Summary
两栖金纳米粒子可用于许多生物应用。提出了一种合成用配体二元混合物涂覆的金纳米粒子的协议,并给出了这些粒子的详细表征。
Abstract
金纳米粒子覆盖着1-辛他醇(OT)和11-mercapto-1-undecane硫酸(MUS)的混合物,因为它们与细胞膜、脂质双层和病毒的相互作用得到了广泛的研究。亲水配体使这些颗粒在水溶液中胶体稳定,与疏水配体结合产生一种两栖粒子,可以装载疏水药物,与脂质膜融合,并抵抗非特异性蛋白质吸附。其中许多特性取决于纳米颗粒大小和配体壳的组成。因此,拥有可重复的合成方法和可靠的表征技术,以便确定纳米粒子特性和配体壳组合物至关重要。这里介绍了一个一相化学还原,然后彻底纯化以合成直径在5nm以下的纳米颗粒。纳米粒子表面两个配体之间的比率可以通过合成过程中使用的化学计量比进行调优。我们演示了各种常规技术,如透射电子显微镜 (TEM)、核磁共振 (NMR)、热重力分析 (TGA) 和紫外线可见 (UV-Vis) 光谱仪如何综合结合描述纳米粒子的物理化学参数。
Introduction
金纳米粒子的配体外壳可以设计成表现出几个不同的特性,可用于应对生物医学1、2、3、4的挑战。这种多功能性可以控制纳米粒子和生物分子5、6、7之间的分子间相互作用。疏水性和电荷起决定性作用,以及其他影响纳米粒子与生物分子5、8、9相互作用的表面参数。为了调整纳米粒子的表面特性,根据所寻求的特性,选择构成配体壳的硫酸盐分子提供了无数的可能性。例如,具有疏水性和亲水性(例如,带电)端群的配体分子混合物通常用于生成两栖纳米粒子10、11。
这种类型的纳米粒子的一个突出例子是由OT和MUS(下称MUS:OT纳米粒子)的混合物保护,这些混合物已被证明具有许多相关特性12,13,14。首先,配体壳的组成为66%MUS(下同66:34 MUS:OT),纳米粒子的胶体稳定性高,在脱离子水以及磷酸盐缓冲盐水(1x,4 mM磷酸盐,150 mM NaCl)中,其重量高达33%。此外,这些颗粒不会以相对较低的pH值沉淀:例如,在pH2.3和盐浓度为1M NaCl15时,这些纳米粒子在胶体上稳定数月。配体壳上两个分子之间的化学计量比很重要,因为它决定了具有高离子强度16的溶液中的胶体稳定性。
这些粒子已被证明通过能量无关的通路1,12穿过细胞膜而不对细胞膜进行波刺。这些粒子和脂质双层之间的自发融合是它们通过细胞膜17扩散的基础。这种相互作用背后的机制是尽量减少接触疏水性溶剂可访问的表面面积和水分子与脂质双层融合18。与全MUS纳米粒子(外壳上只有MUS配体的纳米粒子)相比,混合MUS:OT纳米粒子(例如,在66:34 MUS:OT成分下)的水文性较高,增加了芯直径的跨度,而该直径可以与脂质融合双层18。配体壳的不同自组装组织与66:34 MUS:OT纳米粒子与各种蛋白质(如白蛋白和泛性蛋白)的不同结合模式相关,而全MUS粒子19。最近,据报道,66:34 MUS:OT纳米粒子可用作广谱抗病毒剂,由于MUS配体多价静电结合和OT配体非局部联结联结到辣椒,可不可逆转地消灭病毒。蛋白质14.在所有这些情况下,已经发现疏水性含量以及纳米粒子的核心大小决定了这些生物-纳米相互作用是如何发生的。这些不同特性的MUS:OT纳米粒子已经促使许多计算机模拟研究,旨在澄清支持MUS:OT粒子和各种生物结构,如脂质双层20之间的相互作用的机制。
MUS:OT 保护的Au纳米粒子的制备带来了一些挑战。首先,带电配体(MUS)和疏水配体(OT)是不可混用的。因此,在整个合成过程中以及表征过程中,都需要考虑到纳米粒子和配体的溶解度。此外,MUS配体分子的纯度——特别是起始材料中无机盐的含量——影响纳米颗粒的质量、可重复性以及短期和长期胶体稳定性。
