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Chemistry

金ナノロッドのヒドロキノンベースの合成

doi: 10.3791/54319 Published: August 10, 2016

Summary

この論文では、還元剤としてのヒドロキノンの使用に加え、それらのサイズおよびアスペクト比を制御するための異なるメカニズムに基づいて、金ナノロッドの合成のためのプロトコルを記載しています。

Introduction

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金ナノ粒子(AuNPs)は、生物医学的用途で使用される最も普及していると有望なナノ構造の一つです。それらの使用は、多くのポイントオブケアインビトロ診断製品に必須である1は、他の多数の異なる用途のための有効なツールとして提案されている:2薬物送達システム3としてとして、画像化研究における造影剤として光誘起温熱療法(または光熱治療)のための薬。4 AuNPsの大きな可能性は、最後の20年間で、サイズ上のコントロールを向上させ、得を形成することができる新しい合成法の開発に熱心な研究を推進してきました。5 AuNPsの異なる種類は、実際には特定のアプリケーションのために他のものよりも適しているためです。

別の金ナノ構造体、金ナノロッド(AuNRs)の中で最も興味深いシステムの一つとして浮上しています。 AuNRsは2 plasmoによって特徴づけられます縦及び横軸に沿った電子の振動に関連したNICのピークは、それぞれ、 図6には、ロッドのアスペクト比に応じて、最も強い縦ピークの位置が正確に620乃至800nm ​​のを調整することができることは特に重要です。この領域は、ヒト組織はほとんどAuNPsを含むin vivoでのフォトニックアプリケーションの数の開発を可能にする、光を吸収しない生体の窓、7と一致します。

ナノ構造のこの種の巨大な関心にもかかわらず、AuNRsの調製のための合成プロトコルは、いくつかの制限を受けます。ほとんどの場合、ナノロッドは、サウおよび共同研究者によって開発された二段階の方法に従って調製された。8それらのプロトコルでは、ナノロッドは、予め形成された金種、銀イオンと多量の存在下でアスコルビン酸を用いた金イオンを還元することにより合成されますヘキサデシルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)、交流のationic線形界面活性剤。

CTABのこのプロトコルの欠点は、金イオンの還元の収率が比較的低いこと(約20%)9と、高量、より多くの合成における試薬の総コストの半分以上を占める高価な試薬必要とされています。新しい、より効率的な合成経路の開発はAuNRsに基づいて生物医学的なアプローチの広がりを可能にする、重要な必要性がそこから考えられています。

本研究の最初の部分では、約3のアスペクト比を有するAuNRの調製のための最適化されたプロトコルを提示します。合成は、穏やかな還元剤としてハイドロキノンを使用することに基づいており、それは、CTABの低減量を利用して、金イオンのほぼ定量的な還元とAuNRの製造を可能にする。10 AuNRsの調製のためのこのプロトコルの基礎と金種を「成長ゾルで使用される2つのステップのアプローチにution」。

第二部では、我々は次の2つの方法でチューニングを得AuNRのサイズとアスペクト比を細かくする方法を示しています。アスコルビン酸に基づく標準プロトコルと同様の第一の方法は、「成長溶液」中に存在する銀イオンの量を変化させることです。第二の方法は、明確に定義された短いナノロッドを得るために、(供給者によって報告された臨界ミセル濃度に近い)10 mMの濃度まで低減することが可能CTABの量の変動に基づいています。

