Name: Synthese und Charakterisierung von amphiphilen Gold-Nanopartikeln (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-07-02T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 9 s
Description: Lernen Sie die Synthese amphiphiler Gold-Nanopartikel mit binären Ligandenmischungen für biologische Anwendungen. Dieses Protokoll gewährleistet Chargen-Reproduzierbarkeit durch Qualitätskontrollen bei jedem Schritt.

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Z.P.G. und F.S. danken dem Schweizerischen Nationalfonds und insbesondere NCCR 'Molecular Systems Engineering'. Z.L. und F.S. danken der Unterstützung des Stipendiums der Abteilung II des Schweizerischen Nationalfonds. Alle Autoren danken Quy Ong für fruchtbare Diskussionen und für das Korrekturlesen des Manuskripts.

1. Synthese von 11-Mercapto-1-undecanesulfonat (MUS)
HINWEIS: Dieses Protokoll kann in jedem gewünschten Maßstab verwendet werden. Hier wird eine 10 g Produktskala beschrieben.
<ol><li>Natrium undec-10-Enesulfonat
	<ol>
<li>11-bromo-1-undecene (25 ml, 111.975 mmol), Natriumsulfit (28,75 g, 227,92 mmol) und Benzyltriethylammoniumbromid (10 mg) zu einer Mischung aus 200 ml Methanol (MeOH) und 450 ml deionisiertem (DI) Wasser (4:9 v/v MeOH:H2O Verhältnis) in einem 1 L Rundbodenkolben .</li>
		<li>Reflux das Reaktionsgemisch bei 102 °C für 48 h. Kappen Sie das System mit einem Druckentlastungsmechanismus – z. B. einem Ballon mit einer Nadel oder einfach einer Nadel. Diese Reaktion ist nicht empfindlich gegenüber atmosphärischen Gasen. HINWEIS: Die Lösung wird farblos, wenn die Reaktion abgeschlossen ist.</li>
		<li>Verbinden Sie das Reaktionsgemisch mit einem Rotationsverdampfer, um MeOH zu verdampfen und das Volumen auf ca. 300 ml zu reduzieren.</li>
		<li>Übertragen Sie die restliche Lösung auf einen 1 L-Zusatztrichter.</li>
		<li>Extrahieren Sie die verbleibende wässrige Lösung 5x mit Diethylether, mit dem Zusatztrichter. Unreagierte 11-Brom-1-Undecen bleibt in der Phase der Esletther und des sulfonierten Produkts in H2O. VORSICHT: Lösen Sie während der Extraktion häufig Druckaufbau und konsultieren Sie die korrekte Verwendung von Additionstrichtern.</li>
		<li>Sammeln Sie die endgültige extrahierte Wasserlösung in einem 1 L Einhals-Rundkolben.</li>
		<li>Verbinden Sie den Reaktionskolben mit einem Rotationsverdampfer, indem Sie ein wenig Fett (oder Teflon-Ringstreifen oder ein anderes Dichtmittel) zwischen den Kolben und die Falle legen.</li>
		<li>Verringern Sie das Vakuum langsam, um die wässrige Phase in einem Rotationsverdampfer zu verdampfen. Da es sich bei dem Produkt um ein Tensid handelt, kommt es während der Verdunstung zu Schäumen. Um dieses Problem zu umgehen, befolgen Sie die Anweisungen im nächsten Schritt.<ol>
<li>Fügen Sie Ethanol in das Gemischein, um die Verdunstung von H2 O zu beschleunigen und Schaumbildung zu verhindern. Wenn das Schäumen aufgrund der Abnahme des Ethanolgehalts wieder anläuft, stoppen Sie die Verdunstung, entfernen Sie den Kolben aus dem Rotationsverdampfer, fügen Sie mehr Ethanol hinzu (etwa ein Drittel des Gesamtvolumens) und schließen Sie den Kolben wieder an den Rotationsverdampfer an. Wiederholen Sie diesen Vorgang, bis das Lösungsgemisch deutlich abnimmt und keine Blasen bildet.</li>
		</ol>
</li>
		<li>Trocknen Sie das weiße Pulver direkt, indem Sie den Kolben an ein Hochvakuum anschließen. Je trockener das Pulver, desto weniger anorganische Salze kriechen in die nachfolgenden Schritte. HINWEIS: Wärme kann zum Trocknen des Produkts verwendet werden, z. B. indem der Kolben in einem 60 °C-Bad unter Vakuum gehalten und über Nacht verlassen wird.</li>
		<li>Das weiße Pulver in 400 ml Methanol in einem Kolben aufhängen. Sonicate, um die maximale Menge des Produkts aufzulösen. HINWEIS: Das Ziel dieses Schritts ist es, das Produkt aufzulösen, aber nicht die anorganischen Nebenprodukte, wie überschüssiges Natriumsulfit und Natriumbromid, die eine begrenzte Löslichkeit in Methanol haben. Verwenden Sie Methanol mit dem niedrigsten Wassergehalt möglich, weil Wasser im Methanol die Löslichkeit der anorganischen Nebenprodukte im Lösungsmittel erhöht.</li>
		<li>Um die Löslichkeit des Produkts zu erhöhen, kann Methanol sanft in der Nähe seines Siedepunkts erhitzt werden (ca. 64 °C). VORSICHT: Achten Sie darauf, während der Erwärmung des Kolbens unter einer Dunstabzugshaube zu arbeiten. Die Dämpfe des verdampften Methanols sind gefährlich.</li>
		<li>Filtern Sie die Lösung, um die methanolunlöslichen anorganischen Nebenprodukte zu entfernen. Verwenden Sie einen Filterkolben, der mit einer Vakuumpumpe verbunden ist, und einen Filtertrichter mit quantitativem Filterpapier oder einen Borosilikatfilter. Sowohl das Produkt als auch die anorganischen Salze sind weiße Pulver, wenn sie trocken sind: Das Produkt ist in Methanol löslich, die Salze nicht.</li>