这里概述了由MUS和OT混合物保护的这种两栖金纳米粒子的详细合成和表征。报告用于合成带负电荷的MUS配体的协议,以确保不同纳米粒子合成物的纯度,从而保证其可重复性。然后,详细报道了基于常见的一相合成,然后彻底纯化这些纳米粒子的生成过程。各种必要的表征技术21,如TEM,UV-Vis,TGA和NMR,已经结合,以获得任何进一步的生物实验所需的所有参数。
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Protocol
1. 合成11种甲苯甲酸酯(MUS)
注: 此协议可在所需的任何规模下使用。这里描述了 10 g 的产品量表。
- 脱脱钠-10-硫磺酸钠
- 添加 11-溴-1-未十进制 (25 mL, 111.975 mmol)、亚硫酸钠(28.75克、227.92毫摩尔)和溴化二铵(10mg)的混合物为200 mL甲醇(MeOH)和450 mL脱离子(DI)水(4:9 v/v MeOH:H2O比率),在1L圆底醇中.
- 在102°C下将反应混合物回流48小时。这种反应对大气气体不敏感。
注:反应完成后,溶液变为无色。 - 将反应混合物连接到旋转蒸发器,蒸发 MeOH 并将体积降至约 300 mL。
- 将剩余的溶液转移到1L加法漏斗。
- 使用添加漏斗用二乙醚提取剩余的水溶液5倍。未反应的11溴-1-未脱模烯留在二乙醚相和H2 O中的磺化产物中。
注意:在提取过程中经常释放任何压力积聚,并咨询添加漏斗的正确用法。 - 将最终萃取的水溶液收集到1L单颈圆底烧瓶中。
- 通过在烧瓶和疏水阀之间放置一点润滑脂(或铁氟龙环条或任何其他密封剂),将反应烧瓶连接到旋转蒸发器。
- 缓慢降低真空,在旋转蒸发器中蒸发水相。由于产品是表面活性剂,因此在蒸发过程中会发生发泡。若要避免此问题,请按照下一步中的说明操作。
- 在混合物中加入乙醇,加速H2 O的蒸发,防止发泡。当由于乙醇含量降低而重新启动发泡时,停止蒸发,从旋转蒸发器中取出烧瓶,添加更多乙醇(约占总体积的三分之一),并将烧瓶重新连接到旋转蒸发器。重复此过程,直到溶液混合物显著减少,并且不会形成气泡。
- 将烧瓶连接到高真空,直接干燥白色粉末。粉末越干燥,无机盐就会慢慢进入后续步骤。
注:热可用于干燥产品,例如,将烧瓶保持在真空下,在60°C的浴缸中,并过夜。 - 将白色粉末悬浮在400 mL甲醇的烧瓶中。声波溶解产品的最大量。
注:此步骤的目标是溶解产品,而不是无机副产品,如过量的亚硫酸钠和溴化钠,这些产品在甲醇中的溶解度有限。尽可能使用含水量最低的甲醇,因为甲醇中的水会增加溶剂中无机副产品的溶解度。 - 为了提高产品的溶解度,甲醇可以轻轻加热到接近其沸点(+64°C)的地方。
注意:在加热烧瓶期间,请确保在烟机罩下工作。蒸发的甲醇的烟雾是危险的。 - 过滤溶液,去除甲醇不溶性无机副产品。使用连接到真空泵的过滤瓶和带定量过滤纸的过滤漏斗或硼硅酸盐过滤器。产品和无机盐在干燥时均为白色粉末:产品可溶于甲醇,而盐则不溶于此。
- 将过滤溶液从过滤瓶转移到 1 L 圆底烧瓶。
- 将烧瓶连接到旋转蒸发器,在 45°C 下蒸发甲醇溶液,在甲醇中重新溶解白色粉末,并过滤溶液(协议步骤 1.1.7、1.1.8 和 1.1.9)。重复这个过程至少2次,以减少无机盐的量。
- 收集白色、甲醇可溶性粉末(在此比例下约 30 g)。
- 将约10毫克的产品溶解在500μL的D2 O中,并将溶液转移到NMR管中。
- 在 400 MHz 的 D2O 产品上执行1 个H NMR 光谱法,扫描 32 次。
注: 1H NMR (D2O) 的峰值分配为 5.97 (m, 1H), 5.09 (m, 2H), 2.95 (t, 2H), 2.10 (m, 2H), 1.77 (q, 2H), 1.44 (brs, 12H).
