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Chemistry

Hidroquinona baseada Síntese de ouro Nanorods

doi: 10.3791/54319 Published: August 10, 2016

Summary

Este documento descreve um protocolo para a síntese de ouro nanorods, baseado no uso de hidroquinona como agente de redução, mais os diferentes mecanismos para controlar o tamanho e a relação de aspecto.

Introduction

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As nanopartículas de ouro (AuNPs) são um dos mais difundidos e nanoestruturas promissores para ser utilizada em aplicações biomédicas. A sua utilização é essencial em muitas ponto-de-cuidado diagnóstico in vitro produtos 1 Eles têm sido propostos como uma ferramenta eficaz para um certo número de outras aplicações diferentes:., Como um agente de contraste em estudos de imagem, 2 como um sistema de entrega de droga 3 e quanto drogas para a termoterapia induzida pela luz (ou terapia fototérmico). 4 o grande potencial de AuNPs conduziu, nos últimos vinte anos, intensa investigação sobre o desenvolvimento de nova síntese que é capaz de aumentar o controlo sobre o tamanho e a forma obtida. 5 Isto é porque diferentes tipos de AuNPs são, de facto, mais adequado do que outros para aplicações específicas.

Entre os diferentes nanoestruturas de ouro, nanorods ouro (AuNRs) têm emergido como um dos sistemas mais interessantes. AuNRs são caracterizados por dois Plasmopicos nic associados com a oscilação de electrões ao longo do eixo longitudinal e os eixos transversais, respectivamente. 6 É particularmente importante que a posição do pico longitudinal mais intenso pode ser sintonizado precisamente entre 620 e 800 nm, dependendo da relação das hastes aspecto . Esta região corresponde à janela biológica, 7 em que os tecidos humanos quase não absorvem a luz, permitindo o desenvolvimento de um número de aplicações fotónicas in vivo envolvendo AuNPs.

Apesar de um grande interesse por este tipo de nanoestruturas, os protocolos de síntese para a preparação de AuNRs sofrem de várias limitações. Na maioria dos casos, nanorods são preparados de acordo com um método de dois passos desenvolvida por Sau e colegas de trabalho. 8 no seu protocolo, nanorods são sintetizados por redução de iões de ouro, utilizando o ácido ascórbico em presença de sementes de ouro pré-formados, os iões de prata e uma grande quantidade de brometo de hexadecil-trimetilamónio (CTAB), ACsurfactante linear ationic.

O inconveniente deste protocolo é de que o rendimento de redução dos iões de ouro é relativamente baixa (cerca de 20%) 9 e que uma elevada quantidade de CTAB, um reagente dispendioso que é responsável por mais de metade do custo total para os reagentes na síntese, é preciso. O desenvolvimento de uma via de síntese nova e mais eficaz é daí considerada como sendo uma importante necessidade, permitindo a difusão de abordagens com base em biomédicas AuNRs.

Na primeira parte do presente trabalho, apresentamos um protocolo otimizado para a preparação de AuNR tendo uma proporção de cerca de três aspectos. A síntese é baseada no uso de hidroquinona como um agente redutor suave e que permite a preparação de AuNR com uma redução de quase quantitativa de iões de ouro, fazendo uso de uma quantidade reduzida de CTAB. 10 Este protocolo para a preparação dos AuNRs baseia numa abordagem em duas fases em que as sementes de ouro são usados ​​em uma "Sol crescimentoution ".

Na segunda parte, vamos mostrar como finamente ajustar o tamanho e formato do AuNR obtido de duas maneiras. A primeira forma, semelhante ao protocolo padrão à base de ácido ascórbico, é para variar a quantidade de iões de prata presentes na "solução de crescimento". A segunda maneira baseia-se na variação da quantidade de CTAB que pode ser reduzida até uma concentração de 10 mM (perto da concentração micelar crítica relatado pelo fornecedor) para se obter nanorods curtas bem definidos.

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Protocol

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1. Síntese de ouro nanobastões

Nota: Use água altamente purificada por toda parte.

