Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Гидрохинон основе Синтез наностержней золота

doi: 10.3791/54319 Published: August 10, 2016

Summary

В этом документе описан протокол для синтеза золотых наностержней, основанный на использовании гидрохинона в качестве восстановителя, а также различные механизмы контроля за их размера и соотношения сторон.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Золотые наночастицы (AuNPs) являются одним из наиболее распространенных и перспективных наноструктур для использования в биомедицинских приложениях. Их использование имеет важное значение во многих пункт-ухода в пробирке диагностики продуктов 1 Они были предложены в качестве эффективного инструмента для ряда других различных областей применения:. В качестве контрастного агента в исследованиях визуализации, 2 в качестве системы доставки лекарственного средства 3 и , как препараты для светоиндуцированного термотерапии (или фототермической терапии). 4. Большой потенциал AuNPs въехал, в последние двадцать лет, интенсивные исследования по разработке нового синтеза , который способен увеличить контроль на размер и форму , получается. 5 Это происходит потому, что различные виды AuNPs фактически более подходящим, чем другие для конкретных применений.

Среди различных золотых наноструктурах, золотые наностержни (AuNRs) стали одним из самых интересных систем. AuNRs характеризуются двумя плазмосетевых карт пики , связанные с колебанием электронов вдоль продольной и поперечной осей, соответственно. 6 Особенно важно , что положение самого интенсивного продольного пика может быть настроен точно между 620 и 800 нм, в зависимости от соотношения сторон стержней , Эта область соответствует биологическому окно, 7 , где человеческие ткани почти не впитывают свет, способствующего развитию ряда фотонных применений в естественных условиях , связанных с AuNPs.

Несмотря на огромный интерес к такого рода наноструктурах, синтетические протоколы для приготовления AuNRs страдают от нескольких ограничений. В большинстве случаев, наностержни получают в соответствии с методом двухступенчатого разработанного Сау и соавторами. 8 , в своем протоколе, нанострежни синтезируют путем уменьшения ионами золота с использованием аскорбиновой кислоты в присутствии предварительно формованных семян золота, серебра ионов и большое количество бромида гексадецильная триметиламмониевой (СТАВ), ACationic линейное поверхностно-активное вещество.

Недостатком этого протокола является то , что выход восстановление ионов золота является относительно низким (около 20%) 9 и что высокое количество СТАВ, дорогого реагента , что составляет более половины от общей стоимости для реагентов в синтезе, необходим. Разработка нового и более эффективного пути синтеза является оттуда считается важной необходимостью, что позволяет распространение медико-биологических подходов, основанных на AuNRs.

В первой части настоящей работы мы представляем оптимизированный протокол для подготовки AuNR, имеющего соотношение сторон около трех. Синтез основан на использовании гидрохинона в качестве мягкого восстановителя , и это позволяет получать AuNR с почти количественным восстановлением ионов золота, что делает использование уменьшенного количества СТАВ. 10 Этот протокол для подготовки AuNRs основан на двухступенчатого подхода, где семена золота используются в "золь ростасоциологическое загрязнение ".

Во второй части мы покажем, как тонко подстройку соотношение размера и соотношения сторон полученного AuNR двумя способами. Первый способ, аналогичный стандартному протоколу на основе аскорбиновой кислоты, вл етс изменение количества ионов серебра, присутствующих в растворе «роста». Второй способ основан на изменении количества СТАВ, которое может быть уменьшено вплоть до концентрации 10 мМ (близкой к критической концентрации мицеллярной сообщили поставщиком), чтобы получить хорошо определенные короткие наностержней.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Синтез наностержней золота

Примечание: Используйте высокоочищенного воду во всем.

