Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.

Summary

Le présent document décrit un protocole pour la synthèse des nanotubes d'or, basée sur l'utilisation d'hydroquinone à titre d'agent réducteur, ainsi que les différents mécanismes de contrôle de leur taille et rapport d'aspect.

Abstract

Gold nanorods are an important kind of nanoparticles characterized by peculiar plasmonic properties. Despite their widespread use in nanotechnology, the synthetic methods for the preparation of gold nanorods are still not fully optimized. In this paper we describe a new, highly efficient, two-step protocol based on the use of hydroquinone as a mild reducing agent. Our approach allows the preparation of nanorods with a good control of size and aspect ratio (AR) simply by varying the amount of hexadecyl trimethylammonium bromide (CTAB) and silver ions (Ag⁺) present in the “growth solution”. By using this method, it is possible to markedly reduce the amount of CTAB, an expensive and cytotoxic reagent, necessary to obtain the elongated shape. Gold nanorods with an aspect ratio of about 3 can be obtained in the presence of just 50 mM of CTAB (versus 100 mM used in the standard protocol based on the use of ascorbic acid), while shorter gold nanorods are obtained using a concentration as low as 10 mM.

Introduction

nanoparticules d'or (AuNPs) sont l'un des nanostructures les plus répandues et les plus prometteuses pour être utilisé dans des applications biomédicales. Leur utilisation est essentielle dans de nombreux points de soins in vitro des produits de diagnostic ¹ Ils ont été proposés comme un outil efficace pour un certain nombre d'autres applications différentes:. Comme un agent de contraste dans les études d'imagerie, ² comme un système de délivrance de médicament ³ et comme médicaments pour la thermothérapie induite par la lumière (ou la thérapie photothermique). ⁴ le grand potentiel de AuNPs a mené, au cours des vingt dernières années, d' intenses recherches sur le développement d' une nouvelle synthèse qui est en mesure d'augmenter le contrôle sur la taille et la forme obtenue. ⁵ en effet, les différents types de AuNPs sont en fait plus appropriés que d'autres pour des applications spécifiques.

Parmi les différentes nanostructures d'or, nanorods or (AuNRs) ont émergé comme l'un des systèmes les plus intéressants. AuNRs sont caractérisés par deux plasmopics nic associés à l'oscillation des électrons le long de la direction longitudinale et les axes transversaux, respectivement. ⁶ Il est particulièrement important que la position du pic longitudinal le plus intense peut être ajusté précisément entre 620 et 800 nm, en fonction du rapport d'allongement des tiges . Cette région correspond à la fenêtre biologique, ⁷ où les tissus humains ne presque pas absorber la lumière, ce qui permet le développement d'un certain nombre d'applications photoniques in vivo impliquant AuNPs.

Malgré un énorme intérêt pour ce genre de nanostructures, les protocoles de synthèse pour la préparation de AuNRs souffrent de plusieurs limitations. Dans la plupart des cas, les nanotiges sont préparées selon un procédé en deux étapes développée par Sau et coll. ⁸ dans leur protocole, nanotiges sont synthétisés par réduction des ions d'or en utilisant de l' acide ascorbique en présence de graines d'or préformées, des ions d' argent et une grande quantité du bromure d'hexadécyl triméthylammonium (CTAB), catensioactif linéaire ationic.

L'inconvénient de ce protocole est que le rendement de la réduction des ions d'or est relativement faible (environ 20%) , ⁹ et qu'une grande quantité de CTAB, un réactif coûteux qui représente plus de la moitié du coût total des réactifs dans la synthèse, est nécessaire. Le développement d'une nouvelle et plus efficace voie de synthèse est de là, considéré comme un besoin important, permettant la diffusion des approches biomédicales basées sur AuNRs.

Dans la première partie du présent document, nous présentons un protocole optimisé pour la préparation de AuNR ayant un rapport d'aspect d'environ trois. La synthèse est basée sur l'utilisation d'hydroquinone à titre d'agent réducteur doux et il permet la préparation de AuNR avec une réduction presque quantitative des ions d'or, ce qui rend l' utilisation d'une quantité réduite de CTAB. ¹⁰ Le protocole de préparation des AuNRs est basée sur une approche en deux étapes où les graines d'or sont utilisés dans un "sol de croissanceution ".

