen von ~12 ml Gold-Nanopartikellösung in jedes konische Zentrifugenröhrchen mit 50 ml. Diese Abbildung zeigt, dass ~12 ml Gold-Nanopartikellösung gleichmäßig in jedes der 50 mL konischen Zentrifugenröhrchen mit ~35 ml Methanol in jedem Röhrchen gegossen werden. Methanol wird verwendet, um nicht umgesetzte Ausgangs- und Nebenprodukte zu entfernen, um die Goldnanopartikel zu reinigen und zu waschen. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 7: 50 mL Zentrifugenröhrchen nach der Zentrifugation, mit Gold-Nanopartikel-Pellets an der Unterseite. Diese Abbildung zeigt, wie die Gold-Nanopartikel-Lösung nach der Zentrifugation in den konischen 50-ml-Zentrifugenröhrchen erscheinen sollte, wobei die Gold-Nanopartikel in dunklen Gold-Nanopartikel-Pellets am Boden jeder Zentrifugenröhre gesammelt werden. Über den dunklen Gold-Nanopartikel-Pellets scheint die überstandige Methanol/Toluol-Lösung klar/transparent zu sein, was darauf hindeutet, dass die Zentrifugation die Gold-Nanopartikel aus der Lösung gefällt hat. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 8: Vortexing 50 mL Zentrifugenröhrchen mit Au NPs nach dem Befüllen mit ~10 mL Toluol. Diese Abbildung zeigt die Zentrifugenröhrchen mit Gold-Nanopartikellösung und Toluol, die vortexed und resuspendiert werden. Vortexing ist viel besser und schonender für die Goldnanopartikel als das Beschallen der Goldnanopartikel. Die Goldnanopartikel sollten nicht beschallt werden, da die Beschallung die Oleylaminliganden von den Goldnanopartikeln abziehen und eine Aggregation und Sedimentation der Goldnanopartikel verursachen könnte. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 9: Wirbel, bis Gold-Nanopartikel-Pellet/-Rückstand fast vollständig resuspendiert ist. Diese Abbildung zeigt, wie die Gold-Nanopartikel-Lösung aussehen sollte, wenn die Gold-Nanopartikel in Lösung resuspendiert werden, indem jedes Gold-Nanopartikel-Pellet mit ~ 10 ml Toluol vortext wird. Die 50-ml-Zentrifugenröhrchen sollten vortexiert werden, bis die schwarzen Flüssigen/ Niederschlags-/Goldnanopartikel resuspendiert und im Toluol dispergiert sind und die Lösung trüb / dunkel aussieht. Der Boden des Zentrifugenröhrchens sollte überprüft werden, um sicherzustellen, dass praktisch alle oder der größte Teil des schwarzen Nanopartikelrückstands in Lösung resuspendiert wurde. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 10: Getrocknetes Gold-Nanopartikel-Pellet im 50 ml konischen Zentrifugenröhrchen. Diese Abbildung zeigt, wie ein getrocknetes Gold-Nanopartikel-Pellet am Boden eines 50-ml-konischen Zentrifugenröhrchens nach dem Vakuumtrocknen aussehen sollte. Nachdem die Goldnanopartikel im 50-ml-Zentrifugenröhrchen 3 mal separat gewaschen wurden und das Toluol und Methanol zum letzten Mal ausgegossen wurden, müssen die Goldnanopartikel getrocknet werden, um das verbleibende Lösungsmittel zu verdampfen. Die Vakuumtrocknung ist die bevorzugte Methode zum Trocknen, da es im Vergleich zu aggressiveren Methoden wie der Stickstoffpistolentrocknung weniger wahrscheinlich ist, das Goldnanopartikelpellet zu beschädigen oder zu verlieren. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Ergänzende Abbildung 11: Verschlussröhrchen, mit Laborfolie umwickeln, Etikettenröhrchen und im Kühlschrank von 2 °C bis 8 °C aufbewahren. Diese Abbildung zeigt die Zentrifugenröhrchen verschlossen, mit Laborfolie umwickelt, etikettiert und in einem Kühlschrank von 2 °C - 8 °C gelagert. Die 50-ml-Zentrifugenröhrchen mit Gold-Nanopartikel-Niederschlagspellets sollten mit einem entsprechend beschreibenden Etikett wie Name, Probennummer und Datum gekennzeichnet werden. Ein Tablett oder 50 ml konische Zentrifugenrohrgestelle können verwendet werden, um die Röhrchen aufrecht im Kühlschrank zu halten. Bitte klicken Sie hier, um diese Datei herunterzuladen.

