Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Chemistry

Hydrochinon Based Synthese van Gold nanorods

Published: August 10, 2016 doi: 10.3791/54319

Summary

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.

Introduction

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

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.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

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 aspectverhouding verkregen door variëren van de hoeveelheid zilverionen worden getoond in figuur 4 en CTAB in de groei oplossing in figuren 5 en 6. De UV-zichtbare spectra worden gebruikt om de vorming van het anisotrope goud nanodeeltjes waarnemen en een ruwe indicatie van de aspectverhouding te verkrijgen. TEM beelden worden gebruikt om de morfologie van de nanostructuren te bepalen, om de precieze hoogte-breedteverhouding van de AuNRs beoordelen en de kristalstructuur te bewijzenvan goud.

Figuur 1
Figuur 1. Gold zaden. UV-zichtbare spectrum van goud zaden bereid volgens hoofdstuk 1,1. Om te bewijzen dat de afmeting van de zaden niet te groot is, moet er geen teken van de plasmonische piek in het gebied tussen 505 en 520 nm dat plasmonische nanodeeltjes kenmerkt, dus dit cijfer toont de aanwezigheid van zeer kleine gouden zaden. Klik hier voor een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2
. Figuur 2. Reaction Kinetics UV-zichtbare spectra van goud nanorods verworven op verschillende tijdstippen sinds de injectie van de gouden zaden (CTAB 50 mM; Ag + 200 pl). De spectra tonen een plasmonische piek die aanvankelijk erg rood verschoven en dat geleidelijk verplaatst naar lagere golflengten met de tijd totdat het stabiel wordt suggereert dat de reactie voltooid na ongeveer 30 minuten uit de zaden injectie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3. beeld Gouden nanorods. TEM (links) en UV-zichtbare spectrum (rechts) van goud nanorods bereid volgens het protocol 1.2. TEM beeld toont de langwerpige vorm van de verkregen nanodeeltjes, bevestigd door de aanwezigheid van de twee plasmonische pieken in het UV-zichtbare spectrum, in verband met de oscillatie van elektronen langs de longitudinale en transversale assen. Schaal bar imago TEM van 100 nm.large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 4
. Figuur 4. Gold nanorods TEM beeld (links) en UV-zichtbare spectrum (rechts) van goud nanorods bereid volgens het protocol 2 via 200 ui (A); 150 pl (B) en 100 pl (C) van Ag + oplossing in de groei oplossing. Aangezien de TEM beelden tonen, het gebruik van een grotere hoeveelheid Ag + in de groei oplossing resulteert in langere nanorods. Dit blijkt ook uit de verschillen tussen de meest intense plasmonische piekposities in de drie partijen NRs. Schaal bar van TEM beelden is 100 nm. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.


. Figuur Gold nanorods TEM beeld 5 (links) en UV-zichtbare spectrum (rechts) van goud nanorods bereid volgens paragraaf 3 via lagere concentraties CTAB: 10 mM (A) en 20 mM (B) van CTAB in de groei oplossing. Het gebruik van een kleinere hoeveelheid CTAB in de groei oplossing resulteert in kortere nanorods. Schaal bar is 100 nm in alle foto's. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 6
. Figuur Gold nanorods TEM beeld 6. (links) en UV-zichtbare spectrum (rechts) van goud nanorods bereid volgens paragraaf 3 gebruik van hogere concentraties CTAB: 60 mM (A); 80 mM ( (C) van CTAB in de groei oplossing. Toepassing van een grotere hoeveelheid CTAB in de groei oplossing resulteert in nanorods die langer maar worden gekenmerkt door een lagere aspectverhouding. In feite, TEM beelden hier vermelde blijkt dat de breedte van de staven toeneemt; dat veroorzaakt de vermindering van de aspectverhouding. Schaal bar is 100 nm in alle foto's. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Tafel 1
Tabel 1. CTAB concentratie. Hoeveelheden CTAB voor de bereiding van goud nanorods de andere verhouding verkregen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

