KR101436857B1 - Gold nanotoroids and synthetic method thereof - Google Patents

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KR101436857B1
KR101436857B1 KR1020130062229A KR20130062229A KR101436857B1 KR 101436857 B1 KR101436857 B1 KR 101436857B1 KR 1020130062229 A KR1020130062229 A KR 1020130062229A KR 20130062229 A KR20130062229 A KR 20130062229A KR 101436857 B1 KR101436857 B1 KR 101436857B1
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유효종
최순
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한림대학교 산학협력단
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Abstract

An Au nanotoroid having a ring-shaped structure and having an empty center part is successfully synthesized by a seed-mediated method using Brij35 surfactant acting as a reducing agent, a surface stabilizer, and a shape indicator. The relative amount of Au seed nanoparticles has an important effect on yield and form of an obtained Au nanostructure. An available synthesis mechanism is predicted by analyzing time-resolved images and UV-visible ray spectrum.

Description

금 나노환상체 및 그 합성방법 {Gold nanotoroids and synthetic method thereof}TECHNICAL FIELD The present invention relates to gold nanocrystals and synthetic methods thereof,

본 발명은 금 나노환상체 및 그 합성방법에 관한 것으로서, 링과 같은 구조를 가지고 가운데가 비어 있는 Au 나노환상체가 환원제, 표면안정제 및 형상지시제로 기능하는 비이온성 계면활성제를 이용하여 시드-매개 방법을 통해 성공적으로 합성되었다. The present invention relates to a gold nanocyclomer and a method for synthesizing the same. More particularly, the present invention relates to a gold nanocyclomer and a method for synthesizing the gold nanocyclomer using a seed-mediated method using a nonionic surfactant functioning as a reducing agent, a surface stabilizer and a shape- Were synthesized successfully.

금으로 이루어진 콜로이드 나노입자 및 마이크로입자는 가시광선과 근적외선 파장범위에 걸치는 복잡한 스펙트럼 특징이 있고, 일반적으로 저독성으로 생각되며, 표면 작용기화 (functionalization)가 용이하기 때문에 많은 관심을 끌고 있다 [Jain P. K. et al., 2008 Acc. Chem. Res. 41 1578, Eustis S and El-Sayed M A 2006 Chem. Soc. Rev. 35 209, Hu M. et al., 2006 Chem. Soc. Rev. 35 1084]. 그들의 성질은 잠재적 응용성 외에도 실질적인 형상에 의존적이기 때문에 제어된 형태의 비등방성 나노입자 및 마이크로입자 합성에도 관심이 증대되고 있다 [El-Sayed M A 2001 Acc. Chem. Res. 34 25, Xia Y. et al., 2009 Angew. Chem. Int. Ed. 48 60, Murphy C. J. et al., 2005 J. Phys. Chem. B 109 13857, Treguer-Delapierre M. et al., 2008 Gold Bull. 41 195, Jones M. R. et al., 2011Chem. Rev. 1113736]. 독특한 나노구조체 합성공정 개발은 나노입자과학의 최전방에 있다.Gold colloidal nanoparticles and microparticles have attracted a great deal of attention because of their complex spectral characteristics over the visible and near infrared wavelength ranges, generally considered to be low toxicity, and easy functionalization of surface functionalities [Jain PK et al ., 2008 Acc. Chem. Res. 41 1578, Eustis S and El-Sayed MA 2006 Chem. Soc. Rev. 35 209, Hu M. et al., 2006 Chem. Soc. Rev. 35 1084]. In addition to their potential applicability, their properties are also dependent on the actual geometry, thus increasing interest in the controlled form of anisotropic nanoparticles and microparticle synthesis [El-Sayed MA 2001 Acc. Chem. Res. 34 25, Xia Y. et al., 2009 Angew. Chem. Int. Ed. 48 60, Murphy CJ et al., 2005 J. Phys. Chem. B 109 13857, Treguer-Delapierre M. et al., 2008 Gold Bull. 41 195, Jones MR et al., 2011 Chem. Rev. 111 3736]. The development of a unique nanostructure synthesis process is at the forefront of nanoparticle science.

비이온성 폴리머 계면활성제는 다공성 필름 [Attard G. S. et al., 1997 Science. 278 838, Luo K. et al., 2007 Adv. Mater. 19 1506], 분말-유사 나노재료 [Attard G. S. et al., 1997 Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 36 1315], 비등방성 나노입자 [Wang D. et al., 2004 Angew. Chem. Int. Ed. 43 6169, Yu S. H. et al., 2004 J. Nanosci. Nanotec. 4 291] 및 나노튜브 [Kijima T. et al., 2004 Angew. Chem. Int. Ed. 43 228]와 같은 특이한 형태의 새로운 금속 나노구조 합성에 유용하고 효과적이다. 일반적으로, 이러한 나노구조들은 고농도의 비이온성 폴리머 계면활성제를 이용하여 주로 연성 주형 또는 구조 지시제로서 이용되는 농도전이형 (Lyotrophic) 액정상 {liquid crystalline (LLC) phases} 내에서 제조되었다. 최근 우리 연구팀에서 환원제, 캡핑제 및 구조지시제로 이용되는 비이온성 Brij 계면활성제를 이용하여 독특한 Au 마이크로결정 합성이 보고된바 있다 [Jang M H, Kim J K and Yoo H 2012 J. Nanosci. Nanotech. 12 4088, Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431, Jang M H, Kim J K, Tak H and Yoo H 2011 J. Mater. Chem. 21 17606]. 예컨대, Au 전구체 및 비이온성 Brij35 ((C2H4O)23C12H25OH) 계면활성제를 포함하는 수용액을 이용하여 삼각형 또는 육각형 결정의 Au 마이크로링이 합성되었다 [Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431]. Brij 700((C2H4O)100C18H37OH) 수용액에서 단순 공정을 통해 제어 가능한 패션으로 육각형 다중층 Au 스파이랭글 (spirangles)도 고수율로 합성되었다 [Jang M H, Kim J K, Tak H and Yoo H 2011 J. Mater. Chem. 21 17606]. 중요한 것은 이들 나노결정의 성장이 액정상의 경우에 요구되는 것보다 비교적 낮은 Brij 계면활성제 농도 하에서 이루어졌다는 점이다.Nonionic polymeric surfactants include porous films [Attard GS et al., 1997 Science . 278 838, Luo K. et al., 2007 Adv. Mater. 19 1506], powder-like nanomaterials [Attard GS et al., 1997 Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 36 1315], anisotropic nanoparticles [Wang D. et al., 2004 Angew. Chem. Int. Ed. 43 6169, Yu SH et al., 2004 J. Nanosci. Nanotec. 4 291] and nanotubes [Kijima T. et al., 2004 Angew. Chem. Int. Ed. 43 228], which is useful for the synthesis of novel metallic nanostructures. In general, these nanostructures have been prepared in liquid crystalline (LLC) phases using high concentrations of nonionic polymeric surfactants, primarily as a soft template or structure directing agent. Recently, a unique Au microcrystal synthesis has been reported by our research team using a nonionic Brij surfactant used as a reducing agent, a capping agent and a structure directing agent [Jang MH, Kim JK and Yoo H 2012 J. Nanosci. Nanotech. 12 4088, Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431, Jang MH, Kim JK, Tak H and Yoo H 2011 J. Mater. Chem. 21 17606]. Au microns of triangular or hexagonal crystals were synthesized using, for example, an aqueous solution containing an Au precursor and a nonionic Brij 35 ((C 2 H 4 O) 23 C 12 H 25 OH) surfactant [Yoo H. et al. , 2011 Adv. Mater. 23 4431]. Hexagonal multilayer Au spirangles were also synthesized in a high yield in a fashion that can be controlled through a simple process in an aqueous solution of Brij 700 ((C 2 H 4 O) 100 C 18 H 37 OH) [Jang MH, Kim JK, Tak H and Yoo H 2011 J. Mater. Chem. 21 17606]. Importantly, the growth of these nanocrystals was achieved at a relatively low Brij surfactant concentration than is required for liquid crystals.