Dans la deuxième partie, nous montrons comment régler finement la taille et les proportions du AuNR obtenu de deux façons. La première façon, similaire au protocole standard basé sur l'acide ascorbique, est de faire varier la quantité d'ions argent présents dans la «solution de croissance». La deuxième voie est basée sur la variation de la quantité de CTAB qui peut être réduite à une concentration de 10 mM (proche de la concentration micellaire critique signalée par le fournisseur) pour obtenir des nanotiges courtes bien définies.

Protocol

1. Synthèse de l'or nanorods

Note: Utiliser de l'eau hautement purifiée à travers.

1. Préparation des graines d'or
   1. Dissoudre 364,4 mg de bromure d'hexadécyltriméthylammonium (CTAB) dans 5 ml d'eau, sous ultrasonication à 40 ° C jusqu'à ce que la solution devienne claire. Laisser la solution CTAB refroidir à la température ambiante.
   2. Séparément, préparer 5 ml d'acide tétrachloro (HAuCl ₄₎ dans l' eau (0,5 mM).
   3. Ajouter la solution de HAuCl ₄ à la solution de CTAB sous agitation magnétique vigoureuse, en maintenant la température constante à 27 ° C.
   4. Préparer 600 pi de borohydrure de sodium (NaBH ₄₎ solution dans l' eau (10 mM) à 4 ° C. Ajouter cette solution au mélange, sous agitation vigoureuse. Vérifiez si la couleur de la solution change immédiatement du jaune au brun.
   5. Agiter la suspension pendant 20 min avant utilisation. Conserver la suspension des semences pour plus de 24 h à la salle temperature.
   6. Vérifiez les dimensions des graines à l'aide d'un spectrophotomètre UV-Vis. Veiller à ce que les graines sont assez petit (environ 2 nm) à utiliser dans la préparation de nanotiges d'or par spectroscopie UV-visible.
      Remarque: Spectrum doit être semblable à ce qui est rapporté dans la figure 1 Grandes graines identifiées par la présence d'un pic plasmonique autour 505-520 nm ne doivent pas être utilisés parce qu'ils sont susceptibles de produire des nanoparticules sphériques..
2. Préparation de la "solution de croissance» de nanotiges d'or.
   1. Dissoudre 182,2 mg de CTAB avec 22 mg d'hydroquinone dans 5 ml d'eau à 40 ° C en utilisant des ultrasons. Refroidir la solution à 27 ° C.
   2. Préparer 200 ul de 4 mM de nitrate d'argent (AgNO ₃₎ de la solution.
   3. Séparément, on prépare 5 ml de solution 1 mM d'acide tétrachloroaurique (HAuCl _4).
   4. Tout d'abord ajouter la solution de nitrate d'argent préparée à l'étape 1.2.2. Ensuite, ajoutez le Hauc_I4 solution préparée à l' étape 1.2.3 à la solution de CTAB et de l' hydroquinone préparée à l' étape 1.2.1 , sous agitation magnétique.
   5. Immédiatement après, ajouter sous agitation magnétique 12 pi de la suspension de graines préalablement préparée selon le protocole rapporté à l'étape 1.1 et laisser le début de la réaction. Vérifiez si la suspension change de couleur en environ 30 min.
   6. Contrôler la formation des nanotiges en vérifiant le spectre de la suspension UV-visible, tel que décrit dans la section 4, toutes les 5 min. Continuez jusqu'à ce que le spectre est stable. Pour permettre la formation complète des nanotiges, laisser la suspension sous agitation pendant encore 30 minutes (Figure 2).
   7. Diviser la suspension dans des tubes (1 ml de suspension pour chaque tube) et centrifuger à 10 000 g pendant 10 min. nanotiges or forment un précipité noir au fond du tube.
   8. Remettre en suspension le précipité dans chaque tube 1 ml d'eau. Mélanger le contenu des tubes et stocker le suspension de nanotiges d'or à la température ambiante.
   9. Caractériser les nanorods obtenues par microscopie électronique la spectroscopie et la transmission UV-visible comme décrit dans la section 4 (Figure 3).

2. Réglage du rapport d'aspect de nanotiges faisant varier la concentration d'ions Ag ⁺

1. Préparer une solution de nitrate d'argent à une concentration de 4 mM en dissolvant 3,4 mg de AgNO ₃ dans 5 ml d'eau.
2. Préparer en trois flacons différents, la solution avec CTAB et hydroquinone comme décrit dans la section 1.2.1 et d'ajouter respectivement 100 pi, 150 pi ou 200 pi de solution de nitrate d'argent.
3. Ajouter la _HAuCl4 solution préparée selon l'étape 1.2.3 et procéder à la préparation de nanotiges d'or comme décrit au point 1.2.5.
4. Caractériser les nanotiges obtenus par spectroscopie UV-visible et la microscopie électronique à transmission. Flacons avec des quantités inférieures de Ag ⁺ seront reSult dans nanotiges plus courtes (rapport d'aspect de 2 et 2,2 respectivement) (figure 4).