Figure 1
Abbildung 1:Gold-Nanopartikellösung, die ihre Farben über mehrere Minuten nach der Injektion ändert. Diese Abbildung zeigt, wie die chemische Reaktionsgemischlösung der Gold-Nanopartikelsynthese (Tetrachloraurinsäure, Oleylamin und Toluol) im Laufe von mehreren Minuten allmählich ihre Farbe ändern sollte, wenn sie zunächst im Reaktionsgefäß kocht; von klar über hellgelb (linkes Bild), über hellrosa (mittleres Bild) bis hin zu hellrot (rechtes Bild). Die sich ändernde Farbe der Lösung ist ein Hinweis auf die sich ändernde Größe der Goldnanopartikel, wenn sie im Laufe der Zeit zu keimen beginnen und größer werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Gold-Nanopartikellösung ist nach 2 Stunden Kochen dunkelrot / violett. Diese Abbildung zeigt die endgültige dunkelrote/violette Farbe der chemischen Reaktionsgemischlösung der Goldnanopartikelsynthese nach 2 Stunden Kochen im Reaktionsgefäß. Die dunkelrote/violette Farbe der Gold-Nanopartikellösung ist charakteristisch für eine konzentrierte Lösung von Gold-Nanopartikeln mit einem Durchmesser von ~ 12 nm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Rasterelektronenmikroskop (REM) Bild der Gold-Nanopartikel-Monoschicht. Diese Abbildung zeigt ein Rasterelektronenmikroskop (REM) Bild einer Gold-Nanopartikel-Monoschicht (nach Abscheidung auf ein Siliziumsubstrat), die zur Charakterisierung der Größe und Monodispersität der Gold-Nanopartikel verwendet wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Rasterelektronenmikroskop (REM) Bild mit Gold-Nanopartikel-Durchmessermessungen. Diese Abbildung zeigt ein Rasterelektronenmikroskop (REM) Bild von Goldnanopartikeln und deren Durchmessermessungen, was für die Goldnanopartikel einen Durchmesser von ~12 nm +/- 2 nm anzeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

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Discussion

Die Durchführung des oben beschriebenen Gold-Nanopartikel-Syntheseprotokolls sollte Gold-Nanopartikel mit ~ 12 nm Durchmesser und ziemlich hoher Monodispersität (± 2 nm) erzeugen. Es gibt jedoch einige kritische Schritte und Prozessparameter, die angepasst werden können, um möglicherweise die Größe / den Durchmesser und die Monodispersität / Polydispersität der Goldnanopartikel zu ändern. Zum Beispiel besteht nach dem Einspritzen der Vorläuferlösung in das Reaktionsgefäß und dem Zulassen der Tetrachlorauriersäure, oleylamin und toluollösung für zwei Stunden die Möglichkeit, entweder die Reaktionslösung sofort abzuschrecken oder eine verzögerte Abschreckung und natürliche Kühlung zu betreiben. Wenn ein sofortiges Abschrecken gewünscht wird, werden kurz nach Abschluss des 2-stündigen erhitzten Reaktionsschritts 100 ml Methanol in das Reaktionsgefäß gegeben, um das Goldnanopartikelprodukt auszufälzen. Sofortiges Abschrecken kann bessere Dispersionsbeziehungen bieten, da die Keimbildung für alle Nanopartikel in der gesättigten Lösung ungefähr zur gleichen Zeit erfolgt; Je länger die Lösung unquenched bleibt, desto größer, aber randomisierter wird die Größe der Nanopartikel. Wenn stattdessen ein verzögertes Abschrecken und eine natürliche Kühlung gewünscht wird, wird die Lösung nach Abschluss des 2-stündigen beheizten Reaktionsschritts für 1 Stunde auf natürliche Weise auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Alternativ könnte die Lösung noch länger abkühlen, bis zum nächsten Tag (z. B. über Nacht warten), bevor 100 ml Methanol hinzugefügt werden, um das Goldnanopartikelprodukt auszufallen. Forscher möchten möglicherweise sowohl mit sofortigem Abschrecken als auch mit verzögertem Abschrecken und 1 Stunde verzögertem Abschrecken im Vergleich zu verzögertem Abschrecken über Nacht experimentieren, um festzustellen, welche Methode die besten Ergebnisse für die Herstellung großer und hoch monodisperser Goldnanopartikel liefert. Einstündiges verzögertes Abschrecken ist das Verfahren, das derzeit empfohlen wird, um Goldnanopartikel herzustellen, die hochmonodispers sind, aber es wurde noch nicht festgestellt, welches Verfahren bessere Ergebnisse liefert, so dass einige weitere experimentelle Untersuchungen von Vorteil sein können.

