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Chemistry

Hidroquinona basado Síntesis de oro Nanorods

doi: 10.3791/54319 Published: August 10, 2016

Summary

Este documento describe un protocolo para la síntesis de nanorods de oro, basado en el uso de hidroquinona como agente reductor, además de los diferentes mecanismos para el control de su tamaño y la relación de aspecto.

Introduction

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Las nanopartículas de oro (AuNPs) son una de las nanoestructuras más extendidas y prometedores para ser utilizados en aplicaciones biomédicas. Su uso es esencial en muchas de punto de cuidado de diagnóstico in vitro productos 1 Ellos se han propuesto como una herramienta eficaz para un número de otras aplicaciones diferentes:. Como agente de contraste en los estudios de imagen, 2 como un sistema de suministro de medicamento 3 y como medicamentos para la termoterapia inducida por la luz (o la terapia fototérmica). 4 el gran potencial de AuNPs ha conducido, en los últimos veinte años, una intensa investigación sobre el desarrollo de la nueva síntesis que es capaz de aumentar el control sobre el tamaño y la forma obtenida. 5 esto se debe a los diferentes tipos de AuNPs son de hecho más adecuados que otros para aplicaciones específicas.

Entre las diferentes nanoestructuras de oro, oro nanorods (AuNRs) han surgido como uno de los sistemas más interesantes. AuNRs se caracterizan por dos plasmopicos nic asociados con la oscilación de los electrones a lo largo de la dirección longitudinal y los ejes transversales, respectivamente. 6, es especialmente importante que la posición del pico longitudinal más intensa se ​​puede ajustar precisamente entre 620 y 800 nm, dependiendo de la relación de aspecto de las barras de . Esta región coincide con la ventana biológica, 7, donde los tejidos humanos casi no absorben la luz, lo que permite el desarrollo de una serie de aplicaciones fotónicas en vivo que implica AuNPs.

A pesar de un gran interés en este tipo de nanoestructuras, los protocolos sintéticos para la preparación de AuNRs sufren de varias limitaciones. En la mayoría de los casos, nanorods se preparan de acuerdo con un método de dos pasos desarrollado por Sau y compañeros de trabajo. 8 En su protocolo, nanorods se sintetizan mediante la reducción de iones de oro utilizando ácido ascórbico en presencia de semillas de oro preformados, iones de plata y una cantidad grande de bromuro de hexadecil trimetilamonio (CTAB), acsurfactante lineal ationic.

El inconveniente de este protocolo es que el rendimiento de reducción de iones de oro es relativamente baja (alrededor del 20%) 9 y que una gran cantidad de CTAB, un reactivo caro que da cuenta de más de la mitad del costo total de los reactivos en la síntesis, se necesita. El desarrollo de una ruta sintética nuevo y más eficiente es desde allí considera que es una necesidad importante, lo que permite la difusión de enfoques biomédicos a base de AuNRs.

En la primera parte de este trabajo, presentamos un protocolo optimizado para la preparación de AuNR que tiene una relación de aspecto de aproximadamente tres. La síntesis se basa en el uso de hidroquinona como un agente reductor suave y permite la preparación de AuNR con una reducción casi cuantitativa de iones de oro, haciendo uso de una cantidad reducida de CTAB. 10 Este protocolo para la preparación de los AuNRs se basa en un enfoque de dos etapas, donde se utilizan semillas de oro en un "sol de crecimientolución ".

En la segunda parte, nos muestran cómo sintonizar finamente el tamaño y la relación de aspecto de la AuNR obtenida de dos maneras. La primera manera, similar al protocolo estándar basado en el ácido ascórbico, es variar la cantidad de iones de plata presentes en la "solución crecimiento". La segunda forma en que se basa en la variación de la cantidad de CTAB que puede ser reducido a una concentración de 10 mM (cerca de la concentración micelar crítica informado por el proveedor) para obtener nanorods cortos bien definidos.

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Protocol

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1. Síntesis de oro Nanorods

Nota: Use agua altamente purificada en todas partes.

