Summary
양과성 금 나노 입자는 많은 생물학적 응용 프로그램에서 사용될 수있다. 리간드의 이진 혼합물에 의해 코팅된 금 나노입자를 합성하는 프로토콜과 이들 입자의 상세한 특성화가 제시된다.
Abstract
1-옥탄에티올 (OT) 및 11-메르카페토-1-undecane 설포닉산 (MUS)의 혼합물로 덮인 금 나노 입자는 세포막, 지질 이중층 및 바이러스와의 상호 작용으로 인해 광범위하게 연구되었습니다. 친수성 리간드는 이러한 입자를 수성 용액에서 콜로이드로 안정시키고 소수성 리간드와의 조합은 소수성 약물로 로드될 수 있고, 지질 막과 융합하고, 비특이적 저항할 수 있는 양과성 입자를 생성합니다. 단백질 흡착. 이러한 특성의 대부분은 나노 입자 크기와 리간드 쉘의 조성에 따라 달라집니다. 따라서 나노입자 특성 및 리간드 쉘 조성의 측정을 허용하는 재현 가능한 합성 방법과 신뢰할 수 있는 특성화 기술을 사용하는 것이 중요합니다. 여기서, 1상 화학적 환원, 이어서 5 nm 이하의 직경으로 이들 나노입자를 합성하기 위한 철저한 정제가 제시된다. 나노 입자의 표면에 두 리간드 사이의 비율은 합성 동안 사용되는 그들의 stoichiometric 비율을 통해 조정 될 수있다. 우리는 투과 전자 현미경 검사법 (TEM), 핵 자기 공명 (NMR), 열중량 분석 (TGA) 및 자외선 가시적 (UV-Vis) 분광법과 같은 다양한 일상적인 기술이 어떻게 포괄적으로 결합되는지 보여줍니다. 나노 입자의 물리 화학 적 매개 변수를 특성화합니다.
Introduction
금 나노 입자의 리간드 쉘은 생물 의학 1, 2,3,4의과제를 해결하기 위해 적용 될 수있는 여러 가지 다른 특성을 나타내도록 설계 될 수있다. 이러한 다양성은 나노 입자와 생체 분자 사이의 분자 간상호 작용의 제어를 허용 5,6,7. 소수성 및 전하가 결정적인 역할을 할뿐만 아니라 나노 입자가 생체 분자 5,8,9과상호 작용하는 방법에 영향을 미치는 다른 표면 매개 변수를 담당합니다. 나노 입자의 표면 특성을 조정하기 위해, 리간드 쉘을 구성하는 티오 레이트 분자의 선택은 추구 특성에 따라 무수한 가능성을 제공합니다. 예를 들어, 소수성 및 친수성(예를 들어,충전된) 종단과 리간드 분자의 혼합물은 종종 양과성 나노입자(10,11)를생성하는데 사용된다.
이러한 유형의 나노 입자의 한 가지 눈에 띄는 예는 많은 관련 특성을 가지고 있는 것으로 나타난 OT 및 MUS(이하 MUS:OT 나노입자)의 혼합물에 의해 보호되며,12,13,14. 먼저, 66% MUS(이하 66:34 MUS:OT)의 리간드 쉘 조성물을 사용하여, 나노입자의 콜로이드 안정성이 높고, 탈이온화된 수질뿐만 아니라 인산완충식염수(1x, 4 mM, 150 mM NaCl)에서 최대 33%의 중량에 도달한다. 또한, 이러한 입자는 상대적으로 낮은 pH 값으로 침전되지 않습니다 : 예를 들어, pH 2.3및 1 M NaCl15의염 농도로, 이러한 나노 입자는 몇 달 동안 콜로이드로 안정적으로 유지됩니다. 리간드 쉘 상에서 두 분자 사이의 점치량비율은 높은 이온 강도16을가진 해법에서 콜로이드 안정성을 지시하기 때문에 중요하다.
이들 입자는 에너지 독립적 경로1,12를 통해 세포막을 포레이팅하지 않고 통과하는 것으로 나타났다. 이 입자와 지질 이중층 사이의 자발적인 융합은 세포막을 통해 그들의 확산성의 기초가17. 이 상호 작용의 뒤에 기계장치는 지질 이중층18와융합에 소수성 용매 접근가능한 표면적 및 근해 분자 사이 접촉의 최소화입니다. 모든 MUS 나노 입자 (그들의 껍질에 MUS 리간드만 갖는 나노 입자)에 비해, 혼합 MUS에 높은 소수성 :OT 나노 입자 (예를 들어, 66:34 MUS :OT 조성물)는 지질과 융합 할 수있는 코어 직경의 범위를 증가 이중층18. 리간드 쉘의 상이한 자가 조립 조직은 모든 MUS입자(19)와비교했을 때 알부민 및 유비퀴틴과 같은 다양한 단백질을 가진 66:34 MUS:OT 나노입자의 뚜렷한 결합 모드와 상관관계가 있다. 최근, 66:34 MUS:OT 나노입자는 MUS 리간드의 다원적 정전기 결합과 OT 리간드의 비국소 결합으로 인해 바이러스를 비돌이적으로 파괴하는 광범위한 항바이러스제로서 이용될 수 있는 것으로 보고되었다. 단백질14. 이러한 모든 경우에, 나노입자의 코어 크기뿐만 아니라 소수성 함량이 이러한 바이오 나노 상호작용이 어떻게 이루어지는지를 결정한다는 것이 밝혀졌다. MUS:OT 나노입자의 이러한 다양한 특성은 MUS:OT 입자와 지질 이중층20과같은 다양한 생물학적 구조 사이의 상호 작용을 뒷받침하는 메커니즘을 명확히 하는 것을 목표로 하는 많은 컴퓨터 시뮬레이션 연구를 촉발시켰다.
