Synteza nanogwiazd złota metodą wzrostu sterowanego srebrnymi nasionami

Podsumowanie

Zsyntetyzowaliśmy złote nanogwiazdy o kształcie gwiazdy, wykorzystując metodę wzrostu wspomaganego srebrnymi zarodkami. Średnica nanogwiazd wynosi od 200 do 300 nm, a liczba ramion waha się od 7 do 10. Nanocząstki wykazują szeroki mod powierzchniowego rezonansu plazmonowego z maksimum w bliskiej podczerwieni.

Streszczenie

Właściwości fizyczne, chemiczne i optyczne koloidów w skali nano zależą od ich składu materiałowego, rozmiaru i kształtu ^1-5. Istnieje duże zainteresowanie wykorzystaniem nanokoloidów w ablacji fototermicznej, dostarczaniu leków oraz wielu innych zastosowaniach biomedycznych ⁶. Złoto jest szczególnie stosowane ze względu na niską toksyczność ^7-9. Cechą metalicznych nanokoloidów jest możliwość występowania silnego powierzchniowego rezonansu plazmonowego ¹⁰. Maksimum modu rezonansu plazmonowego powierzchniowego zależy od struktury i składu metalicznych nanokoloidów. Ponieważ mod rezonansu plazmonowego powierzchniowego jest pobudzany światłem, istnieje potrzeba uzyskania maksimum absorbancji w bliskiej podczerwieni, gdzie transmitancja tkanek biologicznych jest największa ^{11, 12}.

Przedstawiamy metodę syntezy koloidalnego złota w kształcie gwiazd, znanych również jako nanocząstki w kształcie gwiazd ^13-15 lub nanogwiazdy ¹⁶. Metoda ta opiera się na roztworze zawierającym zarodki srebra, które służą jako czynnik nukleujący dla anizotropowego wzrostu koloidów złota ^17-22. Analiza otrzymanego koloidu złota za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) wykazała, że 70% nanostruktur stanowiły nanogwiazdy. Pozostałe 30% cząstek stanowiły amorficzne skupiska dekaedrów i romboedrów. Wykryto, że szczyt absorbancji nanogwiazd znajduje się w bliskiej podczerwieni (840 nm). W związku z tym nasza metoda pozwala na otrzymanie nanogwiazd złota odpowiednich do zastosowań biomedycznych, w szczególności do ablacji fototermalnej.

Protokół

1. Przygotowanie nasion srebra

1. Przygotować roztwór zapasowy azotanu srebra (AgNO₃), odważając dowolną masę i mieszając ją z 10 mL wody dejonizowanej (DI). Obliczyć molarność roztworu. Przechowywać roztwór w ciemnym miejscu, aby odizolować go od światła.
2. Dodać 14,7 mg cytrynianu sodu trójzasadowego (Na₃C₆H₅O₇) do 10 mL wody DI, aby otrzymać roztwór 5 mM. Wstrząsać fiolką do całkowitego rozpuszczenia proszku.
3. Dodać 15,1 mg borowodorku sodu (NaBH₄) do drugiej fiolki z 10 mL wody DI, aby otrzymać roztwór 40 mM. Natychmiast zamknąć fiolkę. Delikatnie wymieszać roztwór ręcznie i umieścić go w zlewce z lodem. Wstawić zlewkę do lodówki i uruchomić stoper (t1 = 0). Świeżo przygotowany roztwór zostanie wykorzystany za 15 min, co jest wystarczającym czasem na jego schłodzenie.
4. Z roztworu zapasowego azotanu srebra (punkt 1.1) przygotować 10 mL roztworu o stężeniu 0,25 mM. Umieścić w fiolce mieszadło magnetyczne i rozpocząć mieszanie.
5. Dodać 0,25 mL roztworu cytrynianu sodu trójzasadowego (punkt 1.2) do roztworu z punktu 1.4).
6. Przy t₁ = 15 min wyjąć roztwór borowodorku sodu (punkt 1.3) z lodówki. Za pomocą pipety pobrać 0,4 mL tego roztworu i dodać do mieszaniny z punktu 1.5). Uwaga: Roztwór należy dodać jednym szybkim ruchem. Kolor zmieni się na żółty. Mieszać roztwór przez 5 min.
7. Przy t₁ = 20 min przerwać mieszanie, wyjąć magnes z fiolki i przechowywać ją w ciemnym miejscu. Nie zamykać fiolki.
8. Przechowywać roztwór w ciemności w temperaturze pokojowej przez co najmniej 2 godziny przed użyciem. Zaleca się wykorzystanie zarodków w ciągu jednego tygodnia od przygotowania.

