Summary
Detta dokument beskriver ett protokoll för syntes av guldnanostavar, som bygger på användning av hydrokinon som reduktionsmedel, plus de olika mekanismerna för att kontrollera deras storlek och sidförhållande.
Introduction
Guldnanopartiklar (AuNPs) är en av de mest utbredda och lovande nanostrukturer som skall användas i biomedicinska tillämpningar. Deras användning är viktigt i många point-of-care in vitro diagnostikprodukter 1 De har föreslagits som ett effektivt verktyg för ett antal andra olika applikationer. Som kontrastmedel i avbildningsstudier, 2 som ett system för läkemedelstillförsel 3 och som läkemedel för ljusinducerad termo (eller fototermisk terapi). 4 den stora potential AuNPs har drivit under de senaste tjugo åren, intensiv forskning på utveckling av ny syntes som är i stånd att öka kontrollen på storlek och form erhålles. 5 detta beror på att olika typer av AuNPs är i själva verket mer lämpade än andra för specifika applikationer.
Bland de olika guldnanostrukturer har guldnanostavar (AuNRs) dykt upp som en av de mest intressanta system. AuNRs kännetecknas av två Plasmonic toppar i samband med svängning av elektroner längs den längsgående och tvärgående axlar, respektive. 6 Det är särskilt viktigt att läget för den mest intensiva longitudinella topp kan ställas in exakt mellan 620 och 800 nm, beroende på förhållandet aspekten av stavarna . Denna region matchar biologiska fönster, 7 där mänskliga vävnader nästan inte absorberar ljus, vilket gör att utvecklingen av ett antal fotoniska applikationer in vivo involverar AuNPs.
Trots ett stort intresse för denna typ av nanostrukturer, de syntetiska protokoll för framställningen av AuNRs lider av flera begränsningar. I de flesta fall är nanostavar ställas enligt ett två-stegs-metoden som utvecklats av Sau och medarbetare. 8 i sitt protokoll, är nanostavar syntetiseras genom att reducera guldjoner med användning av askorbinsyra i närvaro av förformade guld frön, silverjoner och en stor mängd av hexadecyl trimetylammoniumbromid (CTAB), acationic linjär tensid.
Nackdelen med detta protokoll är att minskningen utbytet av guldjoner är relativt låg (ca 20%) 9 och att en stor mängd av CTAB, ett dyrt reagens som står för mer än hälften av den totala kostnaden för reagens i syntesen, behövs. Utvecklingen av en ny och mer effektiv syntesväg är däri anses vara ett viktigt behov, vilket gör att spridningen av biomedicinska metoder baserade på AuNRs.
I den första delen av föreliggande papper, presenterar vi ett optimerat protokoll för framställningen av AuNR som har ett förhållande av ca tre. Syntesen är baserad på användningen av hydrokinon som ett milt reduktionsmedel och det möjliggör framställning av AuNR med en nästan kvantitativ minskning av guldjoner, som använder sig av en reducerad mängd CTAB. 10 Detta protokoll för framställning av AuNRs baseras på en strategi i två steg där guldfrön används i ett "tillväxt solution ".
I den andra delen, visar vi hur man kan finjustera storleken och bildformat av den erhållna AuNR på två sätt. Det första sättet, liknande den standardprotokoll baserat på askorbinsyra, är att variera den mängd av silverjoner som är närvarande i "tillväxtlösningen". Det andra sättet är baserat på variationen av mängden av CTAB som kan reduceras ned till en koncentration av 10 mM (nära det kritiska micellkoncentration rapporterades av leverantören) för att erhålla väldefinierade korta nanostavar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Syntes av guld nanostavar
Obs: Använd högrenat vatten överallt.
- Framställning av guld frön
- Lös 364,4 mg hexadecyltrimetylammoniumbromid (CTAB) i 5 ml vatten under ultraljudsbehandling vid 40 ° C tills lösningen blir klar. Låt CTAB lösning svalna till rumstemperatur.
- Separat, förbereda 5 ml tetraklorsyra (HAuCl 4) i vatten (0,5 mM).