		<li>Übertragen Sie die gefilterte Lösung aus dem Filterkolben in einen 1 L Rundbodenkolben.</li>
		<li>Den Kolben an einen Rotationsverdampfer anschließen und die methanolische Lösung bei 45 °C verdampfen, das weiße Pulver in Methanol wieder auflösen und die Lösung filtern (Protokollschritte 1.1.7, 1.1.8 und 1.1.9). Wiederholen Sie diesen Vorgang mindestens 2x, um die Menge an anorganischem Salz zu verringern.</li>
		<li>Sammeln Sie das weiße, methanollösliche Pulver (ca. 30 g, in dieser Skala).</li>
		<li>Lösen Sie ca. 10 mg Produkt in500 l D2 O auf und übertragen Sie die Lösung in ein NMR-Rohr.</li>
		<li>Führen Sie 1H NMR-Spektrometrie auf dem Produkt in D2O bei 400 MHz mit 32 Scans durch. HINWEIS: Die Spitzenzuweisungen für 1H NMR (D2O) sind 5,97 (m, 1H), 5,09 (m, 2H), 2,95 (t, 2H), 2,10 (m, 2H), 1,77 (q, 2H), 1,44 (br s, 12H).</li>
	</ol></li>
	<li>Natrium 11-Acetylthio-undecanesulfonat
	<ol>
<li>Die ca. 30 g Natrium-Undec-10-Enesulfonat (das Reaktionsprodukt des Abschnitts 1.1) in 500 ml Methanol in einem 1 L Rundbodenkolben auflösen. Fügen Sie der Lösung einen 2,6-fachen Überschuss thioessigsäure hinzu und rühren Sie sie über Nacht vor einer UV-Lampe (250 W). Falls eine UV-Lampe nicht verfügbar ist, kann die Reaktion durch Rückfluss mit einem radikalen Initiator, wie Azobisisobutyronitril (AIBN); die Verwendung einer UV-Lampe wird jedoch dringend empfohlen. VORSICHT: Achten Sie darauf, jederzeit unter der Dunstabzugshaube zu arbeiten. Wenn der Kolben in einen anderen Raum transportiert werden muss, wo sich die UV-Lampe befindet, versiegeln Sie den Kolben, um zu vermeiden, dass der starke Geruch von Thioessigsäure verbreitet wird. Beim Betrieb einer UV-Lampe Vorsicht walten lassen: Blockieren Sie den Raum, in dem sich die Lampe befindet, vollständig und beachten Sie die Sicherheitsrichtlinien der Einrichtung, wie eine UV-Lampe betrieben werden soll.</li>
		<li>Überwachen Sie die Reaktion, indem Sie 2 ml Aliquots aus der Reaktion nehmen, Lösungsmittel verdampfen und deuteriertes Wasser hinzufügen, um sie mit 1H NMR zu überprüfen. Sobald die Spitzen, die der Doppelbindung entsprechen, verschwinden, stoppen Sie die Reaktion. HINWEIS: Normalerweise ist die Reaktion nach 12 h vor der UV-Lampe abgeschlossen. Wenn das Reaktionsgemisch trüb wird, fügen Sie mehr MeOH hinzu und setzen Sie die Exposition gegenüber dem UV-Licht für sechs weitere Stunden fort.</li>
		<li>Verdampfen Sie ganz MeOH in einem Rotationsverdampfer, bis der feste Rückstand orangerot wird. Wenn lange genug gelassen, wird das Produkt braun bis schwarz. VORSICHT: Arbeiten Sie achtsam wegen der starken Gerüche aus der Thioessigsäure. Die starken Gerüche von Thiolate-Verschüttungen können mit einer wässrigen Bleichlösung (Natriumhypochlorit) neutralisiert werden.</li>
		<li>Waschen Sie das Produkt mit einem Filterkolben mit Demethylether, um überschüssige Thioessigsäure zu entfernen, bis keine farbigen (orange-gelben) Substanzen mehr im Überstand des Diethylethers vorkommen. Trocknen Sie den Feststoff unter Hohem Vakuum und lösen Sie ihn dann in Methanol auf, wodurch eine gelbe bis orange Lösung entsproben wird. HINWEIS: Fügen Sie genügend Methanol hinzu, um das Produkt aufzulösen. HINWEIS: Die Farbe kann in diesem Schritt variieren.</li>
		<li>Fügen Sie der Lösung 3 g Ruß hinzu, mischen Sie das Gemisch kräftig und filtern Sie das Gemisch durch Filtrationsmedium (siehe Materialtabelle),das zwei Drittel eines geriffelten Filterpapiers abdeckt. HINWEIS: Die poröse Struktur von Ruß fängt das farbige Nebenproduktmaterial (und einen Teil des Produkts) ab. Die gefilterte Lösung sollte klar sein. Wenn die gefilterte Lösung noch gelb ist, wiederholen Sie diesen Vorgang.</li>
		<li>Verdampfen Sie das Lösungsmittel vollständig in einem Rotationsverdampfer und sammeln Sie ca. 35 g weißes Pulver.</li>
		<li>Lösen Sie 10 mg des Produkts in 500 lD2O auf und übertragen Sie die Lösung in NMR-Röhren.</li>
		<li>Führen Sie 1H NMR auf dem Produkt in D2O bei 400 MHz mit 32 Scans. HINWEIS: Die Spitzenzuweisungen für den H NMR (D2O) sind 2,93 (t, 4H), 2,40 (s, 3H), 1,77 (m, 2H), 1,62 (m, 2H), 1,45 (br s, 14H).</li>
	</ol></li>
	<li>11-mercapto-1-undecanesulfonat (MUS)
	<ol>
<li>Reflux-Natrium 11-Acetylthio-undecanesulfonat bei 102 °C in 400 ml von 1 M HCl für 12 h, um die Thioacetat-Gruppe zu spalten und ein Thiol zu erhalten.</li>
		<li>Übertragen Sie das Produkt in einen 1,5 L oder 2 L Rundbodenkolben. Fügen Sie 200 ml 1 M NaOH zur hinzu und krumme sie mit 400 ml DI-Wasser, um ein Endvolumen von 1 L zu haben. Dies hält die Lösung sauer und verhindert die Kristallisation von anorganischen Salzen als Nebenprodukt. HINWEIS: Eine vollständige Neutralisation der Lösung zu pH 7 führt zur Kristallisation eines in Methanol unlöslichen Produkts.</li>
