Guld Nanopartikel Syntese

Summary

En protokol til syntetisering af guldnanpartikler med en diameter på ~12 nm (Au nanopartikler) i et organisk opløsningsmiddel præsenteres. Guld nanopartiklerne er udjævnet med oleylamin ligands for at forhindre agglomeration. Guld nanopartiklerne er opløselige i organiske opløsningsmidler såsom toluen.

Abstract

Guld nanopartikler (Au nanopartikler), der er ~ 12 nm i diameter blev syntetiseret ved hurtigt at injicere en opløsning på 150 mg (0,15 mmol) tetrachloraursyre i 3,0 g (3,7 mmol, 3,6 ml) oleylamin (teknisk kvalitet) og 3,0 ml toluen i kogeopløsning på 5,1 g (6,4 mmol, 8,7 ml) oleylamin i 147 ml toluen. Mens reaktionen koges og blandes i 2 timer, ændres farven på reaktionsblandingen fra klar, til lysegul, til lyserød og derefter langsomt til mørk rød. Varmen blev derefter slukket, og opløsningen fik lov til gradvist at køle ned til stuetemperatur i 1 time. Guldnanopartiklerne blev derefter indsamlet og adskilt fra opløsningen ved hjælp af en centrifuge og vasket tre gange; ved at hvirvle og sprede guld nanopartiklerne i 10 mL portioner toluen, og derefter udfælde guld nanopartiklerne ved at tilføje 40 mL portioner methanol og spinde dem i en centrifuge. Løsningen blev derefter dekanteret for at fjerne eventuelle resterende biprodukter og ureagerede råvarer. Tørring af guld nanopartikler i et vakuum miljø produceret en solid sort pellet; som kan opbevares i længere tid (op til et år) til senere brug, og derefter genfryses i organiske opløsningsmidler såsom toluen.

Introduction

Guld nanopartikler er en interessant og nyttig klasse af nanomaterialer, der er genstand for mange forskningsundersøgelser og applikationer; biologi¹, medicin², nanoteknologi³og elektronisk udstyr⁴. Videnskabelig forskning i guld nanopartikler går tilbage til så tidligt som 1857, da Michael Faraday udført grundlæggende undersøgelser af syntesen og egenskaberne af guld nanopartikler⁵. De to primære "bottom-up"-teknikker til syntetisering af guldnanopartikler er citratreduktionsmetoden^6,7,8 og den organiske tofasede syntesemetode^9,10. Den "Turkevich" citrat reduktion metode producerer temmelig monodisperse guld nanopartikler under 20 nm i diameter, men polydispersiteten stiger for guld nanopartikler over 20 nm i diameter; der henviser til, at "Brust-Schiffrin"-metoden i to faser anvender svovl-/thiol-ligandstabilisering til fremstilling af guldnanopartikler op til ~10 nm i diameter¹¹. Guld nanopartikel løsninger, der er præ-syntetiseret ved hjælp af disse metoder er kommercielt tilgængelige. Til applikationer, hvor store mængder, høj monodispersitet og store diametre af guldnanopartikler ikke er nødvendige, kan det være tilstrækkeligt at købe og bruge disse præsyntetiserede guldnanopartikler fra leverandører. Guldnanopartikler, der opbevares i opløsning, såsom mange af dem, der er kommercielt tilgængelige, kan dog nedbrydes over tid, når nanopartikler begynder at agglomerere og danne klynger. Alternativt kan det for store applikationer, langsigtede projekter, hvor guld nanopartikler skal anvendes hyppigt eller over en lang periode, eller hvor der er strengere krav til guld nanopartiklernes monodispersitet og størrelse, være ønskeligt at udføre guld nanopartikelsyntesen selv. Ved at udføre guld nanopartikelsynteseprocessen har man mulighed for potentielt at kontrollere forskellige synteseparametre såsom mængden af guld nanopartikler, der produceres, diameteren af guld nanopartiklerne, monodispersiteten af guld nanopartiklerne og de molekyler, der bruges som udjævning af ligands. Desuden kan sådanne guld nanopartikler opbevares som faste pellets i et tørt miljø, hvilket hjælper med at bevare guld nanopartiklerne, så de kan bruges på et senere tidspunkt, op til et år senere, med minimal forringelse i kvalitet. Der er også mulighed for omkostningsbesparelser og reduktion af affald ved at fremstille guld nanopartikler i større mængder og derefter opbevare dem i en tør tilstand, så de holder længere. Samlet set syntetisere guld nanopartikler sig selv giver overbevisende fordele, som måske ikke er muligt med kommercielt tilgængelige guld nanopartikler.

For at realisere de mange fordele, der er mulige med guld nanopartikelsyntese, præsenteres en proces heri for syntetisering af guld nanopartikler. Guld nanopartikelsynteseprocessen, der beskrives, er en modificeret version af en proces, der blev udviklet af Hiramatsu og Osterloh¹². Guld nanopartikler er typisk syntetiseret med en diameter på ~ 12 nm ved hjælp af denne syntese proces. De primære kemiske reagenser, der bruges til at udføre guld nanopartikelsynteseprocessen, er tetrachloraursyre (HAuCl₄), oleylamin og toluen. En nitrogen handskerummet bruges til at give en inert tørt miljø for guld nanopartikel syntese proces, fordi tetrachloraursyre er følsom over for vand / fugtighed. Guld nanopartiklerne er indkapslet med oleylamin ligand molekyler for at forhindre guld nanopartikler fra agglomerere i opløsning. I slutningen af synteseprocessen tørres guldnanopartiklerne ud i et vakuummiljø, så de kan opbevares og bevares i tør tilstand til senere brug, op til et år senere. Når guld nanopartiklerne er klar til brug, kan de genbruges til opløsning i organiske opløsningsmidler som toluen.

Protocol

Kemiske mængder:
BEMÆRK: For at opnå de relevante kemiske mængder til nanopartikelsyntesen skal de oprindelige mængder, der findes på arket "Nanopartikelsyntese" (på anden side af de understøttende oplysninger fra Osterloh-forskningsartiklen¹²) og multiplicere mængden af alle doser med 3 med nogle mindre ændringer. Tabel 1 viser de kemiske mængder, der er nødvendige for injektionsopløsningen, kogeopløsningen, vaske-/rensningsopløsningerne og en guldetchantopløsning.

Rengøring og forberedelse til guld nanopartikelsynteseproces (dag 1)
BEMÆRK: Følgende trin kan udføres på den første dag i synteseprocessen.

1. Ting at kontrollere og sikre, før du forbereder dig på Gold Nanoparticle Synthesis

ADVARSEL: Sørg for, at forsynteserensningen og -præparatet udføres i røghætten og den sure bænk, mens du bærer personlige værnemidler (PPE), såsom nitrilhandsker, sikkerhedsbriller/beskyttelsesbriller og en laboratoriekittel, mens du bruger røghætten; og mens desuden iført kemiske handsker, en kemisk kjole, et ansigt skjold, og beskyttelsesbriller, mens du bruger syre våd bænk.

1. Sørg for, at der er en nitrogenhandskekasse til rådighed, hvor opløsningsmiddel/reagenspræparater og syntese-/kemisk reaktionsproces kan udføres.
   BEMÆRK: Hvis der ikke findes en nitrogenhandskekasse, kan der i stedet anvendes en røghætte (eventuelt med en Schlenk-linje), selv om den inerte atmosfære i nitrogenhandskerummet skal frembringe nanopartikler af højere kvalitet ved at bevare renheden af tetrachloraurinsyren (HAuCl₄). Den nanopartikelinjektionsopløsning af guld, der indeholder tetrachloraurinsyren, skal om muligt fremstilles i inert atmosfære eller nitrogenhandske.
2. Sørg for, at et stativ med en klemme er placeret i nitrogenhandskerummet for at holde og støtte kondensatorrøret under guld nanopartikelsynteseprocessen.
   BEMÆRK: Dette stativ med klemme vil også gøre det muligt at løfte kondensatorrøret op og ophænge det over reaktionsbeholderen, mens toluen-, tetrachloraurinsyre- og oleylaminopløsningen injiceres i reaktionsbeholderen.
3. Sørg for, at varmeapparatet med magnetisk omrører og cirkulær konkavbeholder med glasfiberfor (til opbevaring og støtte af reaktionsbeholderens kugle og til opvarmning af reaktionsbeholderen og til rotation af magnetomrørerstangen) er placeret i nitrogenhandskerummet.
4. Sørg for, at der er to gummislanger (til tilslutning af kondensatorrøret til vandindløbs-/udløbsportene), der er placeret inde i nitrogenhandskerummet.
5. Sørg for, at en mikrobalance, der er i stand til milligram (mg) opløsning, er placeret i nitrogenhandskerummet.
6. Sørg for, at der er tilstrækkeligt med kemiske reagenser og opløsningsmidler til rengørings- og synteseprocessen (se tabel 1).
   BEMÆRK: Det er bedst at bruge frisk/ny høj renhed (≥99.8%) toluen og methanol, som aldrig har været åbnet eller udsat for luft/vand. Det er også bedst at anvende frisk/ny tetrachlorautrsyre (HAuCl_4),som opbevares i køleskabet og aldrig åbnes, før den er overført til nitrogenhandskerummet. Tetrachlorautrinsyren må ikke udsættes for luft eller vand/fugtighed på noget tidspunkt, bør kun åbnes i nitrogenhandskerummet og opbevares i nitrogenhandskerummet, når den er åbnet i nitrogenhandskerummet. Det er at foretrække at bruge ny oleylamin, og oleylaminen bør også opbevares i nitrogenhandskerummet. Tetrachlorautrsyre og oleylamin, der er helt nye eller mindre end 1 år gamle, bør give bedre resultater.
7. Sørg for, at der er plastikposer, XL-nitrilhandsker, renrumsservietter og aluminiumsfolie i nitrogenhandskerummet.

