JP2020084205A - Control method for particle size of metal nanoparticle and method for production of metal nanoparticle - Google Patents

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Abstract

To provide a metal nanoparticle production method capable of surely obtaining metal nanoparticles having desired properties.SOLUTION: A metal nanoparticle production method in this invention comprises: firstly introducing a solution 4 for synthesis of metal nanoparticles including superfine bubbles having the diameter of 1 μm or less produced under pressure dissolution in a container 7, and then generating cavitation by intermittently irradiating the solution 4 in the container 7 with the ultrasonic wave S1 of 100 kHz or more in a repeating cycle of 2 ms or more but 30 ms or less to reduce the metal ion in the solution 4. Thereby, the metal nanoparticle having an average particle size of 25 nm or less and the standard deviation of particle size of 6 nm or less is synthesized in the solution 4.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、金属ナノ粒子の粒径制御方法、金属ナノ粒子の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a method for controlling the particle size of metal nanoparticles and a method for producing metal nanoparticles.

金などに代表される貴金属の粒子は、1μm以下のナノサイズとした場合にバルクサイズでは見せない特徴的な性質を示すことが知られている。このような特徴的な性質の具体例としては、例えば、酸化反応や水素化反応などに対する触媒的性質、表面プラズモン共鳴由来の光学的性質、導電的性質などがある。それゆえ、金属ナノ粒子は、DNAセンシング技術、光エネルギー交換効率向上技術などの分野で応用可能であると考えられている。これらのほかに、金属ナノ粒子は、ドラッグデリバリーシステムや超音波診断用造影剤などといった医療分野での利用も既に進められている。 It is known that noble metal particles typified by gold and the like show characteristic properties that are not shown in the bulk size when the size is 1 μm or less in nano size. Specific examples of such characteristic properties include, for example, catalytic properties for oxidation reaction and hydrogenation reaction, optical properties derived from surface plasmon resonance, and conductive properties. Therefore, it is considered that the metal nanoparticles can be applied in the fields of DNA sensing technology, light energy exchange efficiency improving technology and the like. In addition to these, metal nanoparticles have already been used in the medical field such as drug delivery systems and contrast agents for ultrasonic diagnostics.

ここで、金属ナノ粒子を合成する方法としては、所定の濃度、温度等に調整した金属イオンを含む金属ナノ粒子合成用溶液(例えば、金イオン水溶液)を準備し、その溶液中の金属イオンを化学的手法により還元するという方法が従来よく知られている。なお、上記のような化学的還元法では、還元反応を起こさせるために、水素ラジカルによる還元剤(例えば、クエン酸など)や還元補助剤が添加されるほか、合成した金属ナノ粒子同士の凝集を防止して互いに分散させるために、界面活性剤や両親媒性高分子等の保護剤が添加されている(例えば、特許文献1参照)。また、特許文献2には、還元剤を添加して還元反応を生じさせるとともに、20〜50kHzの超音波を照射して、金属ナノ粒子の分散性を向上させる技術が開示されている。ところが、特許文献1,2に記載の従来技術では、溶液の中にどうしても有機物等の不純物が含まれてしまい、金属ナノ粒子の純度の低下や環境等に対する悪影響といった懸念が発生する。ゆえに、クリーンな合成方法であることが望ましいと考えられている。 Here, as a method for synthesizing the metal nanoparticles, a solution for synthesizing metal nanoparticles containing a metal ion adjusted to a predetermined concentration, temperature, etc. (for example, a gold ion aqueous solution) is prepared, and the metal ion in the solution is mixed. A method of reducing by a chemical method is well known in the art. In the chemical reduction method as described above, a reducing agent (for example, citric acid) by hydrogen radicals and a reducing auxiliary agent are added to cause a reduction reaction, and the synthesized metal nanoparticles are aggregated with each other. A protective agent such as a surfactant or an amphipathic polymer is added in order to prevent the above and disperse each other (see, for example, Patent Document 1). Further, Patent Document 2 discloses a technique of adding a reducing agent to cause a reduction reaction and irradiating an ultrasonic wave of 20 to 50 kHz to improve the dispersibility of metal nanoparticles. However, in the conventional techniques described in Patent Documents 1 and 2, impurities such as organic substances are inevitably contained in the solution, and there is a concern that the purity of the metal nanoparticles decreases and the environment and the like are adversely affected. Therefore, a clean synthesis method is considered desirable.

このような事情のもと、近年では、超音波キャビテーションを利用して金属イオンを還元することで、金属ナノ粒子を合成する方法(超音波還元法)が提案されている(例えば、特許文献3参照)。この方法において具体的には、超音波を作用させ、液中に超音波キャビテーションを発生させるようにする。このとき、超音波キャビテーションによって水が熱分解し、水素ラジカルが生じることから、これを金属イオンの還元反応に利用することを特徴としている。そしてこの方法によれば、還元剤や還元補助剤が不要になるのに加え、気泡表面が電荷を帯びていることから、粒子同士が凝集せず、界面活性剤や両親媒性高分子等の保護剤が不要になる。従って、上記従来の方法と比べて、高純度の金属ナノ粒子が得られるクリーンな合成方法である。 Under such circumstances, in recent years, a method of synthesizing metal nanoparticles by reducing metal ions using ultrasonic cavitation (ultrasonic reduction method) has been proposed (for example, Patent Document 3). reference). In this method, specifically, ultrasonic waves are applied to generate ultrasonic cavitation in the liquid. At this time, water is thermally decomposed by ultrasonic cavitation to generate hydrogen radicals, which is characterized by being utilized for the reduction reaction of metal ions. According to this method, in addition to the need for a reducing agent and a reduction auxiliary agent, since the bubble surface is charged, particles do not aggregate, and surfactants, amphipathic polymers, etc. No need for protective agents. Therefore, it is a clean synthesis method that can obtain highly pure metal nanoparticles as compared with the conventional method.

ところで、特許文献3に記載の従来技術では、金属ナノ粒子合成用溶液のpH等を変えることにより、金属ナノ粒子の粒径の大きさを小さくなるように制御している。しかし、pHを変える場合には、不純物となる薬品を使用しなくてはならず、金属ナノ粒子の純度が低下するおそれがある。なお、本発明者らは、上記の超音波還元法において、直径1μm以下の超微細気泡であるUFB(Ultrafine bubbles)を金属ナノ粒子合成用溶液中に含有させ、UFBの数密度を変えることにより、金属ナノ粒子の粒径の大きさを小さくなるように制御する技術を既に提案している(特許文献4参照)。 By the way, in the conventional technique described in Patent Document 3, the size of the metal nanoparticles is controlled to be small by changing the pH of the solution for synthesizing the metal nanoparticles. However, when the pH is changed, a chemical that becomes an impurity must be used, which may reduce the purity of the metal nanoparticles. In addition, in the above-mentioned ultrasonic reduction method, the inventors of the present invention include UFB (Ultrafine bubbles), which are ultrafine bubbles having a diameter of 1 μm or less, in a solution for synthesizing metal nanoparticles and change the number density of UFB. , A technique for controlling the size of the metal nanoparticles to be small has already been proposed (see Patent Document 4).

特許第5293202号公報(段落[0014],[0015],[0027]等)Japanese Patent No. 5293202 (paragraphs [0014], [0015], [0027], etc.) 特許第4958082号公報(請求項6,9,10、段落[0019]等)Japanese Patent No. 4958082 (claims 6, 9, 10 and paragraph [0019] etc.) 特開2009−57594号公報(請求項2、段落[0017],[0020],[0021]等)JP 2009-57594 A (claim 2, paragraphs [0017], [0020], [0021], etc.) 特願2018−037988号(請求項1,2等)Japanese Patent Application No. 2018-037988 (Claims 1, 2, etc.)