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 daaropvolgende belangrijke kostenbesparing vereist. Het huidige protocol is gebaseerd op een twee-stap-benadering die zich bezighoudt met een scheiding van de nucleatie stap van de groei van de nanorods. We hebben gemerkt dat uitermate belangrijk is dat de afmeting van de gouden gebruikte zaad ongeveer 3 nm wordt gehouden zoals door UV-spectroscopie. 8 Integendeel, als grotere zaden met een afmeting van 5 nm of meer gebruikt, we onvermijdelijk verkrijgen bolvormige nanodeeltjes.

De groei van goud nanorods kan gemakkelijk worden gevolgd door middel van UV-spectroscopie. Staafvormige deeltjes worden gekenmerkt door spectra met twee duidelijke pieken die overeenkomen met de twee verschillende afmetingen van de staven. Bovendien kan deze techniek gebruikt worden om een ​​eerste schatting van de verhouding van de verkregen staven volgens de empirische wet verkrijgen:

AR = 0,0078 • PP - 3.3

waarin Ar de empirische verhouding bepaald door TEM beeldanalyse en PP is de positie van de plasmonische piek ten opzichte van de langsas uitgedrukt in nanometers. De aanwezigheid van de tweede plasmonische piek in het nabije infraroodgebied van het spectrum is noodzakelijk om de productie van anisotrope deeltjes bevestigen. Het moet echter worden opgemerkt dat de AR verkregen dankzij deze vergelijking is onder empirische correlatie van de experimentele resultaten verkregen met TEM en UV-spectroscopie en bevestigd moet worden voor elke partij AuNRs geproduceerd. Na UV-spectroscopie bevestigt de volledige vorming van AuNR wordt de suspensie gecentrifugeerd om de overmaat CTAB in de groei oplossing te verwijderen, en vervolgens de staven gesuspendeerd in zuiver water, waar ze worden weergegeven stabiel gedurende enkele maanden worden kamertemperatuur. TEM analyse is ook nodig voor de volledige karakterisering van de AuNR precieze informatie over de lengte en breedte te verkrijgen.

De aspectratio en de grootte van de verkregen nanodeeltjes kan worden afgestemd op twee manieren. Analogie van het algemeen gedaan in de synthese van AuNRs basis van ascorbinezuur, de hoeveelheid zilverionen in oplossing de groei kan de vorming van min of meer langgerekte vormen te bepalen. Ag + induceert een symmetrie breuk van de vormende nanorods zodra de zaden een grootte van ongeveer 5-6 nm bereikt. 12 dus een grotere hoeveelheid zilverionen in de groeioplossing kan de vorming van langere AuNRs induceren. Wanneer AuNRs met verschillende aspect ratio's worden voorbereid door middel van deze aanpak, kan de lengte van nanorods worden afgestemd, maar de breedte blijft nagenoeg constant en wordt slechts licht gedaald toen de langste staven (AR ≈ 3) worden gemaakt. Een andere belangrijke parameter is de hoeveelheid CTAB gebruikt in de groei oplossing. De concentratie van de CTAB is gebleken dat niet alleen de verhouding, maar ook de grootte van de nanorods beïnvloeden. Interessant, terwijl de lengte van de verkregen nanorods lineair afhankelijk van de concentratie van CTAB, de beeldverhouding gedraagt ​​zich anders en een maximum wordt waargenomen wanneer CTAB in het gebied tussen 40 en 60 mM. Dit komt overeen met het feit dat de breedte van de staven constant blijft bij lage concentraties CTAB, maar boven 50 mM, de breedte staaf begint te stijgen, waardoor de verlaging van de AR.