		<li>Halten Sie die klare Lösung bei 4 °C und kristallisiert sie über Nacht. Das Produkt kristallisiert als feine Kristalle, die bei Nässe zähflüssig sind. HINWEIS: Um die Kristallisation zu beschleunigen, fügen Sie der Lösung vorsynthetisierte MUS hinzu, sofern verfügbar.</li>
		<li>Decant den klaren Überstand und Zentrifuge nach unten das viskose weiße Produkt in 50 ml Zentrifugenröhren für 5 min bei 4.000 x g.</li>
		<li>Den Überstand in einen anderen Kolben dekantieren und die weißen Pellets unter Hochvakuum trocknen – je nach verfügbarer Zentrifuge können es 2 - 16 Röhren oder mehr sein. HINWEIS: Die Filterung wird aufgrund der Tensidnatur des Produkts nicht empfohlen; übermäßige Säuerung auftritt und der größte Teil des Produkts geht verloren.</li>
		<li>Sammeln Sie ca. 12 g (ca. 30% Ausbeute) Methanol-löslichen MUS aus diesem Reinigungsschritt. HINWEIS: Achten Sie darauf, dass das Pulver fein und elektrostatisch ist – es neigt dazu, an Spachteln und den Oberflächen von Behältern zu kleben. Außerdem kann mehr Material aus dem Überstand des Zentrifugationsschritts extrahiert werden, indem das Volumen (auf etwa ein Drittel seines ursprünglichen Wertes) reduziert und bei 4 °C gehalten wird. Verringern Sie das Volumen noch mehr (um 75%) , um den Ertrag in diesem Schritt zu erhöhen.</li>
		<li>Lösen Sie 10 mg des Produkts in 500 lD2O auf und übertragen Sie die Lösung in NMR-Röhren.</li>
		<li>Führen Sie 1H NMR auf dem Produkt in D2O bei 400 MHz mit 32 Scans. HINWEIS: Die Spitzenzuweisungen von H NMR (D2O) sind 2,93 (t, 4H), 2,59 (t, 3H), 1,78 (m, 2H), 1,65 (m, 2H), 1,44 (br s, 14H). Die berechnete Molmasse (einschließlich der Natriumzähler) des Produkts beträgt 290,42 g/mol.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Nanopartikelsynthese: Herstellung der Reagenzien
<ol><li>Reinigen Sie alle Glaswaren (ein 250 ml und ein 500 ml Einhals-Rundkolben, einen 100 ml Zusatztrichter und einen kleinen Trichter) mit frischer Aqua-Regia (drei Teile Salzsäure zu einem Teil Salpetersäure). Spülen Sie die Glaswaren mit einer überschüssigen Menge an Wasser in einer Dunstabzugshaube und entfernen Sie alle Dämpfe. Anschließend das Glas mit Ethanol abspülen und in einem Laborglasofen trocknen (40 - 60 °C wird empfohlen).</li>
	<li>Wiegen Sie 177,2 mg (0,45 mmol) Gold (III) Chloridtrihydrat (HAuCl4-3H2O) in einer kleinen Glasdurchstechflasche (10 oder 20 ml saubere Glasfläschchen oder auf Wägepapier).</li>
	<li>Wiegen Sie 87 mg (0,3 mmol) MUS in einer Glasdurchstechflasche mit 20 ml.</li>
	<li>Fügen Sie 10 ml Methanol hinzu, um das MUS aufzulösen. Beschallen Sie es in einem Ultraschallbad, bis kein festes Material sichtbar ist, um eine vollständige Auflösung zu gewährleisten. HINWEIS: Alternativ können Sie die Lösung mit einer Wärmepistole oder einem warmen Bad (ca. 60 °C) sanft erhitzen. Wenn erhitzt, laufen kaltes Wasser durch die Außenseite des Kolbens, um es wieder auf Raumtemperatur zu bringen.</li>
	<li>Fügen Sie der Methanollösung 26 l (0,15 mmol) OT hinzu und rühren Sie sie, um die Liganden zu mischen.</li>
	<li>Wiegen Sie 500 mg (13 mmol) Natriumborohydrid (NaBH4) und fügen Sie es 100 ml Ethanol in den 250 ml Rundbodenkolben. Mit magnetischem Rühren (600 - 800 Umdrehungen von Euro) kräftig umrühren. (Der NaBH4 benötigt je nach Qualität 10 bis 20 min, um eine klare Lösung in Ethanol zu bilden.)</li>
</ol>3. Synthese von Gold-Nanopartikeln
<ol><li>Goldsalz in 100 ml Ethanol im 500 ml Rundbodenkolben auflösen und bei 800 U/min mit einem Magnetbalken auf einer Rührplatte rühren. Stellen Sie sicher, dass sich das Goldsalz vollständig auflöst.</li>
	<li>Legen Sie einen 100 ml-Zusatztrichter über den Rundkolben. Legen Sie einen Trichter auf die Oberseite des Zusatztrichters mit einem quantitativen Papierfilter im Inneren. Wenn der NaBH4 in Ethanol gelöst ist, beginnen Sie, die Lösung durch das Filterpapier im Trichter in den Zusatztrichter zu filtern.</li>
	<li>Fügen Sie die Ligandenlösung in das Reaktionsgemisch. Warten Sie 15 min auf die Bildung eines Goldthololat-Komplexes. Die Farbänderung des Reaktionsgemisches von transluzentem Gelb zu trübem Gelb deutet auf die Bildung eines Goldthololatkomplexes hin.</li>
	<li>Beginnen Sie mit dem Hinzufügen der gefilterten NaBH 4-Lösung aus dem Zusatztrichter tropfenweise. Passen Sie die Intervallzeit der Tropfen so an, dass die Zugabe von NaBH4 etwa 1 h dauert.</li>