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Protocol

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金ナノロッドの1の合成

注:全体で高度に精製された水を使用してください。

  1. 金の種子の準備
    1. 溶液が透明になるまで40℃で超音波下で、5ミリリットルの水に臭化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム(CTAB)の364.4 mgの溶かします。 CTAB溶液を室温まで冷却してみましょう。
    2. 別に、水(0.5ミリモル)に四塩化金酸(のHAuCl 4)の5ミリリットルを準備します。
    3. 27℃の温度を一定に保ち、激しく磁気攪拌しながらCTAB溶液へのHAuCl 4溶液を加えます。
    4. 水素化ホウ素ナトリウムの600μlの(のNaBH 4)4℃の水(10 mM)の溶液を準備します。激しく撹拌しながら混合物に、このソリューションを追加します。ソリューションの色がすぐに茶色がかった黄色から変更されているか確認してください。
    5. 使用前に20分間の懸濁液を撹拌します。部屋のテンペラで、もはや24時間以上の種のサスペンションを保存しませんチャー。
    6. 紫外可視分光光度計を用いて、種子の大きさを確認してください。種子は紫外可視分光法によって金ナノロッドの製造に使用される(約2nm)十分に小さいことを確認してください。
      注:スペクトルを図1に報告されるものと類似していなければならない彼らは、球状ナノ粒子を製造する可能性があるので、505から520ナノメートルの周りのプラズモンピークの存在によって同定大きな種子が使用することはできません。
  2. 金ナノロッドの「 成長溶液 」を調製します。
    1. 超音波を用いて40℃で5ミリリットルの水で22mgのヒドロキノンと一緒に182.2 mgのCTABを溶かします。 27°Cにソリューションをクールダウン。
    2. 4 mMの硝酸銀(AgNO 3を)溶液200μlを準備します。
    3. これとは別に、四塩化金酸(のHAuCl 4)の1 mM溶液の5ミリリットルを準備します。
    4. 最初のステップ1.2.2で調製した硝酸銀溶液を追加します。その後、HAuCを追加リットル4溶液は、磁気撹拌下、ステップ1.2.1で製造したCTAB及びヒドロキノンの溶液にステップ1.2.3で製造しました。
    5. 直後、以前のプロトコルに従って調製した種子懸濁液の12μlのは、ステップ1.1で報告された磁気攪拌下で添加し、反応開始をしましょう​​。懸濁液を約30分間で色が変化するかどうかを確認してください。
    6. セクション4、5分毎に記載されているように、懸濁液のUV-可視スペクトルを確認することによりナノロッドの形成を制御します。スペクトルが安定するまで進みます。ナノロッドの完全な形成を可能にするために、さらに30分( 図2)攪拌下にサスペンションを残します。
    7. 10分10,000×gでチューブ内の懸濁液(各チューブ用懸濁液1ml)および遠心分離機を分割します。金ナノロッドは、チューブの底の暗い沈殿物を形成します。
    8. 水の1ミリリットルで、各チューブの沈殿物を再懸濁します。チューブの内容を一緒に混ぜ、SUSPを保存室温での金ナノロッドのension。
    9. 部4( 図3)に記載のようにUV-可視分光法及び透過電子顕微鏡法によって得られたナノロッドを特徴付けます。

2のAg +イオンの濃度を変えることによって、ナノロッドのアスペクト比の調整

  1. 5mlの水に3.4ミリグラムのAgNO 3を溶解 、4 mMの濃度で硝酸銀溶液を準備します。
  2. セクション1.2.1で説明したように、3つの異なるバイアルCTABを含む溶液とハイドロキノンで準備し、それぞれ100μlを、150μlあるいは硝酸銀の溶液200μlを追加します。
  3. 1.2.3ステップとポイント1.2.5から説明したように金ナノロッドの準備を続行するに従って調製のHAuCl 4溶液を加えます。
  4. UV-可視分光法および透過型電子顕微鏡によって得られたナノロッドを特徴付けます。 Ag +の低い量のバイアルを再ます短いナノロッドでSULT(それぞれ2および2.2のアスペクト比)( 図4)。

3. CTABの濃度を変えることにより、ナノロッドのアスペクト比のチューニング

  1. 「成長溶液」にCTAB濃度の異なる金ナノロッドの異なるバッチを準備します。利用異なるサイズ及びアスペクト比を有する金ナノロッドを生成するための10mMから100mMの濃度。各実験で使用CTABの濃度を使用ミリグラムの対応する量で、表1にまとめます。水5ml中のハイドロキノンの22 mgのと常にCTABの異なる量を溶解させます。
  2. 磁気攪拌下で各バイアルに(ステップ1.2.3で説明した方法に従って調製)(ステップ1.2.2に従って調製)硝酸銀溶液200μlを加え、のHAuCl 4溶液の5ミリリットル。
  3. 種子懸濁液12μlを添加して、最終混合物の色の変化を観察します。
  4. やめるサスペンションの色と紫外可視スペクトルが安定している攪拌。反応時間は、成長溶液中のCTAB濃度に依存します。
  5. 水に10分間再懸濁し、10,000×gで遠心分離します。
  6. UV-可視分光法および透過型電子顕微鏡によって得られたナノロッドを特徴付けます。より高い濃度が長いが、大きなナノロッドを与える一方でCTABの低い濃度は、短いナノロッドになります。逆にナノロッドのアスペクト比は40〜50 mMの周りの範囲で高くなり、より低いおよびより高い濃度( 図5及び図6)の両方で減少します。