- 钠 11-乙酰硫磷酸钠
- 将约30克未脱硫-10-硫磺酸钠(第1.1节的反应产物)溶解在1L圆底烧瓶内的500 mL甲醇中。在溶液中加入过量的硫乙酸2.6倍,并在紫外线灯(250 W)前搅拌过夜(±12小时)。如果紫外线灯不可用,可通过使用基质发质器(如阿异异丁酸盐 (AIBN))进行反流反应;但是,强烈建议使用紫外线灯。
注意:确保随时在烟罩下工作。如果需要将烧瓶运送到紫外线灯所在的另一处空间,请密封烧瓶,以避免扩散硫乙酸的强烈气味。操作紫外线灯时应小心谨慎:完全遮挡灯泡所在的空间,并咨询机构有关如何操作紫外线灯的安全指南。 - 通过从反应中取取±2 mL等分,蒸发溶剂,并加入脱水以检查1H NMR,从而监测反应。一旦对应于双键的峰值消失,停止反应。
注:通常,在紫外线灯前12小时后,反应是完整的。如果反应混合物变得浑浊,加入更多的MeOH,并继续暴露在紫外线下6小时。 - 在旋转蒸发器中蒸发所有 MeOH,直到固体残留物变为橙色-红色。如果离开足够长的时间,产品将变为棕色到黑色。
注意:由于硫乙酸的强烈气味,工作要谨慎。任何硫酸盐泄漏的强烈气味都可以使用水溶液漂白剂(次氯酸钠)中和。 - 使用过滤瓶,用二乙醚清洗产品,以去除任何多余的硫乙酸,直到二乙醚上清液中不再出现有色(橙黄色)物质。在高真空下干燥固体,然后将其溶解在甲醇中,产生从黄色到橙色的溶液。
注:加入足够的甲醇溶解产品。
注: 在此步骤中,颜色可能会有所不同。 - 在溶液中加入3克炭黑,大力混合,并通过过滤介质过滤混合物(见材料表),覆盖三分之二的长笛滤纸。
注:炭黑的多孔结构捕获彩色副产物材料(和部分产品)。过滤后的解决方案应清晰。如果筛选的解决方案仍为彩色(黄色),请重复此过程。 - 在旋转蒸发器中完全蒸发溶剂,并收集约 35 克白色粉末。
- 将±10mg的产品溶解在+500 μL的D2 O中,并将溶液转移到NMR管中。
- 在 400 MHz 的 D2O 产品上执行1 HNMR,扫描 32 次。
注: H NMR (D2O) 的峰值分配为 2.93 (t, 4H), 2.40 (s, 3H), 1.77 (m, 2H), 1.62 (m, 2H), 1.45 (brs, 14H)。
- 将约30克未脱硫-10-硫磺酸钠(第1.1节的反应产物)溶解在1L圆底烧瓶内的500 mL甲醇中。在溶液中加入过量的硫乙酸2.6倍,并在紫外线灯(250 W)前搅拌过夜(±12小时)。如果紫外线灯不可用,可通过使用基质发质器(如阿异异丁酸盐 (AIBN))进行反流反应;但是,强烈建议使用紫外线灯。
- 11-梅卡托-1-脱硫剂(MUS)
- 在100 m L的400 mL1M HCl中,12小时回流钠11-乙酰硫硫-脱硫酸酯,以切出硫乙酸酯组并获得硫醇。
- 将产品转移到 1.5 L 或 2 L 圆底烧瓶。将 200 m L 的 1 M NaOH 添加到最终解决方案中,并加 400 mL 的 DI 水,最终体积为 1 L。这将保持溶液酸性,防止无机盐作为副产品结晶。
注:pH7溶液完全中和将导致不溶于甲醇的产品结晶。 - 将透明溶液保持在4°C,并在一夜之间结晶。该产品结晶为细晶体,在潮湿时粘稠。
注:要加速结晶,将预合成的 MUS 添加到解决方案(如果可用)。 - 在50mL离心管中将透明上清液和离心机分解至50mL离心管中5分钟,在4000 x g下。
- 将上清液放入另一个烧瓶中,在高真空下干燥白色颗粒,具体取决于可用的离心机,可以是 2 - 16 管或更多。
注意:由于产品的表面活性剂性质,不建议进行过滤;会发生过度发泡,大部分产品会丢失。 - 从这个纯化步骤中收集大约12克(约30%的屈服)甲醇可溶性MUS。
注意:请注意粉末是细的和静电的 ,它倾向于粘在铲子和容器的表面。此外,通过减小体积(约其原始值的三分之一)并将其保持在 4°C,可以从离心步骤的上清取更多材料。使音量降低更多(75%)以提高这一步的产量。 - 将±10mg的产品溶解在+500 μL的D2 O中,并将溶液转移到NMR管中。
- 在 400 MHz 的 D2O 产品上执行1 HNMR,扫描 32 次。
注:H NMR (D2O) 的峰值分配为 2.93 (t, 4H), 2.59 (t, 3H), 1.78 (m, 2H), 1.65 (m, 2H), 1.44 (brs, 14H)。该产品的计算摩尔质量(包括钠反氧化)为290.42克/摩尔。