2. Rengør den kemiske reaktion Glasware (Før Guld Nanopartikel Syntese)

ADVARSEL: Guld etchant TFA og aqua regia er ætsende. Brug det nødvendige personlige værnemidler (PPE), såsom kemiske handsker, kemisk kjole, beskyttelsesbriller og ansigtsskærm. Håndter kun den ætsende opløsning i en syre våd bænk, mens du bærer den nødvendige PPE.

1. I den sure våde bænk skal glasreaktionsbeholderen placeres med kondensatorrøret fastgjort til det i et 600 mL bægerglas for at få støtte, og hvile siden af kondensatorrøret mod sidevæggen på den sure våde bænk for yderligere støtte.
2. Det kemiske reaktionsglas (kondensatorrør, reaktionsbeholder, glaspipette) og magnetisk rørestang rengøres ved at hælde ~150 ml af guldetikskel TFA-opløsningen og ~150 ml DI-vand (1:1 blanding) i kondensatorrøret og reaktionsbeholderens glasware. Placer den magnetiske rørestang og langglas gradueret pipette i kondensatorrøret og lad guldet etchant TFA-badet sidde og rengøre glasvarerne i 30 minutter.
   BEMÆRK: Supplerende figur 1 viser den kemiske reaktion, som glasvarer rengøres med guldetilt.
3. Efter 30 minutter adskilles glasvarerne for at knække forseglingen mellem kondensatorrøret og reaktionsbeholderen for at samle hele guldetiksilopløsningen i reaktionsbeholderen og hælde den anvendte guldetiltopløsning i et 400 ml bægerglas i den sure våde bænk.
   BEMÆRK: Guldetiksiltopløsningen genbruges senere for at rengøre den kemiske reaktionsglas, når synteseprocessen er overstået.
4. Stadig i den sure våde bænk, vask den kemiske reaktion glasvarer og magnetisk røre bar 3-4 gange med DI vand til at skylle de resterende guld etchant løsning, og derefter lade den kemiske reaktion glasvarer og magnetisk røre bar til at sidde i en DI vandbad i yderligere 30 minutter.
5. Efter 30 minutters siddende i et DI vandbad, tømme vandet og bruge DI vandpistol til at vaske vandet ned syre våd bænk afløb. Blæs glasvarerne tørre med nitrogenpistolen.
6. I røghætten rengøres den kemiske reaktionsglas (kondensatorrør, reaktionsbeholder, glaspipette) og magnetisk rørestang ved skylning med acetone, methanol og isopropanol; derefter blæse tør glasvarer med kvælstof. Kassér de snavsede opløsningsmidler i en brandfarlig affaldsflaske.
7. I den sure våde bænk rengøres den kemiske reaktionsglas og magnetisk rørestang med DI-vand, og føntørre derefter glasvarerne med nitrogen.
8. I røghætten rengøres den kemiske reaktionsglas og magnetisk rørestang med toluen, og føn derefter glasvarerne med nitrogen. Kassér den snavsede toluenopløsning i en brandfarlig affaldsflaske.
9. Dæk den kemiske reaktion glasvarer (kondensator rør, reaktion fartøj, glas pipette) og magnetisk rørestang med aluminiumsfolie (især åbninger / porte af glasvarer) for at holde glasvarer rene. Stik et par små huller i aluminiumsfolien med pincet, så vandet kan fordampe fra glasvarerne.

3. Rengør de andre glasvarer og synteseforsyninger

1. I røghætten rengøres det andet glas (f.eks. 400 ml glasbægerglas, 5 ml lille gradueret glascylinder, to ikke-vandige 20 ml glasglas med PTFE-forede hætter) og forsyninger (f.eks. metalspatel/scoopula, pincet) med acetone, methanol eller isopropanol og DI-vand; derefter blæse tør de andre glasvarer og forsyninger med kvælstof. Kassér de snavsede opløsningsmidler i en brandfarlig affaldsflaske.
2. Hvis der er synlige rester på glasvarerne eller forsyningerne, skal de tørres af med en renrumstørring eller vaskes med sæbe og acetone/isopropanol, indtil resten forsvinder. Skyl dem derefter med acetone, methanol og isopropanolopløsningsmidler igen, og blæs derefter glasvarerne tørre med nitrogen.
3. I røghætten rengøres det andet glas og forsynes med toluen; derefter blæse tør de andre glasvarer og forsyninger med kvælstof. Kassér den snavsede toluenopløsning i en brandfarlig affaldsflaske.
4. I røghætten rengøres de 50 ml koniske centrifugerør med acetone, methanol eller isopropanol og toluen; derefter blæse tørre dem med kvælstof.
5. Dæk de andre glasvarer og forsyninger med aluminiumsfolie, især åbninger / porte af glasvarer, for at holde glasvarer rene. Stik et par små huller i aluminiumsfolien med pincet, så vandet kan fordampe fra glasvarerne. Sørg for, at hætterne er på 50 mL centrifugerørene.
6. Rengør gummipipettepæren med ventiler ved at tørre den af med en renrumsservietter med isopropanol, brug derefter ventilerne til at suge noget isopropanol op (f.eks. mens du sprøjter nogle ind i den fra en isopropanolklemmeflaske) ind i pæren og sprøjter isopropanolen ud i en brandfarlig affaldsflaske. Sørg for, at der ikke er rester på pæren. Føntørring pæren med nitrogen og dække det med aluminiumsfolie.
   BEMÆRK: Supplerende figur 2 viser glasvarer og forsyninger efter rengøring.

4. Overfør kemikalier, glasvarer og forsyninger i nitrogenhandskerummet

1. Brug et par XL-nitrilhandsker over handskerne i handskerummet til håndtering af genstande og kemikalier i nitrogenhandskerummet.
2. Sæt de nye kemiske flasker (toluen og methanol) i nitrogenhandskerummet (ved at overføre dem til loadlocken og pumpe ned for at fjerne den omgivende luft med vakuumpumpen og derefter rense loadlocken med nitrogen). Sørg for, at der også er en brandfarlig affaldsflaske til brugt/snavset toluen i nitrogenhandskerummet.
3. Sørg for, at tetrachloraursyren (HAuCl₄₎og oleylaminen også er i nitrogenhandskerummet, hvor de opbevares for at forhindre udsættelse for ilt og vand/fugtighed.
4. Den kemiske reaktionsglasvarer (kondensatorrør, reaktionsbeholder, glaspipette), magnetisk rørestang, 50 mL koniske centrifugerør, og andet glasudstyr (f.eks. 400 mL glasbægerglas, 5 mL lille gradueret glascylinder, to ikke-vandige 20 mL glasglas med PTFE-forede hætter) og andre forsyninger (f.eks. mikropipette, nye rene mikropipettespidser i en plastikpose, metalspatel/scoopula, pincet, rørpære med ventil) i handskerummets loadlock. Luk loadlock døren, pumpe ned loadlock at støvsuge, lad dem under vakuum i 2 minutter, rense loadlock med kvælstof, og derefter overføre / placere elementer inde i nitrogen handskerummet.
   BEMÆRK: Eventuelt restvand og opløsningsmidler skal være fordampet i læsselåsen, mens de pumpes ned til vakuum, før lastlåsen renses med nitrogen.
5. Efter overførsel af emner inde i nitrogen handskerummet, skal du bruge et andet lag aluminiumsfolie til at dække op de elementer (især glasvarer), der er dækket med aluminiumsfolie med huller i folien, til at dække hullerne og forhindre elementerne i at få snavset inde i nitrogen handskerummet.
6. Lad de rene genstande stå i nitrogenhandskerummet natten over, med kvælstofcirkulationen, for at fjerne og bortfiltrere eventuelt resterende vand/fugt/fugtighed inde fra nitrogenhandskerummet.