MUS:OT 보호 Au 나노입자의 제조는 몇 가지 과제를 안고 있습니다. 먼저, 충전된 리간드(MUS) 및 소수성 리간드(OT)는 비분해성이다. 따라서, 나노입자 및 리간드의 용해도는 특성화 동안뿐만 아니라 합성 전반에 걸쳐 고려되어야 한다. 또한, MUS 리간드 분자의 순도, 특히, 시작 물질의 무기 염의 함량은 나노 입자의 품질, 재현성 및 단기 및 장기 콜로이드 안정성에 영향을 미칩니다.
여기서, MUS와 OT의 혼합물에 의해 보호되는 양수 금 나노입자의 이 부류의 상세한 합성 및 특성화가 설명된다. 음전하 MUS 리간드의 합성을 위한 프로토콜은 다른 나노입자 합성물의 순도 및, 따라서, 재현성을 보장하기 위해 보고된다. 이어서, 이러한 나노입자를 생성하는 절차는 일반적인 1상 합성에 기초하여, 철저한 정제에 이어, 상세히 보고된다. TEM, UV-Vis, TGA 및 NMR과 같은 다양한 필수 특성화기술(21)이결합되어 임의의 생물학적 실험에 필요한 모든 파라미터를 획득하였다.
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Protocol
1. 11-메르카포-1-언데카네설포네이트(MUS) 합성
참고: 이 프로토콜은 원하는 규모에서 사용할 수 있습니다. 여기서, 10 g의 제품 스케일이 설명되어 있다.
- 나트륨 undec-10-enesulfonate
- 11-브로모-1-언데센(25 mL, 111.975 mmol), 아황산 나트륨 (28.75 g, 227.92 mmol), 및 벤질트리에틸암모늄 브로마이드 (10 mg) 200 mL의 메탄올 (MeOH) 및 450 mL의 탈이온(DI) 물 (4:9 v/v MeOH:H 2 L-L-L 의 반바닥 비율) .
- 반응 혼합물을 102°C에서 48시간 동안 역류시고, 예를 들어 바늘이 있는 풍선 또는 단순히 바늘과 같은 압력 완화 메커니즘으로 시스템을 캡합니다. 이 반응은 대기 가스에 민감하지 않습니다.
참고: 반응이 완료되면 솔루션이 무색상태가 됩니다. - 반응 혼합물을 회전 증발기에 연결하여 MeOH를 증발시키고 부피를 약 300 mL로 줄입니다.
- 나머지 용액을 1L 추가 깔때기로 전송합니다.
- 추가 깔때기를 사용하여 디에틸 에테르로 나머지 수성 용액을 5x 추출합니다. 미반응 11-브로모-1-undecene은 H2 O에서 디에틸 에테르 상 및황화 생성물에서 체류한다.
주의: 추출 중에 압력 축적을 자주 해제하고 추가 깔때기의 올바른 사용을 참조하십시오. - 최종 추출된 물 용액을 1L 싱글 넥 라운드 바닥 플라스크에 모읍니다.
- 플라스크와 트랩 사이에 약간의 그리스(또는 테플론 링 스트립 또는 기타 실란트)를 넣어 반응 플라스크를 회전 증발기에 연결합니다.
- 회전 증발기에서 수성 상을 증발시키기 위해 진공을 천천히 감소시다. 제품은 계면 활성제이기 때문에 증발 중에 발포가 발생합니다. 이 문제를 해결하려면 다음 단계의 지침을 따르십시오.
- 혼합물에 에탄올을 첨가하여H2O의 증발을 가속화하고 발포를 방지합니다. 에탄올 함량의 감소로 인해 발포가 다시 시작되면 증발을 멈추고 회전 증발기에서 플라스크를 제거하고 에탄올 (총 부피의 약 1/3)을 추가하고 플라스크를 회전 증발기에 다시 연결합니다. 용액 혼합물이 현저하게 감소하고 기포를 형성하지 않을 때까지이 과정을 반복하십시오.
- 플라스크를 고진공에 연결하여 백색 분말을 직접 건조시다. 분말이 건조할수록 무기 염이 적어 후속 단계로 들어갑니다.
참고: 열을 사용하여 제품을 건조시킬 수 있습니다(예: 플라스크를 진공 상태로 60°C 의 욕조에 넣고 밤새 방치하여) - 플라스크에 메탄올 400 mL의 백색 분말을 일시 중단. 초음파 처리하여 최대 량의 제품을 용해시금으로 처리합니다.
참고: 이 단계의 목표는 메탄올의 용해도가 제한된 과량의 아황산나트륨과 브로마이드 나트륨과 같은 무기 부산물을 용해시키는 것이 아닙니다. 메탄올 내의 물은 용매 내의 무기 부산물의 용해도를 증가시킬 것이기 때문에 가능한 가장 낮은 수분 함량을 가진 메탄올을 사용한다. - 제품의 용해도를 높이기 위해 메탄올은 끓는 점 (~ 64 °C)에 가깝게 부드럽게 가열 할 수 있습니다.
주의: 플라스크를 가열하는 동안 연기 후드 아래에서 작업하십시오. 증발 된 메탄올의 연기는 위험합니다. - 용액을 필터링하여 메탄올 불용성 무기 부산물을 제거합니다. 진공 펌프에 연결된 필터링 플라스크와 정량 필터 용지가 있는 필터링 깔때기 또는 보로실리케이트 필터를 사용합니다. 제품과 무기 염은 모두 건조 할 때 백색 분말입니다 : 제품은 메탄올에 용해되지만 소금은 그렇지 않습니다.