金ナノロッドの4キャラクタリゼーション

  1. UV-可視分光法
    1. プラスチック製のマイクロキュベットに水を400μlとナノロッド溶液100μlを希釈し、紫外可視吸収スペクトル(400〜840 nmの波長範囲)を取得製造業者のプロトコルに従って。
    2. 反応の動力学を研究するために、成長溶液5分毎のUV-可視スペクトル(波長範囲400〜840 nm)を収集します。
  2. 透過型電子顕微鏡(TEM)
    1. サイズの得られたナノロッドのアスペクト比の測定のために、ナノロッドの各サンプルのTEM画像を収集します。超薄型ホルムバールコーティングされた200メッシュの銅グリッド上に1滴の懸濁液(4μl)を配置することによって、サンプルを調製し、4℃で空気中で乾燥するままにしておきます。製造業者のプロトコルに従って、200 kVの加速電圧を使用してTEMでのサンプルを分析します。

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Representative Results

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金種のUV可視スペクトルを図1に見ることができる。金種の注射後の異なる時点で取得されたUV可視スペクトルは、図に示されている2。UV可視スペクトルや透過型電子顕微鏡(TEM)像を得られた金ナノロッドの図3に示されている。銀イオンの量を変化させることによって得られた異なるアスペクト比を有する金ナノロッドのUV可視スペクトルや透過型電子顕微鏡(TEM)像を図5及び6の成長溶液中に、図4およびCTABで実証されています。 UV可視スペクトルは、異方性金ナノ粒子の形成を観察し、アスペクト比の目安を得るために使用されます。 TEM画像はAuNRsの正確なアスペクト比を評価するために、結晶構造を証明するために、ナノ構造の形態を決定するために使用されます金の。

図1
セクション1.1に従って調製した金種の図1.ゴールドの種。紫外可視スペクトル。種子の大きさが大きすぎないことを証明するために、プラズモニックナノ粒子を特徴付けるので、この数字は非常に小さな金の種の存在を示している505と520 nmの間の領域におけるプラズモンピークの兆候があってはいけません。 こちらをクリックしてくださいこの図の拡大版を表示します。

図2
図2.反応速度を金種の注入以来、異なる時間で取得された金ナノロッドのUV-可視スペクトル。(CTABの50mM;銀+200μlの)。スペクトルショーAそれは反応は、種子の注入から約30分後に完了したことを示唆して安定するまで、最初は非常に赤であるプラズモンピークは時間とともにより低い波長に向かって次第に移動をシフトしている。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
手順1.2に従って調製した金ナノロッドの図3の金ナノロッド。TEM像(左)及びUV可視スペクトル(右)。 TEM像は、縦及び横軸に沿った電子の振動に関連したUV可視スペクトルにおける2つのプラズモンピークの存在により確認され得られたナノ粒子の細長い形状を示しています。 TEM像のスケールバーは100nmです。large.jpg "ターゲット=" _空白 ">この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図4
。図4の金ナノロッドのTEM像(左)および200μlの(A)を用いてプロトコール2に従って調製した金ナノロッドの紫外可視スペクトル(右)。 150μlの(B)及び成長溶液中のAg +溶液 100μl(C)。 TEM画像が示すように、より長いナノロッドの成長溶液の結果中のAg +のより高い量を使用します。これは、のNRの3つのバッチの中で最も強いプラズモンピーク位置との間の差によって示されます。 TEM像のスケールバーは100nmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。


。図5の金ナノロッドのTEM画像(左)とCTABの低濃度を用い項3に従って調製した金ナノロッドの紫外可視スペクトル(右):10mMの(A)及び成長のCTABの20mMの(B)溶液。成長溶液中のCTABのより少ない量を使用することは、より短いナノロッドをもたらします。スケールバーは、すべての画像に100nmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図6
。図6の金ナノロッドのTEM画像(左)とCTABのより高い濃度を使用してセクション3に従って調製した金ナノロッドの紫外可視スペクトル(右):60mMの(A)。 80 mMの( (C)。長いが、より低いアスペクト比によって特徴付けられるナノロッドの成長ソリューション結果のCTABのより多くの量を使用します。実際には、ここで報告されたTEM画像は、ロッドの幅が増大することを示します。すなわち、アスペクト比の低下を招きます。スケールバーは、すべての画像に100nmである。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