- Tillsätt HAuCl 4 lösning på CTAB lösning under kraftig magnetisk omrörning, varvid temperaturen hölls konstant vid 27 ° C.
- Förbereda 600 l av natriumborhydrid (NaBH4) lösning i vatten (10 mM) vid 4 ° C. Tillsätt denna lösning till blandningen under kraftig omrörning. Kontrollera om lösningen färg omedelbart ändras från gul till brunaktig.
- Rör om suspensionen under 20 minuter före användning. Förvara frön suspension längre än 24 timmar vid rumstemperaTure.
- Kontrollera dimensionerna hos fröna med användning av en UV-Vis spektrofotometer. Säkerställa att fröna är tillräckligt små (ca 2 nm), som skall användas vid framställningen av guldnanostavar genom UV-synlig spektroskopi.
Obs: Spectrum måste likna det som rapporteras i figur 1 Större frön identifieras genom närvaron av en plasmoniska topp runt 505-520 nm får inte användas, eftersom de sannolikt kommer att producera sfäriska nanopartiklar..
- Beredning av "tillväxt lösning" av guld nanostavar.
- Lös 182,2 mg CTAB tillsammans med 22 mg hydrokinon i 5 ml vatten vid 40 ° C med hjälp av ultraljud. Kyla ned lösningen till 27 ° C.
- Förbered 200 pl 4 mM silvernitrat (AgNOs 3) lösning.
- Separat, förbereda 5 ml av 1 mM lösning av tetraklorvätesyra (HAuCl 4).
- Först lägga silvernitratlösningen som framställts i steg 1.2.2. Lägg sedan till HAuCl 4 lösningen som framställts i steg 1.2.3 till lösningen av CTAB och hydrokinon som framställts i steg 1.2.1 under magnetisk omrörning.
- Omedelbart efter, lägga under magnetisk omrörning 12 pl av frön suspensionen tidigare framställts enligt protokollet redovisas till steg 1,1 och låt reaktions start. Kontrollera om suspensionen ändrar färg i ca 30 min.
- Styr bildandet av nanostavar genom att kontrollera UV-synliga spektrumet av suspensionen, som beskrivs i avsnitt 4, var 5 min. Fortsätt tills spektrumet är stabil. För att tillåta fullständig bildning av nanostavar, lämnar suspensionen under omröring under ytterligare 30 min (figur 2).
- Dela suspensionen i rör (1 ml suspension för varje rör) och centrifugera vid 10.000 xg under 10 min. Guldnanostavar bildar en mörk fällning vid botten av röret.
- Resuspendera fällningen av varje rör i 1 ml vatten. Blanda innehållet i rören och lagra suspension av guldnanostavar vid rumstemperatur.
- Karakterisera erhållna nanostavar av UV-synlig spektroskopi och transmissionselektronmikroskopi som beskrivs i avsnitt 4 (Figur 3).
2. Tuning Proportioner av nanostavar genom att variera koncentrationen av Ag + joner
- Förbered en silvernitratlösning med en koncentration av 4 mM, upplösning 3,4 mg AgNOs 3 i 5 ml vatten.
- Förbered i tre olika flaskor lösningen med CTAB och hydrokinon som beskrivs i avsnitt 1.2.1 och tillsätt respektive 100 l, 150 l eller 200 ^ silvernitratlösning.
- Tillsätt HAuCl 4 lösning beredd enligt steg 1.2.3 och gå vidare med förberedelserna av guld nanostavar som beskrivs från punkt 1.2.5.
- Karakterisera de erhållna nanostavar genom UV-synlig spektroskopi och transmissionselektronmikroskopi. Flaskor med mindre mängder av Ag + kommer på nyttSult i kortare nanostavar (bildförhållande på 2 och 2,2 respektive) (Figur 4).