  1. Preparación de las semillas de oro
    1. Disolver 364.4 mg de bromuro de hexadeciltrimetilamonio (CTAB) en 5 ml de agua, bajo ultrasonidos a 40 ° C hasta que la solución se vuelve transparente. Deje que la solución de CTAB se enfríe a temperatura ambiente.
    2. Por separado, preparar 5 ml de ácido tetracloroáurico (HAuCl4) en agua (0,5 mM).
    3. Añadir la solución de HAuCl4 a la solución de CTAB en agitación magnética vigorosa, manteniendo la temperatura constante a 27 ° C.
    4. Preparar 600 l de borohidruro de sodio (NaBH4) solución en agua (10 mM) a 4 ° C. Añadir esta solución a la mezcla con agitación vigorosa. Compruebe si el color de la solución cambia inmediatamente de amarillo a marrón.
    5. Se agita la suspensión durante 20 minutos antes de su uso. Guarde la suspensión semillas durante no más de 24 horas a tempera ambientetura.
    6. Comprobar las dimensiones de las semillas usando un espectrofotómetro UV-Vis. Asegúrese de que las semillas son lo suficientemente pequeño (alrededor de 2 nm) que se utilizarán en la preparación de nanorods oro por espectroscopia UV-visible.
      Nota: Spectrum debe ser similar a lo que se informa en la Figura 1 las semillas más grandes identificados por la presencia de un pico alrededor de 505 a 520 nm plasmónica no deben ser utilizados, ya que son propensos a producir nanopartículas esféricas..
  2. Preparación de la "solución de crecimiento" de oro nanorods.
    1. Disolver 182,2 mg CTAB junto con 22 mg de hidroquinona en 5 ml de agua a 40 ° C usando ultrasonidos. Enfriar la solución a 27 ° C.
    2. Preparar 200 l de nitrato de plata, 4 mM de solución (AgNO3).
    3. Por separado, preparar 5 ml de solución 1 mM de ácido tetracloroáurico (HAuCl4).
    4. Primero se debe agregar la solución de nitrato de plata preparada en el paso 1.2.2. A continuación, añadir el Haucl solución de 4 preparado en la etapa 1.2.3 a la solución de CTAB y la hidroquinona preparado en la etapa 1.2.1 bajo agitación magnética.
    5. Inmediatamente después, añadir en agitación magnética de 12 l de la suspensión semillas previamente preparada de acuerdo con el protocolo informaron en el paso 1.1 y dejar que el comienzo de la reacción. Compruebe si la suspensión cambia de color en aproximadamente 30 minutos.
    6. Controlar la formación de los nanobastones marcando el espectro UV-visible de la suspensión, tal como se describe en la sección 4, cada 5 min. Continúe hasta que el espectro es estable. Para permitir la formación completa de los nanobastones, dejar la suspensión en agitación durante otros 30 minutos (Figura 2).
    7. Dividir la suspensión en tubos (1 ml de suspensión de cada tubo) y se centrifuga a 10.000 xg durante 10 min. nanorods oro forman un precipitado oscuro en la parte inferior del tubo.
    8. Resuspender el precipitado de cada tubo en 1 ml de agua. Mezclar el contenido de los tubos y almacenar la suspensión de oro nanorods a temperatura ambiente.
    9. Caracterizar los nanobastones obtenidas por microscopía electrónica de transmisión y la espectroscopia UV-visible como se describe en la sección 4 (Figura 3).

2. Ajuste de la Relación de Aspecto de Nanorods variando la concentración de iones Ag +

  1. Preparar una solución de nitrato de plata con una concentración de 4 mM, la disolución de 3,4 mg AgNO 3 en 5 ml de agua.
  2. Preparar en tres diferentes viales de la solución con CTAB e hidroquinona como se describe en la sección 1.2.1, respectivamente, y añadir 100 l, 150 l ó 200 l de solución de nitrato de plata.
  3. Añadir la HAuCl4 solución preparada según la etapa 1.2.3 y proceder con la preparación de oro nanorods como se describe desde el punto 1.2.5.
  4. Caracterizar los nanobastones obtenidos por espectroscopia UV-visible y microscopía electrónica de transmisión. Viales con menores cantidades de Ag + se reresultar en nanobastones más cortos (relación de aspecto de 2 y 2,2, respectivamente) (Figura 4).