表1
表1 CTAB濃度。得られた異なるアスペクト比を有する金ナノロッドの調製に使用されるCTABの量。

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Discussion

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ここに提示プロトコルは、金ナノロッドを生成するために、ヒドロキノン、弱い還元電位によって特徴付けられる芳香族分子を適用します。アスコルビン酸の使用に基づいて、最も一般的に使用される合成経路に向けて、本プロトコルの2つの主な利点がある:第一は、ヒドロキノンがほぼ定量的に金ナノロッドの多量の産生を可能にする金イオンを還元することが可能であるということである11。後者は、それがCTABの低い量とコストのその後の実質的な低減を必要とするという事実によって与えられます。現在のプロトコルは、ナノロッドの成長からの核生成工程の分離を扱う2段階のアプローチに基づいています。我々は、UV-可視分光法によって示唆されるようにそれが使用される金種の大きさが3nmの周りに保たれることが極めて重要である気づいた。8逆に5nm以上の寸法を有するより大きな種子を使用する場合、我々は必然的に球状の取得しますナノ粒子。

金ナノロッドの成長を容易にUV-可視分光法により追跡することができます。棒状粒子がロッドの二つの異なる寸法に対応する二つの明確なピークを有するスペクトルによって特徴付けられます。また、この技術は、経験則に従って得られたロッドのアスペクト比の第1の推定を得るために用いることができます。

AR = PP•0.0078から3.3

ARは、TEM画像分析により決定経験的なアスペクト比であり、PPは、ナノメートルで表さ長手方向軸に対してプラズモンピークの位置です。スペクトルの近赤外領域の第2のプラズモンピークの存在は、異方性粒子の産生を確認する必要があります。しかし、この方程式は、TEMおよびUを用いて得られた実験結果を単に経験的相関関係であるのARがおかげで得られることに留意されなければなりませんV-可視分光法および生産AuNRsのバッチごとに確認する必要があります。 UV-可視分光法AuNRの完全な形成を確認した後、懸濁液を成長溶液中CTABの存在の過剰を除去するために遠心分離し、その後、ロッドは、それらがで数ヶ月安定であると思われる純水に懸濁しています室温。 TEM分析は、長さと幅に関する正確な情報を得るためにAuNRの完全な特徴付けのためにも必要です。

アスペクト比及び得られたナノ粒子のサイズは、微細な二つの方法で調整することができます。同様に、一般的にアスコルビン酸に基づくAuNRsの合成で行われるものと、成長溶液中の銀イオンの量は、多かれ少なかれ、細長い形状の形成を決定することができます。種子は約5-6ナノメートルの大きさに達した後のAg +が形成ナノロッドの対称性ブレークを誘導する。12このように、成長中の銀イオンのより高い量を溶液は、より長いAuNRsの形成を誘導することができます。異なるアスペクト比を有するAuNRsこのアプローチによって製造されている場合、ナノロッドの長さを調整することができるが、最も長いロッド(AR≈3)が行われたときの幅はほぼ一定のままであり、わずかに低下します。別の重要なパラメータは、成長溶液中で使用されるCTABの量です。 CTABの濃度は、アスペクト比もナノロッドのサイズだけでなく、影響を与えることが見出されています。興味深いことに、得られたナノロッドの長さが直線CTABの濃度に依存しながら、アスペクト比が異なる動作とCTABが40〜60mMの間の範囲にあるときに最大値が観察されます。これは、ロッドの幅は、低CTAB濃度で一定のままであることに対応するが、50mMの上に、ロ​​ッド幅がARの減少を引き起こす増加し始めます。

要約すると、我々は、還元剤としてハイドロキノンを適用することによって、それがpossibl方法を実証しましたeは、アスコルビン酸による還元に基づいて、共通のプロトコルと比較してCTABの量の約半分を使用してナノロッドを作製しました。このアプローチは、2と3の間のアスペクト比を有する比較的短い金ナノロッドの製造に限定されているという事実にもかかわらず、我々はそれが簡単に他のグループによって採用され得ることを期待します。それは、標準的なアスコルビン酸ベースのアプローチの小さな変更に基づいている場合でも、この方法は劇的にコストの大幅な削減とAuNRs歩留まりを向上させることができるからです。また、サイズと合成された粒子のアスペクト比の良い信頼性のある制御を提供します。これより便利な合成経路は、のための潜在的な利点と臨床診療にナノロッドを利用する生物医学的アプローチを開発するのに役立ちますのでしたがって、このプロトコルの利点の全ては、ナノ粒子の新たな医療用途の簡単かつ効率的な拡散のために有用であり得ます患者。

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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

  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).
金ナノロッドのヒドロキノンベースの合成
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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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