- 필터링된 용액을 필터링 플라스크에서 1L 라운드 바닥 플라스크로 옮니다.
- 플라스크를 회전 증발기에 연결하고 45°C에서 메탄올용액을 증발시키고, 메탄올에 백색 분말을 재용해 내고, 용액을 걸러내다(프로토콜 단계 1.1.7, 1.1.8 및 1.1.9). 무기 소금의 양을 줄이기 위해이 과정을 적어도 2 배 반복하십시오.
- 백색, 메탄올 수용성 분말 (약 30g, 이 규모로)을 수집합니다.
- D2 O의 500 μL에 약10 mg의 제품을 용해시키고 용액을 NMR 튜브로 옮김.
- 32번의 스캔으로 400MHz에서 D2O의 제품에 1HNMR 분광법을 수행합니다.
참고: 1HNMR(D2 O)에 대한 피크 할당은 5.97(m, 1H), 5.09(m, 2H), 2.95(t, 2H), 2.10(m, 2H), 1.77(q, 2H), 1.44(brs, 12H)입니다.
- 나트륨 11-아세틸티오-언데카네설포네이트
- 약 30 g의 나트륨 undec-10-enesulfonate (섹션 1.1의 반응 생성물)를 메탄올 500 mL에 1 L 둥근 바닥 플라스크 안에 용해시다. 용액에 2.6배 의 초과 티오아세트산을 첨가하고 UV 램프(250W) 앞에서 밤새 저어줍니다(~12시간). UV 램프를 사용할 수없는 경우, 반응은 azobisobutyrinitrile (AIBN)와 같은 급진적 인 자극제를 사용하여 역류하여 수행 될 수있다; 그러나 UV 램프를 사용하는 것이 좋습니다.
주의: 항상 연기 후드 아래에서 작업해야 합니다. 플라스크를 UV 램프가 있는 다른 공간으로 운반해야 하는 경우, 플라스크를 밀봉하여 티오아세트산의 강한 냄새가 퍼지는 것을 피하십시오. UV 램프 를 작동 할 때 주의 : 램프가있는 공간을 완전히 차단하고 UV 램프 를 작동하는 방법에 대한 기관의 안전 지침을 참조하십시오. - 반응으로부터 ~2 mL aliquots를 복용하여 반응을 모니터링하고, 용매를 증발시키고, 1H NMR로 확인하기 위해 중형 수를 추가합니다. 이중 결합에 해당하는 피크가 사라지면 반응을 중지합니다.
참고 : 일반적으로 UV 램프 앞에서 12 시간 후에 반응이 완료됩니다. 반응 혼합물이 혼탁하게 되면 MeOH를 더 추가하고 6시간 동안 UV 광에 대한 노출을 계속합니다. - 고체 잔류물이 주황색-빨간색이 될 때까지 회전 증발기에서 MeOH를 모두 증발시다. 충분히 오래 방치하면 제품이 갈색에서 검은색으로 변합니다.
주의: 티오아세산의 강한 냄새 때문에 주의깊게 작업하십시오. 표백제 (하이포아염소산 나트륨)의 수성 용액을 사용하여 모든 티오레이트 유출의 강한 냄새를 중화 시킬 수 있습니다. - 여과 플라스크를 사용하여 디에틸 에테르로 제품을 세척하여 여분의 티오아세트산을 제거하여 더 이상 색이 들어가지 않을 때까지 (오렌지-옐로우) 물질이 디에틸 에테르 상류에 나타나지 않습니다. 고체를 고진공에서 건조한 다음 메탄올에 녹여 노란색에서 주황색 용액을 생성합니다.
참고: 메탄올을 충분히 첨가하여 제품을 녹입니다.
참고: 이 단계에서색상이 다를 수 있습니다. - 용액에 카본 블랙 3 g을 넣고 활발하게 혼합하고 여과 매체를 통해 혼합물을 걸러내다 (재료 표참조) 플루티드 필터 페이퍼의 3 분의 2를 덮습니다.
참고 : 카본 블랙의 다공성 구조는 컬러 측면 제품 재료 (및 일부 제품)를 캡처합니다. 필터링된 솔루션은 명확해야 합니다. 필터링된 솔루션이 여전히 노란색(노란색)인 경우 이 프로세스를 반복합니다. - 회전 식 증발기에서 용매를 완전히 증발시키고 약 35g의 백색 분말을 수집합니다.
- 제품의 ~10 mg을D2O의 ~500 μL에 용해시키고 용액을 NMR 튜브로 옮김.
- 32번의 스캔으로 400MHz에서 D2O로 제품에 1HNMR을 수행합니다.
참고: H NMR(D2 O)에 대한 피크 할당은 2.93(t, 4H), 2.40(s, 3H), 1.77(m, 2H), 1.62(m, 2H), 1.45(brs, 14H)입니다.
- 약 30 g의 나트륨 undec-10-enesulfonate (섹션 1.1의 반응 생성물)를 메탄올 500 mL에 1 L 둥근 바닥 플라스크 안에 용해시다. 용액에 2.6배 의 초과 티오아세트산을 첨가하고 UV 램프(250W) 앞에서 밤새 저어줍니다(~12시간). UV 램프를 사용할 수없는 경우, 반응은 azobisobutyrinitrile (AIBN)와 같은 급진적 인 자극제를 사용하여 역류하여 수행 될 수있다; 그러나 UV 램프를 사용하는 것이 좋습니다.
- 11-메르카포-1-언데카네설포네이트(MUS)
- 역류 나트륨 11-아세틸티오-undecanesulfonate 102°C에서 400 mL의 1 M HCl12 시간 동안 티오아세테이트 기를 갈라내고 티올을 얻었다.