しかしながら、特許文献4に記載の超音波還元法により金属ナノ粒子を合成しようとした場合、粒径が20〜50nmのものについては比較的多く得ることができたが、さらに小さいもの(特に20nm以下のもの)を多く得ることは容易ではなかった。これに加えて従来においては、金属ナノ粒子の粒径の大きさをクリーンな手法で制御できる有効な方法がなかったため、所望とする大きさの金属ナノ粒子を得ることが非常に困難であった。 However, when trying to synthesize the metal nanoparticles by the ultrasonic reduction method described in Patent Document 4, it was possible to obtain a relatively large number of particles having a particle size of 20 to 50 nm, but a smaller particle size (especially 20 nm or less). It's not easy to get a lot of things). In addition to this, conventionally, there was no effective method capable of controlling the particle size of the metal nanoparticles by a clean method, so that it was extremely difficult to obtain the metal nanoparticles of a desired size. ..

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、金属ナノ粒子の粒径の大きさをクリーンな手法で確実に小さくなるように制御できる金属ナノ粒子の粒径制御方法を提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、所望とする性状の金属ナノ粒子を確実に得ることができる金属ナノ粒子の製造方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a method for controlling the particle size of metal nanoparticles, which can control the size of the particle size of the metal nanoparticles to be surely reduced by a clean method. To provide. Further, a further object of the present invention is to provide a method for producing metal nanoparticles capable of surely obtaining metal nanoparticles having desired properties.

本発明者らは、上記の課題を解決するべく鋭意研究を行ったところ、超音波が作用する溶液中において超微細気泡がキャビテーションによるラジカル反応の促進や金属ナノ粒子の分散性向上に寄与していることに着目し、超音波の照射態様が金属ナノ粒子の粒径に少なからず影響を与えていることを新たに知見した。そして、本発明者らは上記の知見に基づいてさらに鋭意研究を進めることにより、最終的に下記の発明を完成させるに至ったのである。以下、上記の課題を解決するための発明を列挙する。 The present inventors have conducted intensive research to solve the above problems, ultrafine bubbles in a solution in which ultrasonic waves act contribute to promotion of radical reaction due to cavitation and improvement of dispersibility of metal nanoparticles. Focusing on the fact that the ultrasonic wave irradiation mode has a considerable influence on the particle size of the metal nanoparticles, it was newly found. Then, the present inventors finally conducted the following research based on the above findings and finally completed the following invention. The inventions for solving the above problems are listed below.

即ち、請求項1に記載の発明は、直径1μm以下の超微細気泡を含む金属ナノ粒子合成用溶液中への超音波の照射によってキャビテーションを発生させて、前記溶液中の金属イオンを還元することにより、前記溶液中に金属ナノ粒子を合成する際に、前記溶液に対して100kHz以上の超音波をミリ秒オーダーの繰り返し周期で間欠照射するとともに前記繰り返し周期を短くすることにより、前記金属ナノ粒子の粒径の大きさを小さくなるように制御することを特徴とする金属ナノ粒子の粒径制御方法をその要旨とする。 That is, the invention according to claim 1 is to reduce the metal ions in the solution by causing cavitation by irradiation of ultrasonic waves into a solution for synthesizing metal nanoparticles containing ultrafine bubbles having a diameter of 1 μm or less. Thus, when synthesizing the metal nanoparticles in the solution, by ultrasonically irradiating the solution with ultrasonic waves of 100 kHz or more at a repeating cycle of millisecond order and shortening the repeating cycle, the metal nanoparticles are obtained. The gist of the present invention is a method for controlling the particle size of metal nanoparticles, which is characterized by controlling the size of the metal nanoparticles to be small.

従って、請求項1に記載の発明によると、溶液に対して100kHz以上の超音波をミリ秒オーダーの繰り返し周期で間欠照射するとともに繰り返し周期を短くすることにより、金属ナノ粒子の粒径の大きさを小さくなるように制御することができる。よって、還元剤、還元補助剤、界面活性剤及び両親媒性高分子等の添加剤を用いなくても、金属ナノ粒子の粒径を制御することができる。つまり、金属ナノ粒子の粒径の大きさをクリーンな手法で確実に小さくすることができる。 Therefore, according to the invention of claim 1, the size of the metal nanoparticles is reduced by intermittently irradiating the solution with ultrasonic waves of 100 kHz or more at a repeating cycle of millisecond order and shortening the repeating cycle. Can be controlled to be small. Therefore, the particle size of the metal nanoparticles can be controlled without using additives such as a reducing agent, a reduction auxiliary agent, a surfactant, and an amphipathic polymer. That is, the size of the metal nanoparticles can be reliably reduced by a clean method.

請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の方法により、粒径の大きさを制御するステップを含む金属ナノ粒子の製造方法をその要旨とする。 The gist of the invention according to claim 2 is the method for producing metal nanoparticles, which comprises the step of controlling the size of the particle diameter by the method according to claim 1.

従って、請求項2に記載の発明によると、粒径の大きさを制御するステップを経ることにより、所望とする性状の金属ナノ粒子を確実に得ることができる。 Therefore, according to the second aspect of the invention, the metal nanoparticles having the desired properties can be reliably obtained through the step of controlling the size of the particle size.

請求項3に記載の発明は、加圧溶解式で作製した直径1μm以下の超微細気泡を含む金属ナノ粒子合成用溶液を容器内に導入するステップを行った後、前記容器内の前記溶液に対して100kHz以上の超音波を2ms以上30ms以下の繰り返し周期で間欠照射することによって、キャビテーションを発生させて前記溶液中の金属イオンを還元することにより、平均粒径が25nm以下であってかつ粒径の標準偏差が6nm以下の金属ナノ粒子を前記溶液中にて合成するステップを行うことを特徴とする金属ナノ粒子の製造方法をその要旨とする。 In the invention according to claim 3, a step of introducing a solution for synthesizing metal nanoparticles containing ultrafine bubbles having a diameter of 1 μm or less, which is produced by a pressure dissolution method, into a container, and then the solution in the container is added. In contrast, by intermittently irradiating ultrasonic waves of 100 kHz or more with a repeating cycle of 2 ms or more and 30 ms or less to generate cavitation and reduce the metal ions in the solution, the average particle size is 25 nm or less and the particles are The gist is a method for producing metal nanoparticles, which comprises performing a step of synthesizing metal nanoparticles having a standard deviation of diameter of 6 nm or less in the solution.

請求項4に記載の発明は、請求項3において、前記容器内の前記溶液に対して超音波を4ms以上20ms以下の繰り返し周期で間欠照射することにより、平均粒径が20nm未満の前記金属ナノ粒子を合成することをその要旨とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect, the solution in the container is intermittently irradiated with ultrasonic waves at a repetition cycle of 4 ms or more and 20 ms or less, so that the metal nanoparticle having an average particle size of less than 20 nm is irradiated. The point is to synthesize particles.

従って、請求項3,4に記載の発明によると、超音波を照射する繰り返し周期を適切な値に調整した状態で、好適な周波数の超音波を間欠照射することにより、所望とする性状、即ち極めて粒径が小さい金属ナノ粒子を確実に得ることができる。 Therefore, according to the invention described in claims 3 and 4, by intermittently irradiating the ultrasonic wave of a suitable frequency with the repetition cycle of irradiating the ultrasonic wave adjusted to an appropriate value, that is, It is possible to reliably obtain metal nanoparticles having an extremely small particle size.

以上詳述したように、請求項1に記載の発明によると、金属ナノ粒子の粒径の大きさをクリーンな手法で確実に小さくなるように制御できる金属ナノ粒子の粒径制御方法を提供することができる。請求項2に記載の発明によると、所望とする性状の金属ナノ粒子を確実に得ることができる金属ナノ粒子の製造方法を提供することができる。請求項3に記載の発明によると、極めて粒径が小さい金属ナノ粒子を確実に得ることができる金属ナノ粒子の製造方法を提供することができる。 As described in detail above, according to the invention of claim 1, there is provided a method for controlling the particle size of metal nanoparticles, which can control the size of the metal nanoparticles to be surely reduced by a clean method. be able to. According to the invention as set forth in claim 2, it is possible to provide a method for producing metal nanoparticles capable of surely obtaining metal nanoparticles having desired properties. According to the third aspect of the present invention, it is possible to provide a method for producing metal nanoparticles that can reliably obtain metal nanoparticles having an extremely small particle size.