비록 비이온성 계면활성제를 이용하는 합성 루트가 꽤 편리하긴 하지만, 미래의 응용을 위해 Au 입자재료의 형태인자를 디자인하고 최적화하기 위해 Au 마이크로결정 성장에 좀더 효과적인 전략이 요구되고 있다. 특히, 앞서 합성된 Brij 계면활성제를 이용한 Au 구조는 비교적 크기가 커서 (edge lengths, ca. ~2 ㎛), 잠재적 이용가능성을 제한할 수 있다 [Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431, Jang M H, Kim J K, Tak H and Yoo H 2011 J. Mater. Chem. 21 17606]. 비이온성 계면활성제를 이용한 비등방성 나노 Au 입자를 합성하기 위해 본 발명자들은 점차적 시딩 방법을 채용하였는데, 이는 새로운 금속으로부터 비등방성 나노결정을 제조하는데 선호되는 합성기술이다 [Murphy C. J. et al., 2005 J. Phys. Chem. B 109 13857, Gole A and Murphy C J 2004 Chem. Mater. 16 3633, Liu M and Guyot-Sionnest P 2005 J. Phys. Chem. B 109 22192, Millstone J. E. et al., 2005 J. Am. Chem. Soc. 127 5312].
Although synthetic routes using non-ionic surfactants are quite convenient, a more effective strategy for growing Au microcrystals is required to design and optimize the morphology of Au particle materials for future applications. In particular, Au structures using the previously synthesized Brij surfactants are relatively large (edge lengths, ca. ~ 2 μm) and may limit their potential availability [Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431, Jang MH, Kim JK, Tak H and Yoo H 2011 J. Mater. Chem. 21 17606]. In order to synthesize anisotropic nano Au particles using a nonionic surfactant, the inventors employed a gradual seeding method, which is a preferred synthesis technique for preparing anisotropic nanocrystals from new metals [Murphy CJ et al., 2005 J Phys. Chem. B 109 13857, Golee and Murphy CJ 2004 Chem. Mater. 16 3633, Liu M and Guyot-Sionnest P 2005 J. Phys. Chem. B 109 22192, Millstone JE et al., 2005 J. Am. Chem. Soc. 127 5312].

본 발명은 다양한 형상을 갖는 금 나노입자 중 중앙이 비어있고 링과 유사한 모양을 갖는 금 나노환상체를 간단하게 합성하는 방법을 제공하려는 것을 목적으로 한다.
It is an object of the present invention to provide a method for simply synthesizing a gold nano-annular body having a shape similar to a ring in which the center of the gold nanoparticles having various shapes is empty.

본 발명자들은 중앙이 비고, 링과 유사한 구조를 갖는 Au 나노환상체 (nanotoroids)를 합성하기 위해 비이온성 Brij35 계면활성제를 이용한 새롭고 단순한 용액-기초 시드-매개 방법을 발명하였다.
The present inventors have invented a new and simple solution-based seed-mediated method using a non-ionic Brij 35 surfactant to synthesize Au nanocoronoids having a ring-like structure at the center.

본 발명은 The present invention

a) 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매를 함유하는 성장용액 A에 평균입경 5 nm 미만의 Au 시드 나노입자를 가하여 혼합액 a를 제조하는 단계;a) preparing a mixed solution a by adding Au seed nanoparticles having an average particle diameter of less than 5 nm to a growth solution A containing a nonionic surfactant, a cationic gold precursor-containing aqueous solution and an alkali catalyst;

b) 제조된 혼합액 a를 곧바로 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매를 함유하되, 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매의 농도는 상기 성장용액 A의 해당 구성성분의 농도와 같거나 높은 성장용액 B에 가하여 혼합액 b를 제조하는 단계;b) the prepared mixed solution a immediately contains a nonionic surfactant, a cationic gold precursor-containing aqueous solution and an alkali catalyst, wherein the concentration of the nonionic surfactant, the cationic gold precursor-containing aqueous solution and the alkali catalyst is in the composition To the growth solution B equal to or higher than the concentration of the component;

c) 제조된 혼합액 b를 곧바로 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매를 함유하되, 상기 성장용액 A 및 상기 성장용액 B보다 높은 농도의 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매를 함유하는 성장용액 C에 가하여 혼합액 c를 제조하는 단계; 및c) mixing the prepared mixed solution b immediately with a nonionic surfactant, a cationic gold precursor-containing aqueous solution and an alkali catalyst, wherein a concentration of a nonionic surfactant higher than that of the growth solution A and the growth solution B, an aqueous solution containing a cationic gold precursor And an alkaline catalyst to produce a mixed solution c; And

d) 제조된 혼합액 c를 실온에서 12시간 이상 방치하는 단계;를 포함하는 금 나노환상체 합성방법에 관한 것이다.d) allowing the prepared mixed solution c to stand at room temperature for 12 hours or more.

반응시간이 12시간 미만이면 충분히 반응이 일어나지 않아 환상체를 이루지 못한다. 반응시간이 100시간을 넘는 경우에는 시간의 경과에 따른 환상체 합성효율이 낮아 경제성이 낮다.If the reaction time is less than 12 hours, the reaction does not occur sufficiently and the cyclic compound is not formed. When the reaction time exceeds 100 hours, the efficiency of synthesis of cyclic compounds with time is low and the economical efficiency is low.

또한, 본 발명은 상기 비이온성 계면활성제가 폴리옥시에틸렌 글라이콜 도데실 에테르, 글리세린계 지방산 에스테르, 수크로오스계 지방산 에스테르 및 소르비탄계 지방산 에스테르로 이루어진 군 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 금 나노환상체 합성방법에 관한 것이다.The present invention also relates to a method for producing a gold-containing surfactant characterized in that the nonionic surfactant is at least one selected from the group consisting of polyoxyethylene glycol dodecyl ether, glycerin fatty acid ester, sucrose fatty acid ester and sorbitan fatty acid ester. And a method for synthesizing a nano-cyclic compound.

또한, 본 발명에서 알칼리 촉매의 종류에 특별한 제한은 없고, 암모니아, NaOH 등 다양한 알칼리 촉매를 사용할 수 있다.In the present invention, there is no particular limitation on the kind of the alkali catalyst, and various alkali catalysts such as ammonia and NaOH can be used.

또한, 양이온성 금 전구체의 종류에 특별한 제한은 없으며, 염화금산칼륨(KAuCl4), 염화금산나트륨(NaAuCl4), 염화금산(HAuCl4), 브롬화금산나트륨(NaAuBr4), 염화금(AuCl), 염화금(Ⅲ)(AuCl3), 브롬화금(AuBr3)을 비롯한 다양한 양이온성 금 전구체 중에서 선택하여 사용할 수 있다.Further, no particular limitation is not, chloroauric acid and potassium (KAuCl 4), chloroauric acid sodium (NaAuCl 4), chloroauric acid (HAuCl 4), brominated Keumsan sodium (NaAuBr 4), yeomhwageum (AuCl) on the type of cationic gold precursor, Gold (III) chloride (AuCl 3 ), gold bromide (AuBr 3 ), and the like.

또한, 본 발명은 상기 합성방법에 의하여 제조되며, 입경 900 nm 이하이며, 중앙에 통공이 형성된 금 나노환상체에 관한 것이다. 입경이 900 nm를 넘으면 나노입자로서의 장점이 별로 없다. 본 발명의 구체적인 실시예에서는 평균 입경이 대략 300 ~ 600 nm인 금 나노환상체를 얻었으나, 반응시간, 온도, 반응물 농도에 따라 나노단위 범위 내에서 입경이 좀더 작아지거나 좀더 커질 수 있다.
Further, the present invention relates to a gold nano-annular body produced by the above-mentioned synthesis method and having a particle diameter of 900 nm or less and a through hole formed at the center. If the particle size exceeds 900 nm, there is little advantage as a nanoparticle. In the specific examples of the present invention, gold nanocrystals having an average particle size of about 300 to 600 nm were obtained, but the particle size may be smaller or larger within a nanometer range depending on reaction time, temperature, and reactant concentration.