2. 纳米粒子合成:试剂的制备
- 用新鲜的水酸(盐酸到硝酸三部分)清洁所有玻璃器皿(一个250 mL和一个 500 mL 单颈圆底烧瓶、100 mL 加漏斗和一个小漏斗)。用烟罩内的过量水冲洗玻璃器皿,并清除所有烟雾。然后用乙醇冲洗玻璃器皿,在实验室玻璃器皿烤箱中干燥(建议40-60°C)。
- 在小玻璃瓶(10或20 mL清洁玻璃瓶,或称量纸)中称量177.2毫克(0.45毫摩尔)的氯化物三水合物(HAuCl4+3H2O)。
- 在 20 mL 的玻璃瓶中称量 87 毫克 (0.3 mmol) MUS。
- 加入10 mL甲醇溶解MUS.在超声波浴中,直到看不到固体材料,以确保完全溶解。
注:或者,使用热枪或温浴(+60°C),轻轻加热溶液。加热时,将冷水流过烧瓶外侧,使其回到室温。 - 在甲醇溶液中加入26μL(0.15毫摩尔)OT,搅拌其混合配体。
- 称重500毫克(13毫摩尔)的硼氢酸钠(NaBH4),并将其加入250 mL圆底烧瓶中的100 mL乙醇中。使用磁性搅拌(600 - 800 rpm)大力搅拌。(根据等级的不同,NaBH4需要 10 到 20 分钟才能在乙醇中形成清晰的溶液。
3. 金纳米粒子的合成
- 将金盐溶解在500 mL圆底烧瓶中的100 mL乙醇中,并在800rpm时开始搅拌,搅拌板上有一个磁棒。确保金盐完全溶解。
- 将 100 mL 加法漏斗放在圆底烧瓶上方。将漏斗放在加法漏斗的顶部,内装有定量的纸张过滤器。当NaBH4溶解在乙醇中时,开始通过漏斗中的过滤纸将溶液过滤到添加漏斗中。
- 将配体溶液加入反应混合物中。等待15分钟,形成金-硫酸盐复合物。反应混合物的颜色变化从半透明黄色到浑浊黄色表明金-硫酸盐复合物的形成。
- 开始从添加漏斗滴入添加过滤的 NaBH4解决方案。调整跌落的间隔时间,以便添加 NaBH4大约需要 1 小时。
- 完全添加 NaBH4后,取出漏斗。继续搅拌反应一个小时。在反应结束时,使用放置在烧瓶外侧的磁铁拆下磁搅拌棒。
- 使用隔膜关闭烧瓶,将针刺入隔膜,释放反应后会演变的H2气体。
- 将反应混合物保存在实验室冰箱(4°C)内,过夜沉淀纳米颗粒。
4. 综合工作
- 去上清乙醇,以减少体积。
- 将剩余的沉淀物转移到50 mL离心管和离心机3分钟,在4,000 x g下。
- 分清上清液,用乙醇涡旋再次分散纳米粒子,然后再次离心。重复此洗涤过程 4 倍。
- 在真空下干燥纳米颗粒,去除残留乙醇。
- 要从游离亲水配体/分子中清除纳米颗粒,将沉淀物溶解在 15 mL 的 DI 水中,并将其转移到具有 30 kDa 截止分子量的过滤膜的离心管中。透析也适合这个程序。
- 在 4,000 x g下离心 5 分钟,以浓缩纳米颗粒溶液。
- 将 15 mL 的 DI 水加入此溶液中,然后离心机再次浓缩。重复此清洁过程至少 10 倍。
注:水溶性杂质已去除的一个迹象是,在搅拌水废物时无发泡;毕竟,大多数杂质是MUS的二硫化物本身或OT(这可以通过收集材料和执行1H NMR来确定)。 - 离心后,将浓缩纳米粒子转移到15 mL离心管中。要将纳米颗粒转化为可管理的粉末,请将其沉淀在溶剂(如丙酮)中,或冷冻干燥剩余的水溶液。当冷冻干燥时,纳米粒子往往形成一种松散的粉末,粘在表面,可能难以操作。
5. 纳米粒子的特性
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纯度
- 要检查纳米粒子是否不含未结合的配体,请在 600 μL 的 D2O 中溶解 5 mg 的干纳米颗粒,并执行1H NMR 测量。如果配体没有尖峰,这意味着纳米粒子没有小有机分子。
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连体比
- 准备20毫克/mL甲醇-d4碘溶液。将600μL的这种溶液加入玻璃瓶中的±5mg纳米颗粒中,蚀刻纳米颗粒。
- 用石蜡薄膜包裹小瓶盖,在超声波浴中声波20分钟。 将溶液转移到NMR管中,通过32次扫描获得1H NMR(400 MHz)频谱。
-
连体密度