3. Ajuste de la Relación de Aspecto de Nanorods variando la concentración de CTAB

  1. Preparar diferentes lotes de oro nanorods con diferentes concentraciones de CTAB en la "solución de crecimiento". Use concentraciones de 10 mM a 100 mM para producir nanorods de oro que tienen diferente tamaño y relación de aspecto. Las concentraciones de CTAB utilizados en cada experimento se resumen en la Tabla 1 con la correspondiente cantidad de miligramos utilizado. Disolver las diferentes cantidades de CTAB siempre con 22 mg de hidroquinona en 5 ml de agua.
  2. Añadir 200 l de solución de nitrato de plata (preparado de acuerdo con el paso 1.2.2) y 5 ml de solución de HAuCl4 (preparado según la forma descrita en el paso 1.2.3) en cada vial con agitación magnética.
  3. Añadir 12 l de suspensión de semillas y observar el cambio de color de la mezcla final.
  4. Detenerla agitación cuando el color de la suspensión y el espectro de UV-visible se estabilizan; el tiempo de reacción depende de la concentración de CTAB en la solución de crecimiento.
  5. Centrifugar a 10.000 xg durante 10 min y se resuspenden en agua.
  6. Caracterizar los nanobastones obtenidos por espectroscopia UV-visible y microscopía electrónica de transmisión. A menor concentración de CTAB resultará en nanorods más cortos, mientras que una concentración más alta dará nanorods más largos pero más grandes. En contra de la relación de aspecto de los nanorods será más alto en el rango de alrededor de 40 a 50 mM y disminuirá tanto a concentraciones más bajas y más altas (Figura 5 y Figura 6).

4. Caracterización de oro Nanorods

  1. Espectroscopía UV-visible
    1. Diluir 100 l de solución de nanorods con 400 l de agua en un micro-cubeta de plástico y adquirir el espectro de absorción UV-visible (longitud de onda entre 400 y 840 nm)de acuerdo con el protocolo del fabricante.
    2. Recoger los espectros UV-visible (longitud de onda entre 400 y 840 nm) de la solución de crecimiento cada 5 min con el fin de estudiar la cinética de la reacción.
  2. Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM)
    1. Recoger imágenes TEM de cada muestra de nanorods, para la medición del tamaño y de la relación de aspecto de los nanorods obtenidos. Preparar las muestras colocando una gota de suspensión (4 l) en un ultra-delgadas rejillas de cobre de malla 200 Formvar recubierto con y dejar secar al aire a 4 ° C. Analizar la muestra a TEM usando un voltaje de aceleración de 200 kV de acuerdo con el protocolo del fabricante.

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Representative Results

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UV espectros visible de las semillas de oro se puede ver en la Figura 1. UV espectros visible adquirido en diferentes momentos después de la inyección de las semillas de oro se presenta en la Figura 2. Imágenes UV espectros visible y microscópico electrónico de transmisión (TEM) de los nanorods oro obtenidos se muestra en la Figura 3. imágenes microscópicas UV visible espectros y la transmisión de electrones (TEM) de nanorods oro con diferente relación de aspecto obtenida mediante la variación de la cantidad de iones de plata se demuestran en la Figura 4 y CTAB en la solución de crecimiento en las figuras 5 y 6. Los espectros de UV visible se utilizan para observar la formación de las nanopartículas de oro anisotrópicas y para obtener una indicación aproximada de la relación de aspecto. imágenes de TEM se utilizan para determinar la morfología de las nanoestructuras, para evaluar la relación de aspecto preciso de los AuNRs y para demostrar la estructura cristalinade oro.

