МелебаевД., Аманмадов А.Г., Гылыджова А.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЗОЛОТЫХ
НАНОЧАСТИЦ В КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРАХ
МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА
Аннотация
Рассмотрено применение метода динамического рассеяния света (ДРС) для определения размеров коллоидных наночастиц золота в диапазоне 15-103 нм. Коллоидные наночастицы золота (НЧЗ) были синтезированы при температуре 80-100℃ путём химического восстановления кислого раствора золотохлороводородной кислоты (), в качестве прекурсора, щелочным раствором цитрата натрия (). Коллоидная стабильность образцов была получена посредством измерений дзета потенциала (
В этой работе, размеры и индексы полидисперсности (ИПД) полученных золотых наночастиц были измерены путем динамического рассеяния света (ДРС). Спектры поглощения ультрафиолетового и видимого света (УФ-вид) всех приготовленных образцов коллоидных наночастиц были получены на спектрофотометре СФ-2000, а для дзета потенциала (
Результаты и обсуждение
Измерения размеров коллоидных наночастиц золота динамическим рассеянием света (ДРС)
Динамическое рассеяние света (ДРС) дает много возможностей для получения информации о таких свойствах как размер наночастиц и коэффициент диффузии. Размер наночастиц был измерен при помощи PHOTOCOR Mini 130130 оснащенный 25 мВ диодным лазером (654 нм), который работает при угле 90 и при температуре 18-22C. Объем образца 2.5 мл был помещен в кюветы с диаметром 10 мм. Средние гидродинамические радиусы частиц, Rh, были рассчитаны из интенсивности рассеянного света при помощи пакета программного обеспечения Photocor, который основывается на теории Броуновского движения и на уравнении Стокса-Эйнштейна:
Где, D - это коэффициент диффузии (начальный параметр, получаемый из ДРС измерений), k - постоянная Больцмана, T - температура, и η – коэффициент вязкости растворителя [13].
Таблица 2. Размер частиц и индекс полидисперсности коллоидных наночастиц золота синтезированных при четырех разных экспериментальных условиях
Концентрация и объем восстановителя | Концентрация и объем прекурсора | Температура | Время рефлюкса | Размерчастиц(радиус) | Индекс поли-дисперсности |
C=38.8 мM V=2 мл | C=1 мM V=20 мл | 800C | 10 мин | 64.18 нм | 0.203 |
C=38.8 мM V=2 мл | C=1 мM V=20 мл | 1000C | 10 мин | 61.15 нм | 0.488 |
C=38.8 мM V=3 мл | C=0.3 мM V=100мл | 1000C | 15 мин | 18.34 нм | 0.567 |
C=38.8 мM V=30 мл | C=0.5 мM V=300 мл | 1000C | 30 мин | 15.27 нм | 0.419 |
Интенсивность ДРС в процентах и распределения размеров наночастиц показаны на рисунках 1, 2. Очевидно, что при увеличении количества используемого цитрата во время синтеза, радиус частиц уменьшается. Размер и полидисперсность синтезированных коллоидных наночастиц золота 64.18 нм (0.203), 61.15 нм (0.488), 18.34 нм (0.567) и 15.27 нм (0.419) соответственно.
Рис1. Интенсивность ДРС в процентах и распределение
размеров наночастиц: а – 64,18 нм; б – 61,15 нм
Рис2. Интенсивность ДРС в процентах и распределение
размеров наночастиц: а – 18,34 нм; б – 15,27 нм
3.2 Измерения дзета потенциала коллоидных наночастиц золота методом электрокинетической звуковой амплитуды (ESA)
Эффективный заряд или же дзета потенциал частиц традиционно измеряется как скорость, с которой они двигаются во внешнем электрическом поле (электрофорез) при применении постоянного тока. В этом случае, частицы начинают двигаться в сторону одного из электродов. Непосредственным параметром, который измеряется, является их динамическая подвижность. РА устройство применяет переменный ток для того, чтобы заряженные частицы двигались. В таком случае, они колеблются с частотой внешнего электрического поля. Колебания вещества в диапазоне от 200 К Гц до 2 МГц производят звуковые волны с равнодействующим импульсом до тех пока есть разность плотностей между частицами и окружающим растворителем. Амплитуда этих волн или же электрокинетическая звуковая амплитуда (ESA) пропорциональна, через доказанную теорию, динамической подвижности, а она в свою очередь пропорциональна дзета потенциалу частиц в дисперсии.
Значения дзета потенциала синтезированных коллоидных наночастиц золота зависят от размера и индекса полидисперсности синтезированных коллоидных наночастиц золота (табл. 3).
Таблица 3. Дзета потенциал коллоидных наночатиц золота синтезированных при четырех разных экспериментальных
Металл | Размер частиц (радиус) | Дзета потенциал () | Индекс полидисперсности |
Au | 64.18 нм | -4.2 мВ | 0.203 |
Au | 61.15 нм | -3.5 мВ | 0.488 |
Au | 18.34 нм | -37.8 мВ | 0.567 |
Au | 15.27 нм | -33.6 мВ | 0.419 |
3.3Спектр поглощения коллоидных наночастиц золота
Кристаллическая решетка золота, как и других металлов, организована таким образом, что валентные электроны способны двигаться по всему объему вещества; таким образом, металлы имеют высокую электрическую проводимость. Переменное электрическое поле пучка света смещает электроны проводимости и электрический диполь формируется на поверхности наночастицы, который колеблется с частотой равной частоте поля падающего луча. Этот диполь, который колеблется на поверхости наночастцы называется поверхностым плазмоном. Поверхностный плазмон появляется если наночастица много меньше длины падающего луча.