- 将2至8毫克纳米颗粒转移到TGA熔炉中。在 N2气体下,选择 30°C 到 900°C 的温度范围,每分钟 5 °C 的速度。
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大小分布
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Tem
- 在DI水中制备0.1毫克/mL纳米颗粒溶液。将制备溶液的 5 μL 滴到 400 网格碳支持的铜网上。等待它变干。
- 将网格转移到 TEM 支架中,并将其插入显微镜中。获取 5 - 10 张图像,放大倍数至少为 64,000X,在 200 kV 下运行。
注:为了增加对比度,可以插入 20 nm 的物光圈。
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UV-Vis 光谱
- 在DI水中制备0.2mg/mL纳米颗粒溶液。
- 将所需量的溶液放入石英比色皿中,扫描200nm至700nm。
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Tem
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Representative Results
合成MUS的反应步骤如图1所示。图2中所示,每个步骤的积的1个H NMR光谱。图3描述了二元MUS:OT两亲基金纳米粒子的合成工作流程。合成后,纳米粒子的制造包括用乙醇和DI水多次清洗颗粒。在纳米粒子的任何特征化之前,未结合的自由配体中纳米粒子的清洁度由D2 O中的1H NMR监测,如图4所示。 纳米粒子的大小分布以TEM(图5a,b)为特征。通过获取UV-Vis光谱(图5c)测量局部表面质子共振吸收。
两个配体的比例是通过使用碘蚀刻金芯,获取1H NMR,并使用综合值计算每个配体的相对量来确定的。图 6显示了代表性光谱以及 NMR 峰值分配的过程。为了找到MUS和OT之间的配体比,我们计算了0.8-1(I 1),1.12- 1.55(I 2),1.6 - 1.9(I3)和2.6-3(I4)ppm之间的峰值的积分。I1峰值包含来自三个 OT 氢的信号,I2峰值来自 14 个 MUS 氢和 10 个 OT 氢的组合,I3和 I4峰值来自 4 个 MUS 氢和两个 OT 氢(每个峰值)。因此,要查找 OT 百分比,必须规范化 I1到 3 并应用以下表达式。
对于我2,
对于我3和I4,
这些计算表明 OT 与 MUS 的比率,假设系统中有一个任意的 OT 单位。对于图 6B,三个积分给出的 OT 百分比值相似(即,I 2、I3和 I4分别为 15.3、15.9 和 15.9)。
TGA 对纳米粒子的表面覆盖进行了研究,如图7所示。TGA、NMR 和 TEM 数据(图 3) 被组合起来计算配体密度,即表面积单位上的配体数,将粒子近似于球体。(此计算假定 Na 沸腾为 NaHSO3。TEM数据显示,纳米粒子的平均直径为2.4纳米,指向表面积(A=4pr 2)的约18.08nm 2(A=4pr 2)和7.23nm 3(Vpar= 4pr)每个粒子的体积 3/3 (V标准)黄金的密度为 19.9 g/cm 3,一个颗粒的质量为 1.3969 x 10-16 mg (质量颗粒= V 帕x黄金密度 = 7.23 nm3 x 19.9 g/cm3 x 10-18 毫米3/nm3)其余质量约 800 °C 对应于金芯,并且大约有 3.7 x 1016粒子 (Npar)使用Npar = (质量金/ 质量) 估计粒子)• 5.17毫克 / 1.3969 x 10-16毫克.粒子的总表面积 (A托) 是 6.69 x 1017 nm2 (A托+ N标准x A面值= 3.69 x 1016 x 18.08 nm2)。碘蚀刻纳米粒子的NMR显示,MUS:OT比为85:15,TGA中的有机含量为0.00146克。因此,有 3.26 x 1018配体 (N配体) 遵循 N配体的公式 = 质量有机/ ((ROT x MwOT) = (RMUS) x MwMUS) ) / (RMUS + ROT) x NAvogadro= [0.00146 g / ((15 x 146 g/mol) = (85 x 267.42 g/mol)) / (85 × 15° x (6.02 x 1023) = 3.26 x 1018.最后,配体密度为 4.8 配体/nm2,通过将 N配体除以A tot(4.8= 3.26 x 1018/6.69 x 1017 nm2) 来计算。图8比较了由各种合成产生的OT的测数比与NMR比率。
