Login processing...

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

Chemistry

Hydrokinon Basert Syntese av gull nanorods

doi: 10.3791/54319 Published: August 10, 2016

Summary

Dette dokumentet beskriver en protokoll for syntese av nanostaver gull, basert på bruk av hydrokinon som reduksjonsmiddel, i tillegg til de forskjellige mekanismer for å kontrollere deres størrelse og størrelsesforhold.

Introduction

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

Gull nanopartikler (AuNPs) er en av de mest utbredte og lovende nanostrukturer som skal brukes i biomedisinske applikasjoner. Bruken er viktig i mange point-of-care in vitro diagnostiske produkter 1 De har blitt foreslått som et effektivt verktøy for en rekke andre forskjellige programmer. Som kontrastmiddel i imaging studier, 2 som et stoff levering system 3 og som legemidler for lys-indusert thermo (eller fototermiske terapi). 4 den store potensialet for AuNPs har drevet, i de siste tjue årene, intens forskning på utvikling av ny syntese som er i stand til å øke kontrollen på størrelse og form innhentet. 5 dette er fordi ulike typer AuNPs er faktisk mer egnet enn andre for spesifikke applikasjoner.

Blant de forskjellige gullnanostrukturer, har gull nanorods (AuNRs) dukket opp som en av de mest interessante systemer. AuNRs er preget av to plasmonic topper i forbindelse med svingningen av elektroner langs den langsgående og de ​​tverrgående akser, henholdsvis. 6 Det er spesielt viktig at posisjonen av den mest intense langsgående topp kan være innstilt nøyaktig mellom 620 og 800 nm, avhengig av størrelsesforholdet av stengene . Denne regionen varer med den biologiske vinduet, 7, hvor de humane vev nesten ikke absorberer lys, slik at utviklingen av en rekke in vivo fotoniske anvendelser som involverer AuNPs.

Til tross for en stor interesse for denne type av nanostrukturer, de syntetiske protokoller for fremstilling av AuNRs lider av flere begrensninger. I de fleste tilfeller er nanostaver fremstilt ifølge en to-trinns metode som er utviklet av Sau og medarbeidere. 8 i deres fremgangsmåte er nanorods syntetisert ved reduksjon av gullioner ved hjelp av askorbinsyre i nærvær av på forhånd dannede gull frø, sølvioner og en stor mengde av heksadecylfunksjonell trimetylammoniumbromid (CTAB), acationic lineær surfaktant.

Ulempen med denne protokollen er at reduksjonen utbyttet av gull-ioner er relativt lav (ca 20%) 9, og at en høy andel av CTAB, en dyr reagens som står for mer enn halvparten av den totale kostnaden for reagenser i syntesen, trengs. Utviklingen av en ny og mer effektiv syntetisk rute er derfra ansett for å være et viktig behov, slik at spredning av biomedisinske metoder basert på AuNRs.

I den første del av foreliggende papir, presenterer vi en optimalisert protokoll for fremstilling av AuNR har et sideforhold på omtrent tre. Syntesen er basert på anvendelse av hydrokinon som et mildt reduksjonsmiddel, og det tillater fremstilling av AuNR med en nesten kvantitativ reduksjon av gullioner, som gjør bruk av en redusert mengde av CTAB. 10 Denne protokollen for fremstilling av AuNRs er basert på en to-trinns metode hvor gull frø brukes i en "vekst solution ".

I den andre delen, viser vi hvordan du kan finjustere størrelsen og størrelsesforhold av det oppnådde AuNR på to måter. Den første måte, i likhet med den standard protokoll basert på askorbinsyre, er å variere mengden av sølvioner som er tilstede i "vekst løsning". Den andre måten er basert på variasjonen av mengden av CTAB som kan reduseres ned til en konsentrasjon på 10 mM (nær den kritiske micelle-konsentrasjonen rapportert av leverandøren) for å oppnå veldefinerte korte nanorods.

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. Syntese av Gold nanorods

Merk: Bruk høyt renset vann gjennom.