2. Przygotowanie roztworu wzrostowego

1. Przygotować 80 mM kwasu askorbinowego (C₆H₈O₆), dodając 140 mg do 10 mL wody DI.
2. Przygotować 10 mL stężonego roztworu chlorku złota (HAuCl₄). Obliczyć molowość roztworu. Przechowywać roztwór w ciemności.
3. Przygotować 20 mL 50 mM bromku cetylotrimetylammoniumu (CTAB - C₁₉H₄₂BrN), dodając 364 mg do fiolki z 20 mL wody DI. Natychmiast umieścić w fiolce mieszadło magnetyczne i rozpocząć mieszanie na płycie grzewczej w temperaturze 30°C. Po całkowitym rozpuszczeniu proszku CTAB i uzyskaniu przezroczystego roztworu wyłączyć grzanie płyty, ale kontynuować mieszanie aż do kroku 2.7).
4. Dodać roztwór 1.1) do roztworu 2.3), aby uzyskać końcową molowość 4,9x10^-2 mM. Uruchomić stoper (t₂ = 0).
5. W t₂ = 1 min dodać roztwór 2.2) do 2.4), aby uzyskać końcową molowość 0,25 mM.
6. W t₂ = 2 min dodać 0,1 mL roztworu 2.1) do 2.5). Roztwór stanie się bezbarwny.
7. W t₂ = 2 min 20 s dodać 0,05 mL roztworu 1.8) (zarodki srebra) do 2.6). Mieszać zawiesinę przez 15 min. Zawiesina początkowo zmieni kolor na niebieski, a następnie na brązowy.
8. W t₂ = 17 min przerwać mieszanie, wyjąć mieszadło magnetyczne i pozostawić zawiesinę w temperaturze pokojowej na 24 godziny.

3. Oddzielanie nanogwiazd złota od CTAB w celu obrazowania, charakteryzacji lub prowadzenia eksperymentów

Uwaga: CTAB może krystalizować w temperaturze pokojowej. Aby rozpuścić kryształy, należy podgrzać koloid złota do 30°C lub zanurzyć fiolkę w gorącej wodzie z kranu, aż kryształy się rozpuszczą.

1. Sonicuj zawiesinę przez 2 min.
2. Wirowarkuj zawiesinę przez 5 min przy 730 rcf. Nanogwiazdy osiądą na ściance probówki.
3. Usuń pipetą jak największą ilość zawiesiny, uważając, aby nie usunąć nanogwiazd.
4. Dodaj do probówki wodę DI i sonicuj przez 2 min.
5. Wirowarkuj zawiesinę przez 3 min przy 460 rcf. Zawiesina zawiera mniej CTAB, dlatego do oddzielenia nanogwiazd wymagana jest mniejsza siła odśrodkowa.
6. Powtórz kroki 3.3) i 3.4).
7. Dodaj do zawiesiny wodę DI i wirowarkuj przez 3 min przy 380 rcf.
8. Powtórz kroki 3.3) i 3.4). Nanogwiazdy są gotowe do obrazowania, spektroskopii lub eksperymentów.

4. Reprezentatywne wyniki:

Rycina 1 przedstawia obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego (TEM) zarodków srebra wykonane za pomocą TEM JEOL 2010-F. Zarodki mają kształt sferyczny i średnią wielkość 15 nm. Nanogwiazdy złota obrazowano za pomocą Hitachi S-5500 w trybie skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Rycina 2 przedstawia nanogwiazdy zsyntetyzowane naszą metodą przy coraz większych powiększeniach. Cząstki w kształcie gwiazd stanowią około 70% wszystkich cząstek w koloidzie. Gwiazdy nieukształtowane przypominają amorficzne skupiska dekaedrów i romboedrów (nie pokazano). Rycina 3 przedstawia kilka pojedynczych nanogwiazd złota. Wielkość nanogwiazd mieści się w zakresie od 200 nm do 300 nm, a liczba ramion waha się od 7 do 10. Jeśli nanocząstki złota zsyntetyzowane tą metodą pozostaną w CTAB, zachowują swój kształt przez co najmniej 1 miesiąc po syntezie.

Widma absorpcyjne zarodków srebra oraz nanogwiazd zmierzono przy użyciu spektrofotometru Olis Cary-14. Maksimum absorpcji dla zarodków przypadało na 400 nm, natomiast dla nanogwiazd znajdowało się w zakresie od 800 nm do 850 nm (Rycina 4).

Rysunek 1. Obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego zarodków srebra.

Rycina 2. Obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego złotych nanogwiazd.

Rycina 3. Obrazy z rozpylnego mikroskopu elektronowego pojedynczych złotych nanogwiazd.

Rycina 4. Znormalizowane widma absorpcji srebrnych zarodków (linia przerywana) i złotych nanogwiazd (linia ciągła).

Dyskusja

W niniejszej pracy przedstawiliśmy metodę syntezy nanogwiazdek złota przy użyciu zarodków srebra. Stwierdzono, że zastosowanie zarodków srebra pozwoliło uzyskać wydajność produkcji nanogwiazdek na poziomie 70 %. Nanogwiazdki wykazują szczyt absorpcji w bliskiej podczerwieni, odpowiadający ich modowi rezonansu plazmonowego powierzchniowego, z maksimum w zakresie od 800 nm do 850 nm ^{7, 23}. Właściwości te sprawiają, że nasze nanogwiazdki złota mogą znaleźć zastosowanie w biomedycynie ^24-26, na przykład...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Cytrynian sodu trójzasadowy dwuwodny	Sigma-Aldrich	S4641	99.0 %
Azotan srebra	Aldrich	204390	99.9999 %
Borowodorek sodu	Aldrich	213462	99 %
Kwas L-askorbinowy	Sigma-Aldrich	255564	99+ %
Chlorek złota(III) trihydrat	Aldrich	520918	99.9+ %
Bromek heksydecylotrimetylammoniumu (CTAB)	Sigma-Aldrich	H6269
JEOL 2010-F	JEOL		Transmisyjny mikroskop elektronowy
Hitachi S-5500	Hitachi		Używany w trybie skaningowego mikroskopu elektronowego
Spektrofotometr Olis Cary-14	Olis		Spektrofotometr