金ナノロッドのヒドロキノンベースの合成

サマリー

この論文では、還元剤としてのヒドロキノンの使用に加え、それらのサイズおよびアスペクト比を制御するための異なるメカニズムに基づいて、金ナノロッドの合成のためのプロトコルを記載しています。

要約

金ナノロッドは、特異なプラズモニック特性を特徴とする重要な種類のナノ粒子です。ナノテクノロジーで広く使用されているにもかかわらず、金ナノロッドの調製のための合成方法はまだ完全には最適化されていません。この論文では、マイルドな還元剤としてのハイドロキノンの使用に基づく、新しい高効率の2ステッププロトコルについて説明します。私たちのアプローチでは、「成長溶液」中に存在するヘキサデシル臭化トリメチルアンモニウム(CTAB)と銀イオン(Ag⁺)の量を変えるだけで、サイズとアスペクト比(AR)を適切に制御したナノロッドを調製できます。この方法を用いることにより、細長い形状を得るために必要な高価で細胞毒性のある試薬であるCTABの量を著しく減らすことが可能です。アスペクト比が約3の金ナノロッドは、わずか50 mMのCTABの存在下で得ることができます(アスコルビン酸の使用に基づく標準プロトコルで使用される100 mMに対して)、より短い金ナノロッドは10 mMという低い濃度で得られます。

概要

金ナノ粒子（AuNPs）は、生物医学的用途で使用される最も普及していると有望なナノ構造の一つです。それらの使用は、多くのポイントオブケアインビトロ診断製品のに必須である¹は、他の多数の異なる用途のための有効なツールとして提案されている^：2薬物送達システム³としてとして、画像化研究における造影剤として光誘起温熱療法（または光熱治療）のための薬^。4 AuNPsの大きな可能性は、最後の20年間で、サイズ上のコントロールを向上させ、得を形成することができる新しい合成法の開発に熱心な研究を推進してきました^。5 AuNPsの異なる種類は、実際には特定のアプリケーションのために他のものよりも適しているためです。

別の金ナノ構造体、金ナノロッド（AuNRs）の中で最も興味深いシステムの一つとして浮上しています。 AuNRsは2 plasmoによって特徴づけられます縦及び横軸に沿った電子の振動に関連したNICのピークは、それぞれ、 ^図6には、ロッドのアスペクト比に応じて、最も強い縦ピークの位置が正確に620乃至800nm ​​のを調整することができることは特に重要です。この領域は、ヒト組織はほとんどAuNPsを含むin vivoでのフォトニックアプリケーションの数の開発を可能にする、光を吸収しない生体の窓^、7と一致します。

ナノ構造のこの種の巨大な関心にもかかわらず、AuNRsの調製のための合成プロトコルは、いくつかの制限を受けます。ほとんどの場合、ナノロッドは、サウおよび共同研究者によって開発された二段階の方法に従って調製された^。8それらのプロトコルでは、ナノロッドは、予め形成された金種、銀イオンと多量の存在下でアスコルビン酸を用いた金イオンを還元することにより合成されますヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド（CTAB）、交流のationic線形界面活性剤。

CTABのこのプロトコルの欠点は、金イオンの還元の収率が比較的低いこと（約^20％）9と、高量、より多くの合成における試薬の総コストの半分以上を占める高価な試薬必要とされています。新しい、より効率的な合成経路の開発はAuNRsに基づいて生物医学的なアプローチの広がりを可能にする、重要な必要性がそこから考えられています。

本研究の最初の部分では、約3のアスペクト比を有するAuNRの調製のための最適化されたプロトコルを提示します。合成は、穏やかな還元剤としてハイドロキノンを使用することに基づいており、それは、CTABの低減量を利用して、金イオンのほぼ定量的な還元とAuNRの製造を可能にする^。10 AuNRsの調製のためのこのプロトコルの基礎と金種を「成長ゾルで使用される2つのステップのアプローチにution」。

第二部では、我々は次の2つの方法でチューニングを得AuNRのサイズとアスペクト比を細かくする方法を示しています。アスコルビン酸に基づく標準プロトコルと同様の第一の方法は、「成長溶液」中に存在する銀イオンの量を変化させることです。第二の方法は、明確に定義された短いナノロッドを得るために、（供給者によって報告された臨界ミセル濃度に近い）10 mMの濃度まで低減することが可能CTABの量の変動に基づいています。

