Generazione di zerovalente Metal Core nanoparticelle Uso n- (2-amminoetil) -3-aminosilanetriol

Riepilogo

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

Abstract

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.

Introduzione

Poiché la domanda e le applicazioni di aumenti progettista nanomateriali, in modo da fare i vari metodi di sintesi. I metodi "top-down", quali l'ablazione laser o attacco chimico sono stati impiegati per la loro eccellente controllabilità e capacità di risolvere materiali attendibile al livello sub-micron. Questi metodi si basano su materiali sfusi in lavorazione in componenti più sottili, che tipicamente aumentano il costo di produzione come la dimensione desiderata nanostruttura diminuisce. Un metodo alternativo di sintesi a questo è l'approccio "bottom-up", che controlla la sintesi a livello molecolare e si accumula alla nanostruttura desiderata. Ciò conferisce un notevole grado di controllo sulla desiderata autoassemblaggio, funzionalità, passività e stabilità nella generazione di questi materiali nanostrutturati ^1. Lavorando dal livello molecolare, nanocompositi ibridi possono essere generati fornire i vantaggi di entrambi i materiali della stessa structuri.

Come nanomateriali sono sintetizzati attraverso la strategia bottom-up, metodi devono essere utilizzati per controllare la dimensione delle particelle, forma, struttura, idrofobicità, la porosità, la carica, e la funzionalità ^2. In sintesi nanoparticelle nucleo metallico, il sale metallico è sensibilmente ridotto in un processo autocatalitico per generare particelle zero-valente, che a sua volta dirigono la nucleazione di altra particella. Questo porta a clustering e la produzione di nanoparticelle, infine, ^3. Nel tentativo di controllare la dimensione delle nanoparticelle create e impedire loro di precipitare dalla soluzione, stabilizzanti come leganti, tensioattivi, carica ionica e grandi polimeri vengono sfruttati per la loro capacità di bloccare le nanoparticelle da ulteriori agglomerato ^4-10. Questi materiali inibiscono la van der Waals attrazione delle nanoparticelle, sia attraverso ingombro sterico dovuto alla presenza di gruppi voluminosi e attraverso repulsioni coulombiano ^3.

in til suo lavoro, una, una pentola, strategia sintetica facile per la generazione delle varie nanoparticelle nucleo metallico utilizzando il silano, N- (2-amminoetil) -3-aminosilanetriol (2-AST) è presentato (Figura 1). Ligandi di questo composto sono in grado di ridurre precursori metallo e stabilizzare nanoparticelle metalliche con un relativamente elevata efficacia. Le tre frazioni silanolici presenti sono anche in grado di reticolazione e questo costituisce una rete interconnessa di polimero silano organico impregnato di nanoparticelle di sua matrice (Figura 2). A differenza di molti silani, che facilmente subiscono idrolisi in presenza di acqua, questo composto è stabilizzato in acqua, che è vantaggioso per scopi idrofobicità, stabilità e controllo.

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Protocollo

Nota: Tutti i reagenti sono utilizzati come è dal produttore, senza ulteriore purificazione. Le reazioni sono state monitorate per fino ad una settimana tramite spettroscopia UV-Vis per assicurare riduzione completa. Tutte le reazioni sono svolte sotto una cappa di sfiato e abbigliamento adeguato la sicurezza è sempre usati, compresi i guanti, occhiali di protezione, e camici.

1. Sintesi di argento nanoparticelle

1. Pesare 0.0169 g (0,1 mmoli) di nitrato d'argento direttamente in un pallone da 50 ml Erlenmeyer.
2. Aggiungere a 20 ml di 18,2 MW di acqua ultrapura e un bar agitatore magnetico. Coprire pallone con tappo per evitare l'evaporazione.
3. Inserire pallone in un bagno d'olio situato su una piastra agitatore / calda e garantire che la temperatura viene mantenuta a 60 ° C.
4. Aggiungere lentamente 144 ml (0,2 mmoli) di 2-AST utilizzando una micropipetta di precisione. Lavare pipetta più volte in soluzione per garantire che tutti silano viene trasferito nella soluzione.
5. Prendere le letture spettroscopia UV-Vissecondo il protocollo di cui alla sezione 5.
6. Dopo 6 ore, rimuovere il campione dal bagno d'olio e versare in un flacone da 20 ml di esempio per l'archiviazione, TEM, FTIR e ulteriori analisi.
   Nota: Sintesi di nanoparticelle di oro e palladio segue il metodo e stechiometrici stessi importi ad eccezione di nanoparticelle di oro richiedono 216 ml (0,3 mmol) 2-AST. La reazione può continuare a produrre nanoparticelle per un massimo di 2 settimane, ma il tasso non è significativo rispetto al tasso iniziale.