Guld Nanopartikel syntese proces (Dag 2)
BEMÆRK: Følgende trin kan udføres på den anden dag i synteseprocessen.

5. Opsæt og rengør den kemiske reaktion Glasvarer & Forsyninger i nitrogenhandskerummet

1. Begynd at opsætte og rengøre den kemiske reaktion glasvarer og forsyninger i nitrogen handskerummet. Læg glasreaktionsbeholderen oven på glasglasmaskebeholderen oven på varmeapparatet/omrøreren, og placer kondensatorrøret over glasreaktionsbeholderen, og støtte kondensatorrøret med stativet med klemmerne.
   BEMÆRK: Supplerende figur 3 viser den eksperimentelle opsætning af guld nanopartikelsyntese.
2. Sørg for, at den magnetiske rørestang er inde i glasreaktionsbeholderen. Hæld ~ 200 mL toluen i glasset reaktion fartøj. Sæt glasreaktionsbeholderen med ~200 mL toluen på den omrørende varme kappe, og sænk glaskondensatorrøret ned i reaktionsbeholderen.
3. Tilslut de to slanger inde i nitrogenhandskerummet til kondensatorrørets vandindløbs- og udløbsporte.
4. Uden for nitrogenhandskerummet skal du placere enden af vandudtagsafløbsslangen i drænbeholderen/vasken i den tilstødende røghætte. Brug en klemme eller tape til at holde slangen og holde slangen orienteret ned i afløbet.
5. Tilslut vandforsyningsindløbsslangen til vandforsyningslinjen på den tilstødende røghætte.
6. Tænd langsomt for og overvåg vandet for at sikre, at det forsigtigt strømmer op gennem kondensatorrørets ydre kammer. Juster vandstrømmen efter behov ved at åbne/lukke vandventilen en smule.
7. Lad vandet strømme gennem indløbsporten på bunden af kondensatorrøret, op i kondensatorrøret og ud af udløbsporten på toppen af kondensatorrøret.
8. Sørg for, at der ikke er store luftbobler i vandforsyningen, og sørg for, at slangerne er mekanisk stabile.
   BEMÆRK: Når der koges opløsninger i kemikaliereaktionsbeholderen, strømmes der langsomt noget vand fra bunden af kondensatorrøret op gennem kondensatorrørets ydre kammer til toppen af kondensatorrøret, så vandet langsomt løber ud gennem drænslangen. Denne langsomme, men kontinuerlige vandgennemstrømning afkøler kondensatorrøret og hjælper med at kondensere og huske den kogte damp.
9. Sørg for, at vandet forsigtigt strømmer gennem kondensatorrøret for at afkøle det.
10. Der strømmes løbende frisk kvælstof ind i nitrogenhandskerummet for at rense handskerummet. Ventiler løbende nitrogenhandskerummet ved at trække et lille vakuum på nitrogenhandskerummet, så nitrogen og toluendamp pumpes ud af handskerummet.
    BEMÆRK: Træk et lille vakuum på nitrogenhandskerummet ved at åbne udligningsventilen mellem nitrogenhandskerummet og læsselåsen, mens du trækker vakuum på læsselåsen. Åbn ikke udjævningsventilen eller vakuumniveauet, og kvælstofstrømmen vil være for høj. Flow lige nok kvælstof til løbende at skylle ud og ventilere toluen / kemisk damp i handskerummet over tid. Vakuumudstødningsledningen skal udluftes i en røghætte.
11. Begynd at opvarme og omrøre toluen med den magnetiske omrører på omrørings- og varme kappen. Lad toluenen nærme sig en blid kog. Flammepunktets temperatur må ikke nærmest eller overstiges. reducere varmen, når den begynder at koge.
12. Lad toluen koge og fordampe i 30 minutter med den magnetiske omrøring bar omrøring for at rense reaktionen glasvarer (reaktion fartøj og kondensator rør).
    BEMÆRK: Det fordampede toluen afkøles og kondenseres i kondensatorrøret og drypper ned i reaktionsbeholderen igen.
13. Efter 30 minutter skal du slukke for varmeapparatet og den magnetiske omrører og lade toluen køle af i flere minutter, indtil toluenen holder op med at fordampe og kondensere inde i reaktionsbeholderen.
14. Når toluen køler ned, løftes kondensatorrøret forsigtigt op, og det hænges over reaktionsbeholderen ved at støtte det ved hjælp af stativet med klemmer. Sørg for at stramme klemmen og støtte kondensatorrøret korrekt, da det kan være ustabilt.
15. Hæld toluen fra reaktionsbeholderen i 400 mL glasbægeret. Pas på ikke ved et uheld at hælde den magnetiske rørestang ud. Placer reaktionsbeholderen tilbage på varme- og omrørings kappen.
16. Slyng toluen rundt i 400 mL glasbægeret for at rengøre bægeret. Hæld det snavsede/brugte toluen ud i den brandfarlige affaldsflaske. Rengør det 400 mL glasbæger igen med noget frisk toluen, og kassér derefter det anvendte toluen i den brandfarlige affaldsflaske.

6. Toluen & Oleylamin Kogende opløsning Forberedelse

ADVARSEL: Oleylamin er giftigt og ætsende, så håndter det forsigtigt. Hvis du håndterer oleylamin uden for nitrogenhandskerummet, skal du bære det nødvendige personlige beskyttelsesudstyr (PPE), såsom kemiske handsker, kemisk kjole, beskyttelsesbriller og ansigtsskærm. Hvis du håndterer oleylamin i nitrogenhandskerummet, skal du sørge for at dække handskerne i handskerummet med nye/rene XL-nitrilhandsker. Pas på ikke ved et uheld at spilde oleylaminen. Nogle renrumsservietter kan sættes ned på laboratoriets bænkoverflade inde i handskerummet for at hjælpe med at absorbere små spild.

1. I nitrogenhandskerummet skal der laves en kogeopløsning på 147 ml (~150 ml) toluen og 8,7 ml (~9 ml) oleylamin i reaktionsbeholderen.
   1. Brug 400 mL glasbæger til at måle toluenens 147 mL (~150 mL). Hæld 147 mL (~150 mL) toluen fra glasbægeret i reaktionsbeholderen.
   2. Brug den 5 mL lille glas graduerede cylinder til omhyggeligt at måle 8,7 mL (~9 mL) oleylamin. Først måles og hældes der forsigtigt 4 mL og derefter 4,7 mL oleylamin fra den lille glas graduerede cylinder i reaktionsbeholderen.
2. Sænk forsigtigt kondensatorrøret ned i glasreaktionsbeholderen igen.
3. Sørg for, at vandet forsigtigt strømmer gennem kondensatorrørets ydre kammer for at afkøle, kondensere og opsamle toluen- og oleylamindampen.
4. Opvarm og rør oleylamin- og toluenopløsningen i reaktionsbeholderen, og lad opløsningen nærme sig en langsom/blid kog (ved hjælp af omrørings- og varme kappen, hvor den magnetiske rørestang roterer for at blande opløsningen). Når oleylamin og toluenopløsning når en blid kog, drej varmen lidt ned, så den koger langsomt. Du må ikke nærme dig eller overskride flammepunktet for toluen.