- 제품을 1.5L 또는 2L 의 둥근 바닥 플라스크로 옮니다. 최종 용액에 200 mL의 1 M NaOH를 추가하고 400 mL의 DI 물로 상단에 1 L의 최종 부피를 갖습니다. 이것은 용액을 산성으로 유지하고 무기 염의 결정화를 부산물로 방지할 것입니다.
참고: pH 7에 대한 용액의 완전한 중화는 메탄올에서 불용성 생성물의 결정화를 초래할 것이다. - 명확한 용액을 4 °C로 유지하고 하룻밤 동안 결정화됩니다. 이 제품은 젖을 때 점성이 있는 미세 결정으로 결정화됩니다.
참고: 결정화를 가속화하려면 가능한 경우 미리 합성된 MUS를 용액에 추가합니다. - 4,000 x g에서 5 분 동안 50 mL 원심 분리튜브에서 점성 백색 제품을 아래로 투명한 상한 및 원심 분리기를 데콘트.
- 다른 플라스크에 상류를 장식하고 사용 가능한 원심 분리기에 따라 높은 진공 하에서 흰색 펠릿을 건조, 이것은 2 될 수있다 - 16 튜브 이상.
참고 : 제품의 계면 활성제 특성으로 인해 필터링은 권장되지 않습니다. 과도한 발포가 발생하고 제품의 대부분이 손실됩니다. - 이 정제 단계에서 메탄올 수용성 MUS의 약 12 g(약 30% 수율)을 수집합니다.
참고: 분말이 미세하고 정전기적이며 주걱과 용기 표면에 달라붙는 경향이 있음을 유의하십시오. 또한, 더 많은 물질은 부피를 감소시켜 원심 분리 단계의 상층부에서 추출 될 수있다 (원래 값의 약 3 분의 1로) 4 °C에서 유지. 볼륨을 더욱 줄이면(75% 감소) 이 단계에서 수율을 높일 수 있습니다. - 제품의 ~10 mg을D2O의 ~500 μL에 용해시키고 용액을 NMR 튜브로 옮김.
- 32번의 스캔으로 400MHz에서 D2O로 제품에 1HNMR을 수행합니다.
참고: H NMR(D2 O)의 피크 할당은 2.93(t, 4H), 2.59(t, 3H), 1.78(m, 2H), 1.65(m, 2H), 1.44(brs, 14H)입니다. 제품의 계산 된 어금니 질량 (나트륨 카운터를 포함 하 여) 290.42 g/mol.
2. 나노 입자 합성 : 시약의 준비
- 신선한 아쿠아 레지아 (한 부분 의 염산에 3 부분 염산)로 모든 유리 제품 (250 mL 1 개, 500 mL 단일 목 둥근 바닥 플라스크, 100 mL 추가 깔때기 및 작은 깔때기)를 청소하십시오. 연기 후드 내부에 물을 과도하게 헹구고 모든 연기를 제거하십시오. 그런 다음 유리 제품을 에탄올로 헹구고 실험실 유리 오븐에서 건조시십시오 (40 - 60 °C권장).
- 작은 유리 병 (10 또는 20 mL 깨끗한 유리 바이알, 또는 계량 용지에) 177.2 mg (III) 염화물 삼중 수화물 (HAuCl4∙3H2O)의 무게.
- 20 mL의 유리 병에 87 mg (0.3 mmol) MUS의 무게.
- 10 mL의 메탄올을 추가하여 MUS. 초음파 욕조에서 단단한 물질이 보이지 않게 될 때까지 초음파 욕조에서 소성하여 완전한 용해를 보장합니다.
참고: 히트건이나 따뜻한 욕조(~60°C)를 사용하여 용액을 부드럽게 가열합니다. 가열하면 플라스크 바깥쪽을 통해 차가운 물을 실행하여 실온으로 되돌려 보세요. - 메탄올 용액에 26 μL (0.15 mmol)의 OT를 넣고 교반하여 리간드를 혼합합니다.
- 보로하이드라이드 나트륨 500 mg(13 mmol)의무게를 측정하고 250 mL 의 둥근 바닥 플라스크에 100 mL의 에탄올을 첨가합니다. 자기 교반 (600 - 800 rpm)을 사용하여 힘차게 저어줍니다. (NaBH4는 등급에 따라 10~20분이 걸리며 에탄올로 명확한 용액을 형성합니다.)
3. 금 나노 입자의 합성
- 500 mL 라운드 바닥 플라스크에 100 mL의 에탄올에 금 소금을 녹이고 교반 판에 마그네틱 막대로 800 rpm에서 교반을 시작합니다. 금염이 완전히 녹는지 확인하십시오.
- 둥근 바닥 플라스크 위에 100 mL 추가 깔때기를 놓습니다. 내부에 정량적 종이 필터가 있는 깔때기 의 상단에 깔때기를 놓습니다. NaBH4가 에탄올에 용해되면, 깔때기의 여과지를 통해 추가 깔때기로 용액을 필터링하기 시작합니다.
- 반응 혼합물에 리간드 용액을 첨가한다. 금티올레이트 복합체의 형성을 위해 15분 간 기다립니다. 반투명 노란색에서 탁한 노란색으로 반응 혼합물의 색상 변화는 금 티오 레이트 복합체의 형성을 나타냅니다.
- 추가 깔때기에서 필터링된 NaBH4 용액을 드롭와이즈로 추가합니다. NaBH4를 첨가하는 데 약 1시간이 걸리게 되도록 방울의 간격 시간을 조정합니다.
- NaBH 4를 완전히추가 한 후 깔때기를 제거하십시오. 다른 시간 동안 반응을 계속 저어. 반응의 끝에서, 플라스크의 외부에 배치 된 자석을 사용하여 자기 교반 막대를 제거합니다.