	<li>Entfernen Sie nach der vollständigen Ergänzung von NaBH4den Trichter. Rühren Sie die Reaktion noch eine Stunde lang. Entfernen Sie am Ende der Reaktion den magnetischen Rührstab mit einem Magneten, der an der Außenseite des Kolbens platziert ist.</li>
	<li>Verwenden Sie ein Septum, um den Kolben zu schließen und eine Nadel in das Septum zu durchbohren, um das H2-Gas freizusetzen, das sich nach der Reaktion entwickeln wird.</li>
	<li>Bewahren Sie das Reaktionsgemisch in einem Laborkühlschrank (4 °C) auf, um die Nanopartikel über Nacht auszufällen.</li>
</ol>4. Aufbau der Synthese
<ol><li>Dekant das überstandes Ethanol, um das Volumen zu reduzieren.</li>
	<li>Den restlichen Niederschlag auf 50 ml Zentrifugenrohre und Zentrifuge für 3 min bei 4.000 x gübertragen.</li>
	<li>Den Überstand dekantieren, die Nanopartikel durch Wirbel wieder mit Ethanol dispergieren und wieder zentrifugieren. Wiederholen Sie diesen Waschvorgang 4x.</li>
	<li>Trocknen Sie die Nanopartikel unter Vakuum, um das Restethanol zu entfernen.</li>
	<li>Um die Nanopartikel von freien hydrophilen Liganden/Molekülen zu reinigen, lösen Sie die Ausscheidungen in 15 ml DI-Wasser auf und übertragen Sie sie in die Zentrifugenrohre mit einer Filtrationsmembran von 30 kDa Cutoff-Molekulargewicht. Dialyse ist auch für dieses Verfahren zugänglich.</li>
	<li>Zentrifugieren Sie diese Rohre für 5 min bei 4.000 x g, um die Nanopartikellösung zu konzentrieren.</li>
	<li>Fügen Sie 15 ml DI-Wasser in diese Lösung und Zentrifuge wieder zu konzentrieren. Wiederholen Sie diesen Reinigungsvorgang mindestens 10x. HINWEIS: Ein Hinweis darauf, dass die wasserlöslichen Verunreinigungen entfernt wurden, ist das Fehlen von Schaumbildung beim Aufsetzen des wässrigen Abfalls; schließlich sind die meisten Verunreinigungen Disulfide von MUS mit sich selbst oder mit OT (dies kann durch Dassammeln des Materials und Durchführung von 1H NMR bestimmt werden).</li>
	<li>Nach der Zentrifugation die konzentrierten Nanopartikel in ein 15 ml Zentrifugenrohr übertragen. Um die Nanopartikel in ein überschaubares Pulver zu verwandeln, fällen Sie sie entweder in einem Lösungsmittel wie Aceton oder trocknen Sie die verbleibende wässrige Lösung. Beim Gefrieren neigen die Nanopartikel dazu, ein loses Pulver zu bilden, das an Oberflächen klebt und schwer zu manipulieren ist.</li>
</ol>5. Charakterisierung der Nanopartikel
<ol><li>
reinheit
	<ol>
<li>Um zu überprüfen, ob die Nanopartikel frei von ungebundenen Liganden sind, lösenSie 5 mg trockene Nanopartikel in 600 l D2 O auf und führen Sie eine 1H NMR-Messung der Partikel durch. Wenn es keine scharfen Spitzen der Liganden gibt, bedeutet dies, dass die Nanopartikel frei von kleinen organischen Molekülen sind.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Ligand-Verhältnis
	<ol>
<li>Bereiten Sie eine 20 mg/ml Methanol-d 4-Lösung jod vor. Fügen Sie 600 l dieser Lösung zu den 5 mg Nanopartikeln in einer Glasdurchstechflasche hinzu, um die Nanopartikel zu ätzen.</li>
		<li>Die Kappe der Durchstechflasche mit Paraffinfolie umwickeln und in einem Ultraschallbad 20 min beschallen. Übertragen Sie die Lösung auf ein NMR-Rohr und erfassen Sie ein 1H NMR (400 MHz) Spektrum mit 32 Scans.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Liganddichte
	<ol>
<li>2 bis 8 mg Nanopartikel auf einen TGA Tiegel übertragen. Wählen Sie einen Temperaturbereich von 30 °C bis 900 °C und eine Geschwindigkeit von 5 °C pro Minute unter N2 Gas.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Größenverteilung
	<ol>
<li>
Tem
		<ol>
<li>0,1 mg/ml Nanopartikellösung in DI-Wasser vorbereiten. Lassen Sie 5 l der vorbereiteten Lösung auf das 400-Mesh-Kohlenstoff-gestützte Kupfergitter fallen. Warten Sie, bis es trocknet.</li>
			<li>Übertragen Sie das Gitter in einem TEM-Halter und legen Sie es in das Mikroskop ein. Erfassen Sie 5 - 10 Bilder mit einer Vergrößerung von mindestens 64.000X, die bei 200 kV betrieben werden. ANMERKUNG: Um den Kontrast zu erhöhen, kann eine objektive Blende von 20 nm eingefügt werden.</li>
		</ol>
</li>
		<li>
UV-Vis-Spektren
		<ol>
<li>Bereiten Sie eine 0,2 mg/ml Nanopartikellösung in DI-Wasser vor.</li>
			<li>Legen Sie die benötigte Menge dieser Lösung in die Quarzküvette und scannen Sie von 200 nm bis 700 nm.</li>
		</ol>
</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Dieses Protokoll beschreibt zunächst die Synthese von MUS-Ligand und dann die Synthese und Charakterisierung von amphiphilen MUS:OT-Gold-Nanopartikeln. Die Synthese von MUS mit minimalem Salzgehalt ermöglicht eine bessere Zuverlässigkeit des stoichiometrischen Verhältnisses zwischen den Liganden während der Nanopartikelsynthese, die ein Schlüsselfaktor für die reproduzierbare Synthese von MUS:OT-Nanopartikeln mit einem Ziel hydrophoben ist. Inhalt (Abbildung 8). Die Verwendung von Methanol a...