3. Trimma Proportioner av nanostavar genom att variera koncentrationen av CTAB
- Förbered olika satser av guld nanostavar med olika koncentrationer av CTAB i "tillväxt lösning". Användningskoncentrationer från 10 mm till 100 mM för att producera guld nanostavar med olika storlek och proportioner. Koncentrationerna av CTAB som användes i varje experiment är sammanfattade i tabell 1 med motsvarande mängd milligram användas. Lös upp olika mängder av CTAB alltid med 22 mg hydrokinon i 5 ml vatten.
- Tillsätt 200 pl silvernitratlösning (beredd enligt steg 1.2.2) och 5 ml HAuCl 4-lösning (framställd enligt hur beskrivs i steg 1.2.3) i varje flaska under magnetisk omrörning.
- Tillsätt 12 | il av frön suspension och observera förändringen i färgen på den slutliga blandningen.
- Slutaomrörningen när suspensionen färg och UV-synliga spektrumet stabiliseras; reaktionstiden beror på CTAB-koncentrationen i tillväxtlösningen.
- Centrifugera vid 10000 x g under 10 min och återsuspendera i vatten.
- Karakterisera de erhållna nanostavar genom UV-synlig spektroskopi och transmissionselektronmikroskopi. En lägre koncentration av CTAB kommer att resultera i kortare nanostavar medan en högre koncentration ger längre men större nanostavar. På Tvärtom förhållandet av nanostavar kommer att vara högre i området kring 40-50 mM och minskar både vid lägre och högre koncentrationer (Figur 5 och Figur 6).
4. Karakterisering av guld nanostavar
- UV-synlig spektroskopi
- Späd 100 | il nanostavar lösning med 400 | il vatten i en plastmikro kyvett och förvärva det UV-synliga absorptionsspektrum (våglängdsområde mellan 400 och 840 nm)enligt tillverkarens protokoll.
- Samla in UV-synliga spektra (våglängdsområde mellan 400 och 840 nm) av tillväxtlösningen var 5 min för att studera kinetiken för reaktionen.
- Transmissionselektronmikroskopi (TEM)
- Samla TEM bilder av varje prov av nanostavar, för mätning av storleken och bildformat för de erhållna nanostavar. Bereda proverna genom att placera en droppe suspension (4 l) på en ultratunna 200-mesh koppargaller Formvar belagda och låt torka i luft vid 4 ° C. Analysera provet vid TEM med användning av en accelerationsspänning av 200 kV enligt tillverkarens protokoll.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
UV synliga spektra av guld frön kan ses i figur 1. UV-synliga spektra förvärvas vid olika tidpunkter efter injektionen av guld fröna presenteras i fig 2. UV synliga spektra och transmissionselektronmikroskopiska (TEM) -bilder av de erhållna guldnanostavar visas i figur 3. är UV synliga spektra och transmissionselektronmikroskopiska (TEM) -bilder av guldnanostavar med olika bildförhållande erhålles genom att variera mängden av silverjoner visat i fig 4 och CTAB i tillväxtlösningen i figurerna 5 och 6. UV synliga spektra används för att observera bildandet av anisotropa guldnanopartiklar och för att erhålla en grov uppskattning av bildförhållandet. TEM-bilder används för att bestämma morfologin hos nanostrukturer, för att bedöma den exakta bildformat AuNRs och för att bevisa kristallstrukturenav guld.
Figur 1. Guld frön. UV-synliga spektrumet för guldfrön framställda enligt avsnitt 1.1. För att bevisa att dimensionen av fröna inte är för stor, det får inte finnas något tecken på plasmoniska toppen i området mellan 505 och 520 nm som kännetecknar plasmoniska nanopartiklar, så denna figur visar närvaron av mycket små guld frön. Klicka här Vänligen att se en större version av denna siffra.