图1:MUS合成的原理图。MUS合成是两栖纳米粒子合成可重复性的关键。如果MUS含盐量高,配体石的化学计量比可能会偏离。X = 9。请点击此处查看此图的较大版本。
图2:在MUS合成(400 MHz)中每一步后分子的NMR光谱。(A) 此面板显示 D2O. ( B) 中未脱硫钠的1H NMR 光谱(B) 此面板显示 D2O ( C) 中 1 HNMR钠的 1H NMR 光谱显示了 D2O 中1 个H NMR 光谱的 11-mercapto-1-无脱硫盐。在所有光谱中,* 表示溶剂峰值。请点击此处查看此图的较大版本。
图3:两栖纳米粒子合成的原理图。(A) 该面板显示了使用乙醇作为溶剂的一相化学还原反应的制备。(B) 在添加还原剂之前,允许形成金硫化物。在这个阶段,金盐的溶液变得浑浊。(C) 在滴加入还原剂时,形成金纳米粒子。请点击此处查看此图的较大版本。
图4:未反应的游离配体中纳米颗粒的清洁度。(A) 此面板显示合成和真空干燥后纳米粒子的1H NMR 光谱。D2O 用作1H NMR 分析的溶剂。红色箭头显示的尖峰表示存在自由未绑定的配体。(B) 该面板显示经过彻底纯化(即用乙醇和DI水洗洗和离心)的纳米粒子的1HNMR光谱。红色箭头指向光谱的放大部分,其中峰是宽的,不像以前那样锋利,表明没有自由配体。在这两个光谱中,* 表示溶剂峰值。请点击此处查看此图的较大版本。
图5:纳米粒子的大小分布。(A) 这个面板显示了 MUS:OT 纳米粒子的代表性 TEM 图像.刻度条为 20 nm。(B) 此面板显示基于多个 TEM 图像的纳米粒子核心大小的直方图。(C) 纳米粒子的UV-Vis光谱显示纳米粒子在520nm左右的典型表面质子共振峰。请点击此处查看此图的较大版本。
图6:分体比计算。(A) 此面板显示二硫化物组合的代表性 NMR 光谱(作为核心蚀刻后配体参照物的参考值)和 MeOD-d4 中不同质子的峰值分配。(B) 此面板显示 MeOD-d4 中蚀刻纳米粒子的1个 H NMR 光谱。在所有光谱中,* 表示溶剂峰值。请点击此处查看此图的较大版本。
图7:分体密度分析。对纳米粒子进行了TGA测量,以确定有机材料(配体)的比例和密度。测量图绘制为权重百分比与。温度。OT 解构首先在 176 °C 到 233 °C 之间(垂直线)。MUS降解为更小的分子,并在800°C左右完全燃烧。剩余重量百分比对应于纳米粒子的金芯。请点击此处查看此图的较大版本。
图8:粒子OT的测数和NMR比的比较。通过改变反应中MUS和OT之间的起始化学计量比,可以调整纳米粒子的两性。误差条显示使用指示的测数比获得的OT含量的上限和下限。合成了10%、20%等(OT)高达90%的测深比,以观察纳米粒子表面OT含量的极限。 请点击此处查看此图的较大版本。
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Discussion
该协议首先描述了MUS配体的合成,然后描述了两栖MUS:OT金纳米粒子的合成和表征。在纳米粒子合成过程中,以最小的盐含量合成MUS,使配体之间的化学计量比具有更好的可靠性,这是可重复合成MUS:OT纳米粒子的关键因素,具有目标疏水性内容 (图 8)。甲醇作为MUS和OT的常见溶剂,以及乙醇中颗粒的合成,可以可靠地合成MUS:OT金纳米粒子。这里介绍的表征方法构成获得足够纳米粒子信息以验证其合成结果所需的最低限度的实验清单。
该协议有四个关键步骤:(一) 合成低含盐量的MUS,并在第二步中去除有色杂质,最终结晶纯MUS;(二) 调整和确定MUS和OT之间的化学计量比率;(三) 纳米粒子的建立;和(iv)纳米粒子的特性。