본 발명에 따르면, 중앙에 통공이 형성되고 링과 유사한 구조를 갖는 금 나노환상체를 간단한 방법으로 합성할 수 있고, 합성된 금 나노환상체는 바이오센서, 바이오칩, 바이오 이미징 및 광전자소자 등 다양한 용도로 광범위하게 이용 가능하다.
According to the present invention, it is possible to synthesize a gold nano-annular body having a hole at the center and having a structure similar to a ring by a simple method, and the synthesized gold nanocyclers can be used for various applications such as biosensors, bio- . ≪ / RTI >

도 1은 합성된 Au 나노환상체의 주사전자현미경 사진 (a)과 투과전자현미경 사진 (b) (크기 막대: 200 nm)이고; (c)는 삽입그림 내 박스 부분의 Au 나노환상체의 고해상도 TEM 사진 (크기 막대: 100 nm); (d)는 Au 나노환상체의 선택된 부분의 전자회절패턴이다 ( (c)의 삽입그림 내 박스 부분, 막대: 5 nm-1).
도 2는 반응시간을 변화시켜가며 생성된 Au 나노구조의 UV-가시광선 스펙트럼 (a)과 SEM 이미지 (b-d)이다. 100 ㎕의 Au 시드 나노입자 용액을 성장용액 A에 가하였다. Au 나노구조는 4시간 (b), 6시간 (c) 및 24시간 (d) 후 얻었다. 크기 막대: 200 nm.
도 3은 반응시간을 달리 하여 생성된 Au 나노구조의 UV-가시광선 스펙트럼의 변화 (a) 및 SEM 이미지의 변화 (b-d)이다. 1000 ㎕의 Au 시드 나노입자 용액을 성장용액 A에 가하였다. Au 나노구조는 3시간 (b), 5시간 (c) 및 24시간 (d) 후 얻었다. 크기 막대: (b) 100 nm, (c)와 (d)에서는 200 nm.
도 4는 반응시간을 달리 하여 생성된 Au 나노구조의 UV-가시광선 스펙트럼의 변화 (a) 및 SEM 이미지의 변화 (b-d)이다. Au 시드 나노입자 용액은 사용하지 않았다. Au 나노구조는 7시간 (b) 및 24시간 (d) 후 얻었다. 크기 막대: 500 nm.
도 5는 비이온성 Brij를 이용한 시드-매개 Au 나노구조 합성의 가능한 메카니즘을 나타낸 그림이다.
도 6 좌측은 Au 나노환상체의 TEM 사진이고 (크기 막대; 50 nm); 중앙은 좌측 TEM 사진의 박스 내를 고해상도 TEM으로 촬영한 사진이고 (크기 막대: 5 nm); 우측은 Au 나노환상체의 선택된 부분의 전자회절패턴이다 (각 TEM 사진의 전체 부분, 막대: 5 nm-1).
도 7 좌측은 100 ㎕의 Au 시드 나노입자 용액을 성장용액 A에 가하여 제조되는 나노환상체 제조시 제조되는 Au 나노구조들의 TEM 사진이다. Au 나노구조들은 반응시간 6시간 이후 얻어진 것이고 (크기 막대: 50 nm); 중앙은 좌측 TEM 사진의 박스 내 부분의 고해상도 TEM 사진이고 (크기 막대: 5 nm); 우측은 Au 나노환상체의 선택된 부분의 전자회절패턴이다 (각 TEM 가진의 전체, 막대: 5 nm-1). 회절된 점들은 육각형 대칭을 나타내며 각 Au 나노환상체는 금의 높은 결정형 fcc 구조를 보여준다. [111] zoneaxis에서 회절된 점들은 {220} (네모 안의 점), 1/3{422} (삼각형 내의 점) 및 {200} (원 안의 점)을 나타내었다.
1 is a scanning electron micrograph (a) and a transmission electron micrograph (b) (size bar: 200 nm) of synthesized Au nanocyclers; (c) is a high-resolution TEM image (size bar: 100 nm) of the Au nanoclay in the box portion of the insert; (d) is an electron diffraction pattern of a selected portion of the nano-Au annulus ((c) inset within the box part, the bar: 5 nm -1).
FIG. 2 shows the UV-visible spectrum (a) and the SEM image (bd) of the Au nanostructures produced by varying the reaction time. 100 占 퐇 of a solution of Au seed nanoparticles was added to the growth solution A. Au nanostructures were obtained after 4 hours (b), 6 hours (c) and 24 hours (d). Size bar: 200 nm.
Fig. 3 shows changes in the UV-visible light spectrum (a) and the change in the SEM image (bd) of Au nanostructures produced at different reaction times. 1000 占 퐇 of Au seed nanoparticle solution was added to the growth solution A. Au nanostructures were obtained after 3 hours (b), 5 hours (c) and 24 hours (d). Size bar: (b) 100 nm, (c) and (d) 200 nm.
Fig. 4 shows changes in the UV-visible spectrum (a) and the change in the SEM image (bd) of Au nanostructures produced at different reaction times. Au seed nanoparticle solution was not used. Au nanostructures were obtained after 7 hours (b) and 24 hours (d). Size bar: 500 nm.
5 is a diagram illustrating a possible mechanism of synthesis of seed-mediated Au nanostructures using non-ionic Brij.
The left side of FIG. 6 is a TEM photograph of Au nanocyclers (size rod; 50 nm); The center is a picture taken with a high-resolution TEM within the box of the left TEM photograph (size bar: 5 nm); The right side is the electron diffraction pattern of the selected portion of the Au nanocyclamate (whole part of each TEM photograph, bar: 5 nm -1 ).
7 is a TEM photograph of Au nanostructures prepared in the preparation of nanocyclers prepared by adding 100 μl of Au seed nanoparticle solution to the growth solution A. FIG. Au nanostructures were obtained after 6 h of reaction time (size rod: 50 nm); The center is a high-resolution TEM image of the in-box portion of the left TEM photograph (size bar: 5 nm); The right side is the electron diffraction pattern of the selected portion of the Au nanocylic body (total of each TEM, rod: 5 nm -1 ). The diffracted points represent hexagonal symmetry, and each Au nanoclinic shows a highly crystalline fcc structure of gold. The points diffracted in the [111] zoneaxis are {220} (square points), 1/3 {422} (points within triangles) and {200} (points in circles).

아래에서는 구체적인 실시예를 들어 본 발명의 구성을 좀더 자세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 범위가 실시예의 기재범위 내로 한정되는 것이 아님은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in more detail with reference to specific embodiments. However, it is apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited to the scope of the embodiments.

시약reagent

폴리옥시에틸렌 글라이콜 도데실 에테르 {(C2H4O)23C12H25OH, Brij35, Acros Organics}, 2 nm 금 나노입자 용액 (Ted Pella Inc.), HAuCl4·3H2O (hydrogen tetrachloro aurate trihydrate, 99.9%, Sigma·Aldrich), NaOH (98.0%, Sigma·Aldrich), HCl, HNO3, 아세톤 및 에탄올은 구입한 대로 사용하였다. 모든 스톡 용액은 각 반응전 바로 제조하여 사용하였다. 모든 유리용기들은 왕수 (v:v=3:1, HCl: HNO3)로 세척하고 초순수로 충분히 헹군 후 사용하였다.
(C 2 H 4 O) 23 C 12 H 25 OH, Brij 35, Acros Organics}, 2 nm gold nanoparticle solution (Ted Pella Inc.), HAuCl 4 .3H 2 O ( hydrogen tetrachloro aurate trihydrate, 99.9%, Sigma Aldrich), NaOH (98.0%, Sigma Aldrich), HCl, HNO 3 , acetone and ethanol were used as purchased. All stock solutions were prepared immediately prior to each reaction. All glass containers were used after washing with aqua regia (v: HNO 3 v = 3 :: 1, HCl) and rinse thoroughly with ultrapure water.