2. Microscopio Elettronico a Trasmissione (TEM) Preparazione del campione

1. Assicurarsi che campione è raffreddato a RT.
2. Posizionare una griglia di rame formvar rivestite 200 carbonio-maglia su un pezzo di carta pulito filtro.
3. Utilizzando un 1 ml di plastica pipetta Pasteur, cast-goccia circa 60 ml di campione nanoparticelle direttamente sulla griglia.
4. Lasciare griglia per asciugare per 24 ore prima di imaging.
5. Prendere immagini TEM ad alta risoluzione con le seguenti condizioni:Attuali 10 μA e 100 kV tensione di accelerazione ^22.

3. Risonanza Magnetica Nucleare (NMR) Preparazione del campione

Nota: Eseguire NMR a temperatura ambiente. Ad alte temperature segnali possono fondersi, che degrada la qualità degli spettri ottenuti.

1. Usando una pipetta di precisione, pipetta 50 ml di anidride deuterio (D _{2 O)} in una provetta pulita NMR.
2. Con un'altra pipetta di precisione pulita, pipetta 400 ml di campione nanoparticelle nella stessa tubo NMR.
   1. Come campioni possono aderire alle pareti interne del tubo NMR, aggiungere lentamente soluzioni nel tubo NMR. Se il campione non aderisce, tappare la provetta e agitare la parte superiore del tubo per forzare la soluzione al fondo.
3. Mescolare il campione agitando e ripetutamente invertendo il tubo NMR.
4. Luogo provetta nel NMR seguendo le indicazioni stabilite dal protocollo NMR fornito dal produttore. Un verso l'alto di 1.000 scansioni possono essere necessari per res corretteoluzione in un programma di impulso protonica NMR ¹ H.
   Nota: pareti del tubo NMR devono essere pulite. Si raccomanda che la parete esterna del tubo viene pulito con una microfibra o un panno privo di lanugine prima dell'analisi per chiarezza spettri.
5. Scartare campione al termine. Non restituire campione di soluzione madre.

4. trasformata di Fourier (FTIR) Spettroscopia di preparazione del campione

1. Mettere 2 ml di campione nanoparticelle in un piccolo contenitore di vetro. Una fiala di vetro 3 ml di tubo o 1 dram funziona bene.
2. Essiccare i campioni collocando il contenitore di vetro in un essiccatore a vuoto provvista di rubinetto.
3. Fissare essiccatore agli apparecchi pompa a vuoto. L'essiccazione dei campioni può richiedere alcune ore a seconda della forza del vuoto. Considerare i campioni asciutto dopo non c'è liquido visibile nel contenitore.
4. Raschi giù il campione con una spatola pulita e raccogliere materiali solidi.
5. Posizionare il materiale solido sul ATR-FTIR spettroscopia dotato di cris ZnSeal laser a diodi.
6. Ottenere spettri FTIR integrando 32 scansioni tra 4,000-500 cm ^-1 con una risoluzione spettrale di 2,0. Utilizzare l'aria background ^23.

5. UV-Vis Spectroscopy Preparazione del campione

1. Effettuare spettroscopia UV-Vis su campioni di nanoparticelle che sono in un 9:59 diluizione del campione di nanoparticelle di acqua in modo che la saturazione non si verifica in analisi spettrometro.
2. Rimuovere i campioni di nanoparticelle per UV-Vis mentre la reazione è in funzione a intervalli di mezz'ora.
3. Usando una pipetta di precisione, togliere 100 ml di materiale di nanoparticelle e posto in una provetta di plastica.
4. Aggiungere 1 ml di acqua ultrapura per la stessa cuvetta e mescolare accuratamente svuotando la pipetta più volte.
5. Record UV-Vis spettro di assorbimento 250-800 nm.
6. Dopo l'analisi, non tornare campione reazione. Smaltire analita in modo appropriato.

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Risultati

La reazione è stata monitorata tramite spettrometria UV-Vis come formazione di nanoparticelle dovrebbe produrre picchi caratteristici per ciascuna nanoparticella di metallo individuo. L'analisi finale dei materiali sintetizzati stato realizzato attraverso TEM e FTIR. Gli spettri FTIR stato ottenuto da polvere essiccata di campioni. L'analisi granulometrica può essere ottenuto misurando il diametro delle nanoparticelle da immagini ottenute mediante TEM e risultati delle medie. <...

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Discussione

Sali riportati in questo documento sono gli unici sali che sono stati testati di questo metallo. Come risultato, non è certo che questa strategia reazione sarebbe lavorare con tutti i sali dei metalli, in particolare l'oro. La solubilità di questi sali in acqua può anche influenzare l'esito della reazione in termini di tempo di reazione, la morfologia, e le rese. In tutte le reazioni, il silano è stato aggiunto ad una soluzione di sale di metallo già disciolto.

Vale la pena nota...

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Materiali

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