Die Ligandenschale aus Gold-Nanopartikeln kann so konstruiert werden, dass sie verschiedene Eigenschaften aufweist, die angewendet werden können, um Herausforderungen in der Biomedizin zu bewältigen1,2,3,4. Eine solche Vielseitigkeit ermöglicht die Kontrolle der intermolekularen Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Biomolekülen5,6,7. Hydrophobizität und Ladung spielen eine entscheidende Rolle, ebenso wie andere Oberflächenparameter, die beeinflussen, wie Nanopartikel mit Biomolekülen5,8,9interagieren. Um die Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel zu optimieren, bietet die Wahl der Thiolatemoleküle, aus denen die Ligandenschale besteht, eine Vielzahl von Möglichkeiten, je nach den angestrebten Eigenschaften. Zum Beispiel wird eine Mischung aus Ligandenmolekülen mit hydrophoben und hydrophilen(z.B.geladenen) Endgruppen häufig verwendet, um amphiphile Nanopartikel10,11zu erzeugen.
Ein prominentes Beispiel für diese Art von Nanopartikeln wird durch eine Mischung aus OT und MUS (nachfolgend MUS:OT-Nanopartikel genannt) geschützt, die nachweislich viele relevante Eigenschaften besitzt12,13,14. Erstens ist die kolloidale Stabilität der Nanopartikel mit einer Ligandenschalenzusammensetzung von 66% MUS (nachfolgend 66:34 MUS:OT) hoch und erreicht bis zu 33% Gewicht in entionisiertem Wasser sowie in phosphatgepufferter Salzsäure (1x, 4 mM Phosphat, 150 mM NaCl)15. Darüber hinaus fallen diese Partikel nicht bei relativ niedrigen pH-Werten aus: So bleiben diese Nanopartikel bei pH 2,3 und bei Salzkonzentrationen von 1 M NaCl15monatelang kolloidal stabil. Das stoichiometrische Verhältnis zwischen den beiden Molekülen auf der Ligandenschale ist wichtig, da es die kolloidale Stabilität in Lösungen mit einer hohen Ionenstärkediktiert 16.
Es hat sich gezeigt, dass diese Teilchen die Zellmembran durchqueren, ohne sie über einen energieunabhängigen Weg1,12zu durchqueren. Die spontane Verschmelzung zwischen diesen Teilchen und Lipid-Doppelschichten liegt ihrer Diffusivität durch Zellmembranenzugrunde 17. Der Mechanismus hinter dieser Wechselwirkung ist die Minimierung des Kontakts zwischen einer hydrophoben lösungsmittelzugänglichen Oberfläche und Wassermolekülen bei der Fusion mit Lipid-Doppelschichten18. Im Vergleich zu All-MUS-Nanopartikeln (Nanopartikel, die nur den MUS-Ligand auf ihrer Schale haben) erhöht die höhere Hydrophobie bei gemischten MUS:OT-Nanopartikeln (z. B. bei einer MUS:OT-Zusammensetzung von 66:34) die Spannweite des Kerndurchmessers, der mit Lipid verschmelzen kann. Doppelschichten18. Verschiedene Selbstmontage-Organisationen der Ligandenschale korrelieren im Vergleich zu All-MUS-Partikeln19mit unterschiedlichen Bindungsmodi von 66:34 MUS:OT-Nanopartikeln mit verschiedenen Proteinen wie Albumin und Ubiquitin. Kürzlich wurde berichtet, dass 66:34 MUS:OT-Nanopartikel als antivirales Breitspektrum-Mittel verwendet werden können, das die Viren aufgrund multivalenter elektrostatischer Bindungen von MUS-Liganden und nichtlokalen Kopplungen von OT-Liganden an Kapsid irreversibel zerstört. Proteine14. In all diesen Fällen wurde festgestellt, dass der hydrophobe Gehalt sowie die Kerngröße der Nanopartikel bestimmen, wie diese Bio-Nano-Wechselwirkungen stattfinden. Diese vielfältigen Eigenschaften von MUS:OT-Nanopartikeln haben viele Computersimulationsstudien veranlasst, die darauf abzielten, die Mechanismen zu klären, die den Wechselwirkungen zwischen MUS:OT-Partikeln und verschiedenen biologischen Strukturen wie Lipid-Bilayern20zugrunde liegen.
Die Herstellung von MUS:OT-geschützten Au-Nanopartikeln stellt einige Herausforderungen dar. Erstens sind der geladene Ligand (MUS) und der hydrophobe Ligand (OT) nicht mischbar. Daher muss die Löslichkeit der Nanopartikel und der Liganden bei der Synthese sowie bei der Charakterisierung berücksichtigt werden. Darüber hinaus beeinflusst die Reinheit der MUS-Ligandmoleküle – insbesondere der Gehalt an anorganischer Salze im Ausgangsmaterial – die Qualität, Reproduzierbarkeit sowie die kurz- und langfristige kolloidale Stabilität der Nanopartikel.
Hier wird eine detaillierte Synthese und Charakterisierung dieser Klasse von amphiphilen Gold-Nanopartikeln skizziert, die durch eine Mischung aus MUS und OT geschützt sind. Ein Protokoll zur Synthese des negativ geladenen MUS-Ligands soll die Reinheit und damit die Reproduzierbarkeit verschiedener Nanopartikelsynthesen gewährleisten. Dann wird das Verfahren zur Erzeugung dieser Nanopartikel, basierend auf einer gemeinsamen einphasigen Synthese, gefolgt von einer gründlichen Reinigung, ausführlich berichtet. Verschiedene notwendige Charakterisierungstechniken21, wie TEM, UV-Vis, TGA und NMR, wurden kombiniert, um alle notwendigen Parameter für weitere biologische Experimente zu erhalten.