Ein weiterer kritischer Schritt im Protokoll, der die Monodispersität der Goldnanopartikel beeinflusst, ist die schnelle Injektion des Vorläufers, damit die gesättigte Lösung in einem sehr kurzen Zeitintervall so viele Kerne wie möglich bilden kann. Kurz nach der Vorläuferinjektion bilden sich nur wenige neue Kerne, und Goldatome sollten sich nur mit bestehenden Kernen verbinden. Was für eine hohe Monodispersität notwendig ist, ist eine lange, konsistente Wachstumsperiode relativ zur Keimbildungsperiode. Ein hohes Verhältnis von Wachstum zu Keimbildungszeit sollte der Monodispersität zugute kommen. Aus diesem Grund ist eine sehr schnelle Injektion der Vorläuferlösung für eine hohe Monodispersität wichtig, und das Warten auf das Abschrecken der Reaktion (verzögertes Abschrecken) kann auch für die Erhöhung der Monodispersität von Vorteil sein. Der konkurrierende Mechanismus der Ostwald-Reifung13 ist jedoch ein treibender Faktor für die Polydispersität. Die Oberflächenenergie von Goldatomen auf der Oberfläche kleiner Nanopartikel ist höher als die Oberflächenenergie von Goldatomen auf der Oberfläche großer Nanopartikel. Die Ostwaldreifung ist eine thermodynamische Treibende Kraft für das Schrumpfen kleiner Nanopartikel und das Züchten großerNanopartikel 14. Dies ist ein Phänomen, das im Laufe der Zeit in Lösung auftreten kann.

Eine weitere zu berücksichtigende Variable ist die Stabilität der Oleylaminligandenschicht auf den Goldnanopartikeln und wie gut die Goldnanopartikeloberflächen durch die Oleylaminliganden passiviert sind. Obwohl es keinen Indikator für den Verlauf der Oberflächenpassivierung an verschiedenen Stellen der Gold-Nanopartikel-Synthesereaktion gibt, kann man sich vorstellen, wie sich die Oberflächenpassivierung im Laufe der Zeit entwickeln muss. Zu Beginn der Reaktion gibt es keine Goldnanopartikel, und Oleylamin wirkt tatsächlich als Reduktionsmittel, um das Gold von seinen Chlorbindungen zu befreien. Am Ende der Reaktion sollten die Gold-Nanopartikel-Oberflächen vollständig passiviert werden. Im Idealfall sollte die Reaktion lange genug anhalten, damit die Oberflächen der Goldnanopartikel vollständig passiviert werden, aber nicht so lange, dass die Ostwald-Reifung beginnt, die Goldnanopartikel polydispers und nicht monodispers zu machen.