  1. Подготовка семян золота
    1. Растворить 364.4 мг гексадецилтриметиламмония бромида (CTAB) в 5 мл воды, при обработке ультразвуком при 40 ° С до тех пор, пока раствор станет прозрачным. Дают раствору СТАВ остыть до комнатной температуры.
    2. Отдельно готовят 5 мл tetrachloroauric кислоты (HAuCl 4) в воде (0,5 мМ).
    3. Добавить раствор HAuCl 4 к раствору ЦТАБ при интенсивном перемешивании магнитной мешалкой, поддерживая температуру постоянной при 27 ° C.
    4. Приготовьте 600 мкл боргидрида натрия (NaBH 4) раствора в воде (10 мМ) при 4 ° С. Добавьте этот раствор в смесь при интенсивном перемешивании. Проверьте цвет Раствор сразу меняется от желтого до коричневатого.
    5. Перемешать суспензию в течение 20 мин перед использованием. Храните суспензии семена в течение не более чем 24 часа при комнатной темпераратура.
    6. Проверьте размеры семян с использованием UV-VIS спектрофотометр. Убедитесь, что семена достаточно малы (около 2 нм), которые будут использованы при получении золота наностержней методом УФ-видимой спектроскопии.
      Примечание: спектр должен быть подобен тому , что приведены на рисунке 1 увеличенных семена , идентифицированные при наличии плазмонного пика около 505-520 нм , не должны быть использованы , поскольку они, вероятно , для получения сферических наночастиц..
  2. Приготовление раствора "роста" золотых наностержней.
    1. Растворить 182.2 мг CTAB вместе с 22 мг гидрохинона в 5 мл воды при 40 ° С с помощью ультразвука. Охладить раствор до 27 ° С.
    2. Подготовить 200 мкл 4 мМ нитрата серебра раствором (AgNO 3).
    3. Отдельно готовят 5 мл 1 мМ раствора tetrachloroauric кислоты (HAuCl 4).
    4. Сначала добавьте раствор нитрата серебра, полученного на стадии 1.2.2. Затем добавьте HAuCл 4 раствор , приготовленный на стадии 1.2.3 к раствору ЦТАБ и гидрохинон , полученного на стадии 1.2.1 при перемешивании магнитной мешалкой.
    5. Сразу же после того, как, добавляют при перемешивании на магнитной мешалке 12 мкл суспензии семян предварительно приготовленной в соответствии с протоколом Заявлено на шаге 1.1, и пусть начала реакции. Проверьте, если подвеска меняет цвет в течение примерно 30 минут.
    6. Контроль образования наностержней путем проверки УФ-видимого спектра суспензии, как описано в разделе 4, каждые 5 мин. Продолжайте до тех пор, пока спектр стабилен. Чтобы разрешить полное образование наностержней, оставляют суспензию при перемешивании в течение еще ​​30 мин (рис 2).
    7. Разделить суспензию в пробирки (1 мл суспензии для каждой пробирки) и центрифугу при 10000 х г в течение 10 мин. Золотые наностержни образуют темный осадок на дне пробирки.
    8. Ресуспендируют осадок в каждую пробирку 1 мл воды. Смешайте содержимое пробирки и хранить SUSPension золотых наностержней при комнатной температуре.
    9. Охарактеризовать полученные наностержней с помощью УФ-видимой спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии , как описано в разделе 4 (рисунок 3).

2. Настройка Формат кадра наностержней путем варьирования концентрации ионов Ag +

  1. Готовят раствор нитрата серебра с концентрацией 4 мМ, растворяя 3,4 мг AgNO 3 в 5 мл воды.
  2. Приготовьте в трех различных ампул раствора с ЦТАБ и гидрохинон, как описано в разделе 1.2.1 и добавьте соответственно 100 мкл, 150 мкл или 200 мкл раствора нитрата серебра.
  3. Добавьте 4 HAuCl раствор , приготовленный в соответствии со стадией 1.2.3 и приступить к подготовке золотых наностержней , как описано с точки 1.2.5.
  4. Охарактеризовать полученные наностержни с помощью УФ-видимой спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Флаконы с меньшими количествами Ag + будет повторноSult в более короткие наностержней (соотношение сторон 2 и 2,2 соответственно) (рисунок 4).

3. Настройка формата изображения наностержней путем варьирования концентрации ЦТАБ

  1. Подготовка различных партий золота наностержней с различными концентрациями ЦТАБ в растворе "роста". Используйте концентрации от 10 до 100 мм для получения золотых наностержней, имеющих различный размер и соотношение сторон. Концентрации ЦТАБ , используемые в каждом эксперименте , представлены в таблице 1 , с соответствующим количеством миллиграммов используемой. Растворите различные количества СТАВ всегда с 22 мг гидрохинона в 5 мл воды.
  2. Добавить 200 мкл раствор нитрата серебра (полученного в соответствии со стадией 1.2.2) и 5 мл раствора HAuCl 4 (полученного в соответствии , как описано на стадии 1.2.3) в каждом флаконе при перемешивании магнитной мешалкой.
  3. Добавьте 12 мкл семян суспензией и наблюдать изменение цвета конечной смеси.
  4. Стопперемешивание, когда цвет Суспензия и УФ-видимого спектра стабилизируются; Время реакции зависит от концентрации ЦТАБ в растворе роста.
  5. Центрифуга при 10000 х г в течение 10 мин и ресуспендируют в воде.
  6. Охарактеризовать полученные наностержни с помощью УФ-видимой спектроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Более низкая концентрация СТАВ приведет к более коротким наностержнях в то время как более высокая концентрация даст больше времени, но более крупные наностержни. Наоборот соотношение сторон наностержней будет выше в диапазоне около 40-50 мм и будет уменьшаться как при более низких и более высоких концентрациях (рисунок 5 и рисунок 6).

