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Chemistry

금 나노 막대의 하이드로 퀴논 기반 합성

doi: 10.3791/54319 Published: August 10, 2016

Summary

이 논문은 환​​원제로서 히드로퀴논의 사용에 기초하여 금 나노로드의 합성을위한 프로토콜, 플러스 크기 및 종횡비를 제어하기위한 다른 메커니즘을 설명한다.

Introduction

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금 나노 입자 (AuNPs)를 생물 의학적 용도로 사용되는 가장 광범위 유망한 나노 구조물 중 하나이다. 이들의 사용은 체외 진단 제품 케어 포인트 많은 필수적이다 이들은 기타 다른 다수의 애플리케이션을위한 효과적인 수단으로 제안되었다 :. 촬상 과정에서 조영제로서,이 약물 전달 시스템으로 3 등 빛에 의한 온열 (또는 광열 치료)에 대한 약물. 4 AuNPs의 큰 잠재력이 지난 20 년 동안, 구동있다, 크기에 컨트롤을 증가 얻어진 형성 할 수있는 새로운 합성의 개발에 강한 연구. (5) AuNPs의 다른 종류는 특정 응용을위한 다른 것보다 더 적합 사실 때문이다.

다른 금 나노 구조 중, 금 나노 막대 (AuNRs)는 가장 흥미로운 시스템 중 하나로 등장했다. AuNRs 두 plasmo 특징종 방향 및 횡 방향 축을 따라 전자의 진동과 관련된 NIC 피크는 각각. 6로드의 애스펙트 비에 따라, 가장 강한 길이의 피크의 위치가 정밀하게 620 내지 800 nm의 동조 될 수있는 특히 중요 . 이 영역은 인간의 조직을 거의 AuNPs 관련된 생체 광자 다수의 애플리케이션의 개발을 가능하게 광을 흡수하지 않는 생물학적 창 7 일치한다.

나노 구조의 이러한 종류에 큰 관심 불구 AuNRs의 제조를위한 합성 프로토콜은 몇 가지 제한 겪는다. 대부분의 경우, 나노 막대는 사우 동료에 의해 ​​개발 된 두 단계의 방법에 따라 제조된다. (8) 자신의 프로토콜에서, 나노로드가 미리 형성된 금 씨앗,은 이온 및 다량 존재 아스코르브 산을 사용하여 금 이온의 환원에 의해 합성된다 헥사 데실 트리메틸 암모늄 브로마이드 (CTAB), ACationic 선형 계면 활성제.

이 프로토콜의 단점은 금 이온의 환원 수율이 비교적 낮은 (약 20 %) (9)와 있다는 CTAB, 합성 시약의 총 비용의 절반 이상을 차지하고 비싼 시약의 높은 양이, 필요하다. 새롭고 더 효율적인 합성 경로의 개발은 AuNRs 접근법에 기초하여 의치의 확산을 가능하게하는 중요한 필요로 거기서 여겨진다.

본 논문의 첫 번째 부분에서는 약 3의 종횡비를 갖는 AuNR의 제조를위한 최적의 프로토콜을 제시한다. 합성은 온화한 환원제로서 히드로퀴논의 사용에 기초하며 CTAB 감소 된 양의 사용을 금 이온의 거의 정량적 환원과 AuNR의 제조를 허용한다. 10을 AuNRs의 제조를위한 이러한 프로토콜을 기반으로한다 금 씨는 "성장 졸에 사용되는 두 단계 접근법의 ution ".

두 번째 부분에서 우리는 두 가지 방법으로 조정할 얻어진 AuNR의 크기와 화면 비율을 미세하게하는 방법을 보여줍니다. 아스코르브 산에 기초한 표준 프로토콜과 유사한 첫 번째 방법은, 상기 "성장 용액"에 존재하는은 이온의 양을 변화시키는 것이다. 두 번째 방법은 잘 정의 된 짧은 나노 막대를 얻었다 (공급자보고 임계 미셀 농도에 가까운) 10 mM의 농도까지 감소시킬 수 CTAB의 양의 변화에​​ 기초한다.

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Protocol

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금 나노 막대의 1. 합성

참고 : 전체에 고순도 물을 사용합니다.