실시예 1: Au 나노환상체 합성 Example 1: Synthesis of Au nanocyclers

Au 나노환상체는 Brij35 및 NaOH 수용액을 이용하여 2 nm Au 시드 나노입자에 Au3+ 이온 (HAuCl4 유래)을 환원시켜 합성하였다. 세 종류의 성장용액을 제조하였다. A 용액과 B 용액 제조를 위해 2 ㎖의 Brij35 수용액 (50 mM)을 50 ㎕의 HAuCl4 수용액 (10 mM) 및 50 ㎕의 NaOH 수용액 (10 mM)에 30초간 흔들어 충분히 혼합하였다. 이와 유사하게, 성장용액 C는 20 ㎖의 Brij35 수용액 (50 mM)을 500 ㎕의 HAuCl4 수용액 (10 mM) 및 500 ㎕의 NaOH 수용액 (10 mM)에 30초간 흔들어 충분히 혼합하여 제조하였다. Au 나노환상체 합성은 성장용액 A에 2 nm Au 시드 나노입자 100 ㎕를 가하여 개시하였다. 100 ㎕의 성장용액 A를 재빨리 성장용액 B에 가한 후 이것을 성장용액 C에 가하였다. 반응 혼합물은 격렬하게 1분 이상 흔든 다음 72시간 동안 그대로 두었다. 그 후 혼합물은 원심분리로 정제하고 (5분; 13,500 rpm), 초순수에 세 번 재분산시킨 후 특성을 연구하였다. Au 시드 나노입자의 양을 변화시키기 위해 성장용액 A에 가하는 2 nm Au 시드 나노입자 용액을 0부터 1000 ㎕까지 달리 하여 가하여 주었다. 반응은 상온에서 실시하였고, 가열하지 않았다.
Au nanocyclers were synthesized by reducing Au 3+ ions (from HAuCl 4 ) to 2 nm Au seed nanoparticles using Brij 35 and NaOH aqueous solutions. Three kinds of growth solutions were prepared. To prepare solutions A and B, 2 ml of Brij35 aqueous solution (50 mM) was thoroughly mixed by shaking for 30 seconds in 50 μl of HAuCl 4 aqueous solution (10 mM) and 50 μl of aqueous NaOH solution (10 mM). Similarly, Growth Solution C was prepared by mixing 20 ml of Brij35 aqueous solution (50 mM) with 500 μl of HAuCl 4 aqueous solution (10 mM) and 500 μl NaOH aqueous solution (10 mM) for 30 seconds and thoroughly mixing. Au nano cyclic synthesis was initiated by adding 100 μl of 2 nm Au seed nanoparticles to Growth Solution A. 100 占 퐇 of the growth solution A was quickly added to the growth solution B and then added to the growth solution C. The reaction mixture was vigorously shaken for at least one minute and then left as such for 72 hours. The mixture was then purified by centrifugation (5 min; 13,500 rpm), redispersed three times in ultrapure water and then characterized. To change the amount of Au seed nanoparticles, a solution of 2 nm Au seed nanoparticles added to the growth solution A was varied from 0 to 1000 μl. The reaction was carried out at room temperature and was not heated.

실시예 2: 특성 규명Example 2: Characterization

합성된 나노입자는 Hitachi S-4800 주사전자현미경과 LEO-912AB OMEGA (Carl Zeiss, Germany) 투과전자현미경을 이용하여 촬영하였다. 고해상도 투과전자현미경, 에너지 분산 X-레이 분석 (energy dispersive X-ray; EDX) 및 선택지역 전자회절 (selected-area electron diffraction; SAED) 패턴은 JEOL JEM-2100F 현미경을 이용하여 측정하였다. UV-가시광선 스펙트럼은 UV-1800 Shimadzu 분광광도계로 기록하였다. 용액의 pH는 Orion 420 A+ pH 미터를 이용하여 측정하였다. TEM 분석용 시료는 나노입자 혼합물을 13,500 rpm으로 5분간 두 번 원심분리하여 제조하였다. 그런 다음 입자들은 100 ㎕의 초순수에 재현탁하고 Formvar로 코팅된 Cu 격자 상의 10 ㎕ 용액 부분에 고정시켰다.
The synthesized nanoparticles were photographed using a Hitachi S-4800 scanning electron microscope and a LEO-912AB OMEGA (Carl Zeiss, Germany) transmission electron microscope. High-resolution transmission electron microscopy, energy dispersive X-ray (EDX) and selected-area electron diffraction (SAED) patterns were measured using a JEOL JEM-2100F microscope. UV-visible spectra were recorded on a UV-1800 Shimadzu spectrophotometer. The pH of the solution was measured using an Orion 420 A + pH meter. Samples for TEM analysis were prepared by centrifuging the nanoparticle mixture twice at 13,500 rpm for 5 minutes. The particles were then resuspended in 100 μl of ultrapure water and fixed in a 10 μl aliquot on a Formvar coated Cu lattice.

결과result

실시예에서 Au 나노환상체는 Brij35 및 NaOH 수용액을 이용하여 2 nm Au 시드 나노입자에 Au3+ 이온을 환원시켜 합성하였다. 성장용액을 제조하기 위해 Brij35 수용액, HAuCl4 수용액 및 NaOH 수용액을 혼합하였다. Au 나노환상체 형성은 성장용액 A에 Au 시드 나노입자 용액을 가함으로써 개시되었고, 이 혼합물을 성장용액 B에 가하고, 다시 이 혼합물을 성장용액 C에 가하고, 상온에서 72시간 방치하여 완료하였다. 도 1은 100 ㎕의 Au 시드 나노입자 용액에서 얻은 Au 나노구조의 SEM 및 TEM 사진이다. 시료가 대부분 환상 고리 형태의 나노구조로 이루어져 있음을 관찰할 수 있었다. Au 나노환상체는 가운데가 비어있는 링과 같은 형상을 나타내었다. 이들 중 일부는 완전한 고리를 형성하지 못하고 U자 또는 V자 형태를 나타내었다. 단일 Au 나노환상체의 고해상도 TEM 사진에서 직접 측정한 결과 격자 줄무늬 간의 거리는 0.146 nm로 나타났다. 이는 금의 결정형 fcc (face-centered cubic) 구조 내에서 (220) 격자판 간의 간격에 부여될 수 있다 (도 1c) [Suh I, Ohta H and Waseda Y 1988 J. Mater. Sci. 23 757]. 도 1d와 도 S1은 원형 평면에 수직인 전자빔에 대해 얻어진 Au 나노환상체 중 선택된 부분의 전자회절패턴이다. 회절된 점들은 육각형 대칭을 나타내며 각 Au 나노환상체는 금의 높은 결정형 fcc 구조를 보여준다. [111] zoneaxis에서 회절된 점들은 {220} (네모 안의 점), 1/3{422} (삼각형 내의 점) 브래그 반사 (Bragg reflections)를 나타내었고, 이는 각각 0.146 nm 및 0.255 nm의 격자 간격에 해당한다 (도 1d). 이들 회절 점들은 Au 나노환상체의 표면이 원자적으로 평면임을 나타낸다 [Suh I, Ohta H and Waseda Y 1988 J. Mater. Sci. 23 757, Millstone J. E. et al., 2009 Small 5 646, Wang Z L 2000 J. Phys. Chem. B 104 1153, Cherns D 1974 Philos. Mag. 30, 549, Kirkland A. I. et al., 1990 Inst. Phys. Conf. Ser. 98, 375].In the examples, Au nanocyclers were synthesized by reducing Au 3+ ions to 2 nm Au seed nanoparticles using Brij 35 and NaOH aqueous solution. To prepare the growth solution was mixed with an aqueous solution Brij35, HAuCl 4 aqueous solution and NaOH aqueous solution. The Au nano-annular formation was initiated by adding the Au seed nanoparticle solution to the growth solution A, and this mixture was added to the growth solution B, and this mixture was added to the growth solution C and left for 72 hours at room temperature. 1 is an SEM and TEM image of Au nanostructures obtained from 100 μl of Au seed nanoparticle solution. It was observed that the sample consisted mostly of a ring-shaped nanostructure. Au nanocyclers showed the same shape as a ring with an empty center. Some of them did not form a complete ring and showed U or V shape. The distance between the lattice stripes was 0.146 nm as measured directly from the high-resolution TEM images of the single Au nanocyclers. This can be attributed to the spacing between (220) lattice planes within the crystal's face-centered cubic (fcc) structure (Fig. 1c) [Suh I, Ohta H and Waseda Y 1988 J. Mater. Sci. 23 757]. 1D and S1 are electron diffraction patterns of selected portions of the Au nanocyclers obtained for the electron beam perpendicular to the circular plane. The diffracted points represent hexagonal symmetry, and each Au nanoclinic shows a highly crystalline fcc structure of gold. The points diffracted in [111] zoneaxis exhibited {220} (points in a square), 1/3 {422} (points within a triangle) Bragg reflections, which correspond to the lattice spacing of 0.146 nm and 0.255 nm, respectively (Fig. 1D). These diffraction points indicate that the surface of the Au nanocrystals is atomically planar [Suh I, Ohta H and Waseda Y 1988 J. Mater. Sci. 23 757, Millstone JE et al., 2009 Small 5 646, Wang ZL 2000 J. Phys. Chem. B 104 1153, Cherns D 1974 Philos. Mag. 30 , 549, Kirkland AI et al., 1990 Inst. Phys. Conf. Ser. 98 , 375].