プロトコル

金ナノロッドの1の合成

注：全体で高度に精製された水を使用してください。

1. 金の種子の準備
   1. 溶液が透明になるまで40℃で超音波下で、5ミリリットルの水に臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム（CTAB）の364.4 mgの溶かします。 CTAB溶液を室温まで冷却してみましょう。
   2. 別に、水（0.5ミリモル）に四塩化金酸（のHAuCl _4）の5ミリリットルを準備します。
   3. 27℃の温度を一定に保ち、激しく磁気攪拌しながらCTAB溶液へのHAuCl ₄溶液を加えます。
   4. 水素化ホウ素ナトリウムの600μlの（のNaBH _4）4℃の水（10 mM）の溶液を準備します。激しく撹拌しながら混合物に、このソリューションを追加します。ソリューションの色がすぐに茶色がかった黄色から変更されているか確認してください。
   5. 使用前に20分間の懸濁液を撹拌します。部屋のテンペラで、もはや24時間以上の種のサスペンションを保存しませんチャー。
   6. 紫外可視分光光度計を用いて、種子の大きさを確認してください。種子は紫外可視分光法によって金ナノロッドの製造に使用される（約2nm）十分に小さいことを確認してください。
      注：スペクトルを図1に報告されるものと類似していなければならない彼らは、球状ナノ粒子を製造する可能性があるので、505から520ナノメートルの周りのプラズモンピークの存在によって同定大きな種子が使用することはできません。
2. 金ナノロッドの「 成長溶液 」を調製します。
   1. 超音波を用いて40℃で5ミリリットルの水で22mgのヒドロキノンと一緒に182.2 mgのCTABを溶かします。 27°Cにソリューションをクールダウン。
   2. 4 mMの硝酸銀（AgNO ₃を）溶液200μlを準備します。
   3. これとは別に、四塩化金酸（のHAuCl _4）の1 mM溶液の5ミリリットルを準備します。
   4. 最初のステップ1.2.2で調製した硝酸銀溶液を追加します。その後、HAuCを追加リットル₄溶液は、磁気撹拌下、ステップ1.2.1で製造したCTAB及びヒドロキノンの溶液にステップ1.2.3で製造しました。
   5. 直後、以前のプロトコルに従って調製した種子懸濁液の12μlのは、ステップ1.1で報告された磁気攪拌下で添加し、反応開始をしましょう​​。懸濁液を約30分間で色が変化するかどうかを確認してください。
   6. セクション4、5分毎に記載されているように、懸濁液のUV-可視スペクトルを確認することによりナノロッドの形成を制御します。スペクトルが安定するまで進みます。ナノロッドの完全な形成を可能にするために、さらに30分（ 図2）攪拌下にサスペンションを残します。
   7. 10分10,000×gでチューブ内の懸濁液（各チューブ用懸濁液1ml）および遠心分離機を分割します。金ナノロッドは、チューブの底の暗い沈殿物を形成します。
   8. 水の1ミリリットルで、各チューブの沈殿物を再懸濁します。チューブの内容を一緒に混ぜ、SUSPを保存室温での金ナノロッドのension。
   9. 部4（ 図3）に記載のようにUV-可視分光法及び透過電子顕微鏡法によって得られたナノロッドを特徴付けます。

2のAg ⁺イオンの濃度を変えることによって、ナノロッドのアスペクト比の調整

1. 5mlの水に3.4ミリグラムのAgNO _3を溶解_し 、4 mMの濃度で硝酸銀溶液を準備します。
2. セクション1.2.1で説明したように、3つの異なるバイアルCTABを含む溶液とハイドロキノンで準備し、それぞれ100μlを、150μlあるいは硝酸銀の溶液200μlを追加します。
3. 1.2.3ステップとポイント1.2.5から説明したように金ナノロッドの準備を続行するに従って調製のHAuCl ₄溶液を加えます。
4. UV-可視分光法および透過型電子顕微鏡によって得られたナノロッドを特徴付けます。 Ag ⁺の低い量のバイアルを再ます短いナノロッドでSULT（それぞれ2および2.2のアスペクト比）（ 図4）。

