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

Resumen

A novel method for metal core nanoparticle synthesis using a water stable silanol is described.

Resumen

In this work, a facile one-pot reaction for the formation of metal nanoparticles in a water solution through the use of n-(2-aminoethyl)-3-aminosilanetriol is presented. This compound can be used to effectively reduce and complex metal salts into metal core nanoparticles coated with the compound. By controlling the concentrations of salt and silane one is able to control reaction rates, particle size, and nanoparticle coating. The effects of these changes were characterized through transmission electron microscopy (TEM), UV-Vis spectrometry (UV-Vis), Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy (NMR) and Fourier Transform Infrared spectroscopy (FTIR). A unique aspect to this reaction is that usually silanes hydrolyze and cross-link in water; however, in this system the silane is water-soluble and stable. It is known that silicon and amino moieties can form complexes with metal salts. The silicon is known to extend its coordination sphere to form penta- or hexa-coordinated species. Furthermore, the silanol group can undergo hydrolysis to form a Si-O-Si silica network, thereby transforming the metal nanoparticles into a functionalized nanocomposites.

Introducción

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

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

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

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Protocolo

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

1. Síntesis de nanopartículas de plata

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

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

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

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

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

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

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

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

5. UV-Vis Spectroscopy Preparación de la muestra

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

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Resultados

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

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Discusión

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

Vale la pena señalar q...

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Materiales

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