Hydrochinon Based Synthese van Gold nanorods

Samenvatting

Dit artikel beschrijft een protocol voor de synthese van goud nanorods, gebaseerd op het gebruik van hydrochinon als reductiemiddel, plus de verschillende mechanismen voor het regelen van de grootte en beeldverhouding.

Samenvatting

Gouden nanostaven zijn een belangrijke soort nanodeeltjes gekenmerkt door eigenaardige plasmonische eigenschappen. Ondanks hun wijdverbreide gebruik in nanotechnologie, zijn de synthetische methoden voor de bereiding van gouden nanostaven nog niet volledig geoptimaliseerd. In dit artikel beschrijven we een nieuwe, zeer efficiënte, tweedelige protocol gebaseerd op het gebruik van hydrochinon als een mild reducerend middel. Onze aanpak maakt het mogelijk om nanostaven te bereiden met een goede controle over de grootte en aspectverhouding (AR) door eenvoudigweg de hoeveelheid hexadecyltrimethylammoniumbromide (CTAB) en zilverionen (Ag⁺) te variëren die aanwezig zijn in de "groeilossing". Door deze methode te gebruiken, is het mogelijk om de hoeveelheid CTAB, een dure en cytotoxische reagens, die nodig is om de langwerpige vorm te verkrijgen, aanzienlijk te verminderen. Gouden nanostaven met een aspectverhouding van ongeveer 3 kunnen worden verkregen in aanwezigheid van slechts 50 mM CTAB (in tegenstelling tot 100 mM gebruikt in het standaardprotocol op basis van het gebruik van ascorbinezuur), terwijl kortere gouden nanostaven worden verkregen met een concentratie zo laag als 10 mM.

Inleiding

Gouden nanodeeltjes (AuNPs) zijn een van de meest voorkomende en veelbelovende nanostructuren voor gebruik in biomedische toepassingen. Het gebruik daarvan in vele point-of-care in vitro diagnostica ¹ Zij werden voorgesteld als een effectief hulpmiddel voor een aantal andere verschillende toepassingen. Als contrastmiddel in imaging studies, ² als geneesmiddelafgiftesysteem ³ en als geneesmiddelen voor licht geïnduceerde thermotherapie (of fotothermische therapie). ⁴ het grote potentieel van AuNPs heeft gedreven, in de afgelopen twintig jaar intensief onderzoek naar de ontwikkeling van nieuwe synthese die in staat is de controle op de vergroten en vorm verkregen. ⁵ dit komt omdat verschillende AuNPs in feite meer geschikt dan anderen voor specifieke toepassingen.

Van de verschillende goud nanostructuren, goud nanorods (AuNRs) hebben zich ontwikkeld tot een van de meest interessante systemen. AuNRs worden gekenmerkt door twee plasmonic horen bij de oscillatie van elektronen langs de longitudinale en transversale assen resp. ⁶ Het is bijzonder belangrijk dat de positie van de meest intense longitudinale piek kan volledig aangepast worden tussen 620 en 800 nm, afhankelijk van de verhouding van de stangen . Dit gebied komt overeen met de biologische venster ⁷ waarbij de menselijke weefsels vrijwel geen licht absorberen, waardoor de ontwikkeling van een aantal in vivo fotonische toepassingen waarbij AuNPs.

Ondanks een grote belangstelling voor dit soort nanostructuren, synthetische protocollen voor de bereiding van AuNRs lijden aan verscheidene beperkingen. In de meeste gevallen worden nanorods bereid volgens een tweestaps werkwijze ontwikkeld door Sau en medewerkers. ⁸ in het protocol worden nanorods gesynthetiseerd door reductie goudionen behulp ascorbinezuur in aanwezigheid van voorgevormde goud zaden, zilverionen en een grote hoeveelheid van hexadecyl trimethylammonium bromide (CTAB), acationic lineaire oppervlakteactieve stof.

Het nadeel van dit protocol is dat de vermindering opbrengst van goudionen relatief laag (ongeveer 20%) ⁹ en die een grote hoeveelheid CTAB, een duur reagens die meer goed dan de helft van de totale kosten van de reagentia in de synthese, is nodig. De ontwikkeling van een nieuwe en efficiëntere synthetische route daaruit als een belangrijke nodig, waardoor de verspreiding van biomedische benaderingen op basis van AuNRs.

In het eerste deel van het onderhavige document presenteren we een geoptimaliseerd protocol voor de bereiding van AuNR met een aspectverhouding van ongeveer drie. De synthese is gebaseerd op het gebruik van hydrochinon als een mild reductiemiddel en maakt de bereiding van AuNR met een bijna kwantitatieve reductie van goud ionen, met gebruikmaking van een verminderde hoeveelheid CTAB. ¹⁰ Dit protocol voor de bereiding van de AuNRs berust op een aanpak in twee fasen waar goud zaden worden gebruikt in een "groei solution ".