Insgesamt sind bei der Durchführung der Abschreckung der Reaktion das Verhältnis von Wachstum:Keimzeit zu beachten, die Ostwald-Reifezeit zu minimieren und genügend Zeit für die Oberflächenpassivierung zu lassen. Es ist noch nicht bewiesen, ob verzögertes Abschrecken oder sofortiges Abschrecken zu überlegenen Ergebnissen führt (d. H. Große, stark passivierte und hochmonodisperse Goldnanopartikel). Ein leicht verzögertes Abschrecken (z. B. abkühlen der Lösung für 1 Stunde nach dem Kochen auf Raumtemperatur) kann jedoch stark monodisperse Goldnanopartikel erzeugen, so dass eine begrenzte Verzögerung vor dem Abschrecken der Reaktion akzeptabel ist. Um mehr Klarheit darüber zu schaffen, ob sofortiges Abschrecken oder verzögertes Abschrecken für die Herstellung großer und hochmonodisperser Goldnanopartikel besser ist, wäre ein nützliches Experiment oder eine Modifikation zur Fehlerbehebung der Technik, die Gold-Nanopartikel-Syntheselösung nach dem Kochen in zwei verschiedene Chargen zu trennen und das sofortige Abschrecken nach der Reaktion parallel zum verzögerten Abschrecken durchzuführen. Das Ergebnis dieses Experiments / dieser Modifikation kann bestimmen, ob das Keimbildungszeitfenster so kurz ist, dass die zusätzliche Zeit (entweder eine Stunde oder eine Nacht / Tag später) für das Abkühlen für das Wachstum nicht benötigt wird, und eine Kombination aus Ostwald-Reifung und Oberflächenpassivierung verringert tatsächlich die Monodispersität (oder erhöht die Polydispersität) der Goldnanopartikel während der Abklingzeit / Verzögerung vor dem Abschrecken.

Die letzte Überlegung für diese Gold-Nanopartikel-Synthesemethode ist, wie die Gold-Nanopartikel gelagert und verwendet werden. Nach dem Syntheseprozess und dem Reinigungsprozess werden die Goldnanopartikel schonend getrocknet, entweder mit einer Stickstoffpistole oder unter Vakuum. Es wird dringend empfohlen, dass die Goldnanopartikel in einer Vakuumumgebung getrocknet werden, anstatt eine Stickstoffpistole zu verwenden, da die Stickstoffpistole das schwarze Pellet von Goldnanopartikeln entfernen und dazu führen könnte, dass es verloren geht / kontaminiert / beschädigt wird. Das Trocknen der Goldnanopartikel in einer Vakuumumgebung ist viel schonender und verhindert, dass sich das Goldnanopartikelpellet löst oder verloren geht. Nach dem Trocknen werden die Goldnanopartikel dann in einer sauberen und trockenen Umgebung (z.B. in laborfilmversiegelten konischen Zentrifugenröhrchen) in einem 2 °C - 8 °C Kühlschrank gelagert, bis sie einsatzbereit sind. Diese saubere, trockene und kühle Umgebung sollte den Goldnanopartikeln eine längere Haltbarkeit von etwa einem Jahr bei minimalem Abbau verleihen. Um die Goldnanopartikel zu verwenden, können sie in Lösungen organischer Lösungsmittel wie Toluol resuspendiert werden, indem die Goldnanopartikel in Gegenwart des organischen Lösungsmittels vorgetext werden. Die Größe und Konzentration der Goldnanopartikel in der Toluollösung kann dann mittels UV-Vis-Spektrencharakterisierung15 verifiziert und gegebenenfalls mit Toluol weiter verdünnt werden, bis die gewünschte Konzentration an Goldnanopartikeln erreicht ist. Eine Einschränkung besteht darin, dass die Konzentration für jede Lösung analysiert werden muss.