. Figur 2. reaktionskinetik UV-synliga spektrat av guldnanostavar som förvärvats vid olika tidpunkter sedan injektion av guld frön (CTAB 50 mM, Ag + 200 pl). Spektra visar en plasmoniska topp som är initialt mycket röd skiftat och som successivt rör sig mot lägre våglängder med tiden tills den blir stabil vilket tyder på att reaktionen är fullbordad efter ca 30 minuter från frön injektion. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Gold nanostavar. TEM bild (vänster) och UV-synliga spektrat (höger) av guldnanostavar framställda enligt protokollet 1.2. TEM-bilden visar den långsträckta formen hos de erhållna nanopartiklar, bekräftades genom närvaron av de två plasmoniska topparna i UV-synliga spektrumet, i samband med svängning av elektroner längs den längsgående och de tvärgående axlar. Skala bar TEM bild är 100 nm.large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
. Figur 4. Guld nanostavar TEM bild (vänster) och UV-synliga spektrat (höger) av guldnanostavar som framställts enligt protokoll 2 med användning av 200 pl (A); 150 ^ (B) och 100 | il (C) av Ag + lösningen i tillväxtlösningen. Som TEM-bilder visar användningen av en större mängd Ag + i tillväxt lösning resulterar i längre nanostavar. Detta framgår också av skillnaderna mellan de mest intensiva plasmoniska toppositioner i tre partier av NR. Skala bar TEM-bilder är 100 nm. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
. Figur 5. Gold nanostavar TEM bild (vänster) och UV-synliga spektrat (höger) av guldnanostavar som framställts enligt avsnitt 3 användning av lägre koncentrationer av CTAB: 10 mM (A) och 20 mm (B) av CTAB i tillväxten lösning. Användningen av en lägre mängd CTAB i tillväxtlösningen resulterar i kortare nanostavar. Skala bar är 100 nm i alla bilder. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
. Figur 6. Gold nanostavar TEM bild (vänster) och UV-synliga spektrat (höger) av guldnanostavar som framställts enligt avsnitt 3 användning av högre koncentrationer av CTAB: 60 mM (A); 80 mM (
Tabell 1. CTAB koncentration. Mängder av CTAB används för framställning av guldnanostavar med olika bildformat uppnås.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Protokollet presenteras här gäller hydrokinon, en aromatisk molekyl som kännetecknas av en svag potentiell minskning, för att producera guld nanostavar. Det finns två huvudsakliga fördelar med det nuvarande protokollet mot de vanligast använda syntesväg baserad på användningen av askorbinsyra: den första är att hydrokinon kan nästan kvantitativt minska guldjoner som möjliggör produktion av större mängd guld nanostavar 11. senare ges av det faktum att det kräver en lägre mängd av CTAB och en efterföljande avsevärd minskning av kostnaderna. Det nuvarande protokollet är baserad på en strategi i två steg som handlar om en separation av kärnbildningssteget från tillväxten av nanostavar. Vi märkte det är oerhört viktigt att dimensionen av guldfrön som används hålls kring 3 nm som föreslagits av UV-synlig spektroskopi. 8 Tvärtom, om större frön med en dimension av 5 nm eller mer används, vi oundvikligen få sfärisk nanopartiklar.
Tillväxten av guldnanostavar lätt kan följas med hjälp av UV-synlig spektroskopi. Stavformade partiklar kännetecknas av spektra med två tydliga toppar som motsvarar de två olika dimensionerna av stavarna. Dessutom kan denna teknik användas för att erhålla en första uppskattning av förhållandet aspekten av de erhållna stavarna enligt den empiriska lagen:
AR = 0,0078 • PP - 3,3
där AR är den empiriska sidförhållande bestämdes med TEM bildanalys och PP är positionen för den plasmoniska toppar relativt den längsgående axeln uttryckt i nanometer. Närvaron av den andra plasmoniska topp i det nära infraröda området av spektrum som är nödvändigt för att bekräfta produktionen av anisotropa partiklar. Det måste emellertid noteras att AR erhålls tack vare denna ekvation är bara en empirisk korrelation av de experimentella resultat som erhållits med hjälp av TEM och UV-Synlig spektroskopi och måste bekräftas för varje parti AuNRs produceras. Efter UV-Synlig spektroskopi bekräftar fullständig bildning av AuNR, centrifugeras suspensionen för att avlägsna överskottet av CTAB närvarande i tillväxtlösningen, och sedan stavarna suspenderas i rent vatten, där de verkar vara stabila under några månader vid rumstemperatur. TEM-analys är också nödvändigt för fullständig karakterisering av AuNR att få exakta uppgifter om längd och bredd.
Bildförhållandet och storleken på de erhållna nanopartiklar kan finjusteras på två sätt. På liknande sätt som det som vanligen görs i syntesen av AuNRs baserade på askorbinsyra, är mängden silverjoner i tillväxtlösningen i stånd att bestämma bildningen av mer eller mindre långsträckta former. Ag + inducerar en symmetri brytning av de formande nanostavar när fröna nått en storlek av ca 5-6 nm. 12 Sålunda kan en högre mängd av silverjoner i tillväxtenLösningen kan inducera bildandet av längre AuNRs. När AuNRs med olika bildformat framställs genom denna metod, kan längden av nanostavar stämmas, men bredden förblir nästan konstant och bara minskat något när de längsta stavarna (AR ≈ 3) görs. En annan viktig parameter är mängden CTAB används i tillväxtlösningen. Koncentrationen av CTAB har visat sig påverka inte bara bildformatet, men också storleken på nanostavar. Intressant, medan längden av de erhållna nanostavar beror linjärt på koncentrationen av CTAB, beter sidförhållandet på olika sätt och ett maximum observeras när CTAB ligger inom området mellan 40 och 60 mM. Detta motsvarar det faktum att bredden på stavarna förblir konstant vid låga CTAB-koncentrationer, men framför 50 mM, börjar stången bredden att öka vilket orsakar en minskning av AR.
För att summera, demonstrerade vi hur, genom att applicera hydrokinon som reduktionsmedel, är det possible att framställa nanostavar med användning av ungefär hälften av mängden av CTAB jämfört med det gemensamma protokollet baserat på reduktion med askorbinsyra. Trots att detta tillvägagångssätt är begränsad till framställning av relativt korta guld nanostavar med ett bildförhållande mellan två och tre, förväntar vi oss att det lätt kan antas av andra grupper. Detta beror på, även om den är baserad på en liten modifiering av standard askorbinsyra baserad metod, kan denna metod drastiskt förbättra AuNRs ger en avsevärd minskning av kostnaderna. Dessutom ger det en bra och tillförlitlig kontroll av storleken och förhållandet aspekten av de syntetiserade partiklar. Därför kan alla av fördelarna med detta protokoll vara användbar för en enklare och effektivare spridning av nya medicinska tillämpningar av nanopartiklar, eftersom detta mer praktiskt syntesväg kommer att bidra till att utveckla den biomedicinska metod som utnyttjar nanostavar i klinisk praxis med potentiella fördelar för patienter.
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 |
References
- Zhou, W., Gao, X., Liu, D., Chen, X. Gold Nanoparticles for In Vitro Diagnostics. Chem Rev. 115 (19), 10575-10636 (2015).
- Bao, C., et al. Gold nanoprisms as optoacoustic signal nanoamplifiers for in vivo bioimaging of gastrointestinal cancers. Small. 9 (1), 68-74 (2013).
- Han, G., Ghosh, P., Rotello, V. M. Functionalized gold nanoparticles for drug delivery. Nanomedicine. 2 (1), 113-123 (2007).
- 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).
- 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).
- Lohse, S. E., Murphy, C. J. The Quest for Shape Control: A History of Gold Nanorod Synthesis. Chem. Mater. 25 (8), 1250-1261 (2013).
- Weissleder, R. A clearer vision for in vivo imaging. Nat. Biotech. 19 (4), 316-317 (2001).
- Sau, T. K., Murphy, C. J. Seeded High Yield Synthesis of Short Au Nanorods in Aqueous Solution. Langmuir. 20 (15), 6414-6420 (2004).
- 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).
- Morasso, C., et al. Control of size and aspect ratio in hydroquinone-based synthesis of gold nanorods. J. Nanopart. Res. 17, 330-337 (2015).
- 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).
- 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).