4. Характеристика золота наностержней

  1. УФ-видимой спектроскопии
    1. Разбавляют 100 мкл нанострежни раствора с 400 мкл воды в пластмассовом микро-кювету и получают спектр поглощения УФ-видимой (диапазон длин волн между 400 и 840 нм)в соответствии с протоколом производителя.
    2. Собирают УФ-видимой спектров (диапазон длин волн между 400 и 840 нм) раствора роста каждые 5 мин с целью изучения кинетики реакции.
  2. Просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ)
    1. Сбор ПЭМ-изображения каждого образца наностержней, для измерения размера и соотношения сторон полученных наностержней. Подготовить образцы, помещая каплю суспензии (4 мкл) на ультратонкую формвар покрытием 200 меш медные сетки и оставить высохнуть на воздухе при температуре 4 ° С. Анализ образца при ТЭМ с использованием ускоряющего напряжения 200 кВ в соответствии с протоколом производителя.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

УФ - видимый спектр семян золота можно увидеть на рисунке 1. УФ - видимый спектр приобретенные в разное время после инъекции семян золота представлены на рисунке 2. УФ - видимый спектры и Данные трансмиссионной электронной микроскопии (ПЭМ) изображения полученных золотых наностержней показаны на рисунке 3. УФ - видимый спектр и трансмиссионной электронной микроскопии (ПЭМ) изображения золотых наностержней с различным соотношением сторон , полученного путем варьирования количества ионов серебра, показаны на рисунке 4 и СТАВ в растворе роста на рисунках 5 и 6. УФ-видимой спектры используются для наблюдения за образование анизотропных наночастиц золота и получить примерное представление соотношения сторон. ПЭМ-изображения используются для определения морфологии наноструктур, чтобы оценить точное соотношение сторон AuNRs и доказать кристаллическую структуруиз золота.

Рисунок 1
Рисунок 1. Семена золота. УФ-видимый спектр семян золота , приготовленных в соответствии с разделом 1.1. Для того, чтобы доказать , что размерность семян не слишком велико, не должно быть никаких признаков плазмонного пика в области между 505 и 520 нм, характеризующей плазмонных наночастиц, так что этот показатель демонстрирует наличие очень мелких семян золота. Пожалуйста , нажмите здесь для просмотра увеличенной версии этой фигуры.

фигура 2
. Рисунок 2. Кинетика реакции УФ-видимой спектры золота наностержней , полученных в разное время с момента инъекции семян золото (СТАВ 50 мМ; Ag + 200 мкл). Спектры выставки A плазмонный пик , который изначально очень красный сдвинуты и прогрессивно движется в сторону меньших длин волн с течением времени , пока он не станет стабильным предположить , что реакция завершается примерно через 30 минут после инъекции семян. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3. Золото Наностержни. ПЭМ изображение (слева) и УФ-видимой части спектра (справа) золота наностержни , приготовленных в соответствии с протоколом 1.2. ПЭМ изображение показывает удлиненную форму получаемых наночастиц, подтвержденный наличием двух плазмонных пиков в УФ-видимой области спектра, связанный с колебанием электронов вдоль продольной и поперечной осей. Шкала масштаба ТЭМ изображения составляет 100 нм.large.jpg "целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 4
. Рисунок 4. Золотой Наностержни ПЭМ изображение (слева) и УФ-видимой части спектра (справа) золота наностержней полученного в соответствии с протоколом 2 с использованием 200 мкл (A); 150 мкл (В) и 100 мкл (С) Ag + раствор в растворе роста. Как показывают ПЭМ - изображения, использование большего количества Ag + в растворе приводит к росту в более длинных наностержней. Это также свидетельствует о различиях между наиболее интенсивных пиков плазмонных позиций в трех партиях NRS. Масштабная линейка ТЕМ изображений составляет 100 нм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.


. Рисунок 5. Золото Наностержни ПЭМ изображение (слева) и УФ-видимой части спектра (справа) золота наностержней полученного в соответствии с разделом 3 , используя более низкие концентрации CTAB: 10 мМ (А) и 20 мМ (В) СТАВ в росте решение. Использование меньшего количества ЦТАБ в растворе роста приводит к сокращению наностержни. Шкала бар составляет 100 нм во всех изображениях. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 6
. Рисунок 6. Золото Наностержни ПЭМ изображение (слева) и УФ-видимой части спектра (справа) золота наностержней полученного в соответствии с разделом 3 , используя более высокие концентрации CTAB: 60 мМ (A); 80 мМ ( (С) ЦТАБ в растворе роста. Использование большего количества ЦТАБ в растворе приводит рост в наностержни, которые больше, но характеризуется более низким соотношением сторон. На самом деле, ПЭМ здесь сообщалось, показывают, что ширина стержней возрастает; что приводит к уменьшению соотношения сторон. Шкала бар составляет 100 нм во всех изображениях. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Таблица 1
Таблица 1. Концентрация СТАВ. Суммы СТАВ , используемые для приготовления золотых наностержней с различным соотношением сторон , полученного.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Протокол, представленные здесь применяется гидрохинон, ароматическую молекулу характеризуется слабым восстановительным потенциалом, в процессе производства золота наностержней. Есть два основных преимущества настоящего протокола по направлению к наиболее часто используемой схеме синтеза , основанного на использовании аскорбиновой кислоты: во - первых, что гидрохинон способен почти количественно уменьшить ионами золота , позволяя производство большего количества золота наностержней 11. Последнее определяется тем, что она требует меньшего количества ЦТАБ и последующее существенное сокращение затрат. Настоящий протокол основан на двухступенчатом подходе, который имеет дело с разделением на стадии зарождения от роста наностержней. Мы заметили , что чрезвычайно важно , что размер семян золота используется хранится около 3 нм в соответствии с предложением УФ-видимой спектроскопии. 8 , наоборот, если используются более крупные семена с размером 5 нм или более, мы неизбежно получим сферический наночастицы.