<table><tbody><tr><td>11-Brom-1-undecen</td><td>Sigma Aldrich</td><td>467642-25 ml</td><td></td></tr><tr><td>Natriumsulfit</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S0505-250 g</td><td></td></tr><tr><td>Benzyltriethyl-Ammoniumbromid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>147125-25 g</td><td></td></tr><tr><td>Methanol</td><td>VWR</td><td>BDH1135-2,5 LP</td><td></td></tr><tr><td>DI Wasser</td><td>Millipore</td><td>ZRXQ003WW</td><td>deionisiertes Wasser</td></tr><tr><td>1 L rund Bodenkolben</td><td>DURAN</td><td>24 170 56</td><td></td></tr><tr><td>Diethylether</td><td>Sigma Aldrich</td><td>1.00930 EMD Millipore</td><td></td></tr><tr><td>Rührstab</td><td>Sigma Aldrich</td><td>Z329207,Dow</td><td></td></tr> <tr><td>Corning High Vacuum Grease</td><td>Sigma Aldrich</td><td>Z273554 ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>Filterkolben</td><td>DURAN</td><td>20 201 63</td><td></td></tr><tr><td>Filtrierender Buchner Trichter</td><td>FisherSci</td><td></td><td></td>11707335</tr><tr><td>Ethanol >99,8%, ACS, Reagenz</td><td>VWR</td><td>2081.321DP</td><td></td></tr><tr><td>Deuteriumdioxid</td><td>Sigma Aldrich</td><td>151882 ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>Thioessigsäure 96%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T30805 ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>Ruß</td><td>Sigma Aldrich</td><td>05105-1KG</td><td></td></tr><tr><td>Celite</td><td>Sigma Aldrich</td><td>D3877 SIGMA-ALDRICH</td><td>Filtermedium</td></tr><tr><td>Kondensator</td><td>Sigma Aldrich</td><td>Z531154</td><td></td></tr><tr><td>Salzsäure, ACS Reagenz 37%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>320331 SIGMA-ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>Natriumhydroxid, BioXtra, Pellets (wasserfrei)</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S8045 SIGMA-ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>Zentrifugenröhrchen</td><td>VWR</td><td>525-0155P</td><td></td></tr><tr><td>250 mL Rundkolben</td><td>DURAN</td><td>24 170 37</td><td></td></tr><tr><td>500 mL Rundkolben</td><td>DURAN</td><td>24 170 46</td><td></td></tr><tr><td>Salpetersäure, fACS Reagenz 70%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>438073 SIGMA-ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>Gold(III)-chlorid-Trihydrat >99,9% Spurenmetallbasis</td><td>Sigma Aldrich</td><td>520918 ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>1-Oktanthiol >98,5</td>%<td>Sigma Aldrich</td><td>471836 ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>Natriumborhydrid purum p.a.>96%</td><td>Sigma Aldrich</td><td>71320 ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>Additionstrichter</td><td>SIgma Aldrich</td><td>Z330655 SIGMA</td><td></td></tr><tr><td>Trichter</td><td>DURAN</td><td>21 351 46</td><td></td></tr><tr><td>2V gefaltetes Filterpapier</td><td>Whatman</td><td>1202-150</td><td></td></tr><tr><td>Amicon Filter</td><td>Merck</td><td>UFC903024</td><td></td></tr><tr><td>Jod, ACS Reagenz, >99,8%, fest</td><td>Sigma Aldrich</td><td>207772 SIGMA-ALDRICH</td><td></td></tr><tr><td>5 mm NMR-Röhren, Typ 5HP (hohe Präzision)</td><td>Armar</td><td>32210.503</td><td>Länge 178 mm</td></tr><tr><td>Methanol-d4 99,8 atom%D</td><td>Armar</td><td>16400.2035</td><td></td></tr><tr><td>TGA Tiegel</td><td>Thepro</td><td>9095-9270.45</td><td></td></tr><tr><td>400 Mesh kohlenstoffgestütztes Kupfergitter</td><td>Elektronenmikroskopie Wissenschaft</td><td>CF400-Cu</td><td></td></tr><tr><td>Quarzküvette</td><td>Hellma Analytics</td><td>100-1-40</td><td></td></tr></tbody></table> kg

synthese und charakterisierung von amphiphilen gold-nanopartikeln

Synthesis and Characterization of Amphiphilic Gold Nanoparticles

Gold-Nanopartikel, die mit einer Mischung aus 1-Oktanethiol (OT) und 11-Mercapto-1-undecane-Sulfonsäure (MUS) bedeckt sind, wurden aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit Zellmembranen, Lipid-Doppelschichten und Viren ausgiebig untersucht. Die hydrophilen Liganden machen diese Partikel in wässrigen Lösungen kolloidstabil und die Kombination mit hydrophoben Liganden erzeugt ein amphiphiles Teilchen, das mit hydrophoben Medikamenten beladen werden kann, mit den Lipidmembranen verschflüssigt wird und unspezifischen Proteinadsorption. Viele dieser Eigenschaften hängen von der Größe der Nanopartikel und der Zusammensetzung der Ligandenschale ab. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, eine reproduzierbare synthetische Methode und zuverlässige Charakterisierungstechniken zu haben, die die Bestimmung der Nanopartikeleigenschaften und der Ligandenschalenzusammensetzung ermöglichen. Hier wird eine einphasige chemische Reduktion, gefolgt von einer gründlichen Reinigung zur Synthese dieser Nanopartikel mit Durchmessern unter 5 nm, vorgestellt. Das Verhältnis zwischen den beiden Liganden auf der Oberfläche des Nanopartikels kann durch ihr stöchiometrisches Verhältnis, das während der Synthese verwendet wird, abgestimmt werden. Wir zeigen, wie verschiedene Routinetechniken wie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Kernspinresonanz (NMR), thermogravimetrische Analyse (TGA) und ultraviolett-sichtbare (UV-Vis) Spektrometrie umfassend zu die physikalisch-chemischen Parameter der Nanopartikel charakterisieren.