7. Forberedelse af tetrachlorautrinsyre, oleylamin og tolueninjektionsopløsning

1. Begynd at forberede injektionsopløsningen (150 mg tetrachloraursyre, 3,6 ml oleylamin, 3,0 ml toluen).
2. Sørg for, at tetrachlorautrinsyren er frisk eller ikke har været udsat for luft, vand, fugt eller fugtighed. Fjern den laboratoriefilm eller forsegling, der beskytter tetrachloraursyren mod luft og fugt.
   BEMÆRK: Tetrachlorautrinsyren er meget følsom over for vand/fugt/fugtighed. Der bør gøres alt for at forhindre, at tetrachloraursyrepulveret udsættes for luft/vand. Tetrachlorautrinsyren kommer i en forseglet pose, og nye beholderbeholdere forsegles med voks for at forhindre vanddamp i at komme ind i nye fartøjer. Et nyt parti af tetrachloraursyre koster ~ $ 100, men det bør vare et år, hvis ikke udsat for vanddamp. Opbevar nye uåbnede partier tetrachlorautrsyre i køleskabet. Der overføres et nyt uåbnet parti tetrachloraursyre til nitrogenhandskerummet, inden det åbnes. Åbn kun en ny beholder med tetrachloraursyre i nitrogenhandskerummet, når fugtigheden har nået et passende lavt og stabilt niveau (mindre end 0,8% relativ luftfugtighed). Opbevar tetrachlorautrinsyren i nitrogenhandskerummet, når du har åbnet den. Efter åbning af tetrachloraursyren skal du pakke laboratoriefilm rundt om beholderens låg for at hjælpe med at forsegle beholderen og forhindre vanddamp og forurenende stoffer i at komme ind i beholderen.
3. I nitrogenhandskeboksen skal du placere et af de to ikke-vandige 20 mL glasglas med PTFE-forede hætter på mikrobalancen/vægten og fjerne PTFE-foret hætte.
4. Sørg for at "re-nul" eller "tara" mikrobalancen med 20 ml glasglas på skalaen, før du begynder at afveje tetrachloraursyrepulveret.
5. I nitrogenhandskerummet skal du bruge den lille metalspatel til at deponere tetrachloraursyrepulver fra beholderen i 20 ml glasglasglas på mikrobalancen til en målt vægt på 150 mg tetrachloraursyrepulver.
6. Fjern PTFE-foret hætte fra den anden ikke-vandige 20 mL glas hætteglas (den tomme, der ikke er i øjeblikket på mikrobalance).
   ADVARSEL: Oleylamin er giftigt og ætsende, så håndter det forsigtigt.
7. Brug den 5 mL lille glas graduerede cylinder til at måle 3,6 mL oleylamin. Hæld forsigtigt 3,6 ml oleylamin fra den 5 ml lille glas graduerede cylinder i 20 ml glasglas uden tetrachloraurinsyre.
8. Hæld forsigtigt og mål 3,0 mL toluen i den 5 mL lille glas graduerede cylinder. Hæld forsigtigt 3,0 mL toluen fra den 5 mL lille glas graduerede cylinder i 20 mL glasglas med oleylamin.
   BEMÆRK: Hvis der hældes for meget toluen i den graduerede glascylinder, kan det overskydende opløsningsmiddel hældes i den brandfarlige affaldsflaske. Det er bedst at bruge den lille 5 mL graduerede glascylinder til måling af oleylamin og toluen. Pas på ikke at spilde oleylamin, da det er ætsende og giftigt.
9. Skru PTFE-foret hætten tilbage på 20 mL glasglas med oleylamin og toluen indeni. Ryst og svirr det lukkede glasglas for at blande oleylamin- og toluenopløsningen sammen.
10. Åbn glasglasglasset på 20 mL opløsning. Hæld forsigtigt ~ 150 mg tetrachloraursyrepulver i glasglasset med oleylamin og toluenopløsning.
11. Skru PTFE-forede hætter tilbage på glasflaskerne. Ryst og hvirvel det lukkede glasglas med tetrachloraursyre, oleylamin og toluen for at blande opløsningen sammen. Bliv ved med at ryste opløsningen, og sørg for, at den blandes grundigt.
    BEMÆRK: Tetrachlorautrinsyren, oleylamin og tolueninjektionsopløsningen skal blive mørkerød eller lilla efter omrystning og blanding af den som vist i supplerende figur 4.

8. Injektion af tetrachloraursyre, oleylamin &toluenopløsningen i beholderen

1. Sørg for, at vandet langsomt strømmer ind i bunden af kondensatorrøret og op i toppen af kondensatorrøret. Juster vandstrømmen efter behov ved forsigtigt at åbne/lukke vandventilen.
2. Sørg for, at oleylamin- og toluenopløsningen i glasreaktionsbeholderen er i en let kog, hvor noget toluen og oleylamin fordamper i kondensatorrøret. Sørg for, at den magnetiske omrører er tændt.
3. Hæv kondensatorrøret over reaktionsbeholderen ved hjælp af stativet med klemmer til at understøtte glasvarerne. Sørg for, at der er plads og frihøjde nok til at injicere tetrachloraursyre, oleylamin og toluenopløsning i reaktionsbeholderen.
4. Fjern den lange graduerede glaspipette fra aluminiumsfolien (som beskyttede pipetten for at holde den ren) og fastgør gummipæren med ventiler til pipetten. Sørg for kendskab til at betjene gummipæren med ventiler for at suge op og sprøjte en opløsning ud med den lange graduerede glaspipette, før du bruger den.
5. Ryst det lukkede 20 ml ikke-vandige glasglas med PTFE-foret hætte med tetrachloraursyre, oleylamin og toluenindsprøjtningsopløsning, og sørg for, at det er godt blandet. Åbn 20 ml glasglasset med injektionsopløsningen ved at fjerne hætten.
6. Tryk på den øverste ventil, mens du klemmer gummipæren for at tømme gummipæren. Hæld forsigtigt spidsen af den languddannede glaspipette i 20 ml glasglas med tetrachloraurinsyre, oleylamin og toluenindsprøjtningsopløsning.
7. Tryk forsigtigt på den nederste ventil på gummipæren, der er forbundet med den lange graduerede glaspipette, for langsomt at trække al tetrachloraursyre, oleylamin og toluenindsprøjtningsopløsning ind i glaspipetten.
   BEMÆRK: Supplerende figur 5 viser den injektionsopløsning, der trækkes ind i den lang graduerede glaspipette med gummipæren med ventiler lige før indsprøjtning af opløsningen i reaktionsbeholderen. Det kan være gavnligt at øve sig i at betjene den languddannede glaspipette med pæren med ventiler (f.eks. med noget toluen), før den faktisk udarbejder og injicerer tetrachloraurinsyre, oleylamin og toluenopløsning.
8. Spidsen af glaspipetten anbringes forsigtigt i åbningsåbningen af reaktionsbeholderen, og tetrachloraurinsyren, oleylaminen og toluenindsprøjtningsopløsningen injiceres hurtigt i den kogende opløsning af oleylamin og toluen i reaktionsbeholderen.
   BEMÆRK: Opløsningsfarven skal i første omgang skifte fra rød til gul til hvid inden for cirka et minut, da guldnanopartikler begynder at nukleere og vokse.
9. Brug klemmen på stativet til at sænke kondensatorrøret ned igen i reaktionsbeholderen.
10. Varm den gyldne nanopartikel kemiske reaktionsopløsning ved en blid kog i 2 timer.
    BEMÆRK: Toluendampen fra kogeopløsningen skal kondensere i røret og dryppe ned i reaktionsbeholderen igen. Over flere minutter skal farven på reaktionsblandingen derefter skifte fra hvid til gul til lyserød og derefter til rød, når guldnanopartiklerne vokser sig større. I løbet af 1-2 timer skal farven på reaktionsblandingen gradvist skifte fra lysrød til dyb rød / lilla.
11. Efter 2 timers opvarmning slukkes reaktionsopløsningen for varmeapparatet.
    BEMÆRK: På dette tidspunkt kan opløsningen enten få lov til at køle naturligt ned til stuetemperatur, eller opløsningen kan straks slukkes ved at tilsætte ~ 100 ml methanol i opløsningen. Den mest kendte praksis allerede nu er at lade løsningen køle ned naturligt i stedet for at slukke løsningen med det samme.
12. Lad opløsningen køle naturligt ned til stuetemperatur i 1 time (anbefales); eller sluk straks for guldnanopartikelopløsningen med 100 ml methanol (anbefales ikke).