  1. Preparação das sementes de ouro
    1. Dissolve-se 364,4 mg de brometo de hexadeciltrimetilamónio (CTAB) em 5 ml de água, sob ultra-sons a 40 ° C até a solução se tornar clara. Deixar a solução de CTAB arrefecer até à temperatura ambiente.
    2. Separadamente, preparar 5 ml de ácido tetracloroáurico (HAuCl 4) em água (0,5 mM).
    3. Adicionar a solução de HAuCl 4 para a solução de CTAB sob agitação magnética vigorosa, mantendo a temperatura constante a 27 ° C.
    4. Preparar 600 ul de boro-hidreto de sódio (NaBH4) em solução de água (10 mM) a 4 ° C. Adicionar esta solução à mistura, sob agitação vigorosa. Verifique se a cor da solução muda imediatamente de amarelo para marrom.
    5. Agita-se a suspensão durante 20 min antes da utilização. Conserve a suspensão sementes por não mais de 24 horas a tempera quartotura.
    6. Verificar as dimensões das sementes usando um espectrofotómetro de UV-Vis. Certifique-se de que as sementes estão suficientemente pequeno (cerca de 2 nm) para ser utilizado na preparação de nanorods ouro por espectroscopia de UV-visível.
      Nota: Espectro deve ser semelhante ao que é apresentado na Figura 1 sementes maiores, identificados pela presença de um pico em torno de 505-520 nm plasmónico não devem ser usados ​​porque são susceptíveis de produzir nanopartículas esféricas..
  2. Preparação da "solução de crescimento" de nanobastões de ouro.
    1. Dissolve-se 182,2 mg de CTAB em conjunto com 22 mg de hidroquinona em 5 ml de água a 40 ° C, utilizando ultra-sons. Arrefecer a solução para 27 ° C.
    2. Preparar 200 ul de nitrato de prata mM 4 (AgNO 3).
    3. Separadamente, preparar 5 ml de uma solução 1 mM de ácido tetracloroáurico (HAuCl 4).
    4. Primeiro adicione a solução de nitrato de prata preparada no passo 1.2.2. Em seguida, adicione o HAuCl 4 solução preparada no passo 1.2.3 para a solução de CTAB e hidroquinona preparado no passo 1.2.1, sob agitação magnética.
    5. Imediatamente depois, adicionar sob agitação magnética de 12 ul da suspensão de sementes previamente preparado de acordo com o protocolo relatado no passo 1.1 e deixar que o início da reacção. Verifique se a suspensão muda de cor em cerca de 30 min.
    6. Controlar a formação dos nanobastões, verificando o espectro UV-visível da suspensão, como descrito no capítulo 4, a cada 5 minutos. Prosseguir até que o espectro é estável. Para permitir a formação completa dos nanorods, deixar a suspensão sob agitação durante mais 30 minutos (Figura 2).
    7. Dividir a suspensão em tubos (1 ml de suspensão para cada tubo) e centrifugar a 10000 xg durante 10 min. nanorods ouro formar um precipitado escuro no fundo do tubo.
    8. Ressuspender o precipitado de cada tubo em 1 ml de água. Misture o conteúdo dos tubos e armazenar o suspension de nanobastões de ouro à temperatura ambiente.
    9. Caracterizar os nanobastões obtidas por microscopia eletrônica de espectroscopia e transmissão UV-visível como descrito no ponto 4 (Figura 3).

2. Ajuste a relação de aspecto de nanobastões pela variação da concentração de íons Ag +

  1. Prepara-se uma solução de nitrato de prata com uma concentração de 4 mM, dissolvendo 3,4 mg de AgNO3 em 5 ml de água.
  2. Prepara-se três frascos diferentes a solução com CTAB e hidroquinona como descrito na secção 1.2.1, respectivamente e adicionar 100 ul, 150 ul e 200 ul de solução de nitrato de prata.
  3. Adicione o 4 solução HAuCl acordo com preparada para o passo 1.2.3 e prosseguir com a preparação de nanobastões de ouro, como descrito a partir do ponto 1.2.5.
  4. Caracterizar os nanobastões obtidos por espectroscopia UV-visível e microscopia eletrônica de transmissão. Tubos de ensaio com menores quantidades de Ag + resultar em nanorods mais curtos (proporção de 2 e 2,2, respectivamente) (Figura 4).

3. Ajustando a Relação de Aspecto da nanobastões pela variação da concentração de CTAB

  1. Preparar diferentes lotes de ouro nanorods com diferentes concentrações de CTAB na "solução de crescimento". Use concentrações de 10 a 100 mm para produzir nanobastões de ouro com tamanho diferente e relação de aspecto. As concentrações de CTAB utilizados em cada experiência estão resumidos na Tabela 1 com a correspondente quantidade de miligramas utilizado. Dissolve-se as diferentes quantidades de CTAB sempre com 22 mg de hidroquinona em 5 ml de água.
  2. Adicionar 200 ul de solução de nitrato de prata (preparado de acordo com o passo 1.2.2) e 5 ml de HAuCl 4 solução de (preparada de acordo como descrito no passo 1.2.3) em cada frasco, sob agitação magnética.
  3. Adicionar 12 ul de suspensão de sementes e observar a mudança de cor da mistura final.
  4. Parea agitação quando a cor da suspensão e o espectro de UV-visível são estabilizadas; o tempo de reacção depende da concentração de CTAB na solução de crescimento.
  5. Centrifugar a 10000 xg durante 10 min e ressuspender em água.
  6. Caracterizar os nanobastões obtidos por espectroscopia UV-visível e microscopia eletrônica de transmissão. Uma menor concentração de CTAB irá resultar em nanorods mais curtos, enquanto uma concentração mais elevada dará mais longos, mas maiores nanorods. Por contrário a proporção dos nanorods aspecto será maior na gama de cerca de 40-50 mM e irá diminuir tanto a concentrações mais baixas e mais altas (Figura 5 e Figura 6).

4. Caracterização de ouro nanobastões

  1. Espectroscopia de UV-visível
    1. Dilui-se 100 ul de solução nanorods com 400 ul de água num micro-cuvete de plástico e adquirir o espectro de absorção no UV-visível (comprimento de onda entre 400 e 840 nm)de acordo com o protocolo do fabricante.
    2. Recolhe espectros de UV-visível (comprimento de onda entre 400 e 840 nm) da solução de crescimento a cada 5 minutos, a fim de estudar a cinética da reacção.
  2. Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM)
    1. Recolhe imagens TEM de cada amostra de nanorods, para a medição do tamanho e da proporção de aspecto nanorods obtidos. Preparar as amostras colocando uma gota de suspensão (4 uL) para uma ultra-finas grelhas de cobre de malha 200 revestidas com Formvar e deixar secar ao ar a 4 ° C. Analisar a amostra a MET usando uma voltagem de aceleração de 200 kV, de acordo com o protocolo do fabricante.

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Representative Results

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Os espectros de UV visível das sementes de ouro pode ser visto na Figura 1. Os espectros de UV visível adquiridas em tempos diferentes após a injecção das sementes de ouro são apresentados na Figura 2. Imagens Os espectros de UV visível e de microscopia electrónica de transmissão (TEM) das nanorods ouro obtidos são mostrados na Figura 3. microscópica de UV visível e os espectros de transmissão de electrão (TEM) de imagens nanorods de ouro com um rácio de aspecto diferente obtida através da variação da quantidade de iões de prata são mostrados na Figura 4 e a solução de CTAB em crescimento nas Figuras 5 e 6. Os espectros de UV visível são usados ​​para observar a formação das nanopartículas de ouro anisotrópicas e para obter uma indicação aproximada da relação de aspecto. imagens de TEM são utilizadas para determinar a morfologia das nanoestruturas, para avaliar a relação de aspecto precisa dos AuNRs e para provar a estrutura de cristalde ouro.

figura 1
Figura 1. sementes de ouro. Espectro de UV-visível de sementes de ouro preparadas de acordo com a secção 1.1. Para provar que a dimensão das sementes não é muito grande, deve haver nenhum sinal do pico plasmonic na região entre 505 e 520 nm que caracteriza nanopartículas plasmonic, de modo que este número demonstra a presença de sementes muito pequenas de ouro. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
. Figura 2. Cinética da reacção espectros de UV-visível de ouro nanorods adquiridas em diferentes tempos desde a injecção das sementes de ouro (CTAB 50 mM; Ag + 200 ul). Os espectros mostram um pico plasmonic que é inicialmente muito deslocada para o vermelho e que se move progressivamente para comprimentos de onda mais baixos com o tempo até que se torne estável, sugerindo que a reacção está completa após cerca de 30 minutos da injeção de sementes. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. Imagem ouro nanobastões. TEM (à esquerda) e UV-visível do espectro (direita) de nanobastões de ouro preparadas de acordo com o protocolo 1.2. imagem TEM mostra a forma alongada das nanopartículas obtidas, confirmada pela presença de dois picos no espectro plasmonic UV-visível, associado com a oscilação de electrões ao longo do eixo longitudinal e os eixos transversais. Barra de escala imagem TEM de é de 100 nm.large.jpg "target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4
. Figura 4. imagem Ouro nanobastões TEM (à esquerda) e UV-visível do espectro (direita) de nanobastões de ouro preparado de acordo com o protocolo 2, utilizando 200 mL (A); 150 ul (B) e 100 ul (C) da solução de Ag + na solução de crescimento. Como as imagens TEM mostram, a utilização de uma maior quantidade de Ag + em solução de crescimento dos resultados em nanorods mais longos. Isto também é demonstrado pelas diferenças entre as posições de pico plasmónico mais intensas nos três lotes de NRs. Barra de escala de imagens de TEM é de 100 nm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.


. Figura 5. A imagem de ouro Nanorods MET (esquerda) e UV-visível do espectro (à direita) de nanorods ouro preparado de acordo com a secção 3, utilizando concentrações mais baixas de CTAB: 10 mM (A) e 20 mM de (B) de CTAB no crescimento solução. A utilização de uma menor quantidade de CTAB da solução resulta em crescimento nanorods mais curtos. Barra de escala é de 100 nm em todas as imagens. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6
. Figura 6. imagem Ouro nanobastões TEM (à esquerda) e UV-visível do espectro (direita) de nanobastões de ouro preparadas de acordo com a secção 3 usando maiores concentrações de CTAB: 60 mm (A); 80 mM ( (C) de CTAB na solução de crescimento. A utilização de uma maior quantidade de CTAB entre os resultados de solução de crescimento em nanorods que são mais longos, mas caracterizado por uma razão de aspecto mais baixa. Na verdade, as imagens de TEM aqui relatados mostram que a largura das hastes aumenta; que causa a redução da relação de aspecto. Barra de escala é de 100 nm em todas as imagens. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Tabela 1
Tabela 1. concentração de CTAB. Quantidades de CTAB utilizados para a preparação de nanobastões de ouro com a relação de aspecto diferente obtida.

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Discussion

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O protocolo aqui apresentado é aplicável a hidroquinona, uma molécula aromática caracterizada por um fraco potencial de redução, para produzir nanorods ouro. Existem duas principais vantagens da presente protocolo para a via sintética mais vulgarmente empregue com base na utilização de ácido ascórbico: a primeira é que a hidroquinona é capaz de reduzir quase quantitativamente os iões de ouro que permitam a produção de uma maior quantidade de nanorods ouro 11 A. Esta última é dada pelo facto de que ele requer uma menor quantidade de CTAB e uma subsequente redução substancial dos custos. O presente protocolo é baseado em uma abordagem em duas fases que lida com uma separação do passo de nucleação do crescimento dos nanobastões. Observou-se que é extremamente importante que a dimensão das sementes de ouro utilizado é mantida a cerca de 3 nm, tal como sugerido por espectroscopia de UV-visível. 8 Pelo contrário, se forem utilizadas sementes maiores, com uma dimensão de 5 nm ou mais, que inevitavelmente se obter esférica nanopartículas.

O crescimento de nanorods ouro pode ser facilmente seguida por meio de espectroscopia de UV-visível. partículas com a forma de haste são caracterizados por espectros com os dois picos correspondentes aos dois diferentes dimensões das hastes. Além disso, esta técnica pode ser usada para obter uma primeira estimativa da relação das hastes obtidos de acordo com a lei empírica aspecto:

AR = 0,0078 • PP - 3.3

em que Ar é a relação de aspecto empírica determinada por análise de imagem TEM e PP é a posição do pico plasmónico em relação ao eixo longitudinal expressa em nanómetros. A presença do segundo pico plasmónico na região do infravermelho próximo do espectro é necessária para confirmar a produção de partículas anisotrópicos. No entanto, deve ser notado que a AR obtidas graças a esta equação é apenas uma correlação empírica dos resultados experimentais obtidos utilizando TEM e LV-Visível espectroscopia e deve ser confirmado para cada lote de AuNRs produzidos. Depois de espectroscopia de UV-Visível confirma a formação completa de AuNR, a suspensão é centrifugada a fim de remover o excesso de CTAB presente na solução de crescimento, e, em seguida, as hastes são suspensas em água pura, onde parecem ser estáveis ​​durante alguns meses de temperatura do quarto. análise TEM também é necessário para a completa caracterização do AuNR obter informação precisa sobre o comprimento e a largura.

A razão de aspecto e a dimensão das nanopartículas obtidas pode ser ajustado de duas maneiras. De modo semelhante ao que é geralmente feito na síntese de AuNRs à base de ácido ascórbico, a quantidade de iões de prata na solução de crescimento é capaz de determinar a formação de mais ou menos alongadas formas. Ag + induz uma quebra de simetria dos nanorods formando uma vez que as sementes atingiram um tamanho de cerca de 5-6 nm. 12 Assim, uma maior quantidade de iões de prata no crescimentosolução é capaz de induzir a formação de AuNRs mais longos. Quando AuNRs com diferentes rácios de aspecto são preparados através desta abordagem, o comprimento de nanorods pode ser afinado, mas a largura permanece quase constante e é apenas ligeiramente diminuída quando as hastes mais longas (AR ≈ 3) são feitos. Outro parâmetro importante é a quantidade de CTAB usado na solução de crescimento. A concentração de CTAB foi encontrado para influenciar não só a relação de aspecto, mas também o tamanho das nanorods. Curiosamente, enquanto que o comprimento das nanorods obtidos linearmente depende da concentração de CTAB, a relação de aspecto comporta de maneira diferente e um máximo é observado quando o CTAB é na gama entre 40 e 60 mM. Isto corresponde ao facto de a largura das barras permanece constante em baixas concentrações de CTAB, mas acima de 50 mm, a largura da haste começa a aumentar, causando a redução do AR.

Para resumir, demonstramos como, por aplicação de hidroquinona como agente redutor, é posE para preparar nanorods usando cerca de metade da quantidade de CTAB em comparação com o protocolo comum, com base na redução de ácido ascórbico. Apesar do facto de que esta abordagem está limitada à preparação de nanorods relativamente curta com uma razão de aspecto entre 2 e 3, podemos esperar que pudesse ser facilmente adoptados por outros grupos. Isto é porque, mesmo que se baseia em uma pequena modificação da abordagem base de ácido ascórbico padrão, este método pode melhorar drasticamente os AuNRs produzir com uma redução substancial dos custos. Além disso, fornece uma boa e fiável o controlo do tamanho e a relação de aspecto das partículas sintetizados. Por isso, todas as vantagens deste protocolo pode ser útil para uma difusão mais fácil e eficiente de novas aplicações médicas de nanopartículas, porque esta via sintética mais conveniente vai ajudar a desenvolver a abordagem biomédicas, o que torna o uso de nanorods na prática clínica com benefícios potenciais 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

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Hidroquinona baseada Síntese de ouro Nanorods
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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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