Растворов наночастиц

ЖУРНАЛ ОТЧЕТОВ

Практических и лабораторных работ

По дисциплине

«Наноматериалы и нанопокрытия»

ВЫПОЛНИЛ		ПРОВЕРИЛ
Студент группы БК-111		профессор каф. ЕНД
Катин А.И.		А.П. Нилов
«______» ___________ 2012 г.		«______» ___________ 2012 г.

Егорьевск 2012

Работа 1. CИНТЕЗ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОДНЫХ

РАСТВОРОВ НАНОЧАСТИЦ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЕТИ.НАНО.ПР

Разраб.

Катин А.И.

Провер.

Нилов А.П.

Реценз.

Н. Контр.

Утверд.

Лит.

Листов

7

Теоретическая часть:

Нанотехнология – это качественный скачок от работы с веще-

ством к манипуляции отдельными атомами: в наноразмерном со-

стоянии изменяются многие механические, термодинамические,

магнитные и электрические характеристики. Например, наночасти-

цы золота, в отличие от объёмного золота, обладают каталитиче-

скими, ферромагнитными, настраиваемыми оптическими свойст-

вами, способностью к самосборке. Они хорошо поглощают и рас-

сеивают свет, нетоксичны, химически стабильны, биосовместимы.

Их интенсивная окраска уже используется для детектирования, ви-

зуализации и количественного определения биомедицинских объ-

ектов. Золотые наночастицы перспективны для создания це-

лого спектра приборов – от средств диагностики до различных сен-

соров, волоконной оптики и компьютерных наносхем. Благо-

даря указанным свойствам наночастицы золота могут играть роль

удобного, легко доступного, универсального модельного объекта

для ознакомления с основными методами и понятиями нанонауки.[1]

Золотые и серебряные наночастицы с плазмонным резонансом (ПР)

нашли разнообразные применения в нанобиотехнологии и наномедицине

благодаря возможности настройки спектрального положения и амплитуды

ПР за счет изменения природы металла, размера, формы, структуры частиц и

их диэлектрического окружения. Последнее означает как локальное

окружение, сформированное адсорбированными биомолекулами, так и

глобальные диэлектрические свойства, обусловленные буферной средой или

металл/диэлектрической подложкой, на которой могут адсорбироваться

молекулы. Хотя изменения ПР, индуцированные адсорбцией биомолекул,

обычно достаточно малы, они с успехом используются для детекции

биоспецифического связывания макромолекул и клинической экспресс-

диагностики.

До недавнего времени в большинстве биомедицинских приложений

использовались коллоидные золотые наночастицы примерно сферической

формы (наносферы, НСф). Бурное развитие технологий синтеза наночастиц

за последние 10-15 лет предоставило исследователям широкий арсенал

возможностей, начиная от хорошо известных теперь золотых наностержней

(НСт) и нанооболочек (НО) и кончая экзотическими структурами типа

«нанориса», «нанозвезд», «наноожерелий» или «наноклеток» [1].

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЕТИ.НАНО.ПР    

Основным преимуществом НСт и НО является возможность контролируемойнастройки плазмонного резонанса от красной (около 600 нм) до ближней ИК области. Вследствие высокой яркости, повышенной чувствительности резонансного рассеяния к диэлектрическому окружению, по сравнению с эквиобъемными сферами, золотые НСт имеют многообещающие перспективы использования в биомедицинских диагностических целях с применением световой микроскопии темного поля, для клинической диагностики и для оптического фототермолиза бактерий и раковых клеток. Золотые НО, наряду с НСт, также представляют значительный интерес для биосенсорики, иммунодетекции, оптической визуализации биообъектов и лазерной фотодеструкции раковых клеток. [2]

Согласно классической модели Сведберга, восстановление

золотохлористоводородной кислоты (ЗХВК) и образование коллоидных

частиц происходит в три этапа. В начальный период происходит быстрое

восстановление около 30% ЗХВК с образованием высокопересыщенного

раствора восстановленного золота. На втором этапе, согласно закону

действующих масс, восстановление резко замедляется, и в пересыщенном

растворе происходит конденсация новой фазы с образованием очень мелких

“зародышевых” частиц диаметром менее 2 нм. В этот момент раствор

приобретает синюю окраску, что, по-видимому, объясняется флоккуляцией

некоторой доли образовавшихся частиц. Процесс восстановления золота и

роста этих частиц протекает сравнительно медленно до достижения ими

некоторого критического размера (порядка 2 нм), после чего первоначально

сформированные частицы становятся ядрами конденсации для дальнейшего

восстановления ионов золота. На третьем этапе процесс восстановления

ускоряется, и по его завершении суспензия приобретает ярко красную

окраску.