9. Slukning af reaktionen med Methanol efter afkøling af Gold Nanoparticle Solution

1. Sørg for, at varmeapparatet er slukket, og at opløsningen er kølet af.
2. Stop strømmende vand gennem kondensatorrøret. Fjern forsigtigt vanddræningsslangen fra vasken/afløbet i den tilstødende røghætte, og tilslut den til vakuumporten i røghætten.
3. Træk vakuum på drænslangen for at suge vandet væk i kondensatorrøret og drænslangen. Fjern forsigtigt kondensatorrøret fra stativet med klemmen og læg det vandret i nitrogenhandskerummet.
   BEMÆRK: Det vakuum, der trækkes på glaskondensatorrøret, skal fordampe vandet i kondensatorrøret.
4. I nitrogenhandskerummet hældes ~35 mL methanol i hver af de 50 mL koniske centrifugerør (mængde 12).
   BEMÆRK: Methanol vil blive brugt til at fjerne ureagerede reagenser og biprodukter fra synteseprocessen for at rengøre og vaske guldnanopartiklerne. De 50 mL centrifugerør skal holdes oprejst i reagensglasholdere.
5. Guld nanopartikelopløsningen hældes i lige store mængder (~12 ml) i hvert af de 50 ml centrifugerør (mængde 12) med methanol. Pas på ikke ved et uheld at hælde den magnetiske rørestang ud, mens du hælder guldnanpartikelopløsningen i hvert centrifugerør.
   BEMÆRK: Supplerende figur 6 viser ~ 12 ml guld nanopartikelopløsning, der hældes i hver af de 50 ml koniske centrifugerør med methanol. Efter at have hældt ~ 12 ml guld nanopartikelopløsning i hver af de 50 ml koniske centrifuger med ~ 35 ml methanol, skal hvert centrifugerør have ~ 47 ml opløsning (lidt under 50 ml mærket).
6. Fordel eventuelle resterende guld nanopartikelopløsninger jævnt mellem centrifugerørene.
7. Skru hætterne på 50 mL centrifugerørene for at lukke dem og stramme hætterne.
8. Frakoble indløbs- og udløbsslangerne fra glaskondensatorrøret, tilslut indløbs- og udløbsslangerne sammen ved at fodre den ene ind i den anden, og pak derefter rørenes forbindelse med laboratoriefilmen for at forsegle forbindelsen. Sluk for det vakuum, der trækkes på slangerne.
   BEMÆRK: Rørene er forbundet og forseglet for at forhindre vand- eller vanddamp i ved et uheld at komme ind i nitrogenhandskerummet.
9. Fjern de 50 ml koniske centrifugerør med guld nanopartikelopløsningen og methanolen fra nitrogenhandskeboksen gennem lastlåsen. Fjern også methanolflasken og toluenflasken fra nitrogenhandskerummet. Placer dem i den tilstødende røghætte.
10. Fjern også glasreaktionsbeholderen, den magnetiske rørestang, glaskondensatorrøret, den lange glas graduerede pipette og gummipæren med ventiler fra nitrogenhandskerummet gennem belastningslåsen. Placer dem i den tilstødende røghætte.
11. Top på hvert 50 mL centrifugerør på hætterne mærkes med et prøvenummer (f.eks. 1, 2, 3, 4, ...) for at holde styr på de forskellige prøver.
    BEMÆRK: Når du har fjernet guldnanopartikelopløsningen og glasvarer/-forsyningerne, skal nitrogenhandskerummet fortsat ventileres i flere timer eller natten over ved at strømme frisk kvælstof ind i handskerummet, mens der trækkes et lille vakuum for at skylle ud og ventilere toluen/oleylamindampen. Vakuumudstødningsledningen skal udluftes i en røghætte. Nitrogenhandskerummet skal også regenereres med regenereringsgas for at fjerne fugt/opløsningsmidler fra filtreringssystemet. Nogle nitrogenhandskeæsker kan også komme med en opløsningsmiddelfælde, som hjælper med at fjerne opløsningsmiddeldampe.

10. Vask og rensning af guld nanopartikler med Toluene og Methanol

BEMÆRK: Hvert 50 mL centrifugerør med guldnanopartikler vaskes og renses med 10 mL toluen og 40 mL methanol 3 gange, hvor guldnanopartiklerne rengøres i partier på 6 centrifugerør ad gangen. Centrifugerørene skal have en lige stor mængde nanopartikelopløsning af guld og bør være lige vægtede og afbalancerede.

1. 6 af de 50 ml centrifugerør anbringes med guldnanopartikelopløsning i centrifuge.
2. Luk låget på centrifuge, og indtast følgende indstillinger for spinding af guld nanopartikler:
   RPM: 2328
   RCF: 1000
   Tid: 5 minutter
3. Begynd at dreje 6 af de 12 koniske centrifugerør med guld nanopartikelopløsningen og methanol i centrifuge.
4. Efter at de første 6 centrifugerør med guld nanopartikler er færdige med at spinde, skal du forsigtigt fjerne rørene fra centrifuge. Pas på ikke at forstyrre guld nanopartikel pellets samtidig placere centrifuge rør i røret stativer.
   BEMÆRK: Supplerende figur 7 viser, hvordan guldnanopartikelopløsningen skal forekomme i de 50 ml koniske centrifugerør efter centrifugering. Centrifugalkraften vil trække guldnanopartiklerne ned i opløsning og adskille dem fra methanol og toluen. Guld nanopartiklerne vil bundfælde sig i pellets i bunden af hvert centrifugerør. Den supernatant methanol/toluenopløsning ser ud til at være klar/gennemsigtig over de mørke guld nanopartikelpiller, hvilket indikerer, at centrifugering har udfældet guldnanopartiklerne fra opløsningen.
5. Placer de sidste 6 af de 12 koniske centrifugerør med guld nanopartikelopløsningen og methanol i centrifuge. Luk låget på centrifuge og indtast de samme centrifugeindstillinger som før. Begynd at dreje rørene i centrifuge.
6. Når de sidste 6 centrifugerør er færdige med at spinde, skal rørene forsigtigt fjernes fra centrifuge. Pas på ikke at forstyrre guld nanopartikel pellets samtidig placere centrifuge rør i røret stativer.
7. Bær forsigtigt alle centrifugerørene med guldnanopartiklerne over til røghætten og prøv ikke at forstyrre eller ophidse dem under transport.
8. Hæld langsomt og forsigtigt affaldet methanol ud i et brandfarligt affaldsbeholder/bægerglas. Pas på ikke at forstyrre og ikke hælde ud eller miste den sorte guld nanopartikel pellets i bunden af centrifuge rør.
   BEMÆRK: Den første methanolskylningscyklus er nu afsluttet.
9. Begynd den anden methanol skylningscyklus ved at hælde ~ 10 mL frisk toluen i hver af de koniske centrifugerør med sorte nanopartikel pellets i røghætten. Skru hætterne på igen for at lukke de 50 mL centrifugerør.
10. Vortex hver af de 50 ml centrifugerør, indtil de sorte væske-/bundfalds-/guldnanopartikler genbruges og spredes i 10 ml toluenopløsningen, og opløsningen ser uklar/mørk ud. Kontroller bunden af hvert centrifugerør for at sikre, at de fleste af de sorte rester (guldnanopartikler) er blevet genbrugt til opløsning.
    BEMÆRK: Supplerende figur 8 viser centrifugerørene med guldnanpartikelopløsning og toluen, der hvirvles og genbruges. Vortexing er meget bedre og blidere på guld nanopartikler end sonikere guld nanopartikler. Må ikke sonikere guld nanopartikler som sonikering kunne fratage off oleylamin ligands fra guld nanopartikler og forårsage sammenlægning og sedimentering af guld nanopartikler.
    BEMÆRK: Supplerende figur 9 viser, hvordan guld nanopartikelopløsningen skal vises, når guldnanopartiklerne genbruges til opløsning ved at hvirvle hver guld nanopartikelpellet med ~ 10 ml toluen.
11. Hæld ~ 40 ml frisk methanol i hver af de koniske centrifugerør med toluen og nanopartikler, således at der med de 10 ml toluen, der allerede er i hvert centrifugerør, er i alt ~ 50 ml opløsning i hvert 50 ml centrifugerør. Skru hætterne tilbage på 50 mL centrifugerørene for at lukke rørene, og sørg for, at hætterne er på stramt.
12. Sæt centrifugerørene i centrifuge. Drej centrifugerørene i centrifuge for at samle guld nanopartiklerne i en pellet i bunden af hvert rør, 6 centrifuge rør ad gangen. Brug de samme centrifugeindstillinger som før (RCF 1000, 5 minutter).
13. Når centrifuge stopper, skal du forsigtigt tage rørene ud med nanopartiklerne og derefter forsigtigt tage dem til røghætten (prøv ikke at forstyrre eller ophidse dem under transport). Hæld forsigtigt affaldet toluen og methanol ud i det brandfarlige affaldsbeholder/bægerglas.
    BEMÆRK: Den anden methanolskylningscyklus er nu afsluttet.
14. For den tredje og sidste skyllecyklus skal du følge samme proces som før for hvirveldannelse i 10 mL toluen, rengøring i 40 mL methanol, centrifugering og omhyggeligt udsmidning af toluen/methanolopløsningsmiddel. Sørg for, at guld nanopartiklerne i hver af de 50 mL centrifugerør bliver opbrugt med toluen og vasket med methanol 3 gange.