Die Reaktionsschritte zur Synthese von MUS sind in Abbildung 1dargestellt. Die 1H NMR-Spektren des Produkts jedes Schritts sind in Abbildung 2dargestellt. Der Synthese-Workflow der binären MUS:OT-amphiphilen Gold-Nanopartikel ist in Abbildung 3beschrieben. Nach der Synthese bestand die Aufarbeitung der Nanopartikel darin, die Partikel mehrmals mit Ethanol und DI-Wasser zu waschen. Vor jede...

Amphiphile Gold-Nanopartikel können in vielen biologischen Anwendungen eingesetzt werden. Ein Protokoll zur Synthese von Gold-Nanopartikeln, die durch eine binäre Mischung von Liganden beschichtet sind, und eine detaillierte Charakterisierung dieser Partikel werden vorgestellt.

Synthese und Charakterisierung von amphiphilen Gold-Nanopartikeln

Gold nanoparticles covered with a mixture of 1-octanethiol (OT) and 11-mercapto-1-undecane sulfonic acid (MUS) have been extensively studied because of ...

Dieses Protokoll befasst sich mit der Batch-to-Batch-Reproduzierbarkeit von Sulfonat- und amphiphilen Gold-Nanopartikeln, die unser Labor in Experimenten mit Zellen, Viren und Proteinen verwendet. Diese Technik befasst sich mit den anorganischen Verunreinigungen, die dieser Art der Synthese gemeinsam sind. Außerdem werden nach jedem Schritt Kontrollmechanismen eingeführt, um die Reproduzierbarkeit von amphiphilen Gold-Nanopartikeln zu gewährleisten.Diese Technik ist mühsam und erfordert Geduld. Der Schwierigkeitsgrad hängt von der Skalierung ab, also beginnen Sie in einem kleinen Maßstab, und machen Sie sich mit jedem Instrument und Schritt vertraut, bevor Sie hochskalieren. Zuerst 11-Brom-1-Undecen, Natriumsulfit und Benzyltriethylammoniumbromid zu 200 Milliliter Methanol und 450 Milliliter entionisiertem Wasser in einem einen Liter runden Bodenkolben hinzufügen.Reflux das Reaktionsgemisch bei 102 Grad Celsius für 48 Stunden, bis die Lösung farblos wird. Nach dem Aufarbeiten das isolierte weiße Pulver in 400 Milliliter Methanol in einem runden Bodenkolben aussetzen. Filtern Sie mit einem Filterkolben und Borosilikatfilter die Lösung, um die methanolunlöslichen anorganischen Nebenprodukte zu entfernen.Als nächstes etwa 30 Gramm Natrium undec-10-Enesulfonat in 500 Milliliter Methanol in einem ein Liter runden Bodenkolben auflösen. 2,6-mal mehr Thioessigsäure in die Lösung geben und über Nacht vor einer 250-Watt-UV-Lampe rühren. Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, verdampfen Sie das Methanol vollständig.Trocknen Sie das Pulver unter Vakuum, und dispergieren Sie es dann in der Ethylether. Filtern Sie das Gemisch und waschen Sie das feste Produkt mit dem Diethylether, um überschüssige Thioessigsäure zu entfernen, bis keine farbigen Substanzen mehr im Überstand des Diethylethers erscheinen. Nach dem Trocknen des Festkörpers unter Hochvakuum in Methanol auflösen und eine gelbe bis orange Lösung ergeben.Als nächstes fügen Sie drei Gramm Ruß in die Lösung und mischen Sie kräftig. Filtern Sie dann die Mischung durch Celite und decken 2/3 eines geriffelten Filterpapiers ab. Um MUS zu synthetisieren, kombinieren Sie etwa 400 Milliliter einer molaren Salzsäure und 35 Gramm Natrium 11-Acetylthio-undecanesulfonat in einem einen Liter runden Bodenkolben.Reflux die Mischung bei 102 Grad Celsius für 12 Stunden, um die Thioacetat-Gruppe zu spalten und ein Thiol zu erhalten. Am nächsten Tag das Produkt in einen zwei Liter runden Bodenkolben überführen. Um die Lösung sauer zu halten und die Kristallisation von anorganischen Salzen zu verhindern, fügen Sie 200 Milliliter eines Mol-Natriumhydroxids und 400 Milliliter entionisiertes Wasser in den Kolben, um ein endgültiges Volumen von einem Liter zu geben.Bewahren Sie die klare Lösung über Nacht bei vier Grad Celsius auf, um das Produkt als feine Feststoffe zu kristallisieren, die bei Nässe zähflüssig sind. Am nächsten Tag dekant den klaren Überstand. Dann das Produkt in 50 Milliliter Zentrifugenrohre und Zentrifuge für fünf Minuten bei 4000 mal g übertragen.Nach der Zentrifugation dekant den Überstand in einen weiteren runden Bodenkolben. Die weißen Pellets in Zentrifugenrohre geben und unter Hochvakuum trocknen, um methanollöslichen MUS in etwa 30% Ausbeute zu erhalten. Wiegen Sie 177,2 Milligramm Gold(III)chlorid-Trihydrat in einer kleinen Glasdurchstechflasche.Danach 87 Milligramm MUS in 10 Milliliter Methanol, in einer 20 Milliliter Glasdurchstechflasche auflösen. Beschallen Sie die Lösung in einem Ultraschallbad, bis kein festes Material sichtbar ist, um eine vollständige Auflösung zu gewährleisten. Fügen Sie 26 Mikroliter 1-Octanethiol in die Methanollösung und rühren Sie sie, um die Liganden zu mischen.Fügen Sie 500 Milligramm Natriumborohydrid zu 100 Milliliter Ethanol in einem 250 Milliliter runden Bodenkolben hinzu. Rühren Sie kräftig, bis die Lösung klar ist. Das Goldsalz in 100 Milliliter Ethanol in einem 500 