  1. Utarbeidelse av gull frø
    1. Oppløs 364,4 mg heksadecyltrimetylammoniumbromid (CTAB) i 5 ml vann under ultralydbehandling ved 40 ° C inntil løsningen blir klar. La den CTAB oppløsningen avkjøles til romtemperatur.
    2. Separat fremstille 5 ml tetraklorsyre (HAuCl 4) i vann (0,5 mM).
    3. Tilsett HAuCl 4 løsning på CTAB-oppløsningen under kraftig magnetisk omrøring, mens temperaturen ble holdt konstant ved 27 ° C.
    4. Fremstille 600 ul av natriumborhydrid (NaBH4) oppløsning i vann (10 mM) ved 4 ° C. Legg denne oppløsning til blandingen under kraftig omrøring. Sjekk om løsningen farge umiddelbart endres fra gul til brunlig.
    5. Rør suspensjon i 20 minutter før bruk. Oppbevar frøene suspensjon for ikke lenger enn 24 timer ved rom temperature.
    6. Kontrollere dimensjonene av frøene ved hjelp av et UV-Vis-spektrofotometer. Sikre at frøene er små nok (ca. 2 nm) som skal brukes ved fremstilling av gull nanorods ved UV-synlig spektroskopi.
      Merk: Spectrum må være likt det som er rapportert i figur 1 Større frø identifisert ved nærværet av et plasmonic topp rundt 505-520 nm skal ikke benyttes, fordi de er sannsynlig for fremstilling av sfæriske nanopartikler..
  2. Utarbeidelse av "vekst løsning" av gull nanorods.
    1. Oppløs 182,2 mg CTAB sammen med 22 mg hydrokinon i 5 ml vann ved 40 ° C ved hjelp av ultralyd. Kjøl ned løsningen på 27 ° C.
    2. Forbered 200 mL av 4 mm sølvnitrat (Agno 3) løsning.
    3. Separat fremstille 5 ml 1 mM oppløsning av tetraklorsyre (HAuCl 4).
    4. Først legge sølvnitratløsningen utarbeidet i trinn 1.2.2. Deretter legger HAuCl 4-løsning fremstilt i trinn 1.2.3 til oppløsningen av CTAB og hydrokinon fremstilt i trinn 1.2.1 henhold til magnetisk omrøring.
    5. Umiddelbart etter, legger til under magnetisk omrøring 12 ul av den suspensjon frø tidligere fremstilt i henhold til protokollen angitt i trinn 1.1 og la reaksjonen starter. Sjekk om suspensjonen forandrer farge i omtrent 30 min.
    6. Styr dannelsen av nanorods ved å sjekke UV-synlige spekteret av suspensjonen, som beskrevet i kapittel 4, hvert 5 min. Videre før spekteret er stabil. Å tillate fullstendig dannelsen av nanorods, la suspensjon under omrøring i ytterligere 30 min (figur 2).
    7. Fordel suspensjonen i rørene (1 ml av suspensjonen for hvert rør) og sentrifuger ved 10 000 xg i 10 min. Gull nanostaver danner et mørkt bunnfall på bunnen av røret.
    8. Suspender bunnfallet i hvert rør i 1 ml vann. Bland sammen innholdet av rørene og lagre suspdimensjonerte av gull nanostaver ved værelsetemperatur.
    9. Karakterisere innhentet nanorods av UV-synlig spektroskopi og transmisjonselektronmikroskopi som beskrevet i kapittel 4 (figur 3).

2. Tuning sideforholdet på nanorods ved å variere konsentrasjonen av Ag + ioner

  1. Forbered en sølvnitratløsning med en konsentrasjon på 4 mm, oppløsning 3,4 mg Agno 3 i 5 ml vann.
  2. Forbered i tre forskjellige ampuller ble løsningen med CTAB og hydrokinon som beskrevet i avsnitt 1.2.1 og legge til henholdsvis 100 ul, 150 pl eller 200 pl av sølvnitratløsning.
  3. Tilsett HAuCl fire løsning fremstilt ifølge trinn 1.2.3 og fortsett med utarbeidelse av gull nanorods som beskrevet fra punkt 1.2.5.
  4. Karakterisere innhentet nanorods av UV-synlig spektroskopi og transmisjonselektronmikroskopi. Hetteglass med lavere mengder av Ag + vil reSult i kortere nanorods (sideforhold på 2 og 2,2 henholdsvis) (figur 4).