Das hier vorgestellte Gold-Nanopartikel-Syntheseprotokoll soll die Synthese von Gold-Nanopartikeln durch Nicht-Chemie-Experten ermöglichen. Die Bedeutung dieses Protokolls in Bezug auf bestehende Methoden besteht darin, dass es die Möglichkeit bietet, die Menge der produzierten Nanopartikel, die Größe der Nanopartikel, die Monodispersität der Nanopartikel und die Liganden, die die Goldnanopartikel verkapseln, zu kontrollieren. Die Goldnanopartikel, die mit diesem Verfahren synthetisiert werden, wurden verwendet, um nanoelektronische Geräte für molekulare Elektronikexperimente zu erstellen, wie z.B. 2D-Molekül-Nanopartikel-Arrays16. In diesem Beispiel werden 2D-Molekül-Nanopartikel-Arrays gebildet, indem 200 μL der verdünnten Goldnanopartikel in Toluollösung in 15 ml konische Zentrifugenröhrchen abgeschieden werden, die teilweise mit entionisiertem Wasser gefüllt wurden. Die Röhrchen wurden 1 - 3 Stunden ungestört gelassen, damit das Toluol verdunsten und die Goldnanopartikel Monoschichten auf der Wasseroberfläche bilden konnten. Diese Gold-Nanopartikel-Monoschichten wurden dann mit PDMS-Stempeln auf Substrate wie Silizium-Mikrochips übertragen, um nanoelektronische Bauelemente zu bilden. Die Oleylaminliganden auf den Goldnanopartikeln wurden dann mit anderen Molekülen ausgetauscht, um die elektronischen und thermoelektrischen Eigenschaften der Goldnanopartikel-Molekül-Monoschichten zu verändern17,18. Das hier vorgestellte Gold-Nanopartikel-Syntheseprotokoll produziert hochwertige Gold-Nanopartikel, die für viele andere Gold-Nanopartikel-Anwendungen in Wissenschaft, Industrie und Medizin nützlich sein können.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preiszugeben.