Au 나노환상체의 크기가 Brij35 계면활성제를 이용하여 앞서 합성한 Au 링의 크기보다 훨씬 작다는 것은 주목할 만하다 [Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431]. 이미 보고된 Au 링의 평균 폭은 ~2 ㎛였다. 불규칙한 형상때문에 Au 나노환상체의 크기는 완전히 평균낼 수 없지만 나노환상체의 직경은 300-600 nm 범위 내이고, 분명히 나노단위이다. 어떻게 Au 나노환상체가 제조되었는지를 연구하기 위해, 본 발명자들은 Au 나노환상체의 성장 공정 (성장용액 A에 2 nm Au 시드 나노입자 100 ㎕를 가하였음) 동안 반응시간을 함수로 하는 UV-가시광선 분광학적 데이타를 분석하였다. 도 2a는 제조된 Au 나노환상체의 UV-가시광선 스펙트럼의 변화를 보여준다. 반응 4시간 내에 ~260 nm 흡광띠가 사라지는 것은 Au3+ 양이온 전구체 (HAuCl4)가 완전히 소비되었음을 분명히 보여준다. 동시에 ~580 nm 띠의 소멸도 관찰되었는데, 이는 유사구형 Au 나노입자의 증가에 해당한다고 할 수 있다 [Link S, El-Sayed M A 1999 J. Phys. Chem. B 103, 8410]. 비록 근적외선 부분에서 넓은 흡광띠가 반응시간에 따라 증가하지만, UV-가시광선 부분에서 더이상의 명확한 변화는 관찰할 수 없었다. Au 나노환상체는 아마도 여전히 UV-가시광선 부분에서 표면 플라즈몬 공명을 나타내기에는 너무 큰 것으로 보인다. It is noteworthy that the size of the Au nanocycles is much smaller than the size of the Au ring synthesized using the Brij35 surfactant [Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431]. The average width of Au rings reported was ~ 2 ㎛. Due to the irregular shape, the size of the Au nanocyclers can not be totally averaged, but the diameter of the nanocyclers is within the range of 300-600 nm, obviously nanometer. In order to study how Au nanocrystals were made, the present inventors used a UV-visible light beam as a function of reaction time during the growth process of Au nanocyclers (100 μl of 2 nm Au seed nanoparticles in Growth Solution A) The spectroscopic data were analyzed. Figure 2a shows the variation of the UV-visible light spectrum of the Au nanocycles produced. The disappearance of the ~ 260 nm absorbance band within 4 hours of the reaction clearly shows that the Au 3+ cation precursor (HAuCl 4 ) was completely consumed. At the same time, the disappearance of the ~580 nm band was observed, which corresponds to an increase in the spherical Au nanoparticles [Link S, El-Sayed MA 1999 J. Phys. Chem. B 103 , 8410]. Although a broad absorption band at the near-infrared region increased with reaction time, no further significant change in the UV-visible region was observed. Au nanocyclers are probably still too large to exhibit surface plasmon resonance in the UV-visible region.

본 발명자들은 또한 합성된 Au 나노재료를 반응시간을 함수로 하여 촬영하였다. 반응 24시간 후 촬영된 SEM 사진 (도 2d)은 Au 나노환상체가 효과적으로 만들어졌음을 보여준다. HAuCl4 흡광띠가 사라질 때 (4시간 후) 반응배지를 관찰하면 생성된 Au 나노구조는 2D 판과 유사한 나노입자와 유사구형 나노입자의 혼합물이었다 (도 2b). 특히, 판과 유사한 나노입자들은 가장자리가 주름져 있었다 [Shankar S. et al., 2004 Nat. Mater. 2, 482]. 반응 2시간 후 얻은 나노구조들 또한 환원된 Au 입자는 거의 없었지만, 도 2b와 비슷하게 플레이트와 유사한 구조를 나타내었다. 그러나, 반응 6시간이 경과하자 반응혼합물 내에서 좀더 큰 Au 나노플레이트가 관찰되었다 (도 2c). 대부분의 이들 나노플레이트들은 각진 형태이고 흥미롭게도 중앙에 또는 측면에 통공이 있었다. 이들 Au 나노플레이트의 고해상도 TEM 사진 및 전자회절패턴은 도 1에서 나타낸 Au 나노환상체의 것과 거의 동일한 결과를 보여주었는데, 이는 이 플레이트-유사 나노입자들이 금의 매우 결정화된 fcc 구조임을 말해준다 (도 7). Au 나노플레이트는 반응시간이 길어지면 Au 나노환상체로 변환되었다 (24시간 이상, 도 2d).The present inventors also photographed the synthesized Au nanomaterial as a function of reaction time. SEM photographs taken after 24 hours of reaction (FIG. 2d) show that the Au nanocycles were effectively made. When the HAuCl 4 extinction band disappeared (after 4 hours) the reaction medium was observed and the Au nanostructure produced was a mixture of nanoparticles and similar spherical nanoparticles similar to the 2D plate (Fig. 2b). In particular, nanoparticles similar to plates had wrinkled edges [Shankar S. et al., 2004 Nat. Mater. 2 , 482]. The nanostructures obtained after 2 hours of reaction showed almost no reduced Au particles but showed similar structure to the plate similar to Fig. 2B. However, after 6 hours of reaction, a larger Au nanoplate was observed in the reaction mixture (Fig. 2C). Most of these nanoplates are angular and interestingly there is a hole in the center or side. The high-resolution TEM photographs and electron diffraction patterns of these Au nanoparticles showed almost the same results as those of the Au nanocyclers shown in FIG. 1, indicating that these plate-like nanoparticles are highly crystallized fcc structures of gold 7). Au nanoparticles were converted to Au nano-cyclic forms when the reaction time was prolonged (more than 24 hours, Fig. 2d).

고수율로 Au 나노환상체를 합성하기 위해서는 단계별 성장용액 전이가 결정적이다. Au 시드 나노입자 용액을 최종 성장용액 C에 직접 가하면 Au 나노환상체 수율은 아주 저하되고, 대부분은 Au 나노플레이트와 유사구형 Au 나노입자가 생성되었다. 비등방성 Au 나노구조 합성에서는 계면활성제 양이 조금만 변해도 합성되는 나노구조체의 형상은 현저히 변할 수 있다. 성장용액의 단계별 전이는 계면활성제의 미세한 농도변화를 보증하여 성장 동력학 제어를 도와준다 [Murphy C. J. et al., 2005 J. Phys. Chem. B 109, 13857]. In order to synthesize Au nanocrystals with high yield, stepwise growth solution transfer is crucial. When the Au seed nanoparticle solution was directly added to the final growth solution C, the yield of the Au nanocyclomer was greatly lowered, and Au nanoprec and similar spherical Au nanoparticles were produced in most cases. In anisotropic Au nanostructure synthesis, the shape of a synthesized nanostructure can be significantly changed even if the amount of the surfactant is slightly changed. The step-wise transition of the growth solution assists the control of growth dynamics by assuring a fine concentration change of the surfactant [Murphy CJ et al., 2005 J. Phys. Chem. B 109, 13857].