Исходя из конденсационного механизма формирования коллоидной

фазы, можно выделить ряд управляющих параметров, определяющих

степень дисперсности золотых суспензий закономерным и, в принципе,

воспроизводимым образом. Очевидно, что скорость образования зародышей

новой фазы зависит от степени пересыщенности раствора, то есть, главным

образом, от концентрации реагирующих веществ и химической природы

восстановителя. При низкой скорости возникновения зародышей и

достаточно высокой скорости конденсации частиц (низкая степень

пересыщения) образуется относительно малое количество сравнительно

крупных частиц. При более высокой скорости возникновения зародышей и

сравнительно малой скорости конденсации частиц (высокая степень

пересыщения) увеличивается вероятность образования большего количества

частиц относительно малого размера. Однако увеличение концентрации

восстановителя лимитируется агрегативной устойчивостью КЗ, достаточно

высокие показатели которой, достижимы лишь в средах с низкой ионной

силой. Наиболее распространенной и поддерживаемой концепцией

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЕТИ.НАНО.ПР    

образования металлических наночастиц (НЧ) является представление о

двустадийном процессе нуклеации и последующего роста.

Восстановительный потенциал в системе Мion/Мatom и Мion/Мpart становится

более отрицательным в сравнении с компактным металлом. Например,

потенциал восстановления в системе Au(III)/AuMaq – +1.5 В относительно

нормального водородного электрода (н.в.э.). Но для системы Au(III)/Auatom aq

он составляет –1.5 В относительно н.в.э., и для системы Au(III)aq/Aucluster

потенциал восстановления имеет какое-то промежуточное значение.

Схожие результаты были получены для меди и серебра и предполагаются

для других металлов. Эти результаты очень важны в изучении механизма

синтеза частиц. Формирование атомарного металла из ионного значительно

затруднено из-за большого отрицательного потенциала системы Мion aq/Мatom.

Стандартные потенциалы восстановления сильных агентов, подобно

свободным радикалам, составляют (E° –1.0-1.5 В относительно н.в.э.),

борогидрида (E° –1.33 В относительно н.в.э.), слабые восстанавливающие

агенты, подобно гидразину, алкоголю, могут не восстанавливать

металлические ионы. Таким образом, становится понятной

неопределенность в образовании центров нуклеации. Часто следовые

количества примесей действуют как центры нуклеации, увеличивая общий

восстановительный потенциал системы Мion aq/Мatom, благоприятствуя

восстановлению ионов. Как только возникли центры нуклеации, это

действует как катализатор для оставшихся ионов, если таковые

присутствуют в растворе. Монодисперсное образование частиц объясняется

механизмом Ла Мера, который также предполагает начальное

формирование зародышей и затем их последовательный рост, т.е., развитие.

Тем не менее, наиболее часто рост и зародышеобразование происходят

одновременно, и иногда агрегация и образование дополнительных

центров нуклеации играют критическую роль в этом процессе [2].

Практическая работа:

Цель работы: синтезировать в водном растворе сферические наночастицы золота и исследовать их свойства в качестве электролитного сенсора, ознакомиться с основными понятиями метода абсорбционной спектроскопии и изучить оптические свойства растворов синтезированных наночастиц.

Применяемое оборудование: магнитная мешалка с подогревом MR Hei-Standard, спектрофотометр Т-70+.

Стеклянная химическая посуда: термостойкий стаканчик на 100 мл, стаканчик на 50 мл – 2 шт., пипетки на 2 и 5 мл, стеклянный пузырек с крышкой на 50 мл, пробирки – 4 шт., магнитик в термостойкой оболочке.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЕТИ.НАНО.ПР    

Растворы: дистиллированная вода, 0,001 М раствор HAuCl4, 1%-ный раствор цитрата натрия (Na3C6H5O7), 1М раствор NaCl, 1М раствор сахара.

Порядок выполнения работы:

Опыт 1. Синтез сферических наночастиц золота Налейте 20 мл 0,001 M раствора HAuCl4 в термостойкий ста-

канчик емкостью 100 мл. Внесите магнитик. Поставьте стаканчик

на магнитную мешалку, предварительно нагретую до 1000 С.