3. Tuning sideforholdet på nanorods ved å variere konsentrasjonen av CTAB

  1. Forbered ulike grupper av gull nanorods med ulike konsentrasjoner av CTAB i "vekst løsning". Bruk konsentrasjoner fra 10 mm til 100 mm for å produsere gull nanorods har forskjellig størrelse og størrelsesforhold. Konsentrasjonene av CTAB anvendt i hvert forsøk er oppsummert i tabell 1 med den tilsvarende mengde av milligram anvendt. Løs opp de ulike mengder av CTAB alltid med 22 mg av hydrokinon i 5 ml vann.
  2. Tilsett 200 ul av sølvnitratløsning (fremstilt i henhold til trinn 1.2.2) og 5 ml av HAuCl 4-løsning (fremstilt i henhold hvordan beskrevet i trinn 1.2.3) i hvert hetteglass i henhold til magnetisk omrøring.
  3. Tilsett 12 pl frø suspensjon og observere endringen i farge av den endelige blanding.
  4. Stoppeomrøringen når suspensjonen farge og den UV-synlige spektrum er stabilisert; reaksjonstiden avhenger av CTAB konsentrasjonen i vekst oppløsning.
  5. Sentrifuger ved 10.000 xg i 10 min og resuspendert i vann.
  6. Karakterisere innhentet nanorods av UV-synlig spektroskopi og transmisjonselektronmikroskopi. En lavere konsentrasjon av CTAB vil resultere i kortere nanostaver, mens en høyere konsentrasjon vil gi lengre men større nanorods. På imot størrelsesforholdet av nanorods vil være høyere i området rundt 40-50 mm, og vil redusere både ved lavere og høyere konsentrasjoner (Figur 5 og Figur 6).

4. Karakterisering av gull nanorods

  1. UV-synlig spektroskopi
    1. Fortynn 100 ul nanorods oppløsning med 400 ul vann i et mikro-plast kuvette og skaffe den UV-synlige absorpsjonsspektrum (bølgelengdeområdet mellom 400 og 840 nm)henhold til produsentens protokoll.
    2. Samle UV-synlig spektrum (bølgelengdeområdet mellom 400 og 840 nm) av veksten løsningen hvert 5. min for å studere kinetikken til reaksjonen.
  2. Transmisjonselektronmikroskopi (TEM)
    1. Samle TEM bilder av hver prøve av nanorods, for måling av størrelse og størrelsesforholdet av de innhentede nanorods. Forbered prøvene ved å plassere en dråpe av suspensjon (4 pl) på en ultratynn Formvar-belagt 200-mesh kobber nett og la tørke i luft ved 4 ° C. Analysere prøven ved TEM ved hjelp av en akselererende spenning på 200 kV i henhold til produsentens protokoll.

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

UV-synlig spektrene av gull frøene kan sees i figur 1. UV-synlige spekteret anskaffet på forskjellige tidspunkter etter injeksjonen av gull frøene er presentert i figur 2. UV-synlig spektroskopi og transmisjonselektronmikroskopi (TEM) bilder av de oppnådde gull nanorods er vist i figur 3. UV-synlige spekteret og transmisjonselektronmikroskopi (TEM) bilder av gull nanostaver med forskjellige størrelsesforhold oppnås ved å variere mengden av sølvioner er vist i figur 4 og CTAB i veksten oppløsning i figurene 5 og 6. UV-synlige spekteret blir brukt til å observere dannelsen av de anisotrope gull nanopartikler og for å oppnå en grov indikasjon på sideforhold. TEM-bilder blir brukt til å bestemme morfologien av nanostrukturer, for å vurdere den nøyaktige sideforholdet til AuNRs og for å bevise krystallstrukturenav gull.

