Hydrochinon-basierte Synthese von Gold-Nanostäbchen

Zusammenfassung

Dieses Papier beschreibt ein Protokoll für die Synthese von Gold-Nanostäbchen, basierend auf der Verwendung von Hydrochinon als Reduktionsmittel, sowie die verschiedenen Mechanismen für ihre Größe und das Seitenverhältnis zu steuern.

Zusammenfassung

Gold-Nanostäbchen sind eine wichtige Art von Nanopartikeln, die sich durch besondere plasmonische Eigenschaften auszeichnen. Trotz ihrer weiten Verbreitung in der Nanotechnologie sind die Syntheseverfahren zur Herstellung von Gold-Nanostäbchen noch nicht vollständig optimiert. In diesem Artikel beschreiben wir ein neues, hocheffizientes, zweistufiges Protokoll, das auf der Verwendung von Hydrochinon als mildes Reduktionsmittel basiert. Unser Ansatz ermöglicht die Herstellung von Nanostäbchen mit einer guten Kontrolle der Größe und des Aspektverhältnisses (AR), indem einfach die Menge an Hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTAB) und Silberionen (Ag⁺) in der "Wachstumslösung" variiert wird. Durch die Anwendung dieser Methode ist es möglich, die Menge an CTAB, einem teuren und zytotoxischen Reagenz, das zur Erzielung der länglichen Form erforderlich ist, deutlich zu reduzieren. Gold-Nanostäbchen mit einem Aspektverhältnis von etwa 3 können in Gegenwart von nur 50 mM CTAB erhalten werden (im Gegensatz zu 100 mM, die im Standardprotokoll auf der Grundlage der Verwendung von Ascorbinsäure verwendet werden), während kürzere Gold-Nanostäbchen mit einer Konzentration von nur 10 mM erhalten werden.

Einleitung

Gold-Nanopartikel (AuNPs) sind eine der am weitesten verbreiteten und vielversprechende Nanostrukturen in biomedizinischen Anwendungen verwendet werden. Ihre Verwendung ist wichtig in vielen point-of-care in vitro Diagnostik Produkte ¹ Sie wurden als ein wirksames Werkzeug für eine Anzahl von anderen verschiedenen Anwendungen vorgeschlagen. Als Kontrastmittel in bildgebenden Untersuchungen, ² als ein Arzneimittelabgabesystem ³ und als Medikamente für Thermolichtinduzierte (oder photothermische Therapie). ⁴ das große Potenzial von AuNPs getrieben hat, in den letzten zwanzig Jahren intensiver Forschung auf die Entwicklung neuer Synthese, die die Kontrolle über die Größe zu erhöhen ist in der Lage und erhalten formen. ⁵ Dies liegt daran, dass verschiedene Arten von AuNPs in der Tat besser geeignet als andere für bestimmte Anwendungen sind.

Unter den verschiedenen Gold-Nanostrukturen, Gold-Nanostäbchen (AuNRs) haben als eine der interessantesten Systeme entstanden. AuNRs werden durch zwei plasmo gekennzeichnetnic Peaks mit der Schwingung der Elektronen entlang der Längs zugeordnet ist, und die Querachsen auf. ⁶ ist es besonders wichtig , dass die Position der intensivsten Längs peak genau zwischen 620 und 800 nm abgestimmt werden kann, auf das Seitenverhältnis der Stäbe je . Dieser Bereich entspricht dem biologischen Fenster ⁷ , wobei das menschliche Gewebe Licht fast nicht absorbieren, so dass die Entwicklung einer Reihe von in vivo photonische Anwendungen mit AuNPs.

Trotz eines großen Interesses an dieser Art von Nanostrukturen, die synthetischen Protokolle zur Herstellung von AuNRs leiden unter verschiedenen Einschränkungen. In den meisten Fällen werden nach Nanorods vorbereitet einem zweistufigen Verfahren durch Sau entwickelt und Mitarbeiter. ⁸ in ihrem Protokoll werden Nanorods durch Reduktion Goldionen unter Verwendung von Ascorbinsäure in Gegenwart von vorgeformten Goldkerne, Silberionen und einer großen Menge synthetisiert von Hexadecyl trimethylammoniumbromid (CTAB), acationic lineare Tensid.