本実施形態の金ナノ粒子製造装置を示す概略構成図。The schematic block diagram which shows the gold nanoparticle manufacturing apparatus of this embodiment. 超音波のパルス波形を示すタイムチャート。The time chart which shows the pulse waveform of ultrasonic waves. UFB有無それぞれにおける金ナノ粒子の粒径分布を示すグラフ。The graph which shows the particle size distribution of the gold nanoparticle in each presence or absence of UFB. (a)は、周波数が43kHz、ON時間が10msで超音波振動子を駆動した場合の電圧及び電流波形を示すグラフ、(b)は、周波数が43kHz、ON時間が2msで超音波振動子を駆動した場合の電圧及び電流波形を示すグラフ、(c)は、周波数が495kHz、ON時間が10msで超音波振動子を駆動した場合の電圧及び電流波形を示すグラフ、(d)は、周波数が495kHz、ON時間が2msで超音波振動子を駆動した場合の電圧及び電流波形を示すグラフ。(A) is a graph showing voltage and current waveforms when the ultrasonic transducer is driven at a frequency of 43 kHz and an ON time of 10 ms, and (b) shows an ultrasonic transducer at a frequency of 43 kHz and an ON time of 2 ms. A graph showing voltage and current waveforms when driven, (c) is a graph showing voltage and current waveforms when the ultrasonic transducer is driven at a frequency of 495 kHz and an ON time of 10 ms, and (d) shows frequency. 6 is a graph showing voltage and current waveforms when an ultrasonic transducer is driven at 495 kHz and an ON time of 2 ms. (a)は、ON時間=2ms,OFF時間=2msで超音波(パルス波)を照射した際に得られる金ナノ粒子の電子顕微鏡写真(倍率12万倍)、(b)は、ON時間=600ms,OFF時間=600msで超音波(パルス波)を照射した際に得られる金ナノ粒子の電子顕微鏡写真(倍率8万倍)、(c)は、OFF時間=0msで超音波(連続波)を照射した際に得られる金ナノ粒子の電子顕微鏡写真(倍率12万倍)。(A) is an electron micrograph (magnification: 120,000 times) of gold nanoparticles obtained by irradiating ultrasonic waves (pulse wave) with ON time = 2 ms and OFF time = 2 ms, (b) shows ON time = Electron micrograph (magnification: 80,000 times) of gold nanoparticles obtained when irradiated with ultrasonic waves (pulse wave) at 600 ms, OFF time = 600 ms, (c) shows ultrasonic waves (continuous wave) at OFF time = 0 ms Electron micrograph (120,000 times magnification) of gold nanoparticles obtained when irradiated with. 連続波及びパルス波をそれぞれ照射した場合における金ナノ粒子の粒径分布を示すグラフ。The graph which shows the particle size distribution of the gold nanoparticle at the time of irradiating each of a continuous wave and a pulse wave. 超音波のON時間及びOFF時間と、金ナノ粒子の平均粒径との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the ON time and OFF time of an ultrasonic wave, and the average particle diameter of a gold nanoparticle. 金ナノ粒子の平均粒径と、2ms以上の超音波のON時間及びOFF時間との関係を示すグラフ。The graph which shows the average particle diameter of a gold nanoparticle, and the relationship of ON time and OFF time of ultrasonic waves of 2 ms or more.

以下、本発明を金ナノ粒子製造装置に具体化した一実施形態を図面に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment in which the present invention is embodied in a gold nanoparticle manufacturing apparatus will be described in detail with reference to the drawings.

図1に示されるように、金ナノ粒子製造装置10は、直径1μm以下の超微細気泡であるUFBを含む金イオン水溶液4(金属ナノ粒子合成用溶液)に対し、超音波S1を照射するための装置である。金ナノ粒子製造装置10は、超音波発振器1、パワーアンプ2、超音波振動子3、ポンプ5、恒温槽6及び処理槽7(容器)を備えている。 As shown in FIG. 1, the gold nanoparticle manufacturing apparatus 10 irradiates the gold ion aqueous solution 4 (solution for synthesizing metal nanoparticles) 4 containing UFB, which is ultrafine bubbles having a diameter of 1 μm or less, with ultrasonic waves S1. Device. The gold nanoparticle manufacturing apparatus 10 includes an ultrasonic oscillator 1, a power amplifier 2, an ultrasonic vibrator 3, a pump 5, a constant temperature bath 6, and a processing bath 7 (vessel).

本実施形態の処理槽7は、上部が開口するとともに底が平らな形状(略円筒状)をなし、内部に金イオン水溶液4が溜められる内槽7a(ガラス容器等)と、同じく上部が開口するとともに底が平らな形状(略矩形筒状)をなし、内部に内槽7aが収容される外槽7bとからなる処理槽である。外槽7bの側面における2箇所には、内槽7aと外槽7bとがなす空間に恒温水を取り入れるための取入口と、当該空間から恒温水を排出するための排出口とがそれぞれ設けられている。恒温槽6には一定温度に調整された恒温水が溜められており、ポンプ5の駆動によってその恒温水が常時処理槽7側に対して循環供給される。その結果、処理槽7内の温度が一定(例えば0℃〜60℃)に保たれるようになる。 The treatment tank 7 of the present embodiment has an upper opening and a flat bottom (generally cylindrical shape), and the upper opening is the same as the inner tank 7a (glass container or the like) in which the gold ion aqueous solution 4 is stored. In addition, the processing tank has a flat bottom shape (a substantially rectangular tube shape) and an outer tank 7b in which an inner tank 7a is housed. An inlet for introducing constant temperature water into a space formed by the inner tank 7a and the outer tank 7b and an outlet for discharging constant temperature water from the space are provided at two locations on the side surface of the outer tank 7b. ing. The constant temperature water adjusted to a constant temperature is stored in the constant temperature tank 6, and the constant temperature water is constantly circulated and supplied to the processing tank 7 side by driving the pump 5. As a result, the temperature in the processing tank 7 can be kept constant (for example, 0° C. to 60° C.).

超音波振動子3は、処理槽7の内槽7aに入れられた金イオン水溶液4に超音波S1を照射するための手段であって、外槽7bの底部外面に固定されている。本実施形態における超音波振動子3としては、例えば、直径45mmの130kHz用振動子や、直径50mmの200kHz用振動子、300kHz用振動子、500kHz用振動子、1MHz用振動子、2MHz用振動子などが使用可能である(いずれも本多電子株式会社製)。なお、これらの振動子のうち低周波用についてはボルト締めランジュバン型振動子の使用が好適であり、高周波用についてはセラミック素子単体からなる振動子の使用が好適である。 The ultrasonic vibrator 3 is a means for irradiating the gold ion aqueous solution 4 contained in the inner tank 7a of the processing tank 7 with the ultrasonic wave S1, and is fixed to the outer surface of the bottom of the outer tank 7b. Examples of the ultrasonic oscillator 3 in the present embodiment include a 130 kHz oscillator having a diameter of 45 mm, a 200 kHz oscillator having a diameter of 50 mm, a 300 kHz oscillator, a 500 kHz oscillator, a 1 MHz oscillator, and a 2 MHz oscillator. Etc. can be used (all are manufactured by Honda Electronics Co., Ltd.). Among these vibrators, a bolted Langevin type vibrator is suitable for low frequencies, and a vibrator composed of a ceramic element alone is suitable for high frequencies.