11. Tørring af guld nanopartikler

BEMÆRK: Efter at guldnanopartiklerne i 50 mL centrifugerørene er blevet vasket 3 separate gange, og toluen og methanol er blevet hældt ud for sidste gang, skal guldnanopartiklerne tørres for at fordampe det resterende opløsningsmiddel. Der er to måder at tørre guld nanopartikler og fordampe opløsningsmidlet:

1. Mulighed 1 - Nitrogen Gun (anbefales ikke):
   1. Brug en nitrogenpistol eller ventil i røghætten til forsigtigt at blæse centrifugerørene, der indeholder de sorte pellets af guldnanopartikler i bunden af rørene.
   2. Pas på ikke at bruge for meget kvælstoftryk, eller de skrøbelige guld nanopartikel pellets kan få løsnet.
      BEMÆRK: Tørring af guld nanopartikler med nitrogen pistol er ikke ideel, fordi det kan forårsage guld nanopartikel pellets at få beskadiget / tabt.
2. Mulighed 2 - Vakuumtørring (anbefales):
   1. Hætterne løsnes på 50 mL centrifugerørene med guld nanopartikelpiller, så rørene stadig er dækket, men opløsningsmiddel kan fordampe og slippe ud inde fra rørene.
   2. Placer rack af rør med guld nanopartikler inde i vakuum belastning lås af nitrogen handskerummet. Luk og forsegl den ydre lastlåsdør, og åbn ventilen til vakuumpumpen for at begynde at trække vakuum på lastlåsen.
   3. Pump ned til omkring halvdelen af målertrykket (~-15 inHg) for at fordampe opløsningsmidlet og tørre nanopartiklerne.
   4. Lad guld nanopartiklerne i lastlåsen stå ved et moderat vakuumtryk (halvmåler, ~-15 inHg) i ~5 minutter. Pump ikke ned til et lavere tryk og lad ikke i vakuum for længe, eller oleylamin ligands kan løsne sig.
   5. Når guldnanopartiklerne har været under vakuum i et par minutter for at tørre guldnanopartiklerne og fordampe det resterende opløsningsmiddel, skal belastningslåsen renses med nitrogen, indtil belastningslåsen når atmosfærisk tryk.
   6. Fjern 50 mL centrifugerørene med guld nanopartikler fra lastlåsen og undersøg tørheden af guld nanopartikelpiller i røghætten.
      BEMÆRK: Supplerende figur 10 viser, hvordan en tørret guld nanopartikel pellet i bunden af en 50 mL konisk centrifuge rør skal passe vakuum tørring det. Hvis der stadig er noget opløsningsmiddel inde i det 50 mL koniske centrifugerør, skal guldnanopartiklerne tørres yderligere for at fordampe det resterende opløsningsmiddel. Vakuumtørring er den foretrukne metode til tørring, fordi det er mindre tilbøjelige til at beskadige eller miste guld nanopartikel pellet, sammenlignet med mere aggressive metoder såsom kvælstof pistol tørring. Hvis en vakuumbelastningslås ikke er tilgængelig, eller hvis det foretrækkes, kan guldnanpartiklerne også tørres i en vakuumdesikkator.
3. Når guld nanopartikel pellets er tørre, skrue hætterne tæt tilbage på centrifuge rør.
4. Wrap laboratoriefilm omkring tæt lukkede hætter til at forsegle centrifuge rør med guld nanopartikel pellets indeni.
5. Mærk 50 mL centrifugerørene med guld nanopartikeludfældningspellet med en passende beskrivende etiket, såsom "Dried Au NP" og datoen (f.eks. 9-28-2020).
6. De forseglede centrifugerør anbringes med tørrede nanopartikelpiller af guld i et køleskab på 2 °C - 8 °C. Brug en bakke eller 50 mL koniske centrifugerørstativer til at holde rørene oprejst.
   BEMÆRK: Supplerende figur 11 viser centrifugerørene, der er lukket, indpakket med laboratoriefilm, mærket og opbevaret i et køleskab på 2 °C - 8 °C. Hvert centrifugerør kan opbevares i køleskabet, indtil det bruges til at lave en opløsning af genopbrugte guldnanopartikler.

12. Rengør den kemiske reaktion Glasvarer (Efter Guld Nanopartikel Syntese)

ADVARSEL: Guld etchant TFA og aqua regia er ætsende. Brug det nødvendige personlige værnemidler (PPE), såsom kemiske handsker, kemisk kjole, beskyttelsesbriller og ansigtsskærm. Håndter kun den ætsende opløsning i en syre våd bænk, mens du bærer den nødvendige PPE.

1. I røghætten skal glasreaktionsbeholderen rengøres med acetone, og acetonen hvirvles rundt i glasreaktionsbeholderen for at vaske den resterende guldnanopartikelopløsning væk, og dump derefter den snavsede acetone i et snavset opløsningsmiddelopsamlingsbæger, og kassér det snavsede opløsningsmiddel i en brandfarlig affaldsflaske.
2. I den sure våde bænk skal glasreaktionsbeholderen placeres med kondensatorrøret fastgjort til det i et 600 mL bægerglas for at få støtte, og hvile siden af kondensatorrøret mod sidevæggen på den sure våde bænk for yderligere støtte.
3. Rengør den kemiske reaktion glasvarer (kondensator rør, reaktion fartøj, glas pipette) og magnetisk røre bar ved at hælde den anvendte ~ 300 ml guld etchant TFA løsning (som blev gemt tidligere og afsat til genbrug), der blev blandet 1:1 med DI vand i kondensatoren rør og reaktion fartøj glasvarer. Placer den magnetiske rørestang og langglaspolerede pipette i kondensatorrøret. Fyld kondensatorrøret med DI-vand efter behov for at fylde det af og lad guldet etchant TFA-badet sidde og rengøre glasvarerne i 30 minutter.
4. Efter 30 minutter knækkes forseglingen mellem kondensatorrøret og reaktionsbeholderen for at samle hele guldetiksilopløsningen i reaktionsbeholderen og hæld den anvendte guldetiltopløsning i 400 ml bægerglasset. Hæld guldetikschantopløsningen i kemikalieaffaldsflasken til brugt guldetchantopløsning.
5. Stadig i den sure våde bænk, vask den kemiske reaktion glasvarer og magnetisk røre bar 3-4 gange med DI vand til at skylle de resterende guld etchant løsning, og derefter lade den kemiske reaktion glasvarer og magnetisk røre bar til at sidde i en DI vandbad i yderligere 30 minutter.
6. Efter 30 minutters siddende i et DI vandbad, tømme vandet og bruge DI vandpistol til at vaske vandet ned syre våd bænk afløb. Skyl med acetone og derefter blæse glasvarer tør med nitrogen pistol.

Representative Results

Figur 1 viser, hvordan den kemiske reaktionsblandingsopløsning af guldnanpartikelsyntese (tetrachloraurinsyre, oleylamin og toluen) gradvist skal skifte farve i løbet af flere minutter, da den i første omgang koger i reaktionsbeholderen; fra klar, til lysegul (venstre billede), til lyserød (centerbillede), til lys rød (højre billede). Den skiftende farve på opløsningen er en indikation af den skiftende størrelse af guld nanopartiklerne, når de begynder at nukleere og vokse sig større over tid. Generelt bør guld nanopartikelopløsningen blive mørkere og mere rød / lilla over tid, når guld nanopartiklerne kerner og vokser. Figur 2 viser den endelige mørkerøde/lilla farve på den gyldne nanopartikelsyntese kemiske reaktionsblandingsopløsning efter 2 timers kogning. Den mørkerøde/lilla farve på guldnanopartikelopløsningen er karakteristisk for en koncentreret opløsning af guldnanopartikler, der er ~12 nm i diameter. Figur 3 viser et scanningselektronmikroskop (SEM) billede af en guld nanopartikel monolayer (efter at være blevet deponeret på et silicium substrat), som bruges til at karakterisere størrelsen og monodispersiteten af guld nanopartikler. Guld nanopartikler bør alle synes at have nogenlunde samme størrelse / diameter, hvis de er meget monodisperse. Hvis guld nanopartiklerne er polydisperse, vil de have store variationer i deres størrelse / diameter. For de fleste applikationer foretrækkes monodispersitet normalt snarere end polydispersitet. Figur 4 viser et scanningselektronmikroskopbillede (SEM) af guldnanopartikler og deres diametermålinger, hvilket indikerer en diameter på ~ 12 nm ± 2 nm for guldnanopartiklerne. Disse guld nanopartikler synes at være temmelig monodisperse.

Løsningstype	Varenummer	Mængde og type af kemiske	Bemærkninger/beskrivelse
injektion	1	150 mg tetrachloraursyre (HAuCl4)(0,15 mmol)	til injektion i reaktionsbeholder
	2	3,0 g (3,7 mmol, 3,6 mL) oleylamin
	3	3,0 mL toluen
Kogende	1	5,1 g (6,4 mmol, 8,7 mL) oleylamin	til kogning i reaktionsbeholder
	2	147 mL toluen
Vask/rensning	1	10 mL toluen (x3 vaske) (x12 rør) = 360 mL toluen	til vask/rensning af guldnanopartikler
	2	40 mL methanol (x3 vaske) (x12 rør) = 1,44 L methanol
Guld Etchant	1	150 mL guld etchant TFA [eller aqua regia]	til rengøring af kemisk reaktion glasvarer/forsyninger
	2	150 mL deioniseret (DI) vand

Tabel 1: Kemiske mængder Denne tabel viser mængden og typen af kemikalier, der er nødvendige for at forberede injektionsopløsningen, kogende opløsning, vaske- / rensningsopløsning og guldetiltopløsning.