- 중격을 사용하여 플라스크를 닫고 반응 후 진화할H2 가스를 방출하기 위해 중격에 바늘을 관통합니다.
- 반응 혼합물을 실험실 냉장고(4°C) 내부에 보관하여 나노입자를 밤새 침전시한다.
4. 합성의 워크 업
- 상급 에탄올을 부피를 감소시다.
- 나머지 침전지를 50 mL 원심분리기 튜브 및 원심분리기로 4,000 x g에서 3분 동안 옮긴다.
- 상류를 데내디, 소용돌이에 의해 에탄올로 다시 나노 입자를 분산시키고, 다시 원심 분리. 이 세척 과정을 4x 반복합니다.
- 잔류 에탄올을 제거하기 위해 진공 하에서 나노 입자를 건조시다.
- 자유 친수성 리간드 / 분자에서 나노 입자를 청소하려면, DI 물 15 mL의 침전물을 용해하고 30 kDa 컷 오프 분자량의 여과 막원으로 원심 분리 튜브로 전송합니다. 투석은 또한 이 절차에 대 한 의무가.
- 이 튜브를 4,000 x g에서 5분 동안 원심분리하여 나노입자 용액을 농축한다.
- 이 용액에 15 mL의 DI 물을 추가하고 원심 분리기를 다시 농축하십시오. 이 청소 과정을 적어도 10배 반복합니다.
참고 : 수용성 불순물이 제거되었음을 나타내는 한 가지 징후는 수성 폐기물을 교반 할 때 발포가 없다는 것입니다. 결국, 대부분의 불순물은 자체 또는 OT와 함께 MUS의 이황화물입니다 (이것은 물질을 수집하고 1H NMR을 수행함으로써 결정될 수 있습니다). - 원심분리 후, 농축된 나노입자를 15 mL 원심분리관으로 옮긴다. 나노 입자를 관리 가능한 분말로 전환하려면 아세톤과 같은 용매에 침전시키거나 나머지 수성 용액을 동결 건조시. 동결 건조시, 나노 입자는 표면에 붙어 조작하기 어려울 수 있습니다 느슨한 분말을 형성하는 경향이있다.
5. 나노 입자의 특성화
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순도
- 나노 입자가 언바운드 리간드로부터 자유로운지 여부를 확인하기 위해D2O의 600 μL에서 5 mg의 건조 나노 입자를 용해시키고 입자의 1H NMR 측정을 수행합니다. 리간드의 날카로운 피크가 없는 경우, 나노 입자가 작은 유기 분자로부터 자유롭다는 것을 의미한다.
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리간드 비율
- 요오드 20 mg/mL 메탄올-d4 용액을 준비합니다. 이 용액의 600 μL을 유리 바이알에 ~ 5 mg의 나노 입자에 첨가하여 나노 입자를 에칭합니다.
- 파라핀 필름으로 바이알의 캡을 감싸고 초음파 욕조에서 20 분 동안 초음파 처리하십시오. NMR 튜브로 용액을 옮기고 32 스캔으로 1H NMR (400 MHz) 스펙트럼을 얻습니다.
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리간드 밀도
- TGA 도가니에 나노 입자 의 2 ~ 8 mg을 전송합니다. 온도 범위는 30°C ~ 900°C이며 N2 가스하에서 분당 5°C의 속도를 선택합니다.
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크기 분포
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Tem
- DI 물에서 0.1 mg/mL 나노입자 용액을 준비합니다. 준비된 용액의 5 μL을 400 메쉬 탄소 지지 구리 그리드에 놓습니다. 건조될 때까지 기다립니다.
- TEM 홀더에 그리드를 전송하고 현미경에 삽입합니다. 200kV에서 작동되는 최소 64,000X배의 배율로 5~10개의 이미지를 획득합니다.
참고: 대비를 높이기 위해 20nm의 대물 조리개를 삽입할 수 있습니다.
-
UV-Vis 스펙트럼
- DI 물에서 0.2 mg/mL 나노입자 용액을 준비합니다.
- 이 용액의 필요한 양을 석영 큐벳에 넣고 200 nm에서 700 nm까지 스캔하십시오.
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Tem
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Representative Results
MUS를 합성하는 반응 단계는 그림1에 도시되어 있습니다. 각 단계의 생성물의 1H NMR 스펙트럼은 도2에 나타내고 있다. 이진 MUS:OT 양과성 금 나노입자의 합성 워크플로우는 도3에 기재되어 있다. 합성 후, 나노 입자의 워크업은 에탄올 및 DI 물로 입자를 여러 번 세척하는 것으로 구성되었다. 나노입자의 임의의 특성화에 앞서, 그림4와 같이 언바운드 자유 리간드로부터의 나노입자의 청결도는 D2O에서 1HNMR에 의해 모니터링되었다. 나노입자의 크기 분포는 TEM(도5a,b)을 특징으로 하였다. 국부적인 표면 플라스몬 공진 흡수는 UV-Vis스펙트럼을 획득하여 측정하였다(도 5c).
두 리간드의 비율은 요오드를 사용하여 금 코어를 에칭하고, 1H NMR을 획득하고, 통합값을 이용하여 각 리간드의 상대적 양을 계산함으로써 결정되었다. 도 6은 대표적인 스펙트럼뿐만 아니라 NMR 피크 할당의 절차를 나타낸다. MUS와 OT 사이의 리간드 비율을 찾기 위해 0.8 - 1 (I1),1.12 - 1.55 (I2),1.6 - 1.9 (I3)및 2.6 - 3 (I4)ppm 사이의 피크의 적분수를 계산했습니다. I1 피크는 3개의 OT 수소로부터의 신호, 14개의 MUS 수소 및 10개의 OT 수소의 조합으로부터의 I2 피크, 그리고 4개의 MUS 수소및 2개의 OT 수소로부터의 I3 및 I4 피크(각 피크에 대해)를 포함합니다. 따라서 OT 백분율을 찾으려면 I1 ~ 3을 정규화하고 다음 식을 적용해야합니다.