3. Réglage du rapport d'aspect de nanotiges en variant la concentration de CTAB

1. Préparer différents lots de nanotiges d'or avec différentes concentrations de CTAB dans la «solution de croissance." Utiliser des concentrations de 10 mM à 100 mM pour produire nanotiges d'or ayant une taille différente et l'aspect ratio. Les concentrations de CTAB utilisées dans chaque expérience sont résumés dans le tableau 1 avec la quantité de milligrammes correspondant utilisé. Dissoudre les différentes quantités de CTAB toujours avec 22 mg d'hydroquinone dans 5 ml d'eau.
2. Ajouter 200 pi de solution de nitrate d' argent (préparée selon l'étape 1.2.2) et 5 ml de solution de HAuCl ₄ (préparé selon la façon décrite dans l' étape 1.2.3) dans chaque flacon sous agitation magnétique.
3. Ajouter 12 ul de graines suspension et d'observer le changement de couleur du mélange final.
4. Arrêtezl'agitation lorsque la couleur de la suspension et le spectre UV-visible sont stabilisés; le temps de réaction dépend de la concentration de CTAB dans la solution de croissance.
5. Centrifugeuse à 10.000 xg pendant 10 minutes et remettre en suspension dans l'eau.
6. Caractériser les nanotiges obtenus par spectroscopie UV-visible et la microscopie électronique à transmission. Une concentration plus faible de CTAB se traduira par des nanotiges plus courtes tandis qu'une concentration plus élevée donnera plus long mais plus nanotiges. Au contraire , le rapport d'aspect des nanorods sera plus élevé dans la plage d' environ 40-50 mM et diminuera à la fois à des concentrations inférieures et supérieures (figure 5 et figure 6).

4. Caractérisation de l'or nanorods

1. UV-visible Spectroscopie
   1. Diluer 100 ul de solution de nanotiges avec 400 ul d'eau dans un micro-cuvette en plastique et acquérir le spectre d'absorption UV-visible (longueur d'onde comprise entre 400 et 840 nm)selon le protocole du fabricant.
   2. Collecter les spectres UV-visible (longueur d'onde comprise entre 400 et 840 nm) de la solution de croissance de toutes les 5 min dans le but d'étudier la cinétique de la réaction.
2. Microscopie électronique à transmission (TEM)
   1. Recueillir des images MET de chaque échantillon de nanotiges, pour la mesure de la taille et du rapport d'aspect des nanotiges obtenus. Préparer les échantillons en plaçant une goutte de suspension (4 pi) sur un ultra-minces de 200 mailles des grilles de cuivre formvar enduit et laisser sécher à l'air à 4 ° C. Analyser l'échantillon au MET en utilisant une tension d'accélération de 200 kV, selon le protocole du fabricant.

Representative Results

Discussion

Le protocole présenté ici vaut hydroquinone, une molécule aromatique caractérisé par un faible potentiel de réduction, pour produire des nanotubes d'or. Il y a deux principaux avantages du présent protocole vers la voie de synthèse la plus couramment employée basée sur l'utilisation de l' acide ascorbique: la première est que l' hydroquinone est en mesure de réduire presque quantitativement les ions d'or permettant la production d' une quantité plus élevée de nanotiges d'or ¹¹ La. celle-ci est donnée par le fait qu'elle nécessite une moindre quantité de CTAB et une réduction substantielle des coûts subséquente. Le présent protocole est basé sur une approche en deux étapes qui traite avec une séparation de l'étape de nucléation de la croissance des nanofils. Nous avons remarqué que il est extrêmement important que la dimension des grains d'or utilisé est maintenu à environ 3 nm , comme suggéré par la spectroscopie UV-visible. ⁸ Au contraire, si des graines plus grosses ayant une dimension de 5 nm ou plus sont utilisés, on obtient inévitablement sphérique nanoparticules.