Milliliter runden Bodenkolben auflösen und bei 800 U/min rühren, bis sich das Goldsalz vollständig auflöst.Als nächstes fügen Sie die Ligandenlösung in das Reaktionsgemisch ein. Warten Sie 15 Minuten auf die Bildung des Goldthololatkomplexes, der durch einen Farbwechsel von transluzentem Gelb zu trübem Gelb angezeigt wird. Fügen Sie die zuvor vorbereitete Natriumborohydridlösung tropfenweise mit einem Trenntrichter in das Reaktionsgemisch ein.Passen Sie die Intervallzeit der Tropfen so an, dass die Zugabe von Natriumborohydrid etwa eine Stunde dauert. Sobald die Natriumborohydrid-Zugabe vollständig ist, entfernen Sie den Zusatztrichter und lassen Sie das Reaktionsgemisch für eine weitere Stunde rühren. Entfernen Sie dann die magnetische Rührstange mit einem Magneten, der auf der Außenseite des runden Bodenkolbens platziert ist.Lagern Sie das Reaktionsgemisch über Nacht bei vier Grad Celsius, um die Nanopartikel auszustoßen. Nach der Dekantierung des überstehenden Ethanols den restlichen Niederschlag sendemittel für drei Minuten bei 4000 mal g auf 50 Milliliter Zentrifugenrohre und Zentrifuge übertragen. Nach der Zentrifugation den Überstand dekantieren.Die Nanopartikel durch Wirbel wieder mit Ethanol dispergieren. Dann zentrieren Sie die Proben wieder. Trocknen Sie die Nanopartikel unter Vakuum, um das Restethanol zu entfernen.Um die Nanopartikel von freien hydrophilen Liganden zu reinigen, lösen Sie die Ausscheidungen in 15 Milliliter entionisiertem Wasser auf und übertragen Sie die Lösungen auf Zentrifugenrohre mit Filtrationsmembranen von 30 Kilodalton Cutoff-Molekulargewicht. Konzentrieren Sie die Nanopartikellösungen durch Zentrifugation fünf Minuten lang auf 4000 mal g. Nach der Zentrifugation 15 Milliliter entionisiertes Wasser hinzufügen und Zentrifuge wieder konzentrieren.Um die Nanopartikel in ein überschaubares Pulver zu verwandeln, gefrieren Sie die verbleibende wässrige Lösung eineinfrieren. Um die Nanopartikel nach Ligandenverhältnis zu charakterisieren, bereiten Sie eine 150 Milligramm pro Milliliter Methanol-d4-Lösung aus Jod vor. Fügen Sie 600 Mikroliter der Lösung zu etwa fünf Milligramm Nanopartikel in eine Glasdurchstechflasche, um die Nanopartikel zu ätzen.Die Kappe der Durchstechflasche mit Paraffinfolie umwickeln und 20 Minuten lang in einem Ultraschallbad beschallen. Übertragen Sie dann die Lösung auf ein NMR-Rohr und erwerben Sie ein Proton-NMR-Spektrum mit 32 Scans. Die MUS-Synthese wird hier gezeigt.Die Proton-NMR-Spektren des Produkts jedes Schritts sind hier dargestellt. Der Synthese-Workflow der binären MUS Octanethiol amphiphilen Gold-Nanopartikel wird hier beschrieben. Vor der Charakterisierung wurde die Sauberkeit der Nanopartikel aus ungebundenen freien Liganden durch Proton NMR überwacht.Die Größenverteilung der Nanopartikel wurde durch TEM charakterisiert, das zeigt, dass der durchschnittliche Durchmesser 2,4 Nanometer beträgt und auf etwa 18,08 Nanometer Quadratquadrat der Oberfläche und 7,23 Nanometer Volumen pro Teilchen zeigt. Die lokalisierte Oberflächenplasma- und Resonanzabsorption wurde durch erfassungvon UV-Vis-Spektren gemessen. Repräsentative Proton-NMR-Spektren mit Spitzenzuweisungen und Integration zur Bestimmung des Ligandenverhältnisses in den jodgeätzten Nanopartikeln werden hier gezeigt.Das NMR-Spektrum der Nanopartikel zeigte, dass das Verhältnis von MUS zu Octanethiol 85 zu 15 beträgt. Die Oberflächenabdeckung der Nanopartikel wurde von Der TGA untersucht. Basierend auf TGA-Daten kann die Ligandendichte auf 4,8 Liganden pro Nanometer im Quadrat geschätzt werden.Die stoichiometrischen Verhältnisse zu den NMR-Verhältnissen von Octanethiol, die sich aus verschiedenen Synthesen ergeben, werden hier verglichen. Die wichtigsten Dinge, die in diesem Verfahren zu erinnern sind, auf der einen Seite, die Entfernung von anorganischen Verunreinigungen bei der Herstellung von MUS-Liganden, und auf der anderen Seite die Aufarbeitung der Nanopartikel. Dieses Verfahren ist für verschiedene Kombinationen von Liganden zugänglich, aber stellen Sie sicher, dass jede Charge immer einzeln charakterisiert wird.Eine Frage, die dieses Verfahren beantworten kann, ist zum Beispiel, inwieweit das Ligandenverhältnis der stoichiometrie entspricht, die auf der Oberfläche der Nanopartikel gefunden wurde. Die Skalierung der Ligandenproduktion und der Nachweis der Batch-to-Batch-Reproduzierbarkeit der Nanopartikel haben es uns ermöglicht, wichtige Fragen im Zusammenhang mit Biologie und Medizin anzugehen. Zum Beispiel haben wir die viruziden Eigenschaften dieser Nanopartikel festgestellt.Bitte arbeiten Sie bei der Verwendung der UV-Lampe sorgfältig und tragen Sie beim Umgang mit flüssigem Stickstoff immer Schutzhandschuhe. Befolgen Sie immer die Chemikaliensicherheitsvorschriften.

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