나는2에대한 ,
나는3과 I 4을 위해 ,
이러한 계산은 시스템에 하나의 임의의 OT 단위가 있다고 가정하여 OT와 MUS의 비율을 나타냅니다. 도 6B의경우, 세 개의 적분은 OT 백분율에 대해 유사한 값을 부여했습니다(즉, 15.3, 15.9 및 I2, I3, I4) 에서 각각 15.9.
도7에 나타난 바와 같이 나노입자의 표면 커버리지는 TGA에 의해 조사된다. TGA, NMR 및 TEM데이터(그림 3)를 결합하여 리간드 밀도를 계산하고, 이는 표면적 단위의 리간드 수이며, 입자를 구체에 근사화한다. (이 계산은 Na가 NaHSO3로종기한다고 가정합니다.) TEM 데이터는 나노 입자의 평균 직경이 2.4 nm임을 나타내며, 표면적 (A 파 = 4pr 2)의 약 18.08 nm2 (A파= 4pr 2)를 가리키고 7.23 nm3 (V파= 4pr)을 가리킵니다. 입자당 체적의 3 /3 (V파). 금의 밀도는 19.9 g/cm 3이고 한 입자의 질량은 1.3969 x 10-16 mg입니다 (질량입자 = V파 x 금 밀도 = 7.23 nm3 x 19.9 g/cm3 x 10-18 mm3/nm 3). 약 800 °C의 나머지 질량은 금 코어에 해당하며, N파 = (질량금/ 질량)를 사용하여 추정되는 약 3.7 x 1016 입자 (N파)가 있습니다. 입자) = 5.17 mg / 1.3969 x 10-16 mg. 입자의 총 표면적(Atot)은6.69 x 10 17 nm 2(Atot = N파x 파= 3.69 x 1016 x 18.08 nm 2)이다. 요오드 에칭 나노 입자의 NMR은 MUS:OT 비율이 85:15이고 TGA에서의 유기 함량의 양이 0.00146 g인 것으로 나타났다. 따라서, N리간드= [질량유기 / ((ROT x MWOT) + (R MUS)의 공식에 따라 3.26 x 1018 리간드 (N리간드)가있습니다. x MwMUS)) / (RMUS + ROT)]x N아보가드로= [0.00146 g / ((15 x 146 g/mol) + (85 x 267.42 g/mol)) / (85 + 15) x (6.02 x 1023)= 3.26 x 1018 . 마지막으로, 리간드 밀도는 4.8 리간드/nm 2이며, N리간드를 A토트(4.8=3.26 x 1018/6.69x 1017 nm 2)로 나누어 계산한다. 다양한 합성으로 인한 OT의 NMR 비율과 의 한치저치 비율은 도 8에서 비교됩니다.
그림 1: MUS 합성의 개략적. MUS 합성은 양과성 나노 입자 합성의 재현성에 대한 핵심 포인트입니다. MUS가 염분 함량이 높은 경우, 리간드의 증식대측정비가 이탈할 수 있다. X = 9. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 2: MUS 합성에서 각 단계 후 분자의 NMR 스펙트럼(400 MHz). (A) 이 패널은 D2 O. (B)에서 1H NMR 스펙트럼의 나트륨undec-10-enesulfonate를 보여줍니다.이 패널은 D2O.에서 나트륨 11-아세틸티오-undecanesulfonate의 1H NMR 스펙트럼을 보여줍니다. D2O에서 11-메르카포-1-undecanesulfonate의 1H NMR 스펙트럼을 나타낸다. 모든 스펙트럼에서 * 용매 피크를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 3: 양과성 나노입자 합성의 개질. (a) 이 패널은 용매로서 에탄올을 이용한 1상 화학적 환원 반응의 제조를 나타낸다. (B) 환원제를 첨가하기 전에 금-티오레이트 복합체가 형성될 수 있다. 이 단계에서 금 소금의 용액은 혼탁해졌습니다. (C) 환원제를 드롭와이즈 첨가하는 동안, 금 나노입자가 형성된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 미반응 자유 리간드로부터의 나노입자의 청결도. (A) 이 패널은 합성 및 진공 건조 직후 나노 입자의 1H NMR 스펙트럼을 나타낸다. D2O는 1H NMR 분석을 위한 용매로서 사용된다. 빨간색 화살표로 표시된 날카로운 피크는 자유 언바운드 리간드의 존재를 나타냅니다. (B) 이 패널은 철저한 정제 후 나노 입자의 1H NMR 스펙트럼을 나타낸다 (즉, 에탄올 및 DI 물로 세안 및 원심분리). 빨간색 화살표는 스펙트럼의 확대 된 부분을 가리키며, 피크는 넓고 자유 리간드가 없는 것을 나타내기 전과 같이 날카롭지 않습니다. 두 스펙트럼 에서 * 용매 피크를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 나노 입자의 크기 분포. (A) 이 패널은 MUS:OT 나노입자의 대표적인 TEM 이미지를 보여줍니다. 스케일 바는 20 nm입니다. (B) 이 패널은 여러 TEM 이미지를 기반으로 나노입자의 코어 크기의 히스토그램을 나타낸다. (C) 나노입자의 UV-Vis 스펙트럼은 약 520 nm에서 나노입자의 특징적인 표면 플라스몬 공명 피크를 나타내고 있었다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 리간드 비율 계산. (A) 이 패널은 MeOD-d4의 상이한 양성자에 대한 이황피화물(코어 에칭 후 리간드에 대한 참조)과 피크 할당의 대표적인 NMR 스펙트럼을 보여줍니다. (B) 이 패널은 MeOD-d4에서 에칭된 나노입자의 1HNMR 스펙트럼을 나타낸다. 모든 스펙트럼에서 * 용매 피크를 나타냅니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: 리간드 밀도 분석. 나노입자의 TGA 측정은 유기 물질(리간드)의 비율 및 밀도를 결정하기 위해 이루어졌다. 측정 그래프는 가중치 백분율 과 로플롯됩니다. 온도를 조절할 수 있습니다. OT는 먼저 176 °C ~ 233 °C (수직 선) 사이에서 탈수됩니다. MUS는 더 작은 분자로 분해되고 약 800 °C에서 완전히 연소됩니다. 남은 중량 백분율은 나노 입자의 금 코어에 해당합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
도 8: 입자상에서의 OT의 stoichiometric 및 NMR 비율의 비교. 반응에서 MUS와 OT 사이의 시작 종위 측정 비율을 변경하여 나노 입자의 양과성 조정이 가능하다. 오차 막대는 표시된 stoichiometric 비율을 사용하여 획득한 OT 콘텐츠의 상한및 하한을 표시합니다. 10%, 20% 등의Stoichiometric 비율은 최대 90% OT, 나노 입자 표면에서 OT 함량의 한계를 관찰하기 위해 합성되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
이 프로토콜은 먼저 MUS 리간드의 합성을 설명하고, 그 후, 양과성 MUS:OT 금 나노입자의 합성 및 특성화를 기술한다. 최소한의 염분 함량으로 MUS를 합성하면 나노 입자 합성 중 리간드 사이의 점양도 비율의 신뢰성이 향상되며, 이는 목표 소수성 으로 MUS:OT 나노 입자의 재현 가능한 합성을위한 핵심 요소입니다. 내용(그림8). 메탄올을 MUS 및 OT의 일반적인 용매로 사용하고 에탄올 입자의 합성과 함께 MUS:OT 금 나노 입자의 안정적인 합성을 가능하게 합니다. 여기에 제시된 특성화 방법은 합성 결과를 확인하기 위해 나노 입자에 대한 충분한 정보를 획득하는 데 필요한 최소한의 실험 목록을 구성합니다.
이 프로토콜에는 네 가지 중요한 단계가 있습니다: (i) 제2 단계에서 착색된 불순물의 제거와 함께 낮은 염분 함량을 가진 MUS의 합성 및 결국 순수한 MUS의 결정화; (ii) MUS와 OT 사이의 정위치측정 비율을 조정하고 결정하는 것; (iii) 나노 입자의 워크업; (iv) 나노 입자의 특성화.
나노 입자의 형성 동안, MUS는 우선적으로 결과 나노 입자의 용해도와 관련될 수있는 나노 입자 표면에 결합한다. 예를 들어, MUS와 OT 사이의 2:1 stoichiometric 공급 비는 에칭된 금 나노입자의 1H NMR로부터의 데이터를 사용하여 계산될 때 표면에 OT의 15%를 초래한다. 따라서, 더 높은 양의 OT는 입자의 합성동안 사용되어야 한다 (도 8) OT 비에 낮은 MUS와 나노 입자를 얻기 위해; 즉, 더 소수성 입자. 나노 입자의 표면에 있는 리간드 사이의 stoichiometric 비율을 평가하기 위해서는 용액에 언바운드 리간드가 없는지 확인해야 합니다. 언바운드 리간드의 존재는 잘못된 해석으로 이어질 수있는 후속 테스트 및 실험과 함께 나노 입자 및 밀도에 대한 리간드 비율의 결정에 영향을 미칩니다. 다른 용매 (예 : 에탄올 및 DI 물)를 가진 반복적 인 세척 주기는 모든 언바운드 리간드 및 기타 불순물 (보로 하이드라이드 나트륨, 금 이온 등)을 제거해야합니다. 1개 H NMR은 나노입자의 순도를 확인하는 데 중요하다. 나노입자에 대한 복잡한 화학적 환경으로 인해 리간드의 라인 확대 효과는 리간드에 대응하는 피크를 넓히고,임의의 날카로운 신호는 언바운드 분자(22)로부터 온다. 또한, 제한된 이동성으로 인해 티올 그룹에 인접한 메틸렌에 해당하는 NMR 피크는 검출될 수 없으며, 이는 1H NMR을 사용하여 검사할 때 나노입자의 또 다른 시그니처이다. 나노 입자가 깨끗해지면 금속 코어가 요오드로 에칭됩니다. 요오드 에칭은 나노 입자에 리간드 비율을 정량화하는 잘 확립된 방법이다. 예를 들어, 2년 전, Murray 등은 요오드 에칭 후 금 나노입자상단층 조성의 결정을 보고하였고, 이 때 요오드가 금 코어를 분해하고 티오레이트 리간드를 이황화물23로방출한다. 요오드 에칭 방법의 신뢰성은 다른 방법을 사용하여 확립되었다; 예를 들어, Harkness 외는 NMR로부터 수득된 리간드 비율이 질량 분광법측정24로부터1% 이내일 것으로 보고하였다.