また、図1に示される金ナノ粒子製造装置10において、超音波発振器1及びパワーアンプ2は、超音波振動子3を所定周波数で駆動させるための駆動装置を構成している。超音波発振器1としては、例えば関数発生器を使用することができる。この超音波発振器1は、パワーアンプ2を介して超音波振動子3に電気的に接続されている。超音波発振器1は、所定周波数の正弦波を、連続的または間欠的な発振信号として出力する。この発振信号は、パワーアンプ2で信号増幅された後、超音波振動子3に供給され、超音波振動子3を駆動する。図示しないが、パワーアンプ2と超音波振動子3との間にインピーダンス・マッチング回路が設けられていてもよい。そして、超音波振動子3は、超音波発振器1の発振周波数に応じた周波数の超音波S1(図2参照)を発生する。この結果、処理槽7における内槽7aの金イオン水溶液4に対し、処理槽7における外槽7bの底部側から内槽7aに向けて超音波S1が間接的に照射される。 Further, in the gold nanoparticle manufacturing apparatus 10 shown in FIG. 1, the ultrasonic oscillator 1 and the power amplifier 2 constitute a driving device for driving the ultrasonic vibrator 3 at a predetermined frequency. As the ultrasonic oscillator 1, for example, a function generator can be used. This ultrasonic oscillator 1 is electrically connected to an ultrasonic oscillator 3 via a power amplifier 2. The ultrasonic oscillator 1 outputs a sine wave having a predetermined frequency as a continuous or intermittent oscillation signal. This oscillation signal is amplified by the power amplifier 2 and then supplied to the ultrasonic transducer 3 to drive the ultrasonic transducer 3. Although not shown, an impedance matching circuit may be provided between the power amplifier 2 and the ultrasonic transducer 3. Then, the ultrasonic transducer 3 generates an ultrasonic wave S1 (see FIG. 2) having a frequency corresponding to the oscillation frequency of the ultrasonic oscillator 1. As a result, the gold ion aqueous solution 4 in the inner bath 7a of the treatment bath 7 is indirectly irradiated with the ultrasonic wave S1 from the bottom side of the outer bath 7b of the treatment bath 7 toward the inner bath 7a.

次に、上記のように構成された金ナノ粒子製造装置10を用いて、図5に示す金ナノ粒子15(金属ナノ粒子)を製造する方法について説明する。 Next, a method of manufacturing the gold nanoparticles 15 (metal nanoparticles) shown in FIG. 5 using the gold nanoparticle manufacturing apparatus 10 configured as described above will be described.

まず、UFBを含む金イオン水溶液4を作製する溶液準備ステップを行う。当該溶液4は、例えば、超純水を用いて加圧溶解式によりUFB水を作製しておき、このUFB水に四塩化金酸・四水和物を溶解させるという手順で作製することができる。なお、超純水にあらかじめ四塩化金酸・四水和物を溶解させた水溶液を作製し、この水溶液から加圧溶解式によりUFB水を作製するという手順であってもよい。加圧溶解式によるUFB水作製の利点は、比較的簡単な装置にて比較的低コストで高密度UFB水を得られる点にある。 First, a solution preparation step for producing the gold ion aqueous solution 4 containing UFB is performed. The solution 4 can be prepared by, for example, preparing UFB water by a pressure dissolution method using ultrapure water, and dissolving tetrachloroauric acid tetrahydrate in the UFB water. .. The procedure may be such that an aqueous solution prepared by previously dissolving tetrachloroauric acid tetrahydrate in ultrapure water is prepared, and UFB water is prepared from this aqueous solution by a pressure dissolution method. The advantage of UFB water production by the pressure dissolution method is that high-density UFB water can be obtained at a relatively low cost with a relatively simple device.

次に、UFBを含む金イオン水溶液4を処理槽7内に導入する溶液導入ステップを行う。溶液導入ステップ後の金ナノ粒子合成ステップでは、超音波振動子3から処理槽7内の溶液4中への超音波S1の照射によって超音波キャビテーションを発生させて、溶液4中の金イオン(金属イオン)を還元することにより、溶液4中に金ナノ粒子15を合成する。詳述すると、溶液4中の金イオンは、超音波キャビテーションによってAuに還元(核形成)され、さらにAuから金ナノ粒子15に成長(粒子成長)する。なお、超音波キャビテーションが多くなる程、核形成に多くの金イオンが使用され、粒子成長に必要な金イオンが少なくなるため、金ナノ粒子15の粒径が小さくなるものと考えられる。 Next, a solution introducing step of introducing the gold ion aqueous solution 4 containing UFB into the processing tank 7 is performed. In the gold nanoparticle synthesis step after the solution introduction step, ultrasonic cavitation is generated by the irradiation of ultrasonic waves S1 from the ultrasonic oscillator 3 into the solution 4 in the treatment tank 7, and the gold ions (metal The gold nanoparticles 15 are synthesized in the solution 4 by reducing (ions). More specifically, the gold ions in the solution 4 are reduced (nucleated) to Au by ultrasonic cavitation, and further grown from Au into gold nanoparticles 15 (particle growth). It is considered that as the ultrasonic cavitation increases, more gold ions are used for nucleation and less gold ions are required for particle growth, so that the particle size of the gold nanoparticles 15 becomes smaller.

さらに、金ナノ粒子合成ステップでは、溶液4に対して495kHzの超音波S1をミリ秒オーダーの繰り返し周期T0(本実施形態では4ms)で間欠照射するとともに繰り返し周期T0を短くすることにより、金ナノ粒子15の粒径の大きさを小さくなるように制御する。このとき、作業者は、最適な超音波S1のON時間T1(図2参照)及びOFF時間T2(図2参照)を超音波発振器1に入力する。そして、入力したON時間T1及びOFF時間T2に基づいて、超音波振動子3から超音波S1が照射される。なお、本実施形態では、超音波S1のON時間T1が2msとなり、超音波S1のOFF時間T2が2msとなる。その結果、平均粒径が13.1nmであってかつ粒径の標準偏差が5.9nmの金ナノ粒子15(図5(a)参照)が溶液4中にて合成され、金ナノ粒子15が溶液4中にて分散された状態のもの(即ち、金ナノコロイド)が得られるようになる。 Further, in the gold nanoparticle synthesis step, the solution 4 is intermittently irradiated with ultrasonic waves S1 of 495 kHz at a repetition cycle T0 of millisecond order (4 ms in the present embodiment) and the repetition cycle T0 is shortened. The particle size of the particles 15 is controlled to be small. At this time, the operator inputs the optimum ON time T1 (see FIG. 2) and OFF time T2 (see FIG. 2) of the ultrasonic wave S1 to the ultrasonic oscillator 1. Then, the ultrasonic wave S1 is emitted from the ultrasonic transducer 3 based on the input ON time T1 and OFF time T2. In this embodiment, the ON time T1 of the ultrasonic wave S1 is 2 ms and the OFF time T2 of the ultrasonic wave S1 is 2 ms. As a result, gold nanoparticles 15 (see FIG. 5A) having an average particle size of 13.1 nm and a standard deviation of particle sizes of 5.9 nm were synthesized in the solution 4, and the gold nanoparticles 15 were formed. The dispersed state (that is, gold nanocolloid) can be obtained in the solution 4.

以下、上記実施形態をより具体化した実施例を紹介する。 Hereinafter, examples in which the above embodiment is more concretely introduced will be introduced.

[実施例1]:UFBが超音波による金ナノ粒子合成に及ぼす効果に関する実験
本実施例では、以下の方法により実験を行った。
[Example 1]: Experiment on effect of UFB on gold nanoparticle synthesis by ultrasonic waves In this example, an experiment was conducted by the following method.

1.実験方法
実験に用いる試料として、溶媒である所定量の水に四塩化金酸・四水和物を溶解させることにより、0.1mMの金イオン水溶液4を作製した。ここでは、水として、UFB水を用いるとともに、比較のために蒸留水(即ち、noUFB水)も用いた。UFB水は、超純水から加圧溶解式(ultrafineGaLF,IDEC)によって作製した。なお、ナノ粒子ブラウン運動追跡法(NanoSight,Malvern )によりUFB水中に含まれるUFBを測定したところ、数密度が50億個/mLであった。
1. Experimental Method As a sample used in the experiment, 0.1 mM gold ion aqueous solution 4 was prepared by dissolving tetrachloroauric acid tetrahydrate in a predetermined amount of water as a solvent. Here, UFB water was used as water, and distilled water (that is, noUFB water) was also used for comparison. UFB water was prepared from ultrapure water by a pressure dissolution method (ultrafineGaLF, IDEC). The number density was 5 billion/mL when UFB contained in UFB water was measured by the nanoparticle Brownian motion tracking method (NanoSight, Malvern).