  1. 금 씨의 준비
    1. 이 솔루션은 분명해진다 때까지 40 ° C에서 초음파하에, 5 ㎖의 물에 헥사 데실 브로마이드 (CTAB)의 364.4 mg을 녹이고. CTAB 용액을 실온까지 냉각하자.
    2. 별도로, 물 (0.5 밀리미터)에 테트라 클로로 산 (HAuCl 4) 5 ㎖를 준비합니다.
    3. 27 ° C의 온도를 일정하게 유지하는 격렬하게 교반하면서 자성 CTAB 수용액에 HAuCl 4 용액을 첨가.
    4. 수소화 붕소 나트륨의 600 μl를 (을 NaBH 4) 4 ° C에서 물 (10 밀리미터)의 솔루션을 준비합니다. 격렬한 교반 혼합물에이 솔루션을 추가합니다. 용액의 색이 즉시 갈색 노란색에서 변경되었는지 확인합니다.
    5. 사용하기 전에 20 분 동안 정지를 저어. 객실 템페라에서 더 이상 24 이상의 시간 동안 씨앗 서스​​펜션을 저장사실.
    6. 자외선 - 마주 분광 광도계를 사용하여 씨앗의 크기를 확인합니다. 종자가 충분히 (약 2 ㎚) UV 작은 가시 분광기에 의한 금 나노로드의 제조에 사용되는 것을 보장한다.
      참고 : 스펙트럼은 그림 1에보고 된 것과 유사해야 사용할 수 없습니다 505-520 nm의 주위에 플라즈몬 피크의 존재에 의해 확인 된 큰 씨가 구형 나노 입자를 생성 할 가능성이 있기 때문이다..
  2. 금 나노 막대의 "성장 솔루션"의 준비.
    1. 초음파를 이용하여 40 ° C에서 5 ml의 물에 22 mg의 하이드로 퀴논과 함께 182.2 mg의 CTAB를 녹여. 27 ° C에 대한 해결책을 냉각.
    2. 4 mM의 실버 니트 레이트 (AGNO 3) 용액 200 μl를 준비합니다.
    3. 별도로, 테트라 클로로 아우르 산의 1mM의 용액 5 ㎖ (HAuCl 4)을 준비한다.
    4. 첫 번째 단계 1.2.2에서 제조 된 질산은 용액을 첨가. 그리고, 추가 HAuC4 리터 용액을 자기 교반하에 단계 1.2.1에서 제조 CTAB 하이드로 퀴논 용액 단계 1.2.3에서 제조.
    5. 직후, 이전 프로토콜에 따라 제조 된 종자 현탁액의 12 μl의 단계 1.1에서보고 된 자기 교반하에 추가 반응 시작을 할 수 있습니다. 서스펜션은 약 30 분의 색상을 변경하는 경우 확인합니다.
    6. 섹션 (4)에 5 분마다 한 바와 같이, 서스펜션의 UV 가시 스펙트럼을 확인하여 나노로드의 생성을 제어한다. 스펙트럼이 안정 될 때까지 진행합니다. 나노 막대의 전체 형성을 허용하려면, 추가로 30 분 (그림 2)에 대한 교반 현탁액을 둡니다.
    7. 10 분 동안 10,000 XG에서 튜브의 서스펜션 (각 튜브 현탁액 1 ㎖) 및 원심 분리기를 나눈다. 금 나노로드는 상기 튜브의 하단에 진한 침전물을 형성한다.
    8. 물 1 ㎖를 각 튜브의 침전물을 재현 탁. 튜브의 함량을 함께 믹스 및 저장 SUSP실온에서 금 나노로드의 ension.
    9. (4) (그림 3)에 기술 된 바와 같이 자외선 - 가시 광선 분광 및 전송 전자 현미경에 의해 얻어진 나노 막대의 특징.

의 Ag + 이온의 농도를 변화시킴으로써 나노 막대의 2. 조정 화면 비율

  1. 3.4 mg을 물 3 AGNO 5 ml에 용해시키고, 4 mm의 농도를 갖는 실버 나이트 레이트 용액을 제조 하였다.
  2. 섹션 1.2.1에 설명 된대로 세 가지 다른 유리 병 CTAB와 솔루션 하이드로 퀴논에서 준비 각각 100 μL, 150 μL 또는 질산은 용액 200 μl를 추가합니다.
  3. 1.2.3 단계로 포인트 1.2.5에서 설명 된 바와 같이 금 나노 막대의 제조를 진행하기 위해 HAuCl 4 솔루션 준비있어서 추가합니다.
  4. UV 가시 스펙트럼과 투과 전자 현미경에 의해 수득 된 나노로드의 특성. 의 Ag +의 낮은 양의 유리 병을 다시합니다짧은 나노 막대 당할 위험 (2 2.2의 종횡비 각각) (도 4).

3. CTAB의 농도를 변화시킴으로써, 나노로드의 애스펙트 비를 조정

  1. 은 "성장 솔루션"의 CTAB의 서로 다른 농도의 금 나노 막대의 다른 배치를 준비합니다. 10 mM에서 100 mM로 사용 농도는 다른 크기 및 종횡비를 갖는 금 나노로드를 생성한다. 각각의 실험에 사용 CTAB의 농도는 사용 밀리그램 상응하는 양으로 표 1에 요약되어있다. 물 5 ㎖ 중의 하이드로 퀴논 22 mg을 항상 CTAB의 상이한 양을 녹인다.
  2. 질산은 용액 200 μl를 추가 (준비 1.2.2 단계에 따라) 및 자기 교반하면서 각 유리 병 (단계 1.2.3에 기술 된 방법에 따라 제조) HAuCl 4 용액 5 ㎖.
  3. 씨앗 현탁액의 12 μl를 추가하고 최종 혼합물의 색의 변화를 관찰한다.
  4. 중지서스펜션의 색상과 자외선 가시 광선이 안정 교반; 반응 시간은, 성장 용액의 CTAB 농도에 의존한다.
  5. 물에 10 분,에 resuspend 10,000 XG에 원심 분리기.
  6. UV 가시 스펙트럼과 투과 전자 현미경에 의해 수득 된 나노로드의 특성. 고농도 긴하지만 큰 나노로드를 제공하면서 CTAB 낮은 농도 짧은 나노로드 될 것이다. 반대로 나노로드의 애스펙트 비는 40 ~ 50 mM의 주위 영역에서 더 높을 것이며, 낮고 높은 농도 (도 5 및도 6)에서 모두 감소된다.

금 나노 막대 4. 특성

  1. 자외선 - 가시 광선 분광법
    1. 플라스틱 마이크로 큐벳에 물 400 ㎕를 가진 나노로드 용액 100 ㎕로 희석하고 UV-가시 흡수 스펙트럼 획득 (파장 400 nm의 범위 내지 840)제조사의 프로토콜에 따라.
    2. 반응의 동역학을 연구하기 위해, 성장 용액을 5 분마다 자외선 - 가시 광선 스펙트럼 (파장 범위 400 내지 840 나노 미터)를 수집한다.
  2. 투과 전자 현미경 (TEM)
    1. 크기의 측정 얻어진 나노로드의 애스펙트 비, 나노로드의 각 샘플의 TEM 이미지를 수집한다. 초박형 Formvar 코팅 200 메쉬 구리 그리드에 서스펜션 (4 μL) 한 방울을 배치하여 샘플을 준비하고 4 ℃에서 공기 중에서 건조 둡니다. 제조 업체의 프로토콜에 따라 200 kV로의 가속 전압을 사용하여 TEM에 샘플을 분석 할 수 있습니다.

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Representative Results

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금 씨앗 UV 가시 스펙트럼은도 1에서 볼 수있다. 금 씨의 주사 후 다른 시간에 획득 UV 가시 스펙트럼도에 제시되어이. UV 가시 스펙트럼과 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지가 얻어진 금 나노로드 도면에 도시되어 3.은 이온의 양을 변화시킴으로써 얻어진 다른 종횡비 금 나노로드의 UV 가시 스펙트럼과 투과 전자 현미경 (TEM) 사진도 5 및도 6에 성장 용액도 4 및 CTAB에서 입증된다. 자외선 가시 스펙트럼 이방성 금 나노 입자의 형성을 관찰하고 종횡비 거친 표시를 얻기 위해 사용된다. TEM 이미지는 나노 구조물의 형태를 결정하는 AuNRs의 정확한 종횡비를 평가하고 결정 구조를 입증하는 데 사용금의.

그림 1
섹션 1.1에 따라 제조 골드 씨의 그림 1. 골드 씨. UV-가시 스펙트럼. (505) 및 플라즈 모닉 나노 입자의 특징은 520nm 사이의 영역에서 플라즈몬 피크의 흔적이 없어야합니다, 씨앗의 크기가 너무 크지 않은 것을 증명, 그래서이 그림은 매우 작은 금 씨의 존재를 증명하기 위해. 여기를 클릭하십시오 이 그림의 더 큰 버전을 볼 수 있습니다.

그림 2
. 금 씨의 분사 이후 다른 시간에 획득 한 금 나노 막대 그림 2. 반응 속도론 자외선 - 가시 스펙트럼 (CTAB의 50 mM;의 Ag + 200 μL). 스펙트럼 쇼 a를 처음에 매우 빨간색 플라즈몬 피크가 이동 시간이 반응이 씨앗 주입에서 약 30 분 후 완전 함을 시사 안정 될 때까지와 낮은 파장을 향해 그 점진적으로 이동. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
프로토콜 1.2에 따라 제조 된 금 나노 막대의 그림 3. 금 나노 막대. TEM 이미지 (왼쪽)와 UV-가시 광선 스펙트럼 (오른쪽). TEM 이미지는 종 방향 및 횡 방향 축을 따라 전자의 진동과 관련된 UV 가시 스펙트럼에서 두 플라즈몬 피크의 존재에 의해 확인 얻어진 나노 입자의 신장 된 형태를 나타낸다. TEM 이미지의 스케일 바는 100 ㎚이다.large.jpg "대상 ="_ 빈 ">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4
.나노로드의도 4 금 나노로드 TEM 이미지 (왼쪽)와 UV 가시 스펙트럼 (오른쪽) 200 μL (A)를 사용하여 2 프로토콜에 따라 제조 됨; 150 μL (B)와 성장 용액의 Ag + 용액 100 ㎕ (C). TEM에 이미지 표시로, 긴 나노로드의 성장 용액 결과의 Ag + 더 많은 양의 사용. 이것은 또한 각 NR 세 개의 배치에서 가장 강한 플라즈몬 피크 위치 사이의 차이에 의해 설명된다. TEM 이미지의 스케일 바는 100 ㎚이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.


.나노로드의도 5 금 나노로드 TEM 이미지 (왼쪽)와 UV 가시 스펙트럼 (오른쪽) CTAB의 낮은 농도를 사용하는 제 3 항에 따라 제조 된 10 mM 증가에 CTAB의 (A), 20 mM의 (B) 해결책. 성장 용액 CTAB의 적은 양의 사용은 짧은 나노 막대 초래한다. 스케일 바는 모든 사진 100 ㎚이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6
. 금 나노 막대의 그림 6. 금 나노 막대 TEM 이미지 (왼쪽)와 UV-가시 스펙트럼 (오른쪽) CTAB의 높은 농도를 사용하여 섹션 3에 따라 제조 : 60 mM의 (A)를; 80 밀리미터 ( (C). 이상이지만 낮은 종횡비 특징 나노로드의 성장 용액 결과 CTAB 더 많은 양의 사용. 사실, TEM 이미지 여기서 쇼를보고 그 봉 증가 폭; 즉 애스펙트 비의 감소를 야기한다. 스케일 바는 모든 사진 100 ㎚이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

1 번 테이블
표 1. CTAB 농도. 얻어진 다른 종횡비 금 나노로드의 제조에 사용되는 CTAB의 양은.

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Discussion

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여기에 제시된 프로토콜은 금 나노 막대를 생산하는 하이드로 퀴논, 약한 환원 전위 특징으로하는 방향족 분자를 적용한다. 아스코르브 산의 사용에 기초하여, 가장 널리 사용되는 합성 경로쪽으로 본 프로토콜의 두 가지 장점이있다 : 첫 번째는 히드로퀴논이 거의 정량적으로 금 나노로드의 더 많은 양의 생산을 허용 금 이온을 감소시킬 수 있다는 점이다 (11)는. 후자는 그것의 낮은 CTAB 양과 비용의 후속 상당한 감소를 필요로한다는 사실에 의해 주어진다. 본 프로토콜은 나노로드의 성장 핵 생성 단계의 분리를 다룬다 두 단계 방법에 기초한다. 우리는 UV 가시 분광 분석에 의해 제안이 사용 금 씨의 치수가 3 nm의 주위에 유지되는 것이 매우 중요 차렸다. 8 반대로 5 nm 이상의 치수와 큰 씨앗이 사용되는 경우, 우리는 필연적 구면 수득 나노 입자.