Figur 1
Figur 1. Gold frø. UV-synlige spekteret av gull frø utarbeidet i henhold til avsnitt 1.1. For å bevise at dimensjonen av frøene ikke er for stor, må det være ingen tegn til plasmonic toppen i området mellom 505 og 520 nm som karakteriserer Plasmonic nanopartikler, så dette tallet viser tilstedeværelse av svært små gull frø. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Fig. 2. reaksjonskinetikk UV-synlig spektrum av gull nanorods ervervet på ulike tidspunkt etter injeksjonen av gull frø (CTAB 50 mM; Ag + 200 ul). Spektra viser en plasmonic topp som er i utgangspunktet veldig rød skiftet og som gradvis beveger seg mot lavere bølgelengder med tid til den blir stabil tyder på at reaksjonen er ferdig etter ca 30 minutter fra frø injeksjon. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. Gold nanostaver. TEM bilde (venstre) og UV-synlig spektrum (til høyre) av gull nanorods utarbeidet i henhold til protokollen 1,2. TEM bilde viser den forlengede form av de oppnådde nanopartikler, bekreftet ved nærværet av de to Plasmonic toppene i det UV-synlige spektrum, i forbindelse med svingningen av elektroner langs den langsgående og tverrgående akser. Scale bar av TEM bilde er 100 nm.large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Fig. 4. gull nanostaver TEM-bilde (venstre) og UV-synlig spektrum (til høyre) av gull nanostaver fremstilt i henhold til fremgangsmåte 2 ved anvendelse av 200 ul (A); 150 ul (B) og 100 ul (C) av Ag + løsning i vekst oppløsning. Som TEM-bilder viser, bruken av en større mengde av Ag + i vekst løsningen resulterer i lengre nanorods. Dette er også vist ved de forskjellene mellom de mest intense plasmonic topp-posisjoner i de tre grupper av NRS. Scale bar av TEM bilder er 100 nm. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.


. Figur 5. Gold nanorods TEM bilde (venstre) og UV-synlig spektrum (til høyre) av gull nanorods utarbeidet i henhold til § 3 ved hjelp av lavere konsentrasjoner av CTAB: 10 mm (A) og 20 mm (B) av CTAB i vekst løsning. Anvendelse av en mindre mengde av CTAB i veksten oppløsning resulterer i kortere nanorods. Scale bar er 100 nm i alle bildene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6
. Figur 6. Gold nanorods TEM bilde (venstre) og UV-synlig spektrum (til høyre) av gull nanorods utarbeidet i henhold til § 3 ved hjelp av høyere konsentrasjoner av CTAB: 60 mm (A); 80 mm ( (C) av CTAB i vekst oppløsning. Bruken av en større mengde av CTAB i vekst løsningen resulterer de i nanostaver som er lenger, men kjennetegnes ved et lavere sideforhold. Faktisk TEM bilder her rapportert viser at bredden på de stenger øker; som fører til at reduksjonen av størrelsesforholdet. Scale bar er 100 nm i alle bildene. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Tabell1
Tabell 1. CTAB konsentrasjon. Mengder av CTAB brukes til tilberedning av gull nanorods med forskjellige sideforhold oppnådd.

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

Protokollen som presenteres her gjelder hydrokinon, et aromatisk molekyl kjennetegnet ved en svak reduksjon potensial, for å fremstille gull nanorods. Det er to hovedfordeler ved den foreliggende protokoll mot den mest vanlig anvendt syntetisk rute, basert på bruken av askorbinsyre: den første er at hydrokinon er i stand til nesten kvantitativt redusere gullioner som tillater fremstilling av større mengde gull nanostaver 11. sistnevnte er gitt ved det faktum at den krever en mindre mengde av CTAB og en påfølgende vesentlig reduksjon av kostnadene. Denne protokoll er basert på en to-trinns tilnærming som omhandler en separasjon av kjerne skritt fra veksten av nanorods. Vi la merke som er ekstremt viktig at dimensjonen av gull frøene brukt holdes rundt 3 nm som foreslått av UV-synlig spektroskopi. 8 Tvert imot, hvis større frø med en dimensjon på 5 nm eller mer anvendes, vi uunngåelig oppnå sfæriske nanopartikler.