Acknowledgments

Die Autoren danken Frank Osterloh für die Unterstützung bei Nanopartikelsynthesemethoden. Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung der National Science Foundation (1807555 & 203665) und der Semiconductor Research Corporation (2836) anerkennen.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
50 mL Conical Centrifuge Tubes with Plastic Caps (Quantity: 12) Ted Pella, Inc. 12942 used for cleaning/storing gold nanoparticle solution/precipitate (it's best to use 12 tubes, to allow the gold nanoparticles from the synthesis process to last up to one year (e.g., 1 tube per month))
Acetone Sigma-Aldrich 270725-2L solvent for cleaning glassware/tubes
Acid Wet Bench N/A N/A for cleaning chemical reaction glassware/supplies with gold etchant solution (part of wet chemical lab facilities)
Aluminum Foil Reynolds B08K3S7NG1 for covering glassware after cleaning it to keep it clean
Burette Clamps Fisher Scientific 05-769-20 for holding the condenser tube and reaction vessel during the synthesis process (located in the nitrogen glove box)
Centrifuge (with 50 mL Conical Centrifuge Tube Rotor/Adapter) ELMI CM-7S for spinning the gold nanoparticles in solution and precipitating/collecting them at the bottom of the 50 mL conical centrifuge tubes
DI Water Millipore Milli-Q Direct deionized water
Fume Hood N/A N/A for cleaning laboratory glassware and supplies with solvents (part of wet chemical lab facilities)
Glass Beaker (600 mL) Ted Pella, Inc. 17327 for holding reaction vessel, condenser tube, glass pipette, and magnetic stir bar during cleaning with gold etchant and then with water
Glass Beakers (400 mL) (Quantity: 2) Ted Pella, Inc. 17309 for measuring toluene and gold etchant
Glass Graduated Cylinder (5 mL) Fisher Scientific 08-550A for measuring toluene and oleylamine for injection
Glass Graduated Pipette (10 mL) Fisher Scientific 13-690-126 used with the rubber bulb with valves to inject the gold nanoparticle precursor solution into the reaction vessel
Gold Etchant TFA Sigma-Aldrich 651818-500ML (with potassium iodide) for cleaning reaction vessel, condenser tube, magnetic stir bar, glass pipette [alternatively, use Aqua Regia]
Isopropanol Sigma-Aldrich 34863-2L solvent for cleaning glassware/tubes
Liebig Condenser Tube (~500 mm) (24/40) Fisher Scientific 07-721C condenser tube, attaches to glass reaction vessel
Magnetic Stirring Bar Fisher Scientific 14-513-51 for stirring reaction solution during the synthesis process
Methanol (≥99.9%) Sigma-Aldrich 34860-2L-R new, ≥99.9% purity (for washing gold nanoparticles after synthesis)
Microbalance (mg resolution) Accuris Instruments W3200-120 for weighing tetrachloroauric acid powder (located in the nitrogen glove box)
Micropipette (1000 µL) Fisher Scientific FBE01000 for measuring and dispensing liquid chemicals such as oleylamine and toluene (if using micropipette instead of graduated cylinder for measurement)
Micropipette Tips (1000 µL) USA Scientific 1111-2831 for measuring and dispensing liquid chemicals such as oleylamine and toluene (if using micropipette instead of graduated cylinder for measurement)
Nitrile Gloves Ted Pella, Inc. 81853 personal protective equipment (PPE), for protection, and for keeping nitrogren glove box gloves clean
Nitrogen Glove Box M. Braun LABstar pro for performing gold nanoparticle synthesis in a dry and inert environment
Non-Aqueous 20 mL Glass Vials with PTFE-Lined Caps (Quantity: 2) Fisher Scientific 03-375-25 for weighing tetrachloroauric acid powder and mixing with oleylamine and toluene to make injection solution
Oleylamine (Technical Grade, 70%) Sigma-Aldrich O7805-100G technical grade, 70%, preferably new, stored in the nitrogen glove box
Parafilm M Sealing Film (2 in. x 250 ft) Sigma-Aldrich P7543 for sealing the gold nanoparticles in the 50 mL centrifuge tubes after the synthesis process is over
Round Bottom Flask (250 mL) (24/40) Wilmad-LabGlass LG-7291-234 glass reaction vessel, attaches to condenser tube
Rubber Bulb with Valves (Rubber Bulb-Type Safety Pipet Filler) Fisher Scientific 13-681-50 used with the long graduated glass pipette to inject the gold nanoparticle precursor solution into the reaction vessel
Rubber Hoses (PVC Tubes) (Quantity: 2) Fisher Scientific 14-169-7D for connecting the condenser tube to water inlet/outlet ports
Stainless Steel Spatula Ted Pella, Inc. 13590-1 for scooping tetrachloroauric acid powder from small container
Stand (Base with Rod) Fisher Scientific 12-000-102 for holding the condenser tube and reaction vessel during the synthesis process (located in the nitrogen glove box)
Stirring Heating Mantle (250 mL) Fisher Scientific NC1089133 for holding and supporting reaction vessel sphere, while heating with magnetic stirrer rotating the magnetic stirrer bar
Tetrachloroauric(III) Acid (HAuCl4) (≥99.9%) Sigma-Aldrich 520918-1G preferably new or never opened, ≥99.9% purity, stored in fridge, then opened only in the nitrogen glove box, never exposed to air/water/humidity
Texwipes / Kimwipes / Cleanroom Wipes Texwipe TX8939 for miscellaneous cleaning and surface protection
Toluene (≥99.8%) Sigma-Aldrich 244511-2L new, anhydrous, ≥99.8% purity
Tweezers Ted Pella, Inc. 5371-7TI for poking small holes in aluminum foil, and for removing Parafilm
Vortexer Cole-Parmer EW-04750-51 for vortexing the gold nanoparticles in toluene in 50 mL conical centrifuge tubes to resuspend the gold nanoparticles into the toluene solution

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References

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Marrs, J., Ghomian, T., Domulevicz, L., McCold, C., Hihath, J. Gold Nanoparticle Synthesis. J. Vis. Exp. (173), e62176, doi:10.3791/62176 (2021).

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