金纳米颗粒的合成

本实验的金纳米颗粒合成工艺旨在制备直径约为12 nm、单分散性极高的金纳米颗粒。该合成方法是对Hiroki Hiramatsu与Frank E. Osterloh在研究论文中描述的方法的改进版本。合成与纯化所需的化学品包括：四氯金酸（tetrachloroauric acid）、油胺（oleylamine）、甲苯（toluene）和甲醇（methanol）。首先在氮气手套箱中开始准备并清洗化学反应玻璃器皿及相关用品。确保磁力搅拌子已放入玻璃反应容器内。向玻璃反应容器中加入约200 ml甲苯。将装有甲苯的玻璃反应容器置于搅拌加热套上，并将冷凝管插入反应容器中。缓慢打开并监控水流，确保其以温和流速进入冷凝管。根据需要通过微调水阀控制水流大小。使水流从冷凝管底部进水口流入，沿冷凝管向上流动，再从顶部出水口流出。持续向手套箱内通入新鲜氮气以进行吹扫。同时通过对手套箱施加轻微负压实现持续通风。使用搅拌加热套上的磁力搅拌器对甲苯进行加热和搅拌，使其接近温和沸腾状态。注意不要达到或超过甲苯的闪点。当开始沸腾时，适当降低加热温度。使甲苯持续沸腾蒸发30分钟，以清洁反应玻璃器皿。蒸发的甲苯将在冷凝管中冷却并重新液化，滴回反应容器中。30分钟后，关闭加热器，让甲苯冷却数分钟，直至不再蒸发。待甲苯冷却后，提起冷凝管，并用带夹子的铁架台将其悬挂在反应容器上方。将反应容器中的甲苯倒入400 ml烧杯中，注意不要误倒出磁力搅拌子。将反应容器重新放回搅拌加热套上。用400 ml玻璃烧杯中的甲苯轻轻旋转冲洗烧杯内壁。将使用过的脏甲苯倒入易燃废物瓶中。再用少量新鲜甲苯清洗烧杯一次，随后将废液倒入易燃废物瓶中。配制沸腾溶液：取147 ml（或约150 ml）甲苯与8.7 ml（或约9 ml）油胺混合。使用400 ml玻璃烧杯量取147 ml甲苯。将量取的147 ml甲苯从烧杯倒入反应容器中。注意：油胺具有毒性和腐蚀性，操作时需格外小心，避免泄漏。使用5 ml小型玻璃量筒仔细量取8.7 ml油胺，例如可先量取4 ml，再量取4.7 ml。将量取的油胺小心地从量筒倒入反应容器中。再次将玻璃冷凝管插入玻璃反应容器中。确保水流通过冷凝管外层夹套，以冷却、冷凝并回收甲苯和油胺蒸气。加热并搅拌溶液，使其接近温和沸腾状态。开始准备注射溶液：150 mg四氯金酸、3.6 ml油胺和3 ml甲苯。移除保护四氯金酸免受空气和湿气影响的实验室封口膜或密封盖。四氯金酸对水、湿气和湿度极为敏感，应尽可能避免其粉末暴露于空气和水中。四氯金酸容器仅应在氮气手套箱内开启和储存。使用金属药匙将四氯金酸粉末从容器转移至微量天平上的玻璃小瓶中，称取150 mg四氯金酸粉末。注意：油胺具有毒性和腐蚀性，操作时需谨慎。使用5 ml小型玻璃量筒准确量取3.6 ml油胺。小心地将3.6 ml油胺从5 ml小型玻璃量筒倒入不含四氯金酸的20 ml玻璃小瓶中。小心地将3 ml甲苯倒入5 ml小型玻璃量筒中。再将3 ml甲苯从量筒小心倒入含有油胺的20 ml玻璃小瓶中。将聚四氟乙烯（PTFE）衬垫盖重新拧紧至装有油胺和甲苯的20 ml玻璃小瓶上。轻轻摇动并旋转密封的小瓶，使油胺与甲苯充分混合。小心地将150 mg四氯金酸粉末倒入含有油胺和甲苯溶液的玻璃小瓶中。重新拧紧PTFE衬垫盖至玻璃小瓶上。继续摇动并旋转密封的小瓶，使四氯金酸、油胺和甲苯充分混合。持续振荡溶液，确保其完全混匀。混合后的溶液应呈现深红色。确保水流缓慢地从冷凝管底部流入，并从顶部流出。根据需要通过调节水阀控制水流速度。确保反应容器中的油胺与甲苯溶液处于温和沸腾状态，部分甲苯和油胺蒸气进入冷凝管。确认磁力搅拌器已开启。使用带夹子的铁架台将冷凝管从反应容器上方提起。在使用前，请确保熟悉带有阀门和玻璃管帽的橡胶吸球的操作方法。按住上部阀门的同时挤压橡胶吸球以排空空气。