Supplerende figur 1: Rengøring kemisk reaktion Glasvarer med Gold Etchant TFA-opløsning. Dette tal viser den kemiske reaktion glasvarer (kondensator rør, reaktion fartøj, glas pipette) og magnetisk røre bar rengøres med en ~ 300 ml blanding af ~ 150 ml af guld etchant TFA opløsning og ~ 150 ml DI vand (1:1 blanding) i kondensatoren rør og reaktion fartøj glasvarer. Den magnetiske rørestang og langglasgraderede pipette placeres i kondensatorrøret, og det guldechant TFA-bad overlades til at sidde og rengøre glasvarerne i 30 minutter i den sure våde bænk. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 2: Rent glasvarer og forsyninger, før de overføres til nitrogenhandske. Dette tal viser glasvarer og forsyninger efter at være blevet rengjort og tørret. Glasvarerne og forsyningerne er indpakket/dækket af aluminiumsfolie for at beskytte dem mod snavs/snavs, før de overføres til nitrogenhandskerummet. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 3: Guld nanopartikelsyntese Eksperimentel opsætning i nitrogenhandskeæske. Dette tal viser guld nanopartikel syntese eksperimentelle setup i nitrogen handskerummet. Glasreaktionsbeholderen hviler oven på glasfibermaskebeholderen oven på varmeapparatet/omrøreren, og kondensatorrøret er forbundet oven på glasreaktionsbeholderen. Kondensatorrøret understøttes mekanisk af stativet med klemmen. Der er to slanger forbundet til kondensatorrørets vandindløbs- og udløbsporte (med indløbsporten i bunden af røret og udløbsporten på toppen af røret), så vandet strømmer fra bunden af kondensatorrøret til toppen af kondensatorrøret, køler røret af og kondenserer dampen indeni. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 4: Blanding af tetrachloraursyre, oleylamin og toluenopløsning før injektion. Dette tal viser tetrachloraursyre, oleylamin og tolueninjektionsopløsning efter at være blevet blandet i en ikke-vandig opløsning med 20 ml glasglas med PTFE-foret hætte. Injektionsopløsningen skal se mørk rød eller lilla ud efter at have rystet og blandet den. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 5: Forberedelse af injektionsopløsning i reaktionsbeholder ved hjælp af glaspipette. Denne figur viser den tetrachloraursyre, oleylamin og tolueninjektionsopløsning, der trækkes ind i den langpolerede glaspipette med gummipæren med ventiler, lige før opløsningen hurtigt injiceres med en hurtig sprøjte i kogeopløsningen af oleylamin og toluen i glasreaktionsbeholderen. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 6: Hældning ~ 12 ml guld nanopartikelopløsning i hver 50 ml konisk centrifugerør. Dette tal viser ~ 12 ml guld nanopartikelopløsning hældes jævnt i hver af de 50 ml koniske centrifuge rør med ~ 35 ml methanol i hvert rør. Methanol bruges til at fjerne ureagerede råvarer og biprodukter, for at rengøre og vaske guld nanopartikler. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 7: 50 mL Centrifuge Tubes efter centrifugering, med guld nanopartikel pellets i bunden. Dette tal viser, hvordan guld nanopartikelopløsningen skal forekomme i de 50 ml koniske centrifugerør efter centrifugering, med guld nanopartikler indsamlet i mørkt guld nanopartikel pellets i bunden af hvert centrifugerør. Over de mørke guld nanopartikelpiller synes den supernatant methanol/toluenopløsning at være klar/gennemsigtig, hvilket indikerer, at centrifugering har udfældet guldnanopartiklerne fra opløsningen. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 8: Hvirvelstrømning 50 mL Centrifuge Tubes med Au NPs Efter påfyldning med ~ 10 mL Toluene. Dette tal viser centrifugerørene med guld nanopartikelopløsning og toluen, der hvirvles og genbruges. Vortexing er meget bedre og blidere på guld nanopartikler end sonikere guld nanopartikler. Guld nanopartiklerne bør ikke sonikeres, da sonikering kan fjerne oleylaminligalerne fra guldnanopartiklerne og forårsage sammenlægning og sedimentering af guldnanopartiklerne. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 9: Hvirvelstrøm Indtil guld nanopartikel pellet / rest er næsten helt opsuspended. Dette tal viser, hvordan guld nanopartikel opløsningen skal vises, når guld nanopartikler genbruges til opløsning ved at hvirvle hver guld nanopartikel pellet med ~ 10 ml toluen. De 50 ml centrifugerør skal hvirvles, indtil de sorte væske-/bundfalds-/guldnanopartikler genbruges og spredes i toluen, og opløsningen ser uklar/mørk ud. Bunden af centrifugerøret bør kontrolleres for at sikre, at stort set hele eller det meste af den sorte nanopartikelrester er blevet genbrugt til opløsning. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 10: Tørret guld nanopartikel pellet i 50 mL konisk centrifugerør. Dette tal viser, hvordan en tørret guld nanopartikel pellet i bunden af en 50 mL konisk centrifuge rør skal se, efter vakuum tørring det. Efter at guldnanopartiklerne i 50 mL centrifugerøret er blevet vasket 3 separate gange, og toluen og methanol er blevet hældt ud for sidste gang, skal guldnanopartiklerne tørres for at fordampe det resterende opløsningsmiddel. Vakuumtørring er den foretrukne metode til tørring, fordi det er mindre tilbøjelige til at beskadige eller miste guld nanopartikel pellet, sammenlignet med mere aggressive metoder såsom kvælstof pistol tørring. Klik her for at hente denne fil.

Supplerende figur 11: Cap Tubes, Wrap with Laboratory Film, Label Tubes og Store in 2 °C - 8 °C Køleskab. Dette tal viser centrifugerørene, der er lukket, indpakket i laboratoriefilm, mærket og opbevaret i et køleskab på 2 °C - 8 °C. De 50 mL centrifugerør med guld nanopartikeludfældningspellet skal mærkes med en passende beskrivende etiket, såsom navn, prøvenummer og dato. En bakke eller 50 mL koniske centrifugerørstativer kan bruges til at holde rørene oprejst i køleskabet. Klik her for at hente denne fil.

Figur 1:Guld nanopartikelopløsning skifter farve over flere minutter efter injektion. Dette tal viser, hvordan guld nanopartikelsyntese kemisk reaktionsblandingsopløsning (tetrachloraursyre, oleylamin og toluen) gradvist skal skifte farve i løbet af flere minutter, da den i første omgang koger i reaktionsbeholderen; fra klar, til lysegul (venstre billede), til lyserød (centerbillede), til lys rød (højre billede). Den skiftende farve på opløsningen er en indikation af den skiftende størrelse af guld nanopartiklerne, når de begynder at nukleere og vokse sig større over tid. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2:Guld Nanopartikelopløsning er mørk rød/lilla efter 2 timers kogning. Dette tal viser den endelige mørkerøde/lilla farve på den kemiske reaktionsblandingsopløsning af guldnanpartikelsyntese efter 2 timers kogning i reaktionsbeholderen. Den mørkerøde/lilla farve på guldnanopartikelopløsningen er karakteristisk for en koncentreret opløsning af guldnanopartikler, der er ~12 nm i diameter. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3:Scanning electron mikroskop (SEM) Billede af Guld Nanopartikel Monolayer. Denne figur viser en scanning elektron mikroskop (SEM) billede af en guld nanopartikel monolayer (efter at være blevet deponeret på en silicium substrat), som bruges til at karakterisere størrelsen og monodispersiteten af guld nanopartikler. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4: Scanning af SEM-billede (Electron Microscope) med målinger af guld nanopartikeldiameter. Dette tal viser et scanningselektronmikroskopbillede (SEM) af guldnanopartikler og deres diametermålinger, hvilket indikerer en diameter på ~ 12 nm +/- 2 nm for guldnanopartiklerne. Klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