Рост золотых наностержней можно легко проследить с помощью УФ-видимой спектроскопии. частицы пластинчатой ​​формы стержневые характеризуются спектров с двумя четкими пиков, соответствующих двум различным размерам стержней. Кроме того, этот метод может быть использован для получения первой оценки соотношения сторон полученных стержней согласно эмпирическому закону:

AR = 0,0078 • PP - 3,3

где Аr представляет собой эмпирическое соотношение сторон определяется с помощью анализа изображений TEM и ПП является положение плазмонного пика относительно продольной оси , выраженный в нанометрах. Присутствие второго плазмонного пика в ближней инфракрасной области спектра необходимо, чтобы подтвердить получение анизотропных частиц. Тем не менее, следует заметить, что AR получен благодаря этому уравнению является лишь эмпирической корреляции экспериментальных результатов, полученных с помощью ПЭМ и UV-видимой спектроскопии и должны быть подтверждены для каждой партии AuNRs производства. После УФ-видимой спектроскопии подтверждает полное образование AuNR, суспензию центрифугируют, чтобы удалить избыток СТАВ, присутствующих в растворе роста, а затем штоки суспендируют в чистой воде, где их можно отнести к стабильным в течение нескольких месяцев, в комнатная температура. Анализ ПЭМ также необходимо для полной характеристики на AuNR, чтобы получить точную информацию о длине и ширине.

Соотношение сторон и размер полученных наночастиц может быть точно настроен двумя способами. Подобно тому, что обычно делается в синтезе AuNRs на основе аскорбиновой кислоты, количество ионов серебра в растворе роста способен определить образование более или менее вытянутой формы. Ag + индуцирует нарушает симметрию штамповочных наностержни , как только семена достигали размера 5-6 нм. 12 Таким образом, большее количество ионов серебра в ростераствор способен индуцировать образование длинных AuNRs. Когда AuNRs с различными соотношениями сторон подготовлены на основе такого подхода, длина наностержней может быть настроена, но ширина остается почти постоянным и лишь немного уменьшается, когда самые длинные стержни (AR ≈ 3) выполнены. Другим важным параметром является количество СТАВ, используемый в растворе роста. Концентрация CTAB было выявлено влияние не только пропорции, но и размер наностержней. Интересно отметить, что в то время как длина полученных наностержней линейно зависит от концентрации СТАВ, соотношение сторон ведет себя по-разному, и наблюдается максимум при СТАВ находится в диапазоне от 40 до 60 мМ. Это соответствует тому, что ширина стержней остается постоянной при низких концентрациях СТАВ, но выше 50 мм, ширина стержень начинает увеличиваться, вызвавшее уменьшение АР.

Подводя итог, мы продемонстрировали, как, применяя гидрохинон в качестве восстановителя, это possiblе подготовить наностержни, используя примерно половину количества CTAB по сравнению с общим протоколом на основе сокращения аскорбиновой кислотой. Несмотря на то, что этот подход ограничивается подготовкой относительно коротких золотых наностержней с соотношением сторон между 2 и 3, мы ожидаем, что она может быть легко принят другими группами. Это происходит потому, что, даже если оно основано на небольшой модификации на основе стандарт аскорбиновая кислота подхода, этот метод может значительно улучшить AuNRs выход при существенном сокращении затрат. Кроме того, она обеспечивает хороший и надежный контроль размера и соотношения сторон синтезированных частиц. Таким образом, все преимущества этого протокола может быть полезным для более легкого и эффективного распространения новых медицинских применений наночастиц, так как это более удобный путь синтеза будет способствовать развитию биомедицинского подхода, который делает использование наностержней в клинической практике с потенциальными выгодами пациентов.

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).
Гидрохинон основе Синтез наностержней золота
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

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