In het tweede deel, laten we zien hoe fijn afstemmen van de omvang en de hoogte-breedteverhouding van de verkregen AuNR op twee manieren. De eerste manier, vergelijkbaar met het standaard protocol gebaseerd op ascorbinezuur, is de hoeveelheid zilver ionen in de "groei oplossing" variëren. De tweede manier is gebaseerd op de variatie van de hoeveelheid CTAB die tot een concentratie van 10 mM (nabij de kritische micellaire concentratie door de leverancier gerapporteerd) welomschreven korte nanorods verkrijgen kan worden verminderd.

Protocol

1. Synthese van Gold nanorods

Opmerking: Gebruik sterk gezuiverde water in.

1. Bereiding van het goud zaden
   1. Los op 364,4 mg hexadecyltrimethylammoniumbromide (CTAB) in 5 ml water onder ultrasone trillingen bij 40 ° C totdat de oplossing helder wordt. Laat de CTAB oplossing afkoelen tot kamertemperatuur.
   2. Afzonderlijk bereid 5 ml tetrachlorogoudzuur (HAuCl ₄₎ in water (0,5 mM).
   3. Voeg de HAuCl ₄ oplossing van het CTAB-oplossing onder krachtig magnetisch roeren, waarbij de temperatuur constant op 27 ° C.
   4. Bereid 600 pi natriumboorhydride _(NaBH4) in water (10 mM) bij 4 ° C. Voeg deze oplossing toe aan het mengsel onder krachtig roeren. Controleer of de kleur van de oplossing onmiddellijk verandert van geel naar bruin.
   5. Roer de suspensie gedurende 20 min vóór gebruik. Bewaar de zaden schorsing niet langer dan 24 uur bij kamertemperatuur temperatuur.
   6. Controleer de afmetingen van de zaden met UV-Vis spectrofotometer. Zorgen dat de zaden zijn klein genoeg (ongeveer 2 nm) te gebruiken bij de bereiding van goud nanorods met UV-spectroscopie.
      Opmerking: Spectrum moet vergelijkbaar met wat wordt weergegeven in figuur 1 zijn grote zaden geïdentificeerd door de aanwezigheid van een plasmon piek rond 505-520 nm mag niet worden gebruikt omdat ze waarschijnlijk bolvormige nanodeeltjes..
2. Bereiding van de "groei oplossing" gouden nanorods.
   1. Los op 182,2 mg CTAB samen met 22 mg hydrochinon in 5 ml water bij 40 ° C via ultrasone trillingen. Koel de oplossing tot 27 ° C.
   2. Bereid 200 pi 4 mM zilvernitraat (AgNO ₃₎ oplossing.
   3. Afzonderlijk bereid 5 ml 1 mM oplossing van tetrachlorogoudzuur (HAuCl _4).
   4. Voeg eerst de zilvernitraatoplossing bereid in stap 1.2.2. Voeg vervolgens de HAuCl ₄ bereid in stap 1.2.3 aan de oplossing van CTAB en hydrochinon bereid in stap 1.2.1 onder magnetisch roeren.
   5. Onmiddellijk na toevoegen onder magnetisch roeren 12 gl van de suspensie zaden vooraf bereid volgens het voorschrift vermeld in stap 1,1 en laat de reactie start. Controleer of de suspensie kleur verandert in ongeveer 30 minuten.
   6. Controle van de vorming van de nanorods door het controleren van de UV-zichtbare spectrum van de ophanging, zoals beschreven in hoofdstuk 4, om de 5 min. Doorgaan totdat het spectrum stabiel. Om de complete vorming van de nanorods toe, laat de suspensie onder roeren nog 30 min (figuur 2).
   7. Verdeel de suspensie in buisjes (1 ml suspensie per buis) en gecentrifugeerd bij 10.000 xg gedurende 10 min. Goud nanorods vormen een donker neerslag op de bodem van de buis.
   8. Resuspendeer de neerslag van elke buis in 1 ml water. Meng de inhoud van de buizen en bewaar de suspension goud nanorods bij kamertemperatuur.
   9. Karakteriseren nanorods verkregen door UV-spectroscopie en transmissie-elektronenmicroscopie zoals beschreven in hoofdstuk 4 (figuur 3).

2. Tuning De beeldverhouding van nanorods door het variëren van de concentratie van Ag ⁺ ionen

1. Bereid een zilvernitraatoplossing met een concentratie van 4 mM, oplossen 3,4 mg AgNO ₃ in 5 ml water.
2. Bereid drie verschillende flesjes de oplossing met CTAB en hydrochinon zoals beschreven in sectie 1.2.1 en voeg respectievelijk 100 ul, 150 ul of 200 ul zilvernitraatoplossing.
3. Voeg de HAuCl ₄ oplossing bereid volgens stap 1.2.3 en ga verder met de voorbereiding van goud nanorods zoals beschreven vanaf punt 1.2.5.
4. Karakteriseren nanorods verkregen door UV-spectroscopie en transmissie elektronenmicroscopie. Flesjes met lagere hoeveelheden van Ag ⁺ zal opnieuwsult kortere nanorods (verhouding van 2 en 2,2 respectievelijk) (figuur 4).