次に、作製した金イオン水溶液4を、図1に示す金ナノ粒子製造装置10の処理槽7(内槽7a)内に入れた。そして、周波数を500kHz、振動子に印加する時間平均電力を50Wに設定した状態で、超音波振動子3から超音波S1を10分間照射し、金ナノ粒子15(金ナノコロイド)を合成した。さらに、超音波S1の照射処理の後、合成した金ナノコロイドを採取し、電子顕微鏡によって金ナノ粒子15の観察及び評価を行った。その結果を図3に示す。 Next, the prepared gold ion aqueous solution 4 was put into the processing tank 7 (inner tank 7a) of the gold nanoparticle manufacturing apparatus 10 shown in FIG. Then, with the frequency set to 500 kHz and the time average power applied to the vibrator set to 50 W, ultrasonic wave S1 was irradiated from the ultrasonic vibrator 3 for 10 minutes to synthesize gold nanoparticles 15 (gold nanocolloid). Furthermore, after the irradiation treatment with the ultrasonic wave S1, the synthesized gold nanocolloid was sampled, and the gold nanoparticles 15 were observed and evaluated by an electron microscope. The result is shown in FIG.

2.実験結果及び考察
図3のグラフは、UFB有無それぞれにおける金ナノ粒子15の粒径分布を示している。これによると、UFB無のときには50nm〜180nmに亘って金ナノ粒子15が存在し、平均粒径が119nm、標準偏差が80nmとなった。一方、UFB有のときには15nm〜45nmに亘って金ナノ粒子15が存在し、平均粒径が22nm、標準偏差が6nmとなった。即ち、UFBの存在下では、金ナノ粒子15の平均粒径も標準偏差も小さくなることが分かった。また、金ナノ粒子15の平均粒径は、UFBの数密度の増加とともに減少することも分かった。平均粒径の減少は、溶液4中のUFBが金ナノ粒子15の核として振る舞い、還元種である水素ラジカル、過酸化水素、亜硝酸などの生成量を増大させたためであると考えられる。さらに、UFBの存在により、金ナノコロイド中の金ナノ粒子15の安定性が向上することも分かった。これは、UFB表面に金ナノ粒子15が吸着したためであると考えられる。
2. Experimental Results and Discussion The graph of FIG. 3 shows the particle size distribution of the gold nanoparticles 15 with and without UFB. According to this, in the absence of UFB, the gold nanoparticles 15 were present over 50 nm to 180 nm, the average particle size was 119 nm, and the standard deviation was 80 nm. On the other hand, when UFB was present, the gold nanoparticles 15 were present over 15 nm to 45 nm, the average particle size was 22 nm, and the standard deviation was 6 nm. That is, it was found that in the presence of UFB, both the average particle size and the standard deviation of the gold nanoparticles 15 are small. It was also found that the average particle size of the gold nanoparticles 15 decreases as the number density of UFB increases. It is considered that the decrease in the average particle size is because UFB in the solution 4 behaves as a nucleus of the gold nanoparticles 15 and increases the production amount of reducing radicals such as hydrogen radicals, hydrogen peroxide, and nitrous acid. Furthermore, it was also found that the presence of UFB improves the stability of the gold nanoparticles 15 in the gold nanocolloid. It is considered that this is because the gold nanoparticles 15 were adsorbed on the UFB surface.

[結論]
上記の実験結果からすると、溶液4中にUFBを含ませることにより、金ナノ粒子15の合成反応において、超音波化学反応の反応速度が増大し、金ナノ粒子15の粒径を安定的に小さく制御できることが分かった。
[Conclusion]
From the above experimental results, by including UFB in the solution 4, the reaction rate of the ultrasonic chemical reaction in the synthetic reaction of the gold nanoparticles 15 increases, and the particle size of the gold nanoparticles 15 is stably reduced. It turned out to be controllable.

[実施例2]:超音波の周波数が超音波振動子の駆動状態に及ぼす影響に関する実験
本実施例では、以下の方法により実験を行った。
Example 2 Experiment on Influence of Frequency of Ultrasonic Wave on Driving State of Ultrasonic Transducer In this example, an experiment was conducted by the following method.

1.実験方法
まず、図1に示す金ナノ粒子製造装置10の処理槽7(外槽7b)内に純水を入れた。そして、周波数を43kHz及び495kHz、ON時間T1及びOFF時間T2を同じ長さ、T1,T2を10ms及び2msに設定した状態で、超音波振動子3に印加される電圧と超音波振動子3に流れる電流とを、オシロスコープと電流プローブとで測定した。
1. Experimental Method First, pure water was put into the processing tank 7 (outer tank 7b) of the gold nanoparticle manufacturing apparatus 10 shown in FIG. Then, with the frequency set to 43 kHz and 495 kHz, the ON time T1 and the OFF time T2 set to the same length, and T1 and T2 set to 10 ms and 2 ms, the voltage applied to the ultrasonic transducer 3 and the ultrasonic transducer 3 are set. The flowing current was measured with an oscilloscope and a current probe.

2.実験結果及び考察
以上の結果を図4に示す。図4(a)は、周波数が43kHz、ON時間T1が10msで超音波振動子3を駆動した場合の電圧及び電流波形を示す。超音波振動子3に流れる電流は、超音波振動子3表面の振動速度に比例する。よって、超音波振動子3に電圧が印加されると、超音波振動子3は徐々に振動を開始し、電圧印加後2msで一定の振動速度に達することが分かった。次に、周波数が43kHz、ON時間T1が2msで超音波振動子3を駆動した場合の電圧及び電流波形を図4(b)に示す。この場合、電圧が印加されることで超音波振動子3の振動速度が徐々に上昇し、電圧印加後2msであって電圧をOFF状態にする直前の時点で、超音波振動子3の振動速度が一定になった。また、電圧をOFF状態にしたとしても、超音波振動子3の振動速度は、すぐにはゼロにならず、徐々に減少した。そして、電圧をOFF状態にしてから2ms経過後に、超音波振動子3の振動が停止した。よって、43kHzのような低い周波数の場合、T1,T2=2msのような短いON時間T1、OFF時間T2のパルス超音波を照射できないことが分かった。
2. Experimental Results and Discussion The above results are shown in FIG. FIG. 4A shows voltage and current waveforms when the ultrasonic transducer 3 is driven at a frequency of 43 kHz and an ON time T1 of 10 ms. The current flowing through the ultrasonic oscillator 3 is proportional to the vibration speed of the surface of the ultrasonic oscillator 3. Therefore, it was found that when a voltage was applied to the ultrasonic vibrator 3, the ultrasonic vibrator 3 gradually started to vibrate and reached a constant vibration velocity 2 ms after the voltage was applied. Next, FIG. 4B shows voltage and current waveforms when the ultrasonic transducer 3 is driven at a frequency of 43 kHz and an ON time T1 of 2 ms. In this case, when the voltage is applied, the vibration speed of the ultrasonic vibrator 3 gradually increases, and the vibration speed of the ultrasonic vibrator 3 is 2 ms after the voltage is applied and immediately before the voltage is turned off. Became constant. Further, even if the voltage was turned off, the vibration speed of the ultrasonic transducer 3 did not immediately become zero but gradually decreased. Then, 2 ms after the voltage was turned off, the vibration of the ultrasonic transducer 3 stopped. Therefore, it was found that in the case of a low frequency such as 43 kHz, it is not possible to irradiate the pulsed ultrasonic waves having the short ON time T1 and OFF time T2 such as T1, T2=2 ms.