TGA는 나노 입자에 대한 유기 함량을 계산하는 간단한 방법입니다. 표면 리간드 밀도의 추정은 모든 티오레이트 리간드가 표면 금 원자에 결합하고 모든 자유 리간드가 정제 중에 제거되었다고 가정합니다. 리간드 밀도를 결정하기 위해, 주로 입자가 금 코어의 표면적뿐만 아니라 포장 밀도를 계산하는 데 사용되는 구형이라는 몇 가지 가정이 만들어집니다. TEM은 나노입자의 대략적인 표면적을 계산하는데 사용될 수 있는 나노입자 금 코어의 크기 분포를 제공한다. 여기에 설명된 나노입자 합성은 평균 직경 2-3 nm의 입자의 다분산 모집단을 생성하고 최대 30%의 크기 편차를 생성한다. 또한, 한 입자의 평균 부피(입자를 구체에 근사화)를 계산하는 데 사용되는 평균 반경을 금 밀도와 결합하여 한 나노 입자의 질량을 계산할 수 있습니다. 이어서, 800°C 를 통해 TGA에 의해 측정된 질량은 처음에 존재하는 입자의 수를 계산할 수 있게 한다. 이 값과 평균 코어 크기를 사용하여, 금 나노입자의 총 표면적을 추정할 수 있다. 1H NMR 분광법으로 수집 된 데이터에서 계산 된 리간드 비율은 나노 입자의 표면에 있는 리간드의 두더지 수를 계산할 수 있습니다. 금 나노입자의 표면적에 걸쳐 리간드 사이의 몰 비는 리간드 밀도를 제공한다(도 7). 클린 나노 입자는 nm2당 약 4 리간드를 갖는다. TGA 데이터는 또한 리간드 비를 추정하는데 사용될 수 있는데, 만약 이들이 금 표면으로부터 탈착되는 온도 구간이 각 리간드에 대해 공지되어 있고, 탈착은 별도의 온도 범위에서 발생한다.
요약하면, 이 프로토콜은 낮은 염분 함량 및 MUS:OT 양과성 금 나노입자로 MUS 리간드를 합성하는 간단한 방법을 제공한다. 이러한 나노입자의 재현성의 주요 요인 중 하나는 사용되는 MUS에서 낮은 무기 염분 함량이다. 이러한 나노 입자는 분말 및 용액 (예를들어,H2O 및 생리학적으로 관련된 것들)으로 안정되어 있으며, 이는 많은 응용 분야에서 전제 조건으로 강조되어야합니다. 양과성 나노 입자의 크기와 표면 특성의 철저한 특성화는 양과 성정도의 정도가 중요한 역할을 할 수있는 미래의 응용 프로그램에 필수적입니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 것이 없다.
Acknowledgments
Z.P.G. 및 F.S.는 스위스 국립 과학 재단과 특히 NCCR '분자 시스템 공학'에 감사드립니다. Z.L. 및 F.S.는 스위스 국립 과학 재단 II 교부 보조금의 지원에 감사드립니다. 모든 저자는 유익한 토론과 원고를 교정에 대한 Quy Ong에 감사드립니다.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 11-bromo-1-undecene | Sigma Aldrich | 467642-25 ml | |
| Sodium Sulfite | Sigma Aldrich | S0505-250 g | |
| Benzyltriethyl-ammonium bromide | Sigma Aldrich | 147125-25 g | |
| Methanol | VWR | BDH1135-2.5 LP | |
| DI water | Millipore | ZRXQ003WW | Deionized water |
| 1 L round bottom flask | DURAN | 24 170 56 | |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 1.00930 EMD Millipore | |
| Stirring bar | Sigma Aldrich | Z329207, | |
| Dow Corning High Vacuum Grease | Sigma Aldrich | Z273554 ALDRICH | |
| Filtering flask | DURAN | 20 201 63 | |
| Filtering Buchner Funnel | FisherSci | 11707335 | |
| Ethanol >99.8%, ACS, Reagent | VWR | 2081.321DP | |
| Deuterium dioxide | Sigma Aldrich | 151882 ALDRICH | |
| Thioacetic acid 96% | Sigma Aldrich | T30805 ALDRICH | |
| Carbon black | Sigma Aldrich | 05105-1KG | |
| Celite | Sigma Aldrich | D3877 SIGMA-ALDRICH | Filtration medium |
| Condenser | Sigma Aldrich | Z531154 | |
| Hydrochloric acid, ACS reagent 37% | Sigma Aldrich | 320331 SIGMA-ALDRICH | |
| Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous) | Sigma Aldrich | S8045 SIGMA-ALDRICH | |
| Centrifuge tubes | VWR | 525-0155P | |
| 250 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 37 | |
| 500 mL round bottom flask | DURAN | 24 170 46 | |
| Nitric acid, fACS reagent 70% | Sigma Aldrich | 438073 SIGMA-ALDRICH | |
| Gold(III) chloride trihydrate >99.9% trace metal basis | Sigma Aldrich | 520918 ALDRICH | |
| 1-octanethiol >98.5% | Sigma Aldrich | 471836 ALDRICH | |
| Sodium Borohydride purum p.a.>96% | Sigma Aldrich | 71320 ALDRICH | |
| addition funnel | SIgma Aldrich | Z330655 SIGMA | |
| Funnel | DURAN | 21 351 46 | |
| 2V folded filtering papers | Whatman | 1202-150 | |
| Amicon filters | Merck | UFC903024 | |
| Iodine, ACS reagent, >99.8%, solid | Sigma Aldrich | 207772 SIGMA-ALDRICH | |
| 5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision) | Armar | 32210.503 | Length 178 mm |
| Methanol-d4 99.8 atom%D | Armar | 16400.2035 | |
| TGA crucible | Thepro | 9095-9270.45 | |
| 400 mesh carbon supported copper grid | Electron Microscopy Science | CF400-Cu | |
| quartz cuvette | Hellma Analytics | 100-1-40 |
References
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