Figura 1
Figura 1. semillas de oro. Espectro UV-visible de semillas de oro preparadas de acuerdo con la sección 1.1. Para demostrar que la dimensión de las semillas no es demasiado grande, no debe haber ninguna señal del pico plasmónica en la región entre 505 y 520 nm que caracteriza nanopartículas plasmónicas, por lo que esta cifra demuestra la presencia de semillas de oro muy pequeñas. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
. Figura 2. Cinética de reacción espectros UV-visible de oro nanorods adquiridos en diferentes tiempo desde la inyección de las semillas de oro (CTAB 50 mM; Ag + 200 l). Los espectros muestran una pico plasmónica que es inicialmente muy desplazada hacia el rojo y que se mueve progresivamente hacia longitudes de onda más bajas con el tiempo hasta que se estabilice lo que sugiere que la reacción se completa después de unos 30 minutos de la inyección de semillas. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. Imagen de oro Nanorods. TEM (izquierda) y el espectro UV-visible (derecha) de oro nanorods preparados de acuerdo con el protocolo 1.2. imagen TEM muestra la forma alargada de las nanopartículas obtenidas, confirmada por la presencia de los dos picos plasmónicas en el espectro UV-visible, asociado con la oscilación de los electrones a lo largo de la dirección longitudinal y los ejes transversales. barra de escala de la imagen TEM de 100 nm.large.jpg "target =" _ blank "> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4
. Figura 4. Oro Nanorods imagen TEM (izquierda) y UV-visible del espectro (derecha) de nanorods oro preparó de acuerdo con el protocolo 2 utilizando 200 l (A); 150 l (B) y 100 l (C) de solución de Ag + en la solución de crecimiento. Como las imágenes de TEM muestran, el uso de una mayor cantidad de Ag + en los resultados de la solución en el crecimiento nanobastones más largos. Esto también se demuestra por las diferencias entre las más intensas posiciones de los picos plasmónica en los tres lotes de NR. La barra de escala de las imágenes de TEM es de 100 nm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.


. Figura 5. Imagen de oro Nanorods TEM (izquierda) y UV-visible del espectro (derecha) de nanorods oro preparó de acuerdo con la sección 3 utilizando menores concentraciones de CTAB: 10 mM (A) y 20 mM (B) de CTAB en el crecimiento solución. El uso de una menor cantidad de CTAB en la solución de crecimiento resulta en nanorods más cortos. La barra de escala es de 100 nm en todas las imágenes. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6
. Figura 6. Imagen de oro Nanorods TEM (izquierda) y el espectro UV-visible (derecha) de oro nanorods preparó de acuerdo con el apartado 3 usando mayores concentraciones de CTAB: 60 mm (A); 80 mM ( (C) de CTAB en el solución de crecimiento. El uso de una mayor cantidad de CTAB en los resultados de la solución de crecimiento en nanorods que son más largos pero caracteriza por una relación de aspecto inferior. De hecho, las imágenes de TEM aquí espectáculo informaron que la anchura de las barras de incrementos; que causa la reducción de la relación de aspecto. La barra de escala es de 100 nm en todas las imágenes. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Tabla 1
Tabla 1. Concentración de CTAB. Las cantidades de CTAB utilizados para la preparación de nanorods de oro con la diferente relación de aspecto obtenida.

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Discussion

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El protocolo que se presenta aquí se aplica hidroquinona, una molécula aromática caracterizado por un potencial de reducción débil, para producir nanorods de oro. Hay dos ventajas principales de la presente protocolo hacia la ruta sintética más comúnmente empleado basado en el uso de ácido ascórbico: la primera es que la hidroquinona es capaz de reducir casi cuantitativamente los iones de oro que permiten la producción de una mayor cantidad de nanorods oro 11 La. este último es dada por el hecho de que requiere una menor cantidad de CTAB y una reducción sustancial de los costes posterior. El presente protocolo se basa en un enfoque de dos pasos que se ocupa de una separación de la etapa de nucleación del crecimiento de las nanobastones. Hemos observado que es extremadamente importante que la dimensión de las semillas de oro usado se mantiene alrededor de 3 nm como se sugiere por espectroscopía UV-visible. 8 Por el contrario, si se utilizan las semillas más grandes con una dimensión de 5 nm o más, inevitablemente obtenemos esférica nanopartículas.