Der Nachteil dieses Protokolls ist , dass die Reduktionsausbeute von Goldionen relativ niedrig ist (etwa 20%) ⁹ und , dass eine hohe Menge an CTAB, ein teures Reagenz , das für die Reagenzien bei der Synthese mehr als die Hälfte der Gesamtkosten ausmachen, wird gebraucht. Die Entwicklung einer neuen und effizienteren Syntheseweg ist dort eine wichtige Notwendigkeit angesehen, so dass die Ausbreitung von biomedizinischen Ansätze basierend auf AuNRs.

Im ersten Teil der vorliegenden Papier präsentieren wir ein optimiertes Protokoll zur Herstellung von AuNR ein Seitenverhältnis von etwa drei hat. Die Synthese basiert auf der Verwendung von Hydrochinon als mildes Reduktionsmittel , und es ermöglicht die Herstellung von AuNR mit einer fast quantitative Reduktion von Goldionen, Verwendung einer reduzierten Menge an CTAB macht. ¹⁰ Das Protokoll für die Herstellung der AuNRs basiert auf einem zweistufigen Ansatz, bei dem Gold Samen in einem "Wachstums Sol verwendet werden,ution ".

Im zweiten Teil zeigen wir, wie Melodie zu fein, die Größe und das Seitenverhältnis des erhaltenen AuNR auf zwei Arten. Der erste Weg, ähnlich dem Standardprotokoll auf Ascorbinsäure basiert, ist die Menge an Silberionen, die in der "Wachstumslösung" zu variieren. Der zweite Weg ist auf die Variation der Menge an CTAB basiert, die bis zu einer Konzentration von 10 mM (nahe der kritischen mizellaren Konzentration vom Lieferanten angegeben) reduziert werden können gut definierte kurze Nanostäbchen zu erhalten.

Protokoll

1. Synthese von Gold-Nanostäbchen

Hinweis: Verwenden Sie hochreinem Wasser im gesamten Gebäude.

1. Vorbereitung der Goldsamen
   1. Man löst 364,4 mg Hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTAB) in 5 ml Wasser, unter Ultraschall-Behandlung bei 40 ° C, bis die Lösung klar wird. Lassen Sie die CTAB-Lösung auf Raumtemperatur abkühlen.
   2. Getrennt davon vorbereiten 5 ml Tetrachlorogoldsäure (HAuCl ₄₎ in Wasser (0,5 mm).
   3. Fügen Sie die HAuCl ₄ -Lösung auf die CTAB - Lösung unter kräftigem magnetischem Rühren, wobei die Temperatur konstant bei 27 ° C gehalten wurde .
   4. Bereiten 600 & mgr; l von Natriumborhydrid (NaBH ₄₎ -Lösung in Wasser (10 mM) bei 4 ° C. Diese Lösung wird zu dem Gemisch unter kräftigem Rühren. Überprüfen Sie, ob die Farbe sofort die Lösung von gelb bis bräunlich ändert.
   5. Rühre die Suspension für 20 min vor der Verwendung. Lagern Sie die Samen Suspension für nicht länger als 24 Stunden bei Raumtemperatur.
   6. Überprüfen Sie die Abmessungen der Samen ein UV-Vis-Spektrophotometer verwendet wird. Stellen Sie sicher, dass die Samen sind klein genug (etwa 2 nm), um bei der Herstellung von Goldnanostäbchen durch UV-VIS-Spektroskopie verwendet werden.
      Anmerkung: Spectrum muß ähnlich sein , was in Figur 1 angegeben ist größer durch das Vorhandensein eines plasmonic peak identifiziert Samen herum 505-520 nm nicht verwendet werden müssen , weil sie wahrscheinlich zu erzeugen kugelförmige Nanopartikel sind..
2. Die Herstellung des "Wachstumslösung" von Gold - Nanostäbchen.
   1. Man löst 182,2 mg CTAB zusammen mit 22 mg Hydrochinon in 5 ml Wasser bei 40 ° C unter Verwendung von Ultraschall. Abkühlen der Lösung auf 27 ° C.
   2. Bereiten Sie 200 ul 4 mM Silbernitrat (AgNO ₃₎ Lösung.
   3. Getrennt davon vorbereiten 5 ml 1 mM Lösung von Tetrachlorogoldsäure (HAuCl _4).
   4. Zuerst fügen Sie die Silbernitratlösung in Schritt 1.2.2 bereit. Dann fügen Sie die Haucl & _sub4 ; -Lösung in dem Schritt 1.2.3 auf die Lösung von CTAB und Hydrochinon hergestellt in Schritt 1.2.1 unter magnetischem Rühren hergestellt.
   5. Unmittelbar nach, fügen Sie unter magnetischem Rühren 12 ul der Samen Suspension zuvor gemäß dem Protokoll in Schritt berichtet 1.1 und die Reaktion erst einmal gestartet. Überprüfen Sie, ob die Suspension Farbe in etwa 30 Minuten ändert.
   6. Kontrollieren Sie die Bildung der Nanostäbchen durch die UV-Vis-Spektrum der Suspension Überprüfung, wie in Kapitel 4, alle 5 Minuten. Gehen Sie, bis das Spektrum stabil ist. Um die vollständige Bildung der Nanostäbe ermöglichen, lassen Sie die Suspension unter Rühren für weitere 30 min (Abbildung 2).
   7. Teilen Sie die Suspension in Röhrchen (1 ml Suspension für jedes Röhrchen) und Zentrifuge bei 10.000 × g für 10 min. Gold-Nanostäbchen bilden einen dunklen Niederschlag am Boden des Röhrchens.
   8. Resuspendieren des Präzipitats jedes Röhrchens in 1 ml Wasser. Mischen Sie den Inhalt der Rohre und speichern Sie die suspension von Gold-Nanostäbchen bei Raumtemperatur.
   9. Charakterisierung der erhaltenen Nanostäbchen durch UV-VIS - Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie , wie in Abschnitt 4 (3) beschrieben.