在纳米粒子的形成过程中,MUS优先与纳米粒子表面结合,这可能与产生的纳米粒子的溶解度有关。例如,使用蚀刻金纳米粒子的 1H NMR 数据计算时,MUS 和 OT 之间的 2:1 化学进给比可得出 15% 的 OT。因此,在合成粒子时必须使用较高的OT含量(图8),以获得具有较低MUS与OT比的纳米粒子;换句话说,一个更疏水的粒子。为了评估纳米粒子表面配体之间的化学计量比,有必要确保溶液中没有未结合的配体。无界配体的存在会影响纳米粒子配体比和密度的测定,以及可能导致错误解释的后续测试和实验。需要用不同溶剂(如乙醇和DI水)进行重复清洁,以消除所有未结合的配体和其他杂质(硼氢化钠、金离子等的副产品)。1H NMR对确认纳米粒子的纯度非常重要。由于纳米粒子复杂的化学环境,配体的线宽效应扩大了与配体对应的峰,而任何尖锐的信号都来自未结合的分子22。此外,由于流动性受限,无法检测到与邻用醇组相邻的亚甲基对应的 NMR 峰值,这是使用1H NMR 进行检测时纳米粒子的另一个特征。一旦纳米颗粒清洁,金属芯就会被碘蚀刻。碘蚀刻是一种成熟的方法,用于量化纳米粒子的配体比。例如,20年前,Murray等人报道了碘蚀刻后金纳米粒子的单层成分测定,其中碘分解金芯,释放硫化物配体为二氧化硫23。利用其他方法建立了碘蚀刻方法的可靠性;例如,Harkness等人报告说,从NMR获得的配体比与质谱测量24的偏差在1%以内。
TGA 是计算纳米粒子上有机含量的一种简单方法。表面配体密度估计假定所有硫化物配体与表面金原子结合,在纯化过程中所有游离配体均已去除。为了确定配体密度,进行了几个假设,主要是粒子是球形的,用于计算金芯的表面面积和包装密度。TEM 提供纳米粒子金芯的大小分布,可用于计算纳米粒子的近似表面积。此处描述的纳米粒子合成产生平均直径为 2 - 3 nm 且尺寸偏差高达 30% 的多分散粒子群。此外,用于计算一个粒子的平均体积(将粒子近似于球体)的平均半径与黄金的密度相结合,可以计算一个纳米粒子的质量。然后,TGA 测量的质量超过 800 °C,可以计算最初存在的粒子数量。通过使用此值和平均核心大小,可以估计金纳米粒子的总表面积。根据使用 1H NMR 光谱获得的数据计算出的配体比允许计算纳米粒子表面配体摩尔数。配体与金纳米粒子表面积之间的摩尔比提供配体密度(图7)。清洁纳米粒子每纳米2有大约4个配体。如果每种配体都已知从金表面解吸的温度间隔,并且解吸发生在不同的温度范围内,TGA 数据也可用于估计配体比。
总之,该协议提供了一种简单明了的方法,以低盐含量合成MUS配体和MUS:OT两亲性金纳米粒子。这些纳米粒子可重复性的关键因素之一是所使用的MUS中的无机盐含量低。这些纳米粒子作为粉末和溶液(如H2 O和生理相关颗粒)都保持稳定,这应作为许多应用的先决条件加以强调。两栖纳米粒子的大小和表面特性的彻底表征对于两栖性程度可能起关键作用的未来应用至关重要。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
Z.P.G.和F.S.感谢瑞士国家科学基金会,特别是NCCR"分子系统工程"。Z.L.和F.S.感谢瑞士国家科学基金会第二部分赠款的支持。所有作者感谢曲昂富有成果的讨论和校对手稿。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 11-bromo-1-undecene | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| Sodium Sulfite | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| Benzyltriethyl-ammonium bromide | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| Methanol | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| DI water | Millipore | ZRXQ003WW | Deionized water |
| 1 L round bottom flask | DURAN | 24 170 56 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| Stirring bar | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| Dow Corning High Vacuum Grease | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| Filtering flask | DURAN | 20 201 63 | |
| Filtering Buchner Funnel | FisherSci | 11707335 | |
| Ethanol >99.8%, ACS, Reagent | VWR | 2081.321DP | |
| Deuterium dioxide | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| Thioacetic acid 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| Carbon black | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| Celite | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | Filtration medium |
| Condenser | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent 37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| Centrifuge tubes | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 46 | |
| Nitric acid, fACS reagent 70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| Gold(III) chloride trihydrate >99.9% trace metal basis | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-octanethiol >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| Sodium Borohydride purum p.a.>96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| addition funnel | SIgma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| Funnel | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V folded filtering papers | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon filters | Merck | UFC903024 | |
| Iodine, ACS reagent, >99.8%, solid | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision) | Armar | 32210.503 | Length 178 mm |
| Methanol-d4 99.8 atom%D | Armar | 16400.2035 | |
| TGA crucible | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 mesh carbon supported copper grid | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| quartz cuvette | Hellma Analytics | 100-1-40 |
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