또다른 주요 인자는 시드-매개 합성공정이다. 본 발명의 결과는 Au 시드 나노입자의 상대적 양이 합성되는 Au 나노구조체의 형상에 중요한 영항을 미침을 보여준다. Au 시드 나노입자용액을 최적량 (50-200 ㎕) 사용하면 고수율로 Au 나노환상체가 얻어지는 반면, 성장단계 동안 더 많은 양의 Au 시드 나노입자 용액 (> 400 ㎕)을 가하면 Au 나노환상체가 덜 합성되거나 합성되지 않았다. 도 3a는 1000 ㎕의 Au 시드 나노입자 용액을 성장용액 A에 가하고, 그 후 순차적으로 성장용액을 전이하였을 때 반응시간을 함수로 하여 합성되는 Au 나노구조의 UV-가시광선 스펙트럼을 나타낸다. 260 nm 흡광띠의 소멸을 바탕으로, HAuCl4가 성장이 개시된 이후 3~5시간 정도에 완전히 소비되었다고 결론지을 수 있고, 유사구체 Au 나노입자에 해당하는 약 580 nm의 흡광띠는 점차 증가하였다. 덧붙여, 약 850 nm에서 최대 흡광도를 나타내는 넓은 띠가 5시간 내에 나타났다 (도 3a). 도 3b 및 3c의 SEM 사진을 비교하여, 이 넓은 띠가 Au 나노플레이트의 표면 플라즈몬 공명에 해당함을 알 수 있었다. 3시간 내에 제조된 Au 나노구조들은 가장자리가 불규칙하고 ~100 nm의 길이를 나타내었다 (도 3b). 5시간 반응 후 이 Au 나노입자들은 각이 부드러운 형태의 약 100-200 nm 크기의 나노플레이트로 바뀌었다 (도 3c). 흥미롭게도, 넓은 SPR 띠는 반응 7시간까지 점차 낮은 파장으로 이동하여 ~700 nm에서 최대 피크를 나타내었다. 반응 7시간 이후 SPR에서는 더이상의 변화가 관찰되지 않았고, 좀더 작고 (약 50-100 nm의 가장자리 길이) 좀더 둥근 Au 나노플레이트가 형성되었다. SPR 이동은 Au 나노플레이트의 직경 또는 가장자리 길이의 감소로 인한 것으로 보인다 [Millstone J. E. et al., 2009 Small 5 646]. 이를 바탕으로, Au 양이온이 환원되어 유사구형 Au 나노입자와 2D Au 나노구조를 형성하며, 나아가 좀더 많은 양의 Au 시드 나노입자가 사용되면 둥근 Au 나노플레이트로 변화한다고 결론지을 수 있다. 반응 혼합물에서 Au 나노환상체는 관찰되지 않았다. Another key factor is the seed-mediated synthesis process. The results of the present invention show that the relative amount of Au seed nanoparticles has an important effect on the shape of the Au nanostructure to be synthesized. The optimum amount (50-200 μl) of Au seed nanoparticle solution yields an Au nanocycler in high yield, whereas the addition of a larger amount of Au seed nanoparticle solution (> 400 μl) during the growth stage results in less Au nanocycles Synthesized or not synthesized. 3A shows a UV-visible light spectrum of an Au nanostructure synthesized by adding 1000 μl of Au seed nanoparticle solution to growth solution A, and then sequentially transferring the growth solution as a function of reaction time. Based on the disappearance of the 260 nm absorbance band, it can be concluded that HAuCl 4 was completely consumed within 3 to 5 hours after the initiation of growth, and the absorption band of about 580 nm corresponding to the pseudo-spherical Au nanoparticles gradually increased. In addition, a broad band representing the maximum absorbance at about 850 nm appeared within 5 hours (Fig. 3a). 3B and 3C, it was found that this wide band corresponds to the surface plasmon resonance of the Au nanoparticle. Au nanostructures fabricated within 3 hours were irregular in edge and had a length of ~ 100 nm (Fig. 3B). After 5 hours of reaction, these Au nanoparticles were converted into nanoplates of about 100-200 nm in size with smooth shapes (FIG. 3C). Interestingly, the broad SPR band shifted to a lower wavelength gradually up to 7 hours of reaction and exhibited a maximum peak at ~700 nm. After 7 hours of reaction, no further changes were observed in the SPR, and a smaller (about 50-100 nm edge length) rounded Au nanoplate was formed. SPR migration appears to be due to a reduction in the diameter or edge length of Au nanoparticles [Millstone JE et al., 2009 Small 5 646]. Based on this, it can be concluded that Au cations are reduced to form pseudo spherical Au nanoparticles and 2D Au nanostructures, and furthermore, when a larger amount of Au seed nanoparticles are used, they are transformed into round Au nanoparticles. No Au nanocyclers were observed in the reaction mixture.

Au 시드 나노입자를 사용하지 않으면 삼각형 또는 육각형 Au 링이 생성되었다 (도 4c). Au 링의 구조적 모티프는 도 1의 Au 나노환상체와 유사하였다. 합성된 Au 링의 가장자리 길이는 약 600 nm로서, 앞서 보고된 Au 링 [Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431]보다 훨씬 작았다. 성장 공정이 개시될 때 육각형 Au 나노플레이트가 생성되는 것이 분명히 관찰되었다 ( 반응 7시간 후, 도 4a). 반응 24시간 후 Au 나노플레이트는 약간만 잔존하고, 나머지는 삼각형 또는 육각형 Au 나노링으로 변환되었다 (도 4b). Au 나노플레이트 형성은 시간에 따른 UV-가시광선 스펙트럼 변화로도 확인할 수 있다 (도 4a). 1000 nm 근처의 넓은 SPR 띠는 Au 링이 생성됨에 따라 점차 감소하였다 (반응 7-24h). Without Au seed nanoparticles, triangular or hexagonal Au rings were created (FIG. 4C). The structural motif of the Au ring was similar to the Au nanoclinic of FIG. The edge length of the synthesized Au ring is about 600 nm, and the Au ring reported earlier (Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431]. It was clearly observed that a hexagonal Au nanoplate was formed when the growth process was started (after 7 hours of reaction, Fig. 4A). After 24 hours of reaction, only a small amount of Au nanoparticles remained and the remainder was converted into triangular or hexagonal Au nanorings (FIG. 4B). Au nanoplate formation can also be confirmed by UV-visible spectral changes over time (Fig. 4A). A broad SPR band near 1000 nm gradually decreased as Au rings were generated (reaction 7-24h).