La croissance des nanotiges d'or peut être facilement suivie par spectroscopie UV-visible. des particules en forme de tige sont caractérisés par des spectres clairs avec deux pics correspondant aux deux dimensions différentes des tiges. En outre, cette technique peut être utilisée pour obtenir une première estimation du rapport d'allongement des tiges obtenues selon la loi empirique:

AR = 0,0078 • PP – 3.3

où AR est le rapport d'aspect empirique déterminé par MET analyse de l' image et du PP est la position du pic plasmonique par rapport à l'axe longitudinal exprimée en nanomètres. La présence du second pic plasmon dans la région du proche infrarouge du spectre est nécessaire pour confirmer la production de particules anisotropes. Cependant, il faut noter que l'AR obtenue grâce à cette équation est une simple corrélation empirique des résultats expérimentaux obtenus par MET et UV-Visible spectroscopie et doivent être confirmés pour chaque lot de produits AuNRs. Après la spectroscopie UV-visible confirme la formation complète de AuNR, la suspension est centrifugée afin d'éliminer l'excédent de CTAB présent dans la solution de croissance, puis les tiges sont mises en suspension dans l'eau pure, où ils semblent être stables pendant quelques mois à température ambiante. L'analyse MET est également nécessaire pour la caractérisation complète de la AuNR d'obtenir des informations précises sur la longueur et la largeur.

Le rapport d'aspect et la taille des nanoparticules obtenues peuvent être affinés de deux façons. De manière similaire à ce qui se fait couramment dans la synthèse des AuNRs à base d'acide ascorbique, de la quantité d'ions argent dans la solution de développement est capable de déterminer la formation de plus ou moins allongées formes. Ag ⁺ induit une rupture de symétrie des nanorods formant une fois que les graines ont atteint une taille d'environ 5-6 nm. ¹² Ainsi, une plus grande quantité d'ions argent dans la croissancela solution est capable d'induire la formation de longues AuNRs. Lorsque AuNRs avec différents rapports d'aspect sont préparés grâce à cette approche, la longueur de nanorods peut être réglé, mais la largeur reste à peu près constante et est légèrement diminuée lorsque les plus longues tiges (AR ≈ 3) sont faits. Un autre paramètre important est la quantité de CTAB utilisé dans la solution de croissance. La concentration de CTAB a été trouvée pour influencer non seulement le rapport d'aspect, mais aussi la taille des nanotiges. Fait intéressant, tandis que la longueur des nanofils obtenus dépend linéairement de la concentration de CTAB, le rapport d'aspect se comporte différemment et au maximum est observée lorsque CTAB est comprise dans l'intervalle entre 40 et 60 mM. Cela correspond au fait que la largeur des tiges reste constante à de faibles concentrations de CTAB, mais au-dessus de 50 mm, la largeur de la tige commence à augmenter provoquant la réduction de l'AR.

Pour résumer, nous avons démontré comment, en appliquant l'hydroquinone comme agent réducteur, il est possible pour préparer nanotiges en utilisant environ la moitié de la quantité de CTAB par rapport au protocole commun basé sur la réduction par l'acide ascorbique. En dépit du fait que cette approche est limitée à la préparation des nanotiges relativement courtes d'or avec un rapport d'aspect compris entre 2 et 3, nous nous attendons à ce qu'il puisse être facilement adoptée par d'autres groupes. En effet, même si elle est basée sur une petite modification de l'approche à base d'acide ascorbique standard, cette méthode peut améliorer considérablement les AuNRs donnent avec une réduction substantielle des coûts. De plus, il offre une bonne et fiable de contrôler la taille et le rapport d'aspect des particules synthétisées. Par conséquent, tous les avantages de ce protocole pourrait être utile pour une diffusion plus facile et efficace de nouvelles applications médicales des nanoparticules, parce que cette voie de synthèse plus pratique contribuera à développer l'approche biomédicale qui utilise nanorods dans la pratique clinique avec des avantages potentiels pour les patients.

Materials

Gold(III) chloride trihydrate	Sigma Aldrich	520918
Hydroquinone	Sigma Aldrich	H17902
Silver Nitrate	Sigma Aldrich	209139	toxic
Sodium Borohydride	Sigma Aldrich	480886
Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB)	Sigma Aldrich	H5882	Acute Tox. (oral). In this study we tested three different batches of CTAB (H5882) from Sigma Aldrich. Two of them were marked as made in China while one as made in India. In our experience only the batches marked as made in China were effective for the preparation of AuNR.
Spectrophotometer	Thermo scientific 	Nanodrop 2000C
TEM	JEOL	2100