図4(c)は、周波数が495kHz、ON時間T1が10msで超音波振動子3を駆動した場合の電圧及び電流波形を示す。この場合、超音波振動子3に電圧が印加されると、超音波振動子3は、すぐに一定の振動速度に達することが分かった。次に、周波数が495kHz、ON時間T1が2msで超音波振動子3を駆動した場合の電圧及び電流波形を図4(d)に示す。この場合においても、電圧が印加されると、超音波振動子3はすぐに一定の振動速度に達することが分かった。よって、495kHzのような100kHz以上の高い周波数であれば、T1,T2=2msのような短いON時間T1、OFF時間T2のパルス超音波を照射できることが分かった。 FIG. 4C shows voltage and current waveforms when the ultrasonic transducer 3 is driven at a frequency of 495 kHz and an ON time T1 of 10 ms. In this case, it was found that when a voltage was applied to the ultrasonic vibrator 3, the ultrasonic vibrator 3 immediately reached a constant vibration speed. Next, FIG. 4D shows voltage and current waveforms when the ultrasonic transducer 3 is driven at a frequency of 495 kHz and an ON time T1 of 2 ms. Even in this case, it was found that the ultrasonic transducer 3 reached a constant vibration speed immediately when a voltage was applied. Therefore, it has been found that a pulsed ultrasonic wave having a short ON time T1 and OFF time T2 such as T1 and T2=2 ms can be emitted at a high frequency of 100 kHz or higher such as 495 kHz.

[実施例3]:超音波の照射態様が金ナノ粒子合成に及ぼす効果に関する実験
本実施例では、以下の方法により実験を行った。
[Example 3]: Experiment relating to effect of ultrasonic wave irradiation mode on gold nanoparticle synthesis In this example, an experiment was conducted by the following method.

1.実験方法
実験に用いる試料として、実施例1と同様の金イオン水溶液4を調製した。ここでは、溶液4の溶媒としてUFB水を用いた。UFB水は、超純水から加圧溶解式によって作製した。なお、ナノ粒子ブラウン運動追跡法によりUFB水中に含まれるUFBを測定したところ、数密度が3〜4×10個/mL、平均気泡径が約140nmであった。
1. Experimental Method As a sample used for the experiment, the same gold ion aqueous solution 4 as in Example 1 was prepared. Here, UFB water was used as the solvent of the solution 4. UFB water was prepared from ultrapure water by a pressure dissolution method. When UFB contained in UFB water was measured by the nanoparticle Brownian motion tracking method, the number density was 3 to 4×10 9 cells/mL, and the average bubble diameter was about 140 nm.

次に、作製した金イオン水溶液4を、図1に示す金ナノ粒子製造装置10の処理槽7(内槽7a)内に入れた。そして、溶液4を恒温槽6によって10℃±2℃以内に維持し、かつ周波数を495kHz、振動子に印加する時間平均電力を50Wに設定した状態で、超音波振動子3から超音波S1を4分間照射し、金ナノ粒子15(金ナノコロイド)を合成した。なお、本実施例では、ON時間T1(図2参照)を2ms、OFF時間T2(図2参照)を2msとし、ON時間T1での印加電力を100Wに設定し、OFF時間T2での印加電力を0Wに設定した状態で、パルス波(Pulse wave)を超音波S1として照射した。このとき、デューティ比は50%、超音波振動子3に印加される時間平均電力は50Wとなる。なお、デューティ比は、下記の式で示すことができる。
式 デューティ比[%]=100×ON時間T1/(ON時間T1+OFF時間T2)
また、本実施例では、OFF時間T2を0msとした連続波(Continuous wave )も、超音波S1として照射した。そして、超音波S1の照射処理の後、合成した金ナノコロイドを採取し、電子顕微鏡によって金ナノ粒子15の観察及び評価を行った。その結果を、図5の写真及び図6のグラフに示す。
Next, the prepared gold ion aqueous solution 4 was put into the processing tank 7 (inner tank 7a) of the gold nanoparticle manufacturing apparatus 10 shown in FIG. Then, while the solution 4 is maintained within 10° C.±2° C. by the constant temperature bath 6, the frequency is set to 495 kHz, and the time average power applied to the vibrator is set to 50 W, the ultrasonic wave S1 is transmitted from the ultrasonic vibrator 3 to the ultrasonic wave S1. It was irradiated for 4 minutes to synthesize gold nanoparticles 15 (gold nanocolloid). In this embodiment, the ON time T1 (see FIG. 2) is 2 ms, the OFF time T2 (see FIG. 2) is 2 ms, the applied power at the ON time T1 is set to 100 W, and the applied power at the OFF time T2 is set. Was set to 0 W, and a pulse wave (Pulse wave) was applied as the ultrasonic wave S1. At this time, the duty ratio is 50%, and the time average power applied to the ultrasonic transducer 3 is 50W. The duty ratio can be expressed by the following formula.
Formula Duty ratio [%]=100×ON time T1/(ON time T1+OFF time T2)
Further, in the present embodiment, a continuous wave with the OFF time T2 set to 0 ms is also emitted as the ultrasonic wave S1. Then, after the irradiation treatment with the ultrasonic wave S1, the synthesized gold nanocolloid was collected, and the gold nanoparticles 15 were observed and evaluated by an electron microscope. The results are shown in the photograph of FIG. 5 and the graph of FIG.

さらに、デューティ比を50%で一定とし、時間平均電力を50Wで一定にした状態で、異なる照射態様でパルス波(超音波S1)を4分間照射し、金ナノ粒子15(金ナノコロイド)を合成した。具体的には、ON時間T1及びOFF時間T2をそれぞれ0.2ms、0.5ms、1ms、2ms、5ms、10ms、15ms、20ms、200ms、400ms、600ms、800msに設定した状態で、パルス波を照射した。そして、超音波S1の照射処理の後、合成した金ナノコロイドを採取し、電子顕微鏡によって金ナノ粒子15の観察及び評価を行った。その結果を、図5の写真、図7のグラフ及び表1に示す。
Further, with the duty ratio kept constant at 50% and the time-average power kept constant at 50 W, pulse waves (ultrasonic waves S1) were irradiated for 4 minutes in different irradiation modes, and gold nanoparticles 15 (gold nanocolloid) were irradiated. Synthesized. Specifically, with the ON time T1 and the OFF time T2 set to 0.2 ms, 0.5 ms, 1 ms, 2 ms, 5 ms, 10 ms, 15 ms, 20 ms, 200 ms, 400 ms, 600 ms, and 800 ms, respectively, the pulse wave is set. Irradiated. Then, after the irradiation treatment with the ultrasonic wave S1, the synthesized gold nanocolloid was collected, and the gold nanoparticles 15 were observed and evaluated by an electron microscope. The results are shown in the photograph of FIG. 5, the graph of FIG. 7 and Table 1.

2.実験結果及び考察
図5の写真は、パルス波と連続波とをそれぞれ照射した際の電子顕微鏡写真を示している。具体的に言うと、ON時間T1及びOFF時間T2をそれぞれ2msに設定した状態で、パルス波を照射した際の電子顕微鏡写真を図5(a)に示し、ON時間T1及びOFF時間T2をそれぞれ600msに設定した状態で、パルス波を照射した際の電子顕微鏡写真を図5(b)に示す。また、連続波(OFF時間T2=0ms)を照射した際の電子顕微鏡写真を図5(c)に示す。これによると、パルス波を照射する場合には、ON時間T1が短くなる程、金ナノ粒子15の粒径が小さくなることが分かった。
2. Experimental Results and Discussion The photograph in FIG. 5 shows electron micrographs when a pulse wave and a continuous wave were irradiated respectively. Specifically, FIG. 5(a) shows an electron micrograph when irradiating a pulse wave with the ON time T1 and the OFF time T2 set to 2 ms, and the ON time T1 and the OFF time T2 are respectively shown. FIG. 5B shows an electron microscope photograph when a pulse wave is irradiated in the state of setting to 600 ms. Further, FIG. 5C shows an electron micrograph when a continuous wave (OFF time T2=0 ms) was irradiated. According to this, it was found that when the pulse wave is irradiated, the particle size of the gold nanoparticles 15 becomes smaller as the ON time T1 becomes shorter.