무기 나노결정 합성에서, 비이온성 폴리머 계면활성제는 캡핑제뿐만 아니라 연성주형 또는 구조지시제로도 이용되어 왔다 [Rozenberg B A and Tenne R 2008 Prog. Polym. Sci. 33 40, Yu S H et al., 2004 J. Mater. Chem. 14 2124, Liu T, Burger C and Chu B 2003 Prog. Polym. Sci. 28 5]. 결정 성장은 특이적인 결정학상 표면에 폴리머 계면활성제를 흡수시킴으로써 효과적으로 제어할 수 있다 [Yu S. H. et al., 2004 J. Nanosci. Nanotec. 4 291, MullinJ W 2001 Crystallisation4th edn(Oxford, UK:Butterworth-Heinemann), Munoz-Espir et al., 2008 Chem. Mater. 20 7301, Wang L. et al., 2005 J. Phys. Chem. B 109 3189, Sakai T and Alexandridis P 2005 Nanotechnology 16 344, Chu H C, Kuo C H and Huang M H 2006 Inorg. Chem. 45 808, Goy-Lopez S, Castro E, Taboada P and Mosquera V 2008 Langmuir 24 13186]. 본 발명에서 비이온성 Brij35 계면활성제는 원형 또는 플레이트와 유사한 형태의 Au 나노구조체 합성에서 환원제 및 형상지시제로 기능하였다. 특히, Brij35의 이용은 원형 형태 제조에 중요하였다. Au 나노환상체는 이 계면활성제 없이는 생성되지 않았으며, Brij35-보조 나노환상체의 성장은 가해주는 구형 2 nm Au 시드 나노입자의 양에 큰 영향을 받았다. 이러한 결과를 바탕으로, 2D Au 나노구조들이 반응 개시단계에서 먼저 생성되고 (3-7 h), 이는 이후 2차 구조 (즉, 플레이트, 링 및 환상체)로 성장하였다. 초기 단계 (-0-2 h)에서는 환원된 Au 나노입자도 매우 적고 Au3+ 양이온성 전구체가 완전히 소비되지 않았음에도 불구하고 아주 작은 플레이트-유사 나노입자가 합성되었다. Brij35 수용액 내에 2 nm Au 시드 나노입자가 존재하면 HAuCl4 유래 Au3+ 이온이 비등방성 방식으로 시드 나노입자의 표면에서 환원될 수 있고 우선적으로 "중간체 나노시드"로서 플레이트-유사 Au 나노구조를 형성할 수 있다고 사료된다. 형상지시제로서 Brij 계면활성제를 이용한 Au 나노플레이트 합성은 이미 보고된바 있다 [Yu S. H. et al., 2004 J. Nanosci. Nanotec. 4 291].In inorganic nanocrystal synthesis, nonionic polymeric surfactants have also been used as a flexible template or structure directing agent as well as a capping agent [Rozenberg BA and Tenne R 2008 Prog. Polym. Sci. 33 40, Yu SH et al., 2004 J. Mater. Chem. 14 2124, Liu T, Burger C and Chu B 2003 Prog. Polym. Sci. 28 5]. Crystal growth can be effectively controlled by absorbing the polymeric surfactant on a specific crystalline surface [Yu SH et al., 2004 J. Nanosci. Nanotec. 4 291, Mullin J W 2001 Crystallization 4th edn (Oxford, UK: Butterworth-Heinemann), Munoz-Espir et al., 2008 Chem. Mater. 20 7301, Wang L. et al., 2005 J. Phys. Chem. B 109 3189, Sakai T and Alexandrid P 2005 Nanotechnology 16 344, Chu HC, Kuo CH and Huang MH 2006 Inorg. Chem. 45 808, Goy-Lopez S, Castro E, Taboada P and Mosquera V 2008 Langmuir 24 13186]. In the present invention, the nonionic Brij35 surfactant functioned as a reducing agent and a shape indicator in the synthesis of circular or plate-like Au nanostructures. In particular, the use of Brij35 was important for the production of round shapes. Au nanocyclers were not produced without this surfactant, and the growth of Brij 35-auxiliary nanocyclers was greatly influenced by the amount of spherical 2 nm Au seed nanoparticles added. Based on these results, 2D Au nanostructures were first produced (3-7 h) in the initiation phase of the reaction, which subsequently developed into secondary structures (ie, plates, rings and annular bodies). In the initial stage (-0-2 h), very small plate-like nanoparticles were synthesized even though the reduced Au nanoparticles were very small and the Au 3+ cationic precursors were not completely consumed. When 2 nm Au seed nanoparticles are present in the Brij35 aqueous solution, the Au 3+ ions from HAuCl 4 can be reduced on the surface of the seed nanoparticles in an anisotropic manner and preferentially form plate-like Au nanostructures as "intermediate nanosides" I think it can be done. Au nanoprecate synthesis using a Brij surfactant as a shape-indicating agent has been previously reported [Yu SH et al., 2004 J. Nanosci. Nanotec. 4 291].

Au 나노환상체는 최초의 플레이트-유사 중간 나노시드의 Brij35-보조 에칭으로부터 유래한 것이다. 그러므로 이 공정에서 둘 또는 그 이상의 Au 나노플레이트가 좀더 큰 Au 나노플레이트를 형성하기 위해 결합할 수 있다. 이것은 부분적으로 표면적이 작은 큰 나노구조체를 만드는 오스트발트 숙성 (Ostwald ripening)의 일종이라고 사료된다 [Ozin G A, Arsenault A C and Cademartiri L 2009 Nanochemistry: A Chemical Approach to Nanomaterials, 2nd ed., (Cambridge, UK: RSC Publishing)]. 나아가, 작은 나노입자에서부터 성장한 Au 나노플레이트는 결함이 있는데, 즉, 중앙에 통공이 있으며 (도 2c), 이는 가장자리가 주름진 더 작은 Au 나노플레이트의 불완전한 숙성에 기인하는 것으로 생각된다. Au 나노플레이트의 Brij35-보조 에칭은 그 결함 (중앙 통공)으로부터 시작하여 나노플레이트의 둘레까지 가며 최종적으로 좀더 부드러운 Au 나노환상체를 형성한다. 이 에칭 공정은 반응 24-72시간 내에 완료되는 것으로 보인다 {도 5의 (A)}. 플레이트-유사 중간체 나노시드의 크기와 형상은 다양하고, 2 nm Au 나노입자 용액의 양에 매우 의존적이다. 상당히 많은 양의 Au 시드 나노입자를 사용하면 좀더 작은 플레이트-유사 중간체 나노시드가 생성되었다 (도 3c). 이 나노구조들은 도 2c의 입자들보다 결함이 적었고, 따라서 가장자리에서만 에칭이 일어나 둥근 Au 나노플레이트가 생성되었다 {도 5의 (B)}. 이 결과들을 바탕으로, 우리는 플레이트-유사 중간체 Au 나노시드 상의 내부 통공 생성이 Au 나노환상체 형성에 결정적이라고 결론지을 수 있었다. 도 5에서 두 개의 성장 메카니즘 (A와 B)은 합성과정 동안 경쟁적일 수 있다. 고수율로 Au 나노환상체를 얻기 위해서는 최적량의 Au 나노입자 시드가 필요하다. Au nanocyclers are derived from the Brij 35 secondary etching of the first plate-like intermediate nanosides. Therefore, in this process, two or more Au nanoparticles can be combined to form a larger Au nanoparticle. (Ozin GA, Arsenault AC and Cademartiri L 2009 Nanochemistry : A Chemical Approach to Nanomaterials , 2nd ed., Cambridge, UK: RSC Publishing). Furthermore, Au nanoparticles grown from small nanoparticles are defective, i.e., with a central aperture (FIG. 2c), which is believed to be due to incomplete aging of the smaller, wrinkled Au nanoparticles. Brij 35-secondary etching of Au nanoparticles begins with the defect (center hole) and goes around the nanoplate, eventually forming a softer Au nanocycler. This etching process seems to be completed within 24-72 hours of the reaction (Fig. 5 (A)). The size and shape of the plate-like intermediate nanosides varies and is highly dependent on the amount of 2 nm Au nanoparticle solution. Using significantly larger amounts of Au seed nanoparticles resulted in smaller plate-like intermediate nanosides (Figure 3c). These nanostructures had fewer defects than the particles of FIG. 2C, and thus only etching at the edges resulted in round Au nanoparticles (FIG. 5B). Based on these results, we conclude that the formation of the internal cavity on the plate-like intermediate Au nano-seed is crucial for the formation of Au nanocyclers. In Figure 5, the two growth mechanisms (A and B) may be competitive during the synthesis process. The optimum amount of Au nanoparticle seed is required to obtain Au nanocyclers at high yield.