3. CTABの濃度を変えることにより、ナノロッドのアスペクト比のチューニング

1. 「成長溶液」にCTAB濃度の異なる金ナノロッドの異なるバッチを準備します。利用異なるサイズ及びアスペクト比を有する金ナノロッドを生成するための10mMから100mMの濃度。各実験で使用CTABの濃度を使用ミリグラムの対応する量で、表1にまとめます。水5ml中のハイドロキノンの22 mgのと常にCTABの異なる量を溶解させます。
2. 磁気攪拌下で各バイアルに（ステップ1.2.3で説明した方法に従って調製）（ステップ1.2.2に従って調製）硝酸銀溶液200μlを加え、のHAuCl ₄溶液の5ミリリットル。
3. 種子懸濁液12μlを添加して、最終混合物の色の変化を観察します。
4. やめるサスペンションの色と紫外可視スペクトルが安定している攪拌。反応時間は、成長溶液中のCTAB濃度に依存します。
5. 水に10分間再懸濁し、10,000×gで遠心分離します。
6. UV-可視分光法および透過型電子顕微鏡によって得られたナノロッドを特徴付けます。より高い濃度が長いが、大きなナノロッドを与える一方でCTABの低い濃度は、短いナノロッドになります。逆にナノロッドのアスペクト比は40〜50 mMの周りの範囲で高くなり、より低いおよびより高い濃度（ 図5及び図6）の両方で減少します。

金ナノロッドの4キャラクタリゼーション

1. UV-可視分光法
   1. プラスチック製のマイクロキュベットに水を400μlとナノロッド溶液100μlを希釈し、紫外可視吸収スペクトル（400〜840 nmの波長範囲）を取得製造業者のプロトコルに従って。
   2. 反応の動力学を研究するために、成長溶液5分毎のUV-可視スペクトル（波長範囲400〜840 nm）を収集します。
2. 透過型電子顕微鏡（TEM）
   1. サイズの得られたナノロッドのアスペクト比の測定のために、ナノロッドの各サンプルのTEM画像を収集します。超薄型ホルムバールコーティングされた200メッシュの銅グリッド上に1滴の懸濁液（4μl）を配置することによって、サンプルを調製し、4℃で空気中で乾燥するままにしておきます。製造業者のプロトコルに従って、200 kVの加速電圧を使用してTEMでのサンプルを分析します。

結果

金種のUV可視スペクトルを図1に見ることができる。金種の注射後の異なる時点で取得されたUV可視スペクトルは、図に示されている2。UV可視スペクトルや透過型電子顕微鏡（TEM）像を得られた金ナノロッドの図3に示されている。銀イオンの量を変化させることによって得られた異なるアスペクト比を有する金ナノロッドのUV可視スペクトルや透過型電子顕微鏡（TEM）像を図5及び6の成長溶液中に、図4およびCTABで実証されています。 UV可視スペクトルは、異方性金ナノ粒子の形成を観察し、アスペクト比の目安を得るために使用されます。 TEM画像はAuNRsの正確なアスペクト比を評価するために、結晶構造を証明するために、ナノ構造の形態を決定するために使用されます金の。

ディスカッション

ここに提示プロトコルは、金ナノロッドを生成するために、ヒドロキノン、弱い還元電位によって特徴付けられる芳香族分子を適用します。アスコルビン酸の使用に基づいて、最も一般的に使用される合成経路に向けて、本プロトコルの2つの主な利点がある：第一は、ヒドロキノンがほぼ定量的に金ナノロッドの多量の産生を可能にする金イオンを還元することが可能であるということである^11。後者は、それがCTABの低い量とコストのその後の実質的な低減を必要とするという事実によって与えられます。現在のプロトコルは、ナノロッドの成長からの核生成工程の分離を扱う2段階のアプローチに基づいています。我々は、UV-可視分光法によって示唆されるようにそれが使用される金種の大きさが3nmの周りに保たれることが極めて重要である気づいた^。8逆に5nm以上の寸法を有するより大きな種子を使用する場合、我々は必然的に球状の取得しますナノ粒子。

金ナノロッドの成長を容易にUV-可視分光法により追跡することができます。棒状粒子がロッドの二つの異なる寸法に対応する二つの明確なピークを有するスペクトルに...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
塩化金(III)三水和物	Sigma Aldrich	520918
Hydroquinone	Sigma Aldrich	H17902
硝酸銀	Sigma Aldrich	209139	有毒
水素化ホウ素ナトリウム	Sigma Aldrich	480886
臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム(CTAB)	Sigma Aldrich	H5882	急性毒素。(口頭)。この研究では、Sigma AldrichのCTAB(H5882)の3つの異なるバッチをテストしました。そのうちの2つは中国製とマークされ、1つはインド製とマークされました。私たちの経験では、中国製とマークされたバッチのみがAuNRの調製に効果的でした。
分光光度計	Thermo scientific	ナノドロップ 2000C
TEM	JEOL	2100

な