図6のグラフは、連続波とパルス波(ON時間T1=2ms、OFF時間T2=2ms)とをそれぞれ照射した際の粒径分布を示している。これによると、連続波を照射したときには、金ナノ粒子15の平均粒径が25.3nm、標準偏差が5.8nmとなった。一方、パルス波を照射したときには、金ナノ粒子15の平均粒径が13.1nm、標準偏差が5.9nmとなった。即ち、パルス波を照射するときには、連続波を照射するときよりも金ナノ粒子15の平均粒径が小さくなることが分かった。なお、理由としては以下のことが考えられる。即ち、パルス波において時間平均電力を一定(50W)にした場合には、ON時間T1に発生する超音波S1の強度が高くなるため、還元速度が上昇し、核形成が促進されると考えられる。また、OFF時間T2には超音波S1が発生しないため、金ナノ粒子15の成長が抑制され、金属ナノ粒子15の粒径が小さくなると考えられる。このような2つの時間(ON時間T1及びOFF時間T2)での相互作用により、核形成が粒子成長よりも有利に進むため、金ナノ粒子15の成長が抑制され、より微小な金ナノ粒子15が生成されると考えられる。 The graph of FIG. 6 shows a particle size distribution when a continuous wave and a pulse wave (ON time T1=2 ms, OFF time T2=2 ms) are respectively irradiated. According to this, when the continuous wave was irradiated, the average particle size of the gold nanoparticles 15 was 25.3 nm, and the standard deviation was 5.8 nm. On the other hand, when irradiated with a pulse wave, the gold nanoparticles 15 had an average particle size of 13.1 nm and a standard deviation of 5.9 nm. That is, it was found that the average particle size of the gold nanoparticles 15 was smaller when the pulse wave was irradiated than when the continuous wave was irradiated. The following are possible reasons. That is, when the time-average power is constant (50 W) in the pulse wave, the intensity of the ultrasonic wave S1 generated during the ON time T1 increases, so that the reduction rate increases and nucleation is promoted. .. Further, since the ultrasonic wave S1 is not generated during the OFF time T2, it is considered that the growth of the gold nanoparticles 15 is suppressed and the particle size of the metal nanoparticles 15 becomes small. Due to the interaction between these two times (ON time T1 and OFF time T2), the nucleation proceeds more favorably than the particle growth, so that the growth of the gold nanoparticles 15 is suppressed and the finer gold nanoparticles 15 are formed. Is considered to be generated.

図7のグラフは、超音波S1のON時間T1及びOFF時間T2と、金ナノ粒子15の平均粒径との関係を示し、表1は、ON時間T1及びOFF時間T2を変更した場合の平均粒径及び標準偏差を示している。これによると、パルス波を照射する場合であっても、ON時間T1及びOFF時間T2が20ms、200ms、400ms、600ms、800msのいずれかであるときには、金ナノ粒子15の平均粒径が、連続波を照射する場合の平均粒径(25.3nm)よりも大きくなることが分かった。一方、パルス波を照射する場合に、ON時間T1及びOFF時間T2を0.5ms、1ms、2ms、5ms、19.9ms、22.1msのいずれかにすれば、金ナノ粒子15の平均粒径が、連続波を照射する場合の平均粒径よりも小さくなることが分かった。特に、ON時間T1及びOFF時間T2を2msにしたときには、平均粒径が最も小さくなることが分かった。また、パルス波を照射する場合に、ON時間T1及びOFF時間T2を0.2msにしたときには、超音波キャビテーションが発生しないため、金ナノ粒子15自体を合成できない(即ち、平均粒径が0nmになる)ことが分かった。なお、デューティ比は、ON時間T1とOFF時間T2とがほぼ同じになるもの(約50%)であることが好ましいと考えられる。例えば、デューティ比は、40%以上60%以下であることが好ましく、特には、45%以上55%以下であることがよいと考えられる。 The graph of FIG. 7 shows the relationship between the ON time T1 and the OFF time T2 of the ultrasonic wave S1 and the average particle size of the gold nanoparticles 15, and Table 1 shows the average when the ON time T1 and the OFF time T2 are changed. The particle size and standard deviation are shown. According to this, even when the pulse wave is irradiated, when the ON time T1 and the OFF time T2 are any of 20 ms, 200 ms, 400 ms, 600 ms, and 800 ms, the average particle size of the gold nanoparticles 15 is continuous. It was found to be larger than the average particle size (25.3 nm) when irradiating with waves. On the other hand, if the ON time T1 and the OFF time T2 are set to 0.5 ms, 1 ms, 2 ms, 5 ms, 19.9 ms, or 22.1 ms when the pulse wave is irradiated, the average particle diameter of the gold nanoparticles 15 is increased. However, it was found that the particle size was smaller than the average particle size when the continuous wave was irradiated. In particular, it was found that when the ON time T1 and the OFF time T2 were set to 2 ms, the average particle size became the smallest. In addition, when irradiating a pulse wave, when the ON time T1 and the OFF time T2 are set to 0.2 ms, ultrasonic cavitation does not occur, so that the gold nanoparticles 15 themselves cannot be synthesized (that is, the average particle size is 0 nm. I realized). It is considered preferable that the duty ratio is such that the ON time T1 and the OFF time T2 are substantially the same (about 50%). For example, the duty ratio is preferably 40% or more and 60% or less, and particularly preferably 45% or more and 55% or less.

[結論]
上記一連の実験結果からすると、溶液4に対して照射される超音波S1をパルス波とし、例えば、繰り返し周期T0を2ms以上30ms以下としたうえで、ON時間T1及びOFF時間T2を1ms以上15ms以下とすることにより、金ナノ粒子15の平均粒径が、連続波を照射する場合の平均粒径よりも小さくなることが分かった。従って、パルス波により微細な金ナノ粒子15の制御ができるという知見を得た。
[Conclusion]
According to the above series of experimental results, the ultrasonic wave S1 irradiated to the solution 4 is a pulse wave, for example, the repetition period T0 is set to 2 ms or more and 30 ms or less, and the ON time T1 and the OFF time T2 are set to 1 ms or more and 15 ms or more. It has been found that the average particle size of the gold nanoparticles 15 is smaller than the average particle size in the case of irradiating with continuous wave by the following. Therefore, it was found that the fine gold nanoparticles 15 can be controlled by the pulse wave.

従って、本実施形態によれば以下の効果を得ることができる。 Therefore, according to this embodiment, the following effects can be obtained.

(1)本実施形態における金属ナノ粒子15の粒径制御方法では、周波数を高く(100kHz以上に)した超音波S1を、一般的には用いられないミリ秒オーダー(4ms)の繰り返し周期T0で間欠照射するとともに繰り返し周期T0を極めて短く(2msに)することにより、金ナノ粒子15の粒径の大きさを小さくなるように制御することができる。よって、還元剤、還元補助剤、界面活性剤及び両親媒性高分子等の添加剤を用いなくても、金ナノ粒子15の粒径を制御することができる。つまり、金ナノ粒子15の粒径の大きさをクリーンな手法で確実に小さくすることができる。 (1) In the method for controlling the particle size of the metal nanoparticles 15 in the present embodiment, the ultrasonic wave S1 having a high frequency (100 kHz or more) is repeated at a millisecond-order (4 ms) repetition period T0 that is not generally used. By intermittently irradiating and making the repeating cycle T0 extremely short (to 2 ms), the size of the gold nanoparticles 15 can be controlled to be small. Therefore, the particle size of the gold nanoparticles 15 can be controlled without using additives such as a reducing agent, a reduction auxiliary agent, a surfactant, and an amphipathic polymer. That is, the size of the gold nanoparticles 15 can be reliably reduced by a clean method.

(2)本実施形態では、溶液4に対して上記の添加剤を添加することなく、超音波S1の照射のみによって金ナノ粒子15を合成するため、表面に何も付着していない高純度の金ナノ粒子15を合成することができる。 (2) In the present embodiment, the gold nanoparticles 15 are synthesized only by the irradiation of the ultrasonic wave S1 without adding the above-mentioned additive to the solution 4, so that the surface of the solution 4 is of high purity with nothing attached. Gold nanoparticles 15 can be synthesized.

なお、上記実施形態を以下のように変更してもよい。 In addition, you may change the said embodiment as follows.

・上記実施形態では、本発明を金ナノ粒子15の製造方法に具体化したが、金以外の貴金属(銀、白金、パラジウムなど)のナノ粒子の製造方法に具体化してもよい。 In the above embodiment, the present invention is embodied in the method for manufacturing the gold nanoparticles 15, but may be embodied in a method for manufacturing nanoparticles of a noble metal other than gold (silver, platinum, palladium, etc.).