Au 시드 나노입자가 없는 경우 Au3+ 이온은 비교적 느린 속도로 환원되며, 주로 모서리와 꼭지점이 있는 삼각형 또는 육각형 중간체 Au 나노플레이트를 형성한다. 이 Au 나노플레이트는 Brij35 수용액 내에서 점차 삼각형 또는 육각형 Au 나노링으로 바뀐다. 그러한 Au 나노링은 반응 초기단계에서는 관찰되지 않았고, 중간체 Au 나노플레이트보다 훨씬 큰 모서리 길이를 보여주었음을 주목하라. 이것은 좀더 큰 2D 나노구조체 {도 5의 (C)} 형성 동안 Au 나노링이 초기에 생성된 Au 나노플레이트의 에칭을 통해 형성되었다고 설명할 수 있다. Brij35는 중간체 Au 나노플레이트의 표면에 강하게 결합되어 나노플레이트의 중앙에 에칭을 초래하는 것으로 생각된다. 특히, Au 나노플레이트의 중앙으로부터 가장자리로 Au 재료의 재배열 (re-organization)은 좀더 큰 Au 링을 제공할 수 있다. 앞선 연구에서 열처리에 의한 Au 링 합성에서 비록 합성된 링이 더 큰 가장자리 길이 (ca. ~2 ㎛)[Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431]를 보여주기는 했지만 유사한 에칭 메카니즘이 제기된바 있었다. 시드-매개 합성전략을 이용함으로써 본 발명자들은 나노크기의 가장자리 길이를 갖는 Au 재료 (나노환상체 및 나노링)를 성공적으로 합성할 수 있었다. 이들은 다양한 분야에 응용 가능할 것으로 예상된다.In the absence of Au seed nanoparticles, Au 3+ ions are reduced at relatively slow rates, forming a triangular or hexagonal intermediate Au nanoparticle with mostly corners and vertices. This Au nanoparticle gradually changes into triangular or hexagonal Au nanorings in aqueous Brij35 solution. Note that such Au nanorings were not observed in the early stages of the reaction and showed much larger edge lengths than the intermediate Au nanoparticles. This can be explained by the fact that during the formation of the larger 2D nanostructures {Figure 5 (C)}, the Au nanorings were formed through the etching of Au nanoparticles initially created. It is believed that Brij35 is strongly bound to the surface of the intermediate Au nanoplate, resulting in etching in the center of the nanoplate. In particular, re-organization of the Au material from the center to the edge of the Au nanoparticle can provide a larger Au ring. In the previous study, it was found that in synthesized Au ring by heat treatment, the synthesized ring has a larger edge length ( ca. ~ 2 μm) [Yoo H. et al., 2011 Adv. Mater. 23 4431], but similar etch mechanisms have been proposed. By using a seed-mediated synthesis strategy, the inventors have successfully synthesized Au materials (nanocyclers and nanorings) with nano-sized edge lengths. They are expected to be applicable to various fields.

결론적으로, 본 발명자들은 환원제, 표면안정제 및 형상지시제로 기능하는 Brij35 계면활성제를 이용하여 시드-매개 방법을 통해 중앙이 비어 있는 Au 나노환상체를 성공적으로 합성할 수 있었다. Au 시드 나노입자의 상대적 양은 Au 나노환상체 합성수율 및 합성된 Au 나노구조의 형태에 중요한 영향을 주었다. 2 nm Au 시드 나노입자 용액을 최적 범위인 50-200 ㎕ 사용하면 고수율로 Au 나노환상체를 합성할 수 있다. 역학적으로, Au 나노환상체는 내부 통공으로부터 Au 플레이트의 가장자리로 형성되어 가는 최초로 성장한 플레이트-유사 중간체 Au 나노시드의 Brij35-보조 에칭으로부터 유래하는 것으로 보인다.
In conclusion, the present inventors have successfully synthesized an Au nano-cyclic structure having a hollow center through a seed-mediated method using a Brij 35 surfactant functioning as a reducing agent, a surface stabilizer and a shape-indicating agent. The relative amounts of Au seed nanoparticles have a significant effect on the yield of Au nano cyclic synthesis and on the morphology of the synthesized Au nanostructures. Au nanocrystals can be synthesized with high yield by using an optimal range of 50-200 μL of 2 nm Au seed nanoparticle solution. Mechanically, the Au nanocyclers appear to originate from the Brij 35 secondary etching of the initially grown plate-like intermediate Au nanosides that form from the inner through holes to the edges of the Au plate.

Claims (7)

a) 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매를 함유하는 성장용액 A에 Au 시드 나노입자를 가하여 혼합액 a를 제조하는 단계;
b) 제조된 혼합액 a를 곧바로 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매를 함유하되, 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매의 농도는 상기 성장용액 A의 해당 구성성분의 농도와 같거나 높은 성장용액 B에 가하여 혼합액 b를 제조하는 단계;
c) 제조된 혼합액 b를 곧바로 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매를 함유하되, 상기 성장용액 A 및 상기 성장용액 B보다 높은 농도의 비이온성 계면활성제, 양이온성 금 전구체 함유 수용액 및 알칼리 촉매를 함유하는 성장용액 C에 가하여 혼합액 c를 제조하는 단계; 및
d) 제조된 혼합액 c를 12시간 이상 100시간 이하 방치하는 단계;를 포함하는 금 나노환상체 합성방법.
a) preparing a mixed solution a by adding Au seed nanoparticles to a growth solution A containing a nonionic surfactant, a cationic gold precursor-containing aqueous solution and an alkali catalyst;
b) the prepared mixed solution a immediately contains a nonionic surfactant, a cationic gold precursor-containing aqueous solution and an alkali catalyst, wherein the concentration of the nonionic surfactant, the cationic gold precursor-containing aqueous solution and the alkali catalyst is in the composition To the growth solution B equal to or higher than the concentration of the component;
c) mixing the prepared mixed solution b immediately with a nonionic surfactant, a cationic gold precursor-containing aqueous solution and an alkali catalyst, wherein a concentration of a nonionic surfactant higher than that of the growth solution A and the growth solution B, an aqueous solution containing a cationic gold precursor And an alkaline catalyst to produce a mixed solution c; And
d) leaving the prepared mixed solution c for not less than 12 hours but not longer than 100 hours.
청구항 1에 있어서,
상기 비이온성 계면활성제는 폴리옥시에틸렌 글라이콜 도데실 에테르, 글리세린계 지방산 에스테르, 수크로오스계 지방산 에스테르 및 소르비탄계 지방산 에스테르로 이루어진 군 중 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 금 나노환상체 합성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the nonionic surfactant is at least one selected from the group consisting of polyoxyethylene glycol dodecyl ether, glycerin fatty acid ester, sucrose fatty acid ester and sorbitan fatty acid ester. .
청구항 1에 있어서,
상기 알칼리 촉매는 NaOH 수용액임을 특징으로 하는, 금 나노환상체 합성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the alkali catalyst is an aqueous solution of NaOH.
청구항 1에 있어서,
상기 양이온성 금 전구체는 염화금산칼륨(KAuCl4), 염화금산나트륨(NaAuCl4), 염화금산(HAuCl4), 브롬화금산나트륨(NaAuBr4), 염화금(AuCl), 염화금(Ⅲ)(AuCl3) 및 브롬화금(AuBr3) 중에서 선택된 것임을 특징으로 하는, 금 나노환상체 합성방법.
The method according to claim 1,
The cationic gold precursor Keumsan potassium chloride (KAuCl 4), chloroauric acid sodium (NaAuCl 4), chloroauric acid (HAuCl 4), brominated Keumsan sodium (NaAuBr 4), yeomhwageum (AuCl), yeomhwageum (Ⅲ) (AuCl 3) And gold bromide (AuBr 3 ).
청구항 1에 있어서,
상기 a) 내지 d) 단계는 상온에서 실시하는 것을 특징으로 하는, 금 나노환상체 합성방법.
The method according to claim 1,
Wherein the steps a) to d) are carried out at room temperature.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되는, 중앙에 통공이 형성된 금 나노환상체.
A gold nanoclinic body produced by a method according to any one of claims 1 to 4, wherein a through hole is formed at the center.
청구항 6에 있어서,
상기 금 나노환상체는 입경 300 nm 이상 900 nm 이하임을 특징으로 하는 금 나노환상체.
The method of claim 6,
Wherein the gold nanocrystalline has a particle diameter of 300 nm or more and 900 nm or less.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
preparation gold nanotoroid gold seed gold nanoring gold seed, Advanced Materials, 2003, Vol. 15, pp. 695-699. *
Synthesis of non-spherical gold nanoparticles, Gold Bulletin, 2008, pp.195-207. *

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