Совпадение частоты колебания поверхностного плазмона с частотой колебания падающего луча является причиной абсорбционного резонанса и рассеяния света, который называется поверхностно-плазмонным резонансом(ППР).
Поглощение света веществом рассчитывается по закону Ламберта-Бера:
Здесь, J0 и J – интенсивности света перед и после прохождения через слой толщины d (см) с концентрацией С (моль/л). Отношение
Au | 64.18 нм | 2.28 | 525.5 нм |
Au | 61.15 нм | 0.51 | 549.5нм |
Au | 18.34 нм | 0.89 | 533.5нм |
Au | 15.27 нм | 1.54 | 527.5нм |
Рис3. Спектральная зависимость поглощения света
видимого диапазона наночастицами золота
размером: а – 64,18 нм;б – 18,34 нм
Рис4. Спектральная зависимость поглощения света
видимого диапазона наночастицами золота
размером: 1 – 93,76 нм;2 – 15,27 нм
Спектры поглощения света всех приготовленных образцов коллоидных наночастиц были получены на спектрофотометре СФ-2000. Все образцы показали пик поверхностно-плазмонного резонанса (рис. 3,4). Это доказывает формирование наночастиц золото в растворе. Измерение спектров поглощения света золотыми наночастицами разных размеров (r=15-103 нм)в коллоидном растворе показало, что при уменьшении размеров наночастиц, пик плазмонного поглощения сдвигается в коротковолновую область (рис. 4). Этот факт соответствует революционной идее нанотехнологии.
Заключение
Наномасштабные частицы золота демонстрируют интересные физические, химические и биологические свойства. Для получения коллоидных наночастиц золота в этой работе было использовано цитратное восстановление золотохлороводородной кислоты в водной среде. Размер и индекс полидисперстности наночастиц были определены методом динамического рассеяния света, а для дзета потенциала использовался метод электрокинетической звуковой амплитуды. Спектры поглощения света всех приготовленных образцов коллоидных наночастиц были получены на спектрофотометре СФ-2000. Все образцы показали пик поверхносто-плазмонного резонанса. Это доказывает формирование наночастиц золота в растворе. Было показано, что при молярном отношении цитрата к золоту, окончательные размеры могут быть уменьшены до 15 нм без существенной потери стабильности наночатистиц.
ЛИТЕРАТУРА
1.Л. А. Дыкман, В. А.Богатырев, С. Ю. Щеголев, Н. Г. Хлебцов. Золотые наночастицы. Москва. Наука. 2008 – 319 с. 2. Цао Гочжун, Ин Ван. Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свйоства и применение. Пер. С англ. – М. : Научный мир, 2012 – 540с.
3. Mieszawska, A.J. Mulder, W.J. Fayad, Z.A. ve Cormode, D.P., (2013)."Multifunctional gold nanoparticles for diagnosis and therapy of disease", Molecular pharmaceutics, 10: 831-847.
4. Tan, G. Onur, M.A. ve SAĞLAM, N., 2012. "Utilization of gold nanostructures in biomedical applications", Turkish Journal of Biology, 36: 607-621. 5. Егорова Е.М., Кубатиев А.А., Швец В.И. Биологические эффекты наночастиц металлов. М.:Наука. 2014.6. M. Faraday, 1857. Experimental relations of gold (and other metals) to light, Philos. Trans. R. Soc. 147 145–181.7. G. Frens, 1973. Controlled nucleation for the regulation of particle size in monodisperse gold suspenions, Nature 241, 20. 8. Turkevich J, Stevenson P C, Hillier J, 1951. Discuss. Faraday Soc. 11 55 9. Ji, X.H., Song, X.N., Li, J., et al., 2007. Size control of gold nanocrystals in citrate reduction: the third role of citrate. J. Am. Chem. Soc. 129, 13939. 10.Kumar, S., Kumar, R., Gandhi, K.S., 2007. Modeling of formation of gold nanoparticles by citrate method. Ind. Eng. Chem. Res. 46, 3128–3136. https://doi.org/10.1021/ie060672j. 11. Agunloye, E., Panariello L., Gavriilidis, A., et al., 2018. A model for the formation of gold nanoparticles in the citrate synthesis method. Chem. Eng. Sci. 191, 318–331. https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.06.046 12. Wuithschick, M., Witte, S., Kettemann, F., et al., 2015. Turkevich in new robes: key questions answered for the most common gold nanoparticle synthesis. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 19895–19900.https://doi.org/10.1021/acsnano.5b01579.
13.Amanmadov A, Melebaev D. Modern techniques for determining the sizes of gold nanoparticles.Национальная ассоциация ученых, выпуск 24/51, том №1, стр. 37-42, 2020, doi: 10.31618/nas.2413-5291.2020.1.51.129
.png)