El crecimiento de oro nanorods puede seguirse fácilmente por medio de espectroscopía UV-visible. partículas en forma de varilla se caracterizan por espectros con dos picos claros que corresponden a las dos dimensiones diferentes de las varillas. Además, esta técnica se puede utilizar para obtener una primera estimación de la relación de aspecto de las barras obtenidas de acuerdo con la ley empírica:

AR = 0,0078 • PP - 3.3

donde AR es la relación de aspecto empírico determinado por análisis de imagen TEM y PP es la posición del pico de plasmónica con respecto al eje longitudinal expresada en nanómetros. La presencia del segundo pico plasmónica en la región del infrarrojo cercano del espectro es necesario para confirmar la producción de partículas anisotrópicas. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que la AR obtiene gracias a esta ecuación es sólo una correlación empírica de los resultados experimentales obtenidos mediante TEM y UV-Visible espectroscopía y deben ser confirmadas por cada lote de AuNRs producidos. Después de espectroscopia UV-Visible confirma la formación completa de AuNR, la suspensión se centrifuga con el fin de eliminar el exceso de CTAB presente en la solución de crecimiento y, a continuación las barras se suspenden en agua pura, en la que aparecen ser estable durante unos pocos meses en temperatura ambiente. análisis TEM también es necesaria para la caracterización completa de la AuNR para obtener información precisa sobre la longitud y la anchura.

La relación de aspecto y el tamaño de las nanopartículas obtenidas se pueden ajustar de dos maneras. De manera similar a lo que se hace comúnmente en la síntesis de AuNRs a base de ácido ascórbico, la cantidad de iones de plata en la solución de crecimiento es capaz de determinar la formación de formas más o menos alargadas. Ag + induce una ruptura de simetría de los nanobastones forman una vez que las semillas alcanzaron un tamaño de aproximadamente 5-6 nm. 12 Por lo tanto, una mayor cantidad de iones de plata en el crecimientosolución es capaz de inducir la formación de AuNRs más largos. Cuando AuNRs con diferentes relaciones de aspecto se preparan a través de este enfoque, la longitud de nanobastones puede ser sintonizado, pero la anchura se mantiene casi constante y solo se reduce ligeramente cuando (AR ≈ 3) se hacen las barras más largas. Otro parámetro importante es la cantidad de CTAB utilizado en la solución de crecimiento. La concentración de CTAB se ha encontrado para influir no sólo en la relación de aspecto, sino también el tamaño de los nanorods. Curiosamente, mientras que la longitud de los nanorods obtenidos depende linealmente de la concentración de CTAB, la relación de aspecto comporta de manera diferente y se observa un máximo cuando CTAB está en el intervalo entre 40 y 60 mM. Esto corresponde al hecho de que la anchura de las barras se mantiene constante a bajas concentraciones CTAB, pero por encima de 50 mm, el ancho de la barra comienza a aumentar haciendo que la reducción de la AR.

En resumen, hemos demostrado cómo, mediante la aplicación de hidroquinona como agente reductor, es posible para preparar nanorods utilizando aproximadamente la mitad de la cantidad de CTAB en comparación con el protocolo común basado en la reducción por el ácido ascórbico. A pesar de que este enfoque se limita a la preparación de nanorods oro relativamente cortas con una relación de aspecto entre 2 y 3, se espera que pueda ser fácilmente adoptada por otros grupos. Esto es porque, incluso si se basa en una pequeña modificación del enfoque basado en ácido ascórbico estándar, este método puede mejorar drásticamente los AuNRs producen con una reducción sustancial de los costes. Además, proporciona un buen control y fiable del tamaño y la relación de aspecto de las partículas sintetizadas. Por lo tanto, todas las ventajas de este protocolo podría ser útil para una difusión más fácil y eficiente de nuevas aplicaciones médicas de las nanopartículas, ya que esta vía de síntesis más conveniente le ayudará a desarrollar el enfoque biomédico que hace uso de nanobastones en la práctica clínica con los posibles beneficios para pacientes.

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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).
Hidroquinona basado Síntesis de oro Nanorods
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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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