2. Einstellen des Seitenverhältnis von Nanorods durch die Konzentration von Ag ⁺ -Ionen Wechselnde

1. Bereiten einer Silbernitratlösung mit einer Konzentration von 4 mM, Löse- 3,4 mg AgNO ₃ in 5 ml Wasser.
2. Bereiten Sie in drei verschiedenen Fläschchen die Lösung mit CTAB und Hydrochinon, wie in Abschnitt 1.2.1 beschrieben und fügen jeweils 100 & mgr; l, 150 & mgr; l oder 200 & mgr; l Silbernitratlösung.
3. Fügen Sie die HAuCl ₄ -Lösung , hergestellt nach 1.2.3 zu treten und mit der Herstellung von Gold - Nanostäbchen gehen Sie wie von Punkt 1.2.5 beschrieben.
4. Charakterisierung der erhaltenen Nanostäbchen durch UV-VIS-Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie. Vials mit geringeren Mengen an Ag ⁺ wird wiedersult in kürzeren Nanorods (Seitenverhältnis von 2 bzw. 2,2) (Abbildung 4).

3. Einstellen des Seitenverhältnisses von Nanorods durch Variieren der Konzentration von CTAB

1. Bereiten Sie verschiedene Chargen von Gold-Nanostäbchen mit verschiedenen Konzentrationen von CTAB in der "Wachstumslösung". Verwendung Konzentrationen von 10 mM bis 100 mM an Gold-Nanostäbchen, die unterschiedliche Größe und das Seitenverhältnis erzeugen. Die Konzentrationen an CTAB in jedem Versuch sind in Tabelle 1 mit der entsprechenden Menge an Milligramm verwendet zusammengefasst. Man löst die verschiedenen Mengen von CTAB immer mit 22 mg Hydrochinon in 5 ml Wasser.
2. Mit 200 & mgr; l Silbernitratlösung (hergestellt nach 1.2.2 Schritt A ) und 5 ml HAuCl ₄ -Lösung (hergestellt nach , wie in Schritt 1.2.3 beschrieben) in jedem Fläschchen unter magnetischem Rühren.
3. In 12 ul der Samen Suspension und beobachten Sie die Änderung in der Farbe der Endmischung.
4. Haltdas Rühren, wenn die Farbe und die UV-Vis-Spektrum der Suspension stabilisiert werden; Die Reaktionszeit hängt von der CTAB-Konzentration in der Wachstumslösung.
5. Zentrifuge bei 10.000 g für 10 min und Resuspendieren in Wasser.
6. Charakterisierung der erhaltenen Nanostäbchen durch UV-VIS-Spektroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie. Eine geringere Konzentration von CTAB werden in kürzeren Nanorods führen, während eine höhere Konzentration geben mehr, aber größere Nanorods. Auf Gegenteil wird das Aspektverhältnis der Stäbchen im Bereich um 40-50 mm höher sein und wird sowohl bei niedrigeren und höheren Konzentrationen (Abbildung 5 und Abbildung 6) zu verringern.

4. Charakterisierung von Gold-Nanostäbchen

1. UV-Vis - Spektroskopie