금 나노로드의 성장을 용이하게 UV 가시 분광기에 의하여 다음 수있다. 막대 형상의 입자는로드의 두 가지 기준에 대응하는 2 개의 분명한 피크 스펙트럼을 특징으로한다. 또한,이 기술은 경험적 법에 따라 얻어지는로드의 애스펙트 비의 제 추정을 얻기 위해 사용될 수있다 :

AR = 0.0078 • PP - 3.3

여기서, AR은 TEM 화상 분석에 의해 측정 경험적 종횡비이고, PP는 나노 미터로 표현 된 종축 플라즈몬 피크의 위치이다. 스펙트럼의 근적외선 영역에서의 초 플라즈몬 피크의 존재는 이방성 입자의 생성을 확인하는 것이 필요하다. 그러나이 방정식은 TEM 및 U를 사용하여 얻어진 실험 결과 단지 경험적 상관되어있는 AR이 확실히 얻어진 것으로 확인해야V-가시 스펙트럼과는 생산 AuNRs의 각 배치에 대해 확인해야합니다. UV 가시 분광 AuNR의 완전한 형성을 확인한 후, 현탁액 성장 용액 CTAB 존재하는 과량을 제거하기 위해 원심 분리 한 후로드는 그들에 몇 달 동안 안정 표시 순수에 현탁 실온. AuNR의 전체 특성은 길이와 폭에 대한 정확한 정보를 획득하기 위해 TEM 분석이 필요하다.

수득 된 나노 입자의 종횡비와 크기가 미세 두 가지 방식으로 조정될 수있다. 마찬가지로 일반적 아스코르브 산에 기초한 AuNRs의 합성에서 수행되는 것과, 성장 용액의은 이온의 양이 다소 기다란 형상의 형성을 확인할 수있다. 씨앗은 약 5-6 nm의 크기에 도달하면 AG의 + 성형 나노 막대의 대칭 휴식을 유도한다. (12) 따라서,은 이온의 높은 금액을 성장에용액 이상 AuNRs의 형성을 유도 할 수있다. 다른 종횡비 AuNRs는이 방법을 통해 제조되는 경우, 나노로드의 길이를 조정할 수 있지만, 폭이 거의 일정하게 유지하고, 긴 막대는 (AR ≈ 3) 제조시 약간 감소 단지된다. 또 다른 중요한 파라미터는 성장 용액에 사용 CTAB의 양이다. CTAB의 농도는 종횡비뿐만 아니라 나노 막대의 크기뿐만 아니라 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 흥미롭게도, 얻어진 나노 막대의 길이는 직선 CTAB의 농도에 따라 다르지만, 종횡비는 다르게 동작 및 CTAB가 40 ~ 60 mM의 범위에있는 경우 최대가 관찰된다. 이것은로드의 폭이 낮은 CTAB 농도에서 일정하게 유지된다는 사실에 대응하지만, 50mM의 위에로드 폭은 AR의 감소의 원인이 증가하기 시작한다.

요약하면, 우리는 환원제로서 하이드로 퀴논을인가함으로써, possibl 어떻게 증명E는 아스 코르 빈산에 의한 환원에 기초하여 상기 공통 프로토콜에 비해 CTAB의 양의 절반하여 나노로드를 제조 하였다. 이 방법은 2와 3 사이의 종횡비가 비교적 짧은 금 나노로드의 제조에 한정된다는 사실에도 불구하고, 우리는 쉽게 다른 그룹에 의해 채택 될 수 있다는 것을 예상한다. 이 표준 아스코르브 산 기반 방식의 작은 변형에 기초하는 경우에도이 방법이 대폭 AuNRs 비용의 상당한 감소, 수율 향상시킬 수 있기 때문이다. 또한, 크기와 합성 된 입자의 종횡비 좋고 안정적​​인 제어를 제공한다. 이보다 편리하게 합성 경로에 대한 잠재적 인 이익과 임상에서 나노 막대를 사용합니다 생물 의학 접근 방식을 개발하는 데 도움이 될 것입니다 때문에 따라서,이 프로토콜의 장점을 모두, 나노 입자의 새로운 의료 분야의 쉽고 효율적인 확산을 위해 도움이 될 수 있습니다 환자.

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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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금 나노 막대의 하이드로 퀴논 기반 합성
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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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