Udførelse af guld nanopartikelsynteseprotokollen som præsenteret ovenfor bør producere guld nanopartikler med ~ 12 nm diameter og ret høj monodispersitet (± 2 nm). Der er dog nogle kritiske trin og procesparametre, der kan justeres for potentielt at ændre størrelsen / diameteren og monodispersitet / polydispersitet af guld nanopartiklerne. For eksempel, efter at have injiceret prækursoropløsningen i reaktionsbeholderen og tilladt tetrachloraursyre, oleylamin og toluenopløsning at koge i to timer, er der mulighed for enten at gøre øjeblikkelig slukning af reaktionsopløsningen eller at gøre forsinket slukning og naturlig afkøling. Hvis der ønskes øjeblikkelig slukning, tilføjes der lige efter, at det 2-timers opvarmede reaktionstrin er afsluttet, 100 mL methanol til reaktionsbeholderen for at fremskynde guldnanopartiklerne. Øjeblikkelig slukning kan give bedre spredningsforhold, fordi kernen sker på omtrent samme tid for alle nanopartikler i den mættede opløsning; der henviser til, at jo længere opløsningen forbliver uudslukket, jo større, men mere randomiseret bliver nanopartiklernes størrelse. Hvis forsinket slukning og naturlig afkøling i stedet ønskes, så efter at det 2-timers opvarmede reaktionstrin er afsluttet, får opløsningen lov til at køle naturligt ned til stuetemperatur i 1 time. Alternativt kan opløsningen lades afkøle endnu længere, indtil den følgende dag (f.eks. vente natten over), før der tilsættes 100 ml methanol til udfældes guldnanopartiklerne. Forskere ønsker måske at eksperimentere med både øjeblikkelig slukning og forsinket slukning, og 1 time forsinket slukning vs. natten forsinket slukning for at afgøre, hvilken metode der giver de bedste resultater til at gøre store og meget monodisperse guld nanopartikler. En time forsinket slukning er den procedure, der i øjeblikket anbefales at producere guld nanopartikler, der er meget monodisperse, men det er endnu ikke fastlagt, hvilken procedure giver overlegne resultater, så nogle yderligere eksperimentelle undersøgelser kan være gavnlige.

Et andet kritisk skridt i protokollen, der påvirker monodispersiteten af guld nanopartiklerne, er hurtig injektion af prækursoren, så den mættede opløsning kan danne så mange kerner som muligt over et meget kort tidsinterval. Kort efter prækursor injektion, få nye kerner form, og guld atomer bør kun slutte sig til eksisterende kerner. Hvad der er nødvendigt for høj monodispersitet er en lang, konsekvent vækstperiode i forhold til nukleationsperioden. En høj vækst:nukleationstidsforholdet bør gavne monodispersiteten. På denne grund er injektion af prækursoropløsningen meget hurtigt vigtig for høj monodispersitet, og at vente på at slukke reaktionen (forsinket slukning) kan også være gavnlig for at øge monodispersiteten. Den konkurrerende mekanisme i Ostwald modning¹³ er imidlertid en drivende faktor for polydispersitet. Overfladen energi af guldatomer på overfladen af små nanopartikler er højere end overfladen energi af guldatomer på overfladen af store nanopartikler. Ostwald modning er en termodynamisk drivkraft for indskrænkning af små nanopartikler og dyrkning af store¹⁴. Dette er et fænomen, der kan ske over tid i løsning.

En anden variabel at overveje er stabiliteten af oleylamin ligand lag på guld nanopartikler, og hvor godt passiveret guld nanopartikel overflader er af oleylamin ligands. Selv om der ikke er nogen indikator for udviklingen af overfladen passivering på forskellige punkter i guld nanopartikel syntese reaktion, kan man forestille sig, hvordan overfladen passivering skal udvikle sig over tid. I begyndelsen af reaktionen er der ingen guld nanopartikler, og oleylamin fungerer faktisk som et reducerende middel til at frigøre guldet fra dets klorbindinger. I slutningen af reaktionen skal guld nanopartikeloverfladerne være helt passiverede. Ideelt set bør reaktionen have lov til at fortsætte længe nok til, at overfladerne på guldnanopartiklerne kan blive helt passiverede, men ikke så længe, at Ostwald modning begynder at gøre guldnanopartiklerne polydisperse snarere end monodisperse.

Samlet set er de ting, der skal overvejes, når du udfører slukningen af reaktionen, forholdet mellem vækst:kernetid, minimering af Ostwald modningstid og giver tilstrækkelig tid til overflade passivering. Det er endnu ikke bevist, om forsinket slukning eller øjeblikkelig slukning giver overlegne resultater (dvs. store, meget passiverede og meget monodisperse guld nanopartikler). En let forsinket slukning (f.eks. at gøre det muligt for opløsningen at køle ned til stuetemperatur i 1 time efter kogning) kan dog producere meget monodisperse guldnanopartikler, så en begrænset forsinkelse, før reaktionen slukkes, er acceptabel. For at skabe mere klarhed om, hvorvidt øjeblikkelig slukning eller forsinket slukning er bedre til fremstilling af store og meget monodisperse guld nanopartikler, ville et nyttigt eksperiment eller ændring til fejlfinding af teknikken være at adskille guld nanopartikelsynteseopløsningen i to forskellige partier efter kogning og udføre den øjeblikkelige postreaktionsslukning parallelt med forsinket slukning. Resultatet af dette eksperiment / ændring kan afgøre, om nukleationstidsvinduet er så kort, at den ekstra tid (enten en time eller en nat / dag senere) til køling er unødvendig for vækst, og en kombination af Ostwald modning og overflade passivering er faktisk faldende monodispersitet (eller øge polydispersitet) af guld nanopartikler under nedkøling / forsinkelse før slukning.

Den endelige overvejelse for denne guld nanopartikelsyntesemetode er, hvordan guld nanopartikler opbevares og anvendes. Efter synteseprocessen og rengøringsprocessen tørres guldnanpartiklerne forsigtigt, enten ved hjælp af en nitrogenpistol eller under vakuum. Det anbefales stærkt, at guld nanopartikler tørres i et vakuum miljø i stedet for at bruge en nitrogen pistol, som kvælstof pistol kunne løsne den sorte pellet af guld nanopartikler og få det til at blive tabt / forurenet / beskadiget. Tørring af guld nanopartikler i et vakuum miljø er meget blidere og forhindrer guld nanopartikel pellet fra at få løsnet eller tabt. Efter tørring opbevares guldnanopartiklerne derefter i et rent og tørt miljø (f.eks. i laboratoriefilmforseglede koniske centrifugerør) i et køleskab på 2 °C - 8 °C, indtil de er klar til brug. Dette rene, tørre og kølige miljø bør give guldnanopartiklerne en længere holdbarhed på ca. et år med minimal nedbrydning. For at bruge guld nanopartiklerne kan de genbruges til opløsninger af organiske opløsningsmidler såsom toluen ved at hvirvle guld nanopartiklerne i nærværelse af det organiske opløsningsmiddel. Størrelsen og koncentrationen af guldnanopartiklerne i toluenopløsningen kan derefter verificeres ved hjælp af UV-vis spektrekarakterisering¹⁵ og fortyndes yderligere med toluen, hvis det er nødvendigt, indtil den ønskede koncentration af guldnanopartikler er opnået. En begrænsning er, at koncentrationen skal analyseres for hver løsning.

Den guld nanopartikelsynteseprotokol, der præsenteres her, har til formål at muliggøre syntese af guldnanopartikler af ikke-kemieksperter. Betydningen af denne protokol med hensyn til eksisterende metoder er, at den giver mulighed for at kontrollere mængden af nanopartikler, der produceres, nanopartiklernes størrelse, nanopartiklernes monodispersitet og de ligands, der indkapsler guldnanopartiklerne. Guld nanopartiklerne, der syntetiseres ved hjælp af denne proces, er blevet brugt til at skabe nanoelektroniske enheder til molekylære elektronikeksperimenter, såsom 2D-molekyle-nanopartikel arrays¹⁶. I dette eksempel dannes 2D-molekyle-nanopartikel arrays ved at deponere 200 μL af de fortyndede guld nanopartikler i toluenopløsning i 15 ml koniske centrifugerør, der delvist var fyldt med deioniseret vand. Rørene blev efterladt uforstyrret i 1 - 3 timer for at lade toluen fordampe og guld nanopartiklerne til at danne monolayers på vandets overflade. Disse monolag af guldnanpartikler blev derefter overført til substrater såsom siliciummikrochips ved hjælp af PDMS-frimærker for at danne nanoelektroniske enheder. Den oleylamin ligands på guld nanopartikler blev derefter udvekslet med andre molekyler for at ændre den elektroniske og termoelektriske egenskaber guld nanopartikel-molekyle monolayers^17,18. Guld nanopartikelsynteseprotokollen, der præsenteres her, producerer guldnanopartikler af høj kvalitet, der kan være nyttige til mange andre guld nanopartikelapplikationer inden for videnskab, industri og medicin.

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