Samenvattend we zien hoe, door toepassing van hydrochinon als reductiemiddel is mogele nanorods te bereiden met behulp van de helft van de hoeveelheid CTAB opzichte van de gemeenschappelijk protocol gebaseerd op de reductie van ascorbinezuur. Hoewel deze benadering is beperkt tot de bereiding van relatief korte goud nanorods een verhouding tussen 2 en 3, verwachten we dat deze gemakkelijk door andere groepen kunnen worden vastgesteld. Dit komt omdat, zelfs als het is gebaseerd op een kleine modificatie van de standaard ascorbinezuur gebaseerde benadering, kan deze werkwijze drastisch verbeteren AuNRs leveren een aanzienlijke kostenbesparing. Bovendien biedt een goede en betrouwbare controle van de grootte en de aspectverhouding van de gesynthetiseerde deeltjes. Derhalve alle voordelen van dit protocol kan nuttig zijn voor een gemakkelijker en efficiënte verspreiding van nieuwe medische toepassingen van nanodeeltjes, omdat deze gemakkelijker synthetische weg zal helpen de biomedische benadering die gebruikt nanorods maakt in de klinische praktijk met potentiële voordelen voor ontwikkeling patiënten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zhou, W., Gao, X., Liu, D., Chen, X. Gold Nanoparticles for In Vitro Diagnostics. Chem Rev. 115 (19), 10575-10636 (2015).
  2. Bao, C., et al. Gold nanoprisms as optoacoustic signal nanoamplifiers for in vivo bioimaging of gastrointestinal cancers. Small. 9 (1), 68-74 (2013).
  3. Han, G., Ghosh, P., Rotello, V. M. Functionalized gold nanoparticles for drug delivery. Nanomedicine. 2 (1), 113-123 (2007).
  4. Choi, W. I., et al. Tumor regression in vivo by photothermal therapy based on gold-nanorod-loaded, functional nanocarriers. ACS Nano. 5 (3), 1995-2003 (2011).
  5. Langille, M. R., Personick, M. L., Zhang, J., Mirkin, C. A. Defining Rules for the Shape Evolution of Gold Nanoparticles . J. Am. Chem. Soc. 134 (35), 14542-14554 (2012).
  6. Lohse, S. E., Murphy, C. J. The Quest for Shape Control: A History of Gold Nanorod Synthesis. Chem. Mater. 25 (8), 1250-1261 (2013).
  7. Weissleder, R. A clearer vision for in vivo imaging. Nat. Biotech. 19 (4), 316-317 (2001).
  8. Sau, T. K., Murphy, C. J. Seeded High Yield Synthesis of Short Au Nanorods in Aqueous Solution. Langmuir. 20 (15), 6414-6420 (2004).
  9. Ratto, F., Matteini, P., Rossi, F., Pini, R. Size and shape control in the overgrowth of gold nanorods. J. Nanopart. Res. 12, 2029-2036 (2010).
  10. Morasso, C., et al. Control of size and aspect ratio in hydroquinone-based synthesis of gold nanorods. J. Nanopart. Res. 17, 330-337 (2015).
  11. Vigderman, L., Zubarev, E. R. High-yield synthesis of gold nanorods with longitudinal SPR peak greater than 1200 nm using hydroquinone as a reducing agent. Chem. Mater. 25 (8), 1450-1457 (2013).
  12. Walsh, M. J., Barrow, S. J., Tong, W., Funston, A. M., Etheridge, J. Symmetry breaking and silver in gold nanorod growth. ACS Nano. 9 (1), 715-724 (2015).

Tags

Chemie nanorods hydrochinon Nanodeeltjes Goud Plasmonics CTAB colloïden Anisotropisch nanodeeltjes
Hydrochinon Based Synthese van Gold nanorods
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Picciolini, S., Mehn, D.,More

Picciolini, S., Mehn, D., Ojea-Jiménez, I., Gramatica, F., Morasso, C. Hydroquinone Based Synthesis of Gold Nanorods. J. Vis. Exp. (114), e54319, doi:10.3791/54319 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter