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Chemistry

Idrochinone Based Sintesi di oro Nanorods

doi: 10.3791/54319 Published: August 10, 2016

Summary

Questo documento descrive un protocollo per la sintesi di nanotubi oro, basato sull'utilizzo di idrochinone come agente riducente, più i vari meccanismi di controllo loro dimensioni e proporzioni.

Introduction

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nanoparticelle di oro (AuNPs) sono una delle nanostrutture più diffuse e promettenti per essere utilizzato in applicazioni biomediche. Il loro impiego è indispensabile molti point-of-care la diagnosi in vitro prodotti 1 Sono stati proposti come uno strumento efficace per una serie di altre applicazioni diverse:. Come agente di contrasto in studi di imaging, 2 come sistema drug delivery 3 e come farmaci per termoterapia indotta dalla luce (o terapia fototermica). 4 la grande potenzialità di AuNPs è guidato, negli ultimi venti anni, intensa ricerca sullo sviluppo di nuova sintesi che è in grado di aumentare il controllo sulla dimensione e forma ottenuta. 5 Questo perché diversi tipi di AuNPs infatti, sono più adatti di altri per applicazioni specifiche.

Tra le diverse nanostrutture oro, nanorods oro (AuNRs) sono emersi come uno dei sistemi più interessanti. AuNRs sono caratterizzati da due plasmopicchi nic associati con l'oscillazione degli elettroni lungo la longitudinale e gli assi trasversali, rispettivamente. 6 è particolarmente importante che la posizione del picco più intenso longitudinale può essere sintonizzato precisamente tra 620 e 800 nm, a seconda del formato delle aste . Questa regione corrisponde finestra biologica, 7 dove i tessuti umani quasi non assorbono la luce, consentendo lo sviluppo di una serie di applicazioni fotoniche in vivo coinvolgono AuNPs.

Nonostante il grande interesse per questo tipo di nanostrutture, i protocolli di sintesi per la preparazione di AuNRs soffrono di diversi limiti. Nella maggior parte dei casi, nanorods vengono preparati secondo un metodo in due fasi sviluppato da Sau e collaboratori. 8 Nella loro protocollo, nanorods sono sintetizzati riducendo ioni di oro con acido ascorbico in presenza di semi oro preformati, gli ioni d'argento e una grande quantità di esadecil trimetilammonio bromuro (CTAB), ACtensioattivo lineari ationic.

Lo svantaggio di questo protocollo è che la resa di riduzione di ioni oro è relativamente bassa (circa 20%) 9 e che una quantità elevata di CTAB, un reagente costoso che rappresenta più della metà del costo totale per i reagenti nella sintesi, è necessario. Lo sviluppo di un nuovo e più efficace via di sintesi è considerato quindi ad essere una necessità importante, permettendo la diffusione di approcci biomedici basati su AuNRs.

Nella prima parte del presente documento, presentiamo un protocollo ottimizzato per la preparazione di AuNR avente una proporzione di circa tre. La sintesi si basa sull'uso di idrochinone come agente riducente delicato e permette la preparazione di AuNR con una riduzione quasi quantitativa di ioni di oro, facendo uso di una quantità ridotta di CTAB. 10 Questo protocollo per la preparazione dei AuNRs si riferiscono su un approccio a due fasi in cui i semi oro sono utilizzati in un "sol crescitaution ".

Nella seconda parte, mostriamo come regolare con precisione il rapporto di dimensioni e aspetto del AuNR ottenuto in due modi. Il primo modo, simile al protocollo standard a base di acido ascorbico, è quello di variare la quantità di ioni d'argento presenti nel "soluzione di crescita". Il secondo modo è basato sulla variazione della quantità di CTAB che può essere ridotto fino ad una concentrazione di 10 mM (vicino alla concentrazione micellare critica comunicate dal fornitore) per ottenere nanotubi brevi ben definiti.

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Protocol

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1. Sintesi di oro Nanorods

Nota: Usare acqua altamente purificata in tutto.

  1. Preparazione dei semi oro
    1. Sciogliere 364,4 mg di esadeciltrimetilammonio bromuro (CTAB) in 5 ml di acqua, sotto ultrasuoni a 40 ° C fino a quando la soluzione diventa limpida. Sia la soluzione CTAB raffreddare a temperatura ambiente.
    2. Separatamente, preparare 5 ml di acido tetracloroaurico (HAuCl4) in acqua (0,5 mM).
    3. Aggiungere la soluzione HAuCl4 alla soluzione CTAB sotto agitazione magnetica vigorosa, mantenendo costante la temperatura a 27 ° C.
    4. Preparare 600 ml di boroidruro di sodio (NaBH4) soluzione in acqua (10 mM) a 4 ° C. Aggiungere questa soluzione alla miscela sotto agitazione vigorosa. Controllare se il colore della soluzione cambia immediatamente dal giallo al marrone.
    5. Mescolare la sospensione per 20 minuti prima dell'uso. Conservare la sospensione semi per non più di 24 ore a temperatura.
    6. Verificare le dimensioni dei semi utilizzando uno spettrofotometro UV-Vis. Assicurarsi che i semi sono abbastanza piccolo (circa 2 nm) da utilizzare nella preparazione di nanotubi di oro mediante spettroscopia UV-visibile.
      Nota: Spectrum deve essere simile a quanto riportato in figura 1 semi maggiore identificate dalla presenza di un picco plasmonico circa 505-520 nm non devono essere utilizzati perché sono in grado di produrre nanoparticelle sferiche..
  2. Preparazione della "soluzione di crescita" di nanotubi d'oro.
    1. Sciogliere 182,2 mg CTAB insieme con 22 mg di idrochinone in 5 ml di acqua a 40 ° C con ultrasuoni. Raffreddare la soluzione a 27 ° C.
    2. Preparare 200 ml di 4 mm nitrato d'argento (AgNO3) soluzione.
    3. Separatamente, preparare 5 ml di soluzione 1 mM di acido tetracloroaurico (HAuCl4).
    4. In primo luogo aggiungere la soluzione di nitrato d'argento preparata al punto 1.2.2. Quindi, aggiungere il HAuCl 4 soluzione preparata al punto 1.2.3 alla soluzione di CTAB e idrochinone preparato al punto 1.2.1 sotto agitazione magnetica.
    5. Subito dopo, aggiungere sotto agitazione magnetica 12 microlitri della sospensione semi precedentemente preparata secondo il protocollo riportati al punto 1.1 e lasciare l'inizio reazione. Controllare se la sospensione cambia colore in circa 30 min.
    6. Controllare la formazione dei nanotubi controllando lo spettro UV-visibile della sospensione, come descritto nella sezione 4, ogni 5 min. Procedere fino spettro è stabile. Per consentire la formazione completa dei nanotubi, lasciare la sospensione sotto agitazione per ulteriori 30 min (Figura 2).
    7. Dividere la sospensione nei tubi (1 ml di sospensione per ogni provetta) e centrifugare a 10.000 xg per 10 min. nanorods oro formano un precipitato scuro sul fondo della provetta.
    8. Risospendere il precipitato di ogni tubo in 1 ml di acqua. Mescolare il contenuto dei tubi e memorizzare il suspensione di nanotubi d'oro a temperatura ambiente.
    9. Caratterizzare i nanotubi ottenuti mediante spettroscopia e trasmissione microscopia elettronica UV-visibile come descritto nel paragrafo 4 (figura 3).

2. Ottimizzazione del rapporto di formato di nanotubi variando la concentrazione di ioni Ag +

  1. Preparare una soluzione di nitrato d'argento con una concentrazione di 4 mM, sciogliendo 3,4 mg AgNO 3 a 5 ml di acqua.
  2. Preparare in tre diverse fiale la soluzione con CTAB e idrochinone come descritto nella sezione 1.2.1 e aggiungere rispettivamente 100 microlitri, 150 microlitri o 200 ml di soluzione di nitrato d'argento.
  3. Aggiungere la soluzione 4 HAuCl secondo preparata al punto 1.2.3 e procedere con la preparazione di nanotubi d'oro come descritto dal punto 1.2.5.
  4. Caratterizzare i nanotubi ottenuti mediante spettroscopia UV-visibile e microscopia elettronica a trasmissione. Fiale con minori quantità di Ag + si riproduce dei nanotubi brevi (proporzioni 2 e 2,2 rispettivamente) (Figura 4).

3. Mettere a punto il rapporto di aspetto di nanotubi variando la concentrazione di CTAB

  1. Preparare diversi lotti di nanotubi d'oro con diverse concentrazioni di CTAB nella "soluzione di crescita". Utilizzare concentrazioni da 10 mm a 100 mm per la produzione di nanotubi d'oro che hanno diverse dimensioni e proporzioni. Le concentrazioni di CTAB utilizzati in ciascun esperimento sono riassunti in tabella 1 con la corrispondente quantità di milligrammi utilizzato. Sciogliere le diverse quantità di CTAB sempre con 22 mg di idrochinone in 5 ml di acqua.
  2. Aggiungere 200 ml di soluzione di nitrato d'argento (preparato secondo punto 1.2.2) e 5 ml di soluzione HAuCl4 (preparato secondo quanto descritto al punto 1.2.3) in ciascuna fiala sotto agitazione magnetica.
  3. Aggiungere 12 ml di sospensione semi e osservare il cambiamento di colore della miscela finale.
  4. Stopl'agitazione quando il colore della sospensione e lo spettro UV-visibile sono stabilizzate; il tempo di reazione dipende dalla concentrazione CTAB nella soluzione di crescita.
  5. Centrifugare a 10.000 xg per 10 min e risospendere in acqua.
  6. Caratterizzare i nanotubi ottenuti mediante spettroscopia UV-visibile e microscopia elettronica a trasmissione. Una concentrazione più bassa di CTAB si tradurrà in nanotubi più brevi, mentre una maggiore concentrazione darà nanotubi più lunghi ma più grandi. Al contrario le proporzioni dei nanotubi sarà superiore nell'intervallo di circa 40-50 mm e diminuisce sia a concentrazioni inferiori e superiori (Figura 5 e Figura 6).

4. Caratterizzazione di oro Nanorods

  1. Spettroscopia UV-visibile
    1. Diluire 100 ml di soluzione di nanotubi con 400 ml di acqua in un materiale plastico micro-cuvetta e acquisire lo spettro di assorbimento UV-visibile (lunghezza d'onda tra 400 e 840 nm)secondo il protocollo del produttore.
    2. Raccogliere spettri UV-visibile (lunghezza d'onda tra 400 e 840 nm) della soluzione di crescita ogni 5 minuti per studiare la cinetica della reazione.
  2. Microscopia elettronica a trasmissione (TEM)
    1. Raccogliere immagini TEM di ciascun campione di nanotubi, per la misura della dimensione e del rapporto di aspetto dei nanotubi ottenuti. Preparare i campioni mettendo una goccia di sospensione (4 ml) su un ultra-sottili griglie di rame 200-maglia Formvar a polvere e lasciare asciugare all'aria a 4 ° C. Analizzare il campione a TEM utilizzando una tensione di accelerazione di 200 kV secondo il protocollo del produttore.

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Representative Results

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UV spettri visibile dei semi oro può essere visto in Figura 1. UV spettri visibile acquisite in tempi diversi dopo l'iniezione dei semi oro sono rappresentati in Figura 2. Immagini UV spettri visibili e microscopica elettronica a trasmissione (TEM) dei nanotubi oro ottenuti sono mostrati in figura 3. microscopica UV visibile spettri e trasmissione di elettroni (TEM) immagini di nanotubi oro con proporzioni diverse ottenuto variando la quantità di ioni argento sono dimostrate in figura 4 e CTAB nella soluzione di crescita nelle figure 5 e 6. Gli spettri UV visibile sono usati per osservare la formazione di nanoparticelle di oro anisotrope ed ottenere un'indicazione approssimativa del rapporto di aspetto. immagini TEM sono utilizzati per determinare la morfologia delle nanostrutture, per valutare il rapporto di aspetto preciso dei AuNRs e per dimostrare la struttura cristallinad'oro.

Figura 1
Figura 1. semi Gold. Spettro UV-visibile di semi oro preparati secondo la sezione 1.1. Per dimostrare che la dimensione dei semi non è troppo grande, vi deve essere alcun segno del picco plasmonica nella regione tra 505 e 520 nm che caratterizza nanoparticelle plasmoniche, quindi questa figura dimostra la presenza di piccoli semi oro. Prego qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

figura 2
. Figura 2. cinetica di reazione spettri UV-visibile di nanotubi d'oro acquistati in tempi diversi in quanto l'iniezione di semi d'oro (CTAB 50 mm; Ag + 200 ml). Gli spettri mostrano una picco plasmonico che è inizialmente molto rosso spostato e che progressivamente si sposta verso lunghezze d'onda inferiori con il tempo fino a quando non diventa stabile suggerendo che la reazione è completa dopo circa 30 minuti dall'iniezione semi. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. immagine Oro Nanorods. TEM (a sinistra) e UV-visibile dello spettro (a destra) di nanotubi d'oro preparati in base al protocollo 1.2. immagine TEM mostra la forma allungata delle nanoparticelle ottenute, confermata dalla presenza dei due picchi plasmonic nello spettro UV-visibile, associata con l'oscillazione degli elettroni lungo la longitudinale e gli assi trasversali. bar Scala immagine TEM di 100 nm.large.jpg "target =" _ blank "> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 4
. Figura 4. immagine Oro Nanorods TEM (a sinistra) e UV-visibile dello spettro (a destra) di nanotubi d'oro preparato secondo il protocollo 2 con 200 pl (A); 150 microlitri (B) e 100 pl (C) di soluzione Ag + nella soluzione di crescita. Poiché le immagini TEM mostrano, l'utilizzo di una maggiore quantità di Ag + nei risultati della soluzione di crescita in nanorods più lunghi. Ciò è dimostrato anche dalle differenze tra le posizioni plasmonico picchi più intensi nei tre lotti di NR. Barra di scala delle immagini TEM è di 100 nm. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.


. Figura 5. immagine Oro Nanorods TEM (a sinistra) e UV-visibile dello spettro (destra) di nanotubi oro preparato secondo il punto 3 con concentrazioni più basse di CTAB: 10 mM (A) e 20 mM (B) del CTAB in crescita soluzione. L'utilizzo di una minore quantità di CTAB nella soluzione di crescita risulta nanorods brevi. Barra della scala è di 100 nm in tutte le foto. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 6
. Figura 6. immagine Oro Nanorods TEM (a sinistra) e UV-visibile dello spettro (a destra) di nanotubi d'oro preparata secondo la Sezione 3 più alte concentrazioni di CTAB: 60 mm (A); 80 mm ( (C) del CTAB nella soluzione di crescita. L'uso di una maggiore quantità di CTAB nei risultati soluzione crescita dei nanotubi che sono più, ma caratterizzato da un rapporto aspetto inferiore. Infatti, le immagini TEM qui riportati mostrano che la larghezza delle barre aumenta; che provoca la riduzione del rapporto di aspetto. Barra della scala è di 100 nm in tutte le foto. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Tabella 1
Tabella 1. concentrazione CTAB. Gli importi di CTAB utilizzati per la preparazione di nanotubi d'oro con il diverso rapporto di aspetto ottenuto.

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Discussion

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Il protocollo qui presentata si applica idrochinone, una molecola aromatica caratterizzata da un potenziale di riduzione deboli, per produrre nanorods oro. Ci sono due vantaggi principali del presente protocollo verso la via di sintesi più comunemente impiegato basato sull'uso di acido ascorbico: il primo è che l'idrochinone è in grado di ridurre quasi quantitativamente gli ioni d'oro che permettono la produzione di una maggiore quantità di nanotubi oro 11 La. quest'ultimo è dato dal fatto che esso richiede una quantità minore di CTAB e conseguente riduzione sostanziale dei costi. Il presente protocollo si basa su un approccio in due fasi che si occupa di una separazione della fase di nucleazione dalla crescita dei nanotubi. Abbiamo notato che è estremamente importante che la dimensione dei semi oro utilizzato è mantenuta a circa 3 nm come suggerito dalla spettroscopia UV-visibile. 8 Al contrario, se si utilizzano i semi più grandi, con una dimensione di 5 nm o più, inevitabilmente ottiene sferica nanoparticelle.

La crescita di nanotubi di oro può essere facilmente seguita mediante spettroscopia UV-visibile. Rod particelle di forma sono caratterizzate da spettri con due picchi chiari corrispondenti alle due diverse dimensioni delle aste. Inoltre, questa tecnica può essere usata per ottenere una prima stima del rapporto di aspetto dei tondini ottenuti secondo la legge empirica:

AR = 0,0078 • PP - 3.3

dove AR è il rapporto di aspetto empirica determinata TEM analisi dell'immagine e PP è la posizione del picco plasmonica rispetto all'asse longitudinale espressa in nanometri. La presenza del secondo picco plasmonica nella regione vicino all'infrarosso dello spettro è necessario confermare la produzione di particelle anisotrope. Tuttavia, va notato che l'AR ottenuto grazie a questa equazione è solo una correlazione empirica dei risultati sperimentali ottenuti utilizzando TEM e UV-Visibile spettroscopia e devono essere confermati per ogni lotto di AuNRs prodotte. Dopo spettroscopia UV-Visibile conferma la completa formazione del AuNR, la sospensione viene centrifugata per rimuovere l'eccesso di CTAB presente nella soluzione di crescita, e quindi le aste vengono sospesi in acqua pura, dove risultano stabili per pochi mesi a temperatura ambiente. analisi TEM è necessaria anche per la caratterizzazione completa del AuNR per ottenere informazioni precise circa la lunghezza e la larghezza.

Il rapporto di aspetto e la dimensione delle nanoparticelle ottenute possono essere ottimizzate in due modi. Analogamente a quanto viene comunemente fatto nella sintesi di AuNRs base di acido ascorbico, la quantità di ioni di argento nella soluzione di crescita è in grado di determinare la formazione di forme più o meno allungate. Ag + induce una pausa simmetria dei nanotubi che formano una volta che i semi hanno raggiunto una dimensione di circa 5-6 nm. 12 Pertanto, una maggiore quantità di ioni d'argento nella crescitasoluzione è in grado di indurre la formazione di AuNRs più lunghi. Quando AuNRs con proporzioni diverse vengono preparati attraverso questo approccio, la lunghezza di nanotubi può essere sintonizzato, ma la larghezza rimane pressoché costante e viene leggermente diminuita quando le aste più lunghe (AR ≈ 3) sono fatti. Un altro parametro importante è la quantità di CTAB utilizzato nella soluzione di crescita. La concentrazione di CTAB è stato trovato per influenzare non solo le proporzioni, ma anche la dimensione dei nanotubi. È interessante notare che, mentre la lunghezza dei nanotubi ottenuti dipende linearmente dalla concentrazione di CTAB, le proporzioni comporta in modo diverso e si osserva un massimo quando CTAB è compresa tra 40 e 60 mM. Ciò corrisponde al fatto che la larghezza delle barre rimane costante a concentrazioni basse CTAB, ma superiore a 50 mm, la larghezza dell'asta inizia ad aumentare causando la riduzione della AR.

Per riassumere, abbiamo dimostrato come, applicando idrochinone come agente riducente, è possible per preparare nanotubi utilizzando circa la metà della quantità di CTAB rispetto al protocollo comune basata sulla riduzione da acido ascorbico. Nonostante il fatto che questo approccio è limitato alla preparazione di nanotubi oro relativamente brevi con un rapporto compreso tra 2 e 3, ci aspettiamo che potrebbe essere facilmente adottato da altri gruppi. Questo perché, anche se si basa su una piccola modifica dell'approccio basato acido ascorbico norma, questo metodo può migliorare drasticamente le AuNRs resa con una sostanziale riduzione dei costi. Inoltre, fornisce una buona ed affidabile controllo delle dimensioni e le proporzioni delle particelle sintetizzati. Pertanto, tutti i vantaggi di questo protocollo potrebbe essere utile per una diffusione più semplice ed efficiente di nuove applicazioni mediche di nanoparticelle, perché questa via di sintesi più conveniente contribuirà a sviluppare l'approccio biomedico che fa uso di nanotubi nella pratica clinica con potenziali benefici per pazienti.

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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

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References

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Cite this Article

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).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).

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