3. Tuning De beeldverhouding van nanorods door het variëren van de concentratie van CTAB

1. Bereid verschillende partijen goud nanorods met verschillende concentraties CTAB in de "groei oplossing". Gebruiksconcentraties van 10 mM tot 100 mM goud nanorods met verschillende en aspectratio produceren. De concentraties CTAB die in elk experiment zijn samengevat in tabel 1 met de overeenkomstige hoeveelheid milligram gebruikt. Los de verschillende hoeveelheden CTAB altijd 22 mg hydrochinon in 5 ml water.
2. Voeg 200 ul van zilvernitraatoplossing (bereid volgens stap 1.2.2) en 5 ml HAuCl _4-oplossing (bereid volgens wat is beschreven in stap 1.2.3) in elk flesje onder magnetisch roeren.
3. Voeg 12 ul van zaden schorsing en let op de verandering in de kleur van het uiteindelijke mengsel.
4. Stophet roeren dat de opschorting van de kleur en de UV-zichtbare spectrum zijn gestabiliseerd; de reactietijd afhangt van de CTAB-concentratie in de oplossing groei.
5. Centrifugeer bij 10.000 xg gedurende 10 min en resuspendeer in water.
6. Karakteriseren nanorods verkregen door UV-spectroscopie en transmissie elektronenmicroscopie. Een lagere concentratie van CTAB leidt tot kortere nanorods terwijl een hogere concentratie langer maar grotere nanorods geven. Op Integendeel de beeldverhouding van het nanorods hoger in het traject rond 40-50 mM en zullen beide afnemen bij lagere en hogere concentraties (Figuur 5 en Figuur 6).

4. Karakterisering van Gold nanorods

1. UV-zichtbaar spectroscopie
   1. Verdun 100 gl nanorods oplossing met 400 ul water in een plastic micro-cuvette en het verwerven van de UV-zichtbare absorptiespectrum (golflengtegebied tussen 400 en 840 nm)volgens het protocol van de fabrikant.
   2. Verzamel UV-zichtbare spectrum (golflengte tussen 400 en 840 nm) van de groei elke oplossing 5 minuten om de kinetiek van de reactie te bestuderen.
2. Transmissie Elektronen Microscopie (TEM)
   1. Verzamel TEM beelden van elk monster nanorods Voor de bepaling van de omvang en de verhouding van de verkregen nanorods. Bereid de monsters door het plaatsen van een daling van de suspensie (4 pl) op een ultra-dunne-Formvar gecoate 200 mesh koper grids en laat het drogen aan de lucht bij 4 ° C. Analyseer het monster bij TEM met een versnellingsspanning van 200 kV volgens het protocol van de fabrikant.

Resultaten

UV-zichtbare spectra van de gouden zaadjes te zien in figuur 1. UV- zichtbare spectra verkregen op verschillende tijdstippen na de injectie van het goud zaden worden weergegeven in figuur 2. UV- zichtbare spectrum en transmissie elektronen microscopische (TEM) beelden van de verkregen goud nanorods worden getoond in Figuur 3. UV- zichtbare spectrum en transmissie elektronen microscopische (TEM) beelden van goud nanorods met verschillende...

Discussie

Het protocol hier gepresenteerde toepassing hydrochinon, een aromatische molecule gekenmerkt door een zwakke reductiepotentieel om goud nanorods te produceren. Er zijn twee belangrijke voordelen van de onderhavige protocol naar de meest gebruikte syntheseroute gebaseerd op het gebruik van ascorbinezuur: de eerste is dat hydrochinon kan bijna kwantitatief verminderen goudionen waardoor de productie van grotere hoeveelheid goud nanorods ^11. Hieraan wordt doordat het een kleinere hoeveelheid CTAB en een daaropvo...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Gold(III) chloride trihydrate	Sigma Aldrich	520918
Hydroquinone	Sigma Aldrich	H17902
Silver Nitrate	Sigma Aldrich	209139	toxisch
Sodium Borohydride	Sigma Aldrich	480886
Hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB)	Sigma Aldrich	H5882	Acute Tox. (oraal). In dit onderzoek hebben we drie verschillende batches van CTAB (H5882) van Sigma Aldrich getest. Twee van hen waren gemarkeerd als gemaakt in China terwijl een als gemaakt in India. In onze ervaring waren alleen de batches gemarkeerd als gemaakt in China effectief voor de bereiding van AuNR.
Spectrofotometer	Thermo scientific	Nanodrop 2000C
TEM	JEOL	2100