・上記実施形態では、加圧溶解式によりUFBを含む金イオン水溶液4を作製したが、加圧溶解式以外の手法(例えば、旋回液流式、スタティックミキサー式、微細孔式、及び比較的低周波の超音波放射を利用した方法など)によって、このような溶液を作製してもよい。なお、上記実施形態では、UFB内の気体が空気であったが、空気以外の気体(例えば、酸素、窒素、アルゴン等)を用いても勿論よい。 In the above-described embodiment, the gold ion aqueous solution 4 containing UFB was prepared by the pressure dissolution method, but a method other than the pressure dissolution method (for example, a swirling liquid flow method, a static mixer method, a micropore method, and a relatively low method). Such a solution may be prepared by a method utilizing high frequency ultrasonic radiation. In the above embodiment, the gas in the UFB is air, but a gas other than air (for example, oxygen, nitrogen, argon, etc.) may be used.

・上記実施形態の金ナノ粒子製造装置10では、作業者が、最適な超音波S1のON時間T1及びOFF時間T2を超音波発振器1に入力することにより、超音波振動子3から超音波S1が照射されるようになっていた。しかし、金ナノ粒子製造装置10は、作業者が金ナノ粒子15の粒径の目標値を入力したことを契機として、最適な超音波S1のON時間T1及びOFF時間T2を自動的に算出し、算出した結果に基づいて超音波振動子3から超音波S1を照射させるシステムを備えていてもよい。なお、ON時間T1=OFF時間T2、金ナノ粒子15の粒径が10ms以上の場合、ON時間T1(=OFF時間T2)を算出するための計算式は次のようになる(図8参照)。
T1=1e(0.102×d−1.12)
ここで、T1(=T2)はON時間[ms](=OFF時間)、dは金ナノ粒子15の粒径[nm]
In the gold nanoparticle manufacturing apparatus 10 of the above-described embodiment, the operator inputs the optimum ON time T1 and OFF time T2 of the ultrasonic wave S1 to the ultrasonic oscillator 1 so that the ultrasonic wave from the ultrasonic wave oscillator 3 to the ultrasonic wave S1. Was being irradiated. However, the gold nanoparticle manufacturing apparatus 10 automatically calculates the optimum ON time T1 and OFF time T2 of the ultrasonic wave S1 when the operator inputs the target value of the particle diameter of the gold nanoparticle 15. A system for irradiating the ultrasonic wave S1 from the ultrasonic transducer 3 based on the calculated result may be provided. When the ON time T1=OFF time T2 and the particle size of the gold nanoparticles 15 is 10 ms or more, the calculation formula for calculating the ON time T1 (=OFF time T2) is as follows (see FIG. 8). ..
T1=1e (0.102×d-1.12)
Here, T1 (=T2) is ON time [ms] (=OFF time), and d is the particle size [nm] of the gold nanoparticles 15.

次に、特許請求の範囲に記載された技術的思想のほかに、前述した実施形態によって把握される技術的思想を以下に列挙する。 Next, in addition to the technical ideas described in the claims, the technical ideas grasped by the above-described embodiment will be listed below.

(1)請求項1において、前記溶液に対して100kHz以上3MHz以下の超音波を照射することにより、前記金属ナノ粒子の粒径の大きさを制御することを特徴とする金属ナノ粒子の粒径制御方法。 (1) The particle size of the metal nanoparticles according to claim 1, wherein the size of the metal nanoparticles is controlled by irradiating the solution with ultrasonic waves of 100 kHz or more and 3 MHz or less. Control method.

(2)請求項1において、前記金属ナノ粒子は貴金属ナノ粒子であることを特徴とする金属ナノ粒子の粒径制御方法。 (2) The method for controlling the particle size of metal nanoparticles according to claim 1, wherein the metal nanoparticles are noble metal nanoparticles.

(3)請求項1において、前記金属ナノ粒子は金ナノ粒子であることを特徴とする金属ナノ粒子の粒径制御方法。 (3) The method for controlling the particle size of metal nanoparticles according to claim 1, wherein the metal nanoparticles are gold nanoparticles.

4…金属ナノ粒子合成用溶液(溶液)としての金イオン水溶液
7…容器としての処理槽
15…金属ナノ粒子としての金ナノ粒子
S1…超音波
T0…繰り返し周期
4... Gold ion aqueous solution as a solution (solution) for synthesizing metal nanoparticles 7... Processing tank 15 as a container... Gold nanoparticles S1 as metal nanoparticles... Ultrasound T0... Repeating cycle

Claims (4)

直径1μm以下の超微細気泡を含む金属ナノ粒子合成用溶液中への超音波の照射によってキャビテーションを発生させて、前記溶液中の金属イオンを還元することにより、前記溶液中に金属ナノ粒子を合成する際に、
前記溶液に対して100kHz以上の超音波をミリ秒オーダーの繰り返し周期で間欠照射するとともに前記繰り返し周期を短くすることにより、前記金属ナノ粒子の粒径の大きさを小さくなるように制御する
ことを特徴とする金属ナノ粒子の粒径制御方法。
By irradiating ultrasonic waves into a solution for synthesizing metal nanoparticles containing ultrafine bubbles having a diameter of 1 μm or less, cavitation is generated to reduce metal ions in the solution to synthesize metal nanoparticles in the solution. When doing
It is possible to control the size of the metal nanoparticles to be small by intermittently irradiating the solution with ultrasonic waves of 100 kHz or more at a repeating cycle of millisecond order and shortening the repeating cycle. A characteristic method for controlling the particle size of metal nanoparticles.
請求項1に記載の方法により、粒径の大きさを制御するステップを含む金属ナノ粒子の製造方法。 A method for producing metal nanoparticles, comprising the step of controlling the particle size according to the method of claim 1. 加圧溶解式で作製した直径1μm以下の超微細気泡を含む金属ナノ粒子合成用溶液を容器内に導入するステップを行った後、
前記容器内の前記溶液に対して100kHz以上の超音波を2ms以上30ms以下の繰り返し周期で間欠照射することによって、キャビテーションを発生させて前記溶液中の金属イオンを還元することにより、平均粒径が25nm以下であってかつ粒径の標準偏差が6nm以下の金属ナノ粒子を前記溶液中にて合成するステップを行う
ことを特徴とする金属ナノ粒子の製造方法。
After performing a step of introducing a solution for synthesizing metal nanoparticles containing ultrafine bubbles having a diameter of 1 μm or less, which is produced by a pressure dissolution method, into a container,
By intermittently irradiating the solution in the container with ultrasonic waves of 100 kHz or more at a repetition cycle of 2 ms or more and 30 ms or less, cavitation is generated to reduce the metal ions in the solution, and thus the average particle size is reduced. A method for producing metal nanoparticles, comprising a step of synthesizing metal nanoparticles having a particle size standard deviation of 25 nm or less and 6 nm or less in the solution.
前記容器内の前記溶液に対して超音波を4ms以上20ms以下の繰り返し周期で間欠照射することにより、平均粒径が20nm未満の前記金属ナノ粒子を合成することを特徴とする請求項3に記載の金属ナノ粒子の製造方法。 The metal nanoparticles having an average particle size of less than 20 nm are synthesized by intermittently irradiating the solution in the container with ultrasonic waves at a repeating cycle of 4 ms or more and 20 ms or less. Method for producing metal nanoparticles of the above.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008106315A (en) * 2006-10-26 2008-05-08 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Metal nanoparticle and production method therefor
JP2008221121A (en) * 2007-03-12 2008-09-25 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Cavitation reaction acceleration method and method of producing metallic nanoparticle using the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008106315A (en) * 2006-10-26 2008-05-08 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Metal nanoparticle and production method therefor
JP2008221121A (en) * 2007-03-12 2008-09-25 National Institute Of Advanced Industrial & Technology Cavitation reaction acceleration method and method of producing metallic nanoparticle using the same

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115888697A (en) * 2022-10-27 2023-04-04 中钢集团南京新材料研究院有限公司 Method for preparing platinum-carbon catalyst by ultrasonic-assisted bubbling reduction method

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