   1. Verdünnte 100 ul Nanostäbchen-Lösung mit 400 ul Wasser in einem Kunststoff Mikroküvette und erwerben die UV-sichtbare Absorptionsspektrum (Wellenlängenbereich zwischen 400 und 840 nm)nach dem Protokoll des Herstellers.
   2. Sammeln UV-sichtbaren Spektren (Wellenlängenbereich zwischen 400 und 840 nm) der Wachstumslösung alle 5 min, um die Kinetik der Reaktion zu untersuchen.
2. Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)
   1. Sammeln TEM-Bilder von jeder Probe von Nanostäben, zur Messung der Größe und des Seitenverhältnisses der erhaltenen Nanostäbchen. Bereiten Sie die Proben durch einen Tropfen Suspension platzieren (4 ul) auf eine ultradünne Formvar beschichtete 200-Mesh-Kupfergitter und lassen an der Luft bei 4 ° C zu trocknen. Analysieren der Probe bei TEM einer Beschleunigungsspannung von 200 kV unter Verwendung von nach dem Protokoll des Herstellers.

Ergebnisse

UV - sichtbare Spektren der Goldkerne in 1 zu sehen ist. UV - sichtbare Spektren zu verschiedenen Zeiten nach der Injektion der Gold Samen gewonnen werden , dargestellt in Figur 2. UV - sichtbare Spektren und transmissionselektronenmikroskopische (TEM) Bilder der erhaltenen Gold - Nanostäbchen in den 5 und 6 gezeigt , sind in Fig . 3 UV - sichtbare Spektren und transmiss...

Diskussion

Das Protokoll hier vorgestellten gilt Hydrochinon, ein aromatisches Molekül durch ein schwaches Reduktionspotential gekennzeichnet, Gold-Nanostäbchen herzustellen. Es gibt zwei Hauptvorteile des vorliegenden Protokolls in Richtung auf die am häufigsten Syntheseweg eingesetzt basiert auf der Verwendung von Ascorbinsäure: Die erste ist , dass Hydrochinon Lage ist , die Goldionen ermöglicht die Herstellung von höheren Menge an Gold - Nanostäbchen fast quantitativ zu reduzieren ^11. Letzteres wird durch die Tatsac...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Gold(III)-chlorid-Trihydrat	Sigma Aldrich	520918
Hydrochinon	Sigma Aldrich	H17902
Silbernitrat	Sigma Aldrich	209139	giftig
Natriumborhydrid	Sigma Aldrich	480886
Hexadecyltrimethylammoniumbromid (CTAB)	Sigma Aldrich	H5882	Akuter Tox. (mündlich). In dieser Studie haben wir drei verschiedene Chargen von CTAB (H5882) von Sigma Aldrich getestet. Zwei von ihnen wurden als "Made in China" gekennzeichnet, während einer als "Made in India" gekennzeichnet war. Nach unserer Erfahrung waren nur die Chargen, die als made in China gekennzeichnet sind, für die Herstellung von AuNR wirksam.
Spektralphotometer	Thermo scientific	Nanodrop 2000C
TEM	JEOL	2100