小心地将长型刻度玻璃移液管的尖端插入装有四氯金酸、油胺和甲苯注射溶液的20 ml玻璃小瓶中。轻压橡胶吸球的下部阀门，缓慢将四氯金酸、油胺和甲苯注射溶液吸入玻璃移液管中。小心地将玻璃移液管尖端插入反应容器开口，迅速将四氯金酸、油胺和甲苯溶液注入反应容器中。随着金纳米颗粒开始成核和生长，溶液颜色应在约1分钟内由红色变为黄色，再变为白色。将冷凝管重新放回反应容器中。在温和沸腾条件下继续加热溶液2小时。在数分钟内，随着金纳米颗粒逐渐长大，溶液颜色将由白色变为黄色，再变为粉红色，最终变为红色。数分钟后，溶液变为粉红色或浅红色。几分钟后，颜色进一步加深为红色。随着持续加热2小时，溶液颜色将继续加深至更深的红色。加热2小时后，关闭加热器。让金纳米颗粒溶液自然冷却1小时。确认加热器已关闭且溶液已冷却。停止向冷凝管供水。接下来使用甲醇清洗金纳米颗粒，以去除未反应的化学试剂及副产物。向每个50 ml锥形离心管中加入35 ml甲醇。然后向每个含有甲醇的50 ml锥形离心管中加入12 ml金纳米颗粒溶液。倾倒金纳米颗粒溶液时，注意不要误倒出磁力搅拌子。当每个50 ml锥形离心管中均加入12 ml金纳米颗粒溶液和35 ml甲醇后，每管总体积约为47 ml。将剩余的金纳米颗粒溶液均匀分配至各离心管中。拧紧50 ml离心管的盖子并确保密封。将装有金纳米颗粒溶液和甲醇的50 ml锥形离心管从氮气手套箱中取出。离心管中的溶液量应相等，重量平衡。将六个含金纳米颗粒的50 ml离心管放入离心机中。关闭离心机盖，设置离心参数：RCF：1000，时间：5分钟。启动离心。前六支离心管完成离心后，小心取出，避免扰动金纳米颗粒沉淀物，并将其放入试管架中。离心力会将溶液中的金纳米颗粒沉降至底部，与甲醇和甲苯分离。金纳米颗粒将在每支离心管底部形成沉淀颗粒。将最后六支含金纳米颗粒的离心管放入离心机中。关闭离心机盖，设置相同参数：RCF：1000，时间：5分钟。启动离心。离心完成后，小心取出离心管并放入试管架中。小心地将所有离心管转移至通风橱中。缓慢而轻柔地将每支离心管中的上清液倒入易燃废物烧杯中。注意不要扰动或倒出管底的金纳米颗粒沉淀物。第一次甲醇清洗步骤至此完成。开始第二次甲醇清洗：向每支离心管中加入10 ml甲苯。使用涡旋振荡器处理每支离心管，使金纳米颗粒在10 ml甲苯溶液中重新悬浮并均匀分散。检查离心管底部，确保黑色残留物已完全重新悬浮。向每支离心管中加入14 ml甲醇。由于每管中已有10 ml甲苯，此时每管总体积为50 ml。重新拧紧各50 ml离心管的盖子，并确保密封良好。将离心管放入离心机中，以相同参数进行离心，使金纳米颗粒在管底形成沉淀颗粒。参照之前步骤，小心倾倒出甲醇和甲苯混合液至易燃废物烧杯中。第二次甲醇清洗步骤至此完成。第三次也是最后一次清洗步骤，重复前述操作流程：在甲苯中涡旋重悬、甲醇清洗、离心，并小心倾倒溶剂。最后一次甲苯和甲醇清洗液倾倒完毕后，需对金纳米颗粒进行干燥处理。推荐采用真空干燥法。将50 ml离心管的盖子略微松开，使管口仍被覆盖，但溶剂可蒸发逸出。将装有金纳米颗粒的离心管架放入真空载锁舱内。关闭并密封外部门，打开通往真空泵的阀门，开始抽真空。持续抽真空至达到中等真空压力，即真空压力表指针约在中间位置。将金纳米颗粒在中等真空压力（约半量程）下保持数分钟。切勿抽至更低压力，也不宜长时间保持真空，以免配体脱落。在真空条件下干燥数分钟后，金纳米颗粒表面溶剂已基本蒸发。随后向载锁舱内通入氮气，直至舱内压力恢复至大气压。从载锁舱中取出50 ml离心管，在通风橱中检查金纳米颗粒的干燥程度。待金纳米颗粒沉淀物完全干燥后，重新拧紧离心管盖子。用实验室封口膜包裹已拧紧的管盖，确保离心管密封，内部含有干燥的金纳米颗粒沉淀物。标记装有金纳米颗粒的离心管，并将其放入2