Включите перемешивание и нагрейте раствор до кипения при не-

прерывном интенсивном перемешивании (1400 об/мин).

После того, как раствор начнет кипеть, добавьте 2 мл 1%-ного

(0,039M) раствора цитрата натрия (Na3C6H5O7). Продолжайте кипя-

тить и непрерывно интенсивно перемешивать раствор до появле-

ния рубиново-красной окраски (~10 мин). Во время перемешивания

старайтесь сохранять объём раствора постоянным, равным 22 мл,

добавляя по необходимости небольшие порции дистиллированной

воды с помощью пипетки на 5 мл. Отмечайте в журнале изменение

цвета раствора, свидетельствующее о протекании химических и структурных превращениях в системе.

Когда раствор приобретет окончательный рубиново-

красный цвет, выключите нагревание и перемешивание. Снимите

стаканчик с мешалки, охладите раствор при комнатной темпера-

туре и выдержите его при этой температуре ёще 10-15 мин для

окончательного созревания.

Опыт 2. Наночастицы золота как электролитный сенсор

В стаканчике на 50 мл растворите 0,5 г столовой соли (NaCl) в

10 мл дистиллированной воды, чтобы приготовить 1М раствор.

В стаканчике на 50 мл растворите 2г сахара в 10 мл дистиллиро-

ванной воды, чтобы приготовить 1М раствор.

В каждую из четырех пробирок поместите по 3 мл раствора

наночастиц золота, полученного в секции А (пункт 3). Добавьте по

3 мл дистиллированной воды в каждую пробирку.

С помощью капельницы внесите одномоментно 5-10 капель

раствора NaCl в первую пробирку. Запишите свои наблюдения,

сравнивая с исходным раствором. Что произошло с наночастицами

в растворе?

С помощью капельницы внесите одномоментно 5-10 капель

раствора сахара во вторую пробирку. Запишите свои наблюдения,

сравнивая с исходным раствором.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЕТИ.НАНО.ПР    

Выберите другое вещество и добавьте его в третью пробирку.

Обсудите свой выбор с преподавателем. Перед добавлением веще-

ства предскажите изменения (или их отсутствие) в растворе.

Опыт 3. Исследование оптических свойств наночастиц

золота

Получите от преподавателя две кварцевые кюветы с толщи-

ной оптического слоя 1 см (обращаться осторожно: кюветы имеют-

ся в единственном экземпляре).

Кюветы берите только за боковые грани.

Кюветы должны быть предварительно вымыты водой, а при

необходимости и спиртом.

В одну кювету налейте на ¾ её высоты (или до уровня боко-

вой риски) дистиллированной воды, которая будет играть роль ну-

левого раствора.

Во вторую кювету внесите полученный вами в части А пунк-

те 3 раствор наночастиц золота. Убедитесь, что в обеих кюветах от-

сутствуют пузырьки воздуха. В противном случае заполните кюве-

ты заново.

Боковые грани и донышко кювет тщательно протрите фильт-

ровальной бумагой.

Поместите кюветы в кюветодержатель спектрофотометра.

Строго соблюдая инструкцию работы на спектрофотометре,

снимите спектр исследуемого раствора. Отметьте положение мак-

симума на спектре.

Сравните полученный Вами спектр с литературными данны-

ми (рис. 6 и 7). По положению максимума на спектре сделайте вы-

вод о форме и (качественно) размере наночастиц золота, присутст-

вующих в растворе.

Обработка и представление результатов

В отчете представить:

Схему и уравнение реакции синтеза наночастиц золота с по-

мощью реакции окисления-восстановления.

Записи в рабочем журнале об изменении цвета раствора во

время синтеза.

Записи в рабочем журнале о структурных изменениях, соот-

ветствующих каждой стадии синтеза..

Записи в рабочем журнале о влиянии (или отсутствии влия-

ния) электролитов на устойчивость системы.

Спектр абсорбции раствора наночастиц золота.

Выводы о форме и размере наночастиц в синтезированном

растворе. [1]

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

ЕТИ.НАНО.ПР    

Список использованных источников

1. Лабораторный практикум по нанотехнологиям / Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)» М., 2008.-116 с.

2. Владимир Александрович Богатырев, Лев Абрамович Дыкман, Николай Григорьевич Хлебцов МЕТОДЫ СИНТЕЗА НАНОЧАСТИЦ С ПЛАЗМОННЫМ РЕЗОНАНСОМ. Саратов 2009

Дата добавления: 2015-07-24