Veksten av gull nanorods kan lett følges ved hjelp av uv-synlig spektroskopi. Stavformede partikler som er karakterisert ved spektra med to tydelige topper som svarer til de to forskjellige dimensjoner av stavene. Videre kan denne teknikken bli anvendt for å oppnå en første beregning av aspektforholdet for de fremstilte stenger i henhold til den empiriske lov:

AR = 0,0078 • PP - 3.3

hvor AR er den empiriske aspektforholdet bestemmes med TEM bildeanalyse og PP er posisjonen til plasmonic toppen i forhold til den langsgående aksen uttrykt i nanometer. Tilstedeværelsen av den andre plasmonic toppen i det nære infrarøde området av spekteret er nødvendig for å bekrefte produksjonen av anisotrope partikler. Det må imidlertid bemerkes at den AR oppnådd takket være denne ligningen er bare en empirisk korrelasjon av de eksperimentelle resultatene oppnådd ved anvendelse av TEM og UV-Synlig spektroskopi, og må bekreftes for hvert parti av AuNRs produsert. Etter UV-synlig spektroskopi bekrefter fullstendig dannelse av AuNR, ble suspensjonen sentrifugert for å fjerne overskuddet av CTAB til stede i veksten løsning, og deretter stengene blir suspendert i rent vann, hvor de synes å være stabil i noen måneder romtemperatur. TEM-analyse er også nødvendig for den fullstendige karakterisering av AuNR for å oppnå nøyaktig informasjon om lengden og bredden.

Sideforholdet og størrelsen av de oppnådde nanopartikler kan finjusteres på to måter. I likhet med det som vanligvis gjøres i syntesen av AuNRs basert på askorbinsyre, mengden av sølvioner i veksten oppløsning er i stand til å bestemme dannelsen av mer eller mindre langstrakte former. Ag + induserer en symmetri brudd av formings nanorods når frøene nådde en størrelse på omtrent 5-6 nm. 12 Således kan en større mengde av sølvioner i vekstLøsningen er i stand til å indusere dannelsen av lengre AuNRs. Når AuNRs med forskjellige sideforhold er forberedt gjennom denne tilnærmingen, kan lengden på nanorods være innstilt, men bredden forblir nesten konstant, og er bare litt redusert når de lengste stengene (AR ≈ 3) er gjort. En annen viktig parameter er mengden av CTAB anvendt i vekst oppløsning. Konsentrasjonen av CTAB er blitt funnet å påvirke ikke bare sideforholdet, men også størrelsen på nanorods. Interessant, mens lengden av de oppnådde nanostaver lineært avhengig av konsentrasjonen av CTAB, oppfører seg sideforholdet på en annen måte, og en maksimal observeres når CTAB er i området mellom 40 og 60 mM. Dette svarer til det faktum at bredden av stavene forblir konstant ved lave konsentrasjoner CTAB, men over 50 mM, stangen bredde begynner å øke forårsaker reduksjon av AR.

For å oppsummere, demonstrerte vi hvordan, ved å anvende hydrokinon som reduksjonsmiddel, er det possible å fremstille nanostaver ved hjelp av omtrent halvparten av mengden av CTAB i forhold til den felles protokoll basert på reduksjon med askorbinsyre. Til tross for at denne tilnærmingen er begrenset til utarbeidelsen av relativt korte gull nanorods med forholdet mellom to og tre, forventer vi at det kan være lett adoptert av andre grupper. Dette er fordi, selv om den er basert på en liten modifikasjon av standard askorbinsyre basert tilnærming, kan denne fremgangsmåten drastisk bedre AuNRs utbytte med en betydelig reduksjon av kostnadene. Videre er det gir en god og pålitelig kontroll av størrelse og størrelsesforhold av de syntetiserte partiklene. Derfor er alle av fordelene ved denne protokollen kan være nyttig for en enklere og effektiv diffusjon av nye medisinske anvendelser av nanopartikler, fordi dette er mer passende synteserute vil bidra til å utvikle den biomedisinske metode som gjør bruk av nanostaver i klinisk praksis med potensielle fordeler for pasienter.

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).
Hydrokinon Basert Syntese av gull nanorods
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