Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Synthèse et caractérisation des nanoparticules d'or amphiphiles

Published: July 2, 2019 doi: 10.3791/58872
Automatic Translation
*1, *1, 1, 1, 1, 1,2, 1,3
1Institute of Materials, École Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2School of Materials, University of Manchester, 3Interfaculty Institute of Bioengineering, École Polytechnique Fédérale de Lausanne
* These authors contributed equally

Summary

Les nanoparticules d'or amphiphiles peuvent être utilisées dans de nombreuses applications biologiques. Un protocole de synthèse des nanoparticules d'or recouverte d'un mélange binaire de ligands et d'une caractérisation détaillée de ces particules est présenté.

Abstract

Les nanoparticules d'or recouvertes d'un mélange de 1-octanethiol (OT) et d'acide sulfonique de 11-mercapto-1-undecane (MUS) ont été intensivement étudiées en raison de leurs interactions avec les membranes cellulaires, les bicouches lipidiques et les virus. Les ligands hydrophiles rendent ces particules familièrement stables dans des solutions aqueuses et la combinaison avec des ligands hydrophobes crée une particule amphiphile qui peut être chargée avec des drogues hydrophobes, fusionner avec les membranes lipidiques, et résister non spécifique l'adsorption protéique. Beaucoup de ces propriétés dépendent de la taille des nanoparticules et de la composition de la coquille ligand. Il est donc crucial d'avoir une méthode synthétique reproductible et des techniques de caractérisation fiables qui permettent de déterminer les propriétés des nanoparticules et la composition de la coquille ligand. Ici, une réduction chimique en une phase, suivie d'une purification complète pour synthétiser ces nanoparticules de diamètre inférieur à 5 nm, est présentée. Le rapport entre les deux ligands à la surface de la nanoparticule peut être réglé par leur rapport stoichiométrique utilisé lors de la synthèse. Nous démontrons comment diverses techniques de routine, telles que la microscopie électronique de transmission (TEM), la résonance magnétique nucléaire (NMR), l'analyse thermogravimétrique (TGA) et la spectrométrie ultraviolet-visible (UV-Vis), sont combinées à caractériser les paramètres physicochimiques des nanoparticules.

Introduction

La coquille ligand des nanoparticules d'or peut être conçue pour montrer plusieurs propriétés différentes qui peuvent être appliquées pour répondre aux défis dans la biomédecine1,2,3,4. Une telle polyvalence permet de contrôler les interactions intermoléculaires entre les nanoparticules et les biomolécules5,6,7. L'hydrophobicité et la charge jouent un rôle décisif, ainsi que d'autres paramètres de surface qui affectent la façon dont les nanoparticules interagissent avec les biomolécules5,8,9. Pour régler les propriétés de surface des nanoparticules, le choix des molécules de thiolate qui composent la coquille ligand offre une myriade de possibilités, selon les caractéristiques recherchées. Par exemple, un mélange de molécules de ligandavec des groupes d'extrémité hydrophobes et hydrophiles (par exemple, chargés) sont souvent utilisés pour générer des nanoparticules amphiphiles10,11.

Un exemple proéminent de ce type de nanoparticules est protégé par un mélange d'OT et de MUS (ci-après appelé MUS : nanoparticules d'OT) qui a été montré pour posséder beaucoup de propriétés pertinentes12,13,14. Tout d'abord, avec une composition de coquille ligand de 66% MUS (ci-après 66:34 MUS:OT), la stabilité colloïdale des nanoparticules est élevée, atteignant jusqu'à 33% de poids dans l'eau déionisée, ainsi que dans le phosphate tamponné salin (1x, 4 mM phosphate, 150 mM NaCl)15. De plus, ces particules ne se précipitent pas à des valeurs de pH relativement faibles : par exemple, au pH 2,3 et avec des concentrations de sel de 1 M NaCl15,ces nanoparticules restent familièrement stables pendant des mois. Le rapport stoichiométrique entre les deux molécules sur la coquille ligand est important parce qu'il dicte la stabilité colloïdale dans les solutions avec une force ionique élevée16.

Ces particules ont été montrées pour traverser la membrane cellulaire sans la pomer, par l'intermédiaire d'une voie énergie-indépendante1,12. La fusion spontanée entre ces particules et les bicouches lipidiques sous-tend leur diffusion à travers les membranes cellulaires17. Le mécanisme derrière cette interaction est la minimisation du contact entre une surface hydrophobe accessible aux solvants et des molécules d'eau lors de la fusion avec des bicouches lipidiques18. Par rapport aux nanoparticules entièrement MUS (nanoparticules n'ayant que le ligand MUS sur leur coquille), l'hydrophobicité plus élevée sur les nanoparticules mixtes MUS:OT (par exemple, à une composition de 66:34 MUS:OT) augmente la portée du diamètre du noyau qui peut fusionner avec les lipides bicouches18. Différentes organisations d'auto-assemblage de la coquille ligand sont en corrélation avec des modes de liaison distincts de 66:34 MUS:OT nanoparticules avec diverses protéines, telles que l'albumine et l'ubiquitine, par rapport aux particules tout-MUS19. Récemment, il a été rapporté que 66:34 MUS:OT nanoparticules peuvent être utilisés comme un agent antiviral à large spectre qui détruit irrémédiablement les virus en raison de liaisons électrostatiques multivalentes de ligands MUS et des accouplements non locaux de ligands OT à capsid protéines14. Dans tous ces cas, il a été constaté que la teneur hydrophobe, ainsi que la taille de base des nanoparticules, détermine comment ces interactions bio-nano ont lieu. Ces diverses propriétés des nanoparticules DE MUS:OT ont incité de nombreuses études de simulation informatique qui visaient à clarifier les mécanismes qui sous-tendent les interactions entre les particules MUS:OT et diverses structures biologiques telles que les bicouches lipidiques20.

La préparation des nanoparticules Au protégées par l'OT pose quelques défis. Tout d'abord, le ligand chargé (MUS) et le ligand hydrophobe (OT) sont immiscibles. Ainsi, la solubilité des nanoparticules et des ligands doit être prise en compte tout au long de la synthèse, ainsi que lors de la caractérisation. En outre, la pureté des molécules de ligand MUS, en particulier la teneur en sels inorganiques dans le matériau de départ, influence la qualité, la reproductibilité, ainsi que la stabilité colloïdale à court et à long terme des nanoparticules.

Ici, une synthèse détaillée et la caractérisation de cette classe de nanoparticules d'or amphiphiles protégées par un mélange de MUS et d'OT sont décrites. Un protocole pour la synthèse du ligand de MUS chargé négativement est rapporté pour assurer la pureté et, par conséquent, la reproductibilité de différentes synthèses de nanoparticules. Ensuite, la procédure de générer ces nanoparticules, basée sur une synthèse commune en une seule phase, suivie d'une purification complète, est rapportée en détail. Diverses techniques de caractérisation nécessaires21, telles que TEM, UV-Vis, TGA et NMR, ont été combinées pour obtenir tous les paramètres nécessaires pour toute autre expérience biologique.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Synthèse de 11-mercapto-1-undecanesulfonate (MUS)

REMARQUE : Ce protocole peut être utilisé à n'importe quelle échelle souhaitée. Ici, une échelle de 10 g de produit est décrite.

  1. Sodium undec-10-enesulfonate
    1. Ajouter 11-bromo-1-undecene (25 ml, 111.975 mmol), sulfite de sodium (28,75 g, 227,92 mmol), et bromure de benzyltriethylammonium (10 mg) à un mélange de 200 mL de méthanol (MeOH) et 450 mL d'eau déionisée (DI) (4:9 v/v MeOH:H2O ratio) dans un 1 L rond-bas flask .
    2. Refluxer le mélange de réaction à 102 oC pendant 48 h. Bouchonner le système avec un mécanisme de soulagement de la pression, par exemple, un ballon avec une aiguille, ou tout simplement une aiguille. Cette réaction n'est pas sensible aux gaz atmosphériques.
      REMARQUE : La solution devient incolore lorsque la réaction est terminée.
    3. Connectez le mélange de réaction à un évaporateur rotatif pour évaporer MeOH et réduire le volume à environ 300 ml.
    4. Transférer la solution restante sur un entonnoir de 1 L.
    5. Extraire la solution aqueuse restante 5x avec de l'éther diéthyle, à l'aide de l'entonnoir d'addition. Unreacted 11-bromo-1-undecene reste dans la phase diéthyle et le produit sulfonated dans H2O.
      CAUTION: Relâchez fréquemment toute accumulation de pression pendant l'extraction, et consultez l'utilisation correcte des entonnoirs d'addition.
    6. Recueillir la solution finale d'eau extraite dans un flacon à un seul cou à fond de 1 L.
    7. Connectez le flacon de réaction à un évaporateur rotatif en plaçant un peu de graisse (ou des bandes d'anneau de téflon ou tout autre scellant) entre le flacon et le piège.
    8. Diminuer le vide lentement pour évaporer la phase aqueuse dans un évaporateur rotatif. Parce que le produit est un surfactant, la mousse se produira pendant l'évaporation. Pour contourner ce problème, suivez l'instruction dans l'étape suivante.
      1. Ajouter de l'éthanol au mélange pour accélérer l'évaporation de H2O et éviter la mousse. Lorsque la mousse redémarre en raison de la diminution de la teneur en éthanol, arrêtez l'évaporation, retirez le flacon de l'évaporateur rotatif, ajoutez plus d'éthanol (environ un tiers du volume total) et reconnectez le flacon à l'évaporateur rotatif. Répétez ce processus jusqu'à ce que le mélange de solution diminue de manière significative et ne forme pas de bulles.
    9. Séchez la poudre blanche directement en connectant le flacon à un vide élevé. Plus la poudre est sèche, moins les sels inorganiques se glisseront dans les étapes suivantes.
      REMARQUE : La chaleur peut être utilisée pour sécher le produit, par exemple en gardant le flacon sous vide dans un bain de 60 oC et laissé toute la nuit.
    10. Suspendre la poudre blanche dans 400 ml de méthanol dans un flacon. Sonicate pour dissoudre la quantité maximale de produit.
      REMARQUE : Le but de cette étape est de dissoudre le produit mais pas les sous-produits inorganiques, tels que le sulfite de sodium excessif et le bromure de sodium, qui ont la solubilité limitée dans le méthanol. Utilisez du méthanol avec la plus faible teneur en eau possible, car l'eau dans le méthanol augmentera la solubilité des sous-produits inorganiques dans le solvant.
    11. Pour augmenter la solubilité du produit, le méthanol peut être chauffé en douceur près de son point d'ébullition (64 oC).
      CAUTION: Assurez-vous de travailler sous une hotte de fumée pendant le chauffage de la fiole. Les fumées du méthanol évaporé sont dangereuses.
    12. Filtrer la solution pour éliminer les sous-produits inorganiques du méthanol. Utilisez un flacon de filtrage relié à une pompe à vide et un entonnoir filtrant avec du papier filtre quantitatif, ou un filtre borosilicate. Le produit et les sels inorganiques sont des poudres blanches lorsqu'ils sont secs : le produit est soluble dans le méthanol, alors que les sels ne le sont pas.
    13. Transférer la solution filtrée du flacon filtrant vers un flacon à fond rond de 1 L.
    14. Connectez le flacon à un évaporateur rotatif et évaporez la solution méthanol à 45 oC, redissolvez la poudre blanche dans le méthanol et filtrez la solution (étapes du protocole 1,1,7, 1,1,8 et 1,1,9). Répétez ce processus au moins 2x, pour diminuer la quantité de sel inorganique.
    15. Recueillir la poudre blanche soluble au méthanol (environ 30 g, à cette échelle).
    16. Dissoudre environ 10 mg de produit dans 500 oL de D2O et transférer la solution dans un tube RMN.
    17. Effectuez une spectrométrie NMR 1H sur le produit en D2O à 400 MHz avec 32 scans.
      REMARQUE: Les affectations de pointe pour 1H RmN (D2O) sont de 5,97 (m, 1H), 5,09 (m, 2H), 2,95 (t, 2H), 2,10 (m, 2H), 1,77 (q, 2H), 1,44 (br s, 12H).
  2. Sodium 11-acetylthio-undecanesulfonate
    1. Dissoudre les quelque 30 g de sodium undec-10-enesulfonate (le produit de réaction de la section 1.1) dans 500 ml de méthanol à l'intérieur d'un flacon à fond rond de 1 L. Ajouter un excès de 2,6 x d'acide thioacétique à la solution et remuer devant une lampe UV (250 W) pendant la nuit (12 h). Dans le cas où une lampe UV n'est pas disponible, la réaction peut être effectuée par reflux à l'aide d'un initiateur radical, comme l'azobisisobutyronitrile (AIBN); cependant, l'utilisation d'une lampe UV est fortement recommandée.
      CAUTION: Assurez-vous de travailler sous le capot de fumée en tout temps. Si le flacon doit être transporté dans un autre espace où se trouve la lampe UV, scellez le flacon pour éviter de répandre la forte odeur d'acide thioacétique. Faites preuve d'attention lors de l'utilisation d'une lampe UV : bloquez complètement l'espace où se trouve la lampe et consultez les directives de sécurité de l'établissement sur la façon d'utiliser une lampe UV.
    2. Surveillez la réaction en prenant des aliquots de 2 ml de la réaction, évaporez le solvant, et ajoutez de l'eau deuterated pour vérifier avec 1H RmN. Une fois que les pics correspondant à la double liaison disparaissent, arrêtez la réaction.
      REMARQUE: Habituellement, après 12 h devant la lampe UV, la réaction est complète. Si le mélange de réaction devient turbide, ajouter plus de MeOH et continuer l'exposition à la lumière UV pendant six heures supplémentaires.
    3. Évaporez tout Le MeOH dans un évaporateur rotatif jusqu'à ce que le résidu solide devienne rouge orangé. S'il est laissé assez longtemps, le produit devient brun à noir.
      CAUTION: Travailler consciencieusement en raison des fortes odeurs de l'acide thioacétique. Les fortes odeurs de tout déversement de thiolate peuvent être neutralisées à l'aide d'une solution aqueuse d'eau de Javel (hypochlorite de sodium).
    4. À l'aide d'une fiole filtrante, laver le produit à l'éthethyle diéthyle pour éliminer tout excès d'acide thioacétique, jusqu'à ce qu'aucune substance de couleur (jaune orange) n'apparaisse dans le supernatant d'éther diéthyle. Séchez le solide sous vide élevé et, ensuite, dissoudre dans le méthanol, ce qui donne une solution jaune à orange.
      REMARQUE : Ajouter suffisamment de méthanol pour dissoudre le produit.
      REMARQUE: La couleur peut varier à cette étape.
    5. Ajouter 3 g de noir de carbone à la solution, mélanger vigoureusement et filtrer le mélange à l'intérieur d'un milieu de filtration (voir Tableau des matériaux)couvrant les deux tiers d'un papier filtre cannelé.
      REMARQUE : La structure poreuse du noir de carbone capture le matériau coloré de produit latéral (et une partie du produit). La solution filtrée doit être claire. Si la solution filtrée est encore colorée (jaune), répétez ce processus.
    6. Évaporer complètement le solvant dans un évaporateur rotatif et recueillir environ 35 g de poudre blanche.
    7. Dissoudre 10 mg du produit dans 500 oL de D2O et transférer la solution dans des tubes RMN.
    8. Effectuer 1H RMN sur le produit en D2O à 400 MHz avec 32 scans.
      REMARQUE: Les affectations de pointe pour le H NMR (D2O) sont 2,93 (t, 4H), 2,40 (s, 3H), 1,77 (m, 2H), 1,62 (m, 2H), 1,45 (br s, 14H).
  3. 11-mercapto-1-undecanesulfonate(MUS)
    1. Reflux sodium 11-acetylthio-undecanesulfonate à 102 oC dans 400 ml de 1 M HCl pendant 12 h pour couper le groupe de thioacetate et obtenir un thiol.
    2. Transférer le produit dans un flacon à fond rond de 1,5 L ou 2 L. Ajouter 200 ml de 1 M NaOH à la solution finale et garnir avec 400 ml d'eau DI pour avoir un volume final de 1 L. Ceci maintiendra la solution acide et empêchera la cristallisation des sels inorganiques comme sous-produit.
      REMARQUE : Une neutralisation complète de la solution au pH 7 se traduira par la cristallisation d'un produit insoluble dans le méthanol.
    3. Gardez la solution claire à 4 oC et elle se cristallisera pendant la nuit. Le produit se cristallise sous forme de cristaux fins qui sont visqueux lorsqu'ils sont mouillés.
      REMARQUE : Pour accélérer la cristallisation, ajoutez muséal présynthétisé à la solution, si disponible.
    4. Décant le supernatant clair et la centrifugeuse vers le bas le produit blanc visqueux dans des tubes de centrifugeuse de 50 ml pendant 5 min à 4.000 x g.
    5. Décanter le supernatant dans un autre flacon et sécher les granulés blancs sous vide élevé, selon la centrifugeuse disponible, cela peut être de 2 à 16 tubes ou plus.
      REMARQUE : Le filtrage n'est pas conseillé en raison de la nature surfactante du produit; une mousse excessive se produira et la plupart du produit sera perdu.
    6. Recueillir environ 12 g (environ 30% de rendement) de musÉ méthanol soluble de cette étape de purification.
      REMARQUE : Soyez conscient que la poudre est fine et électrostatique , elle a tendance à coller aux spatules et aux surfaces des récipients. En outre, plus de matériel peut être extrait du supernatant de l'étape de centrifugation en réduisant le volume (à environ un tiers de sa valeur originale) et en le maintenant à 4 oC. Diminuer encore plus le volume (de 75%) d'augmenter le rendement à cette étape.
    7. Dissoudre 10 mg du produit dans 500 oL de D2O et transférer la solution dans des tubes RMN.
    8. Effectuer 1H RMN sur le produit en D2O à 400 MHz avec 32 scans.
      REMARQUE: Les affectations de pointe de H NMR (D2O) sont 2,93 (t, 4H), 2,59 (t, 3H), 1,78 (m, 2H), 1,65 (m, 2H), 1,44 (br s, 14H). La masse molaire calculée (y compris la contre-ion de sodium) du produit est de 290,42 g/mol.

2. Synthèse des nanoparticules : Préparation des réactifs

  1. Nettoyer toute la verrerie (une vitre de 250 ml et une flacon à un cou rond à col unique de 500 ml, un entonnoir de 100 ml et un petit entonnoir) avec de l'aqua regia frais (trois parties d'acide chlorhydrique à une partie d'acide nitrique). Rincer la verrerie avec un excès d'eau à l'intérieur d'un capot de fumée et enlever toutes les fumées. Ensuite, rincez la verrerie à l'éthanol et séchez-la dans un four de verrerie de laboratoire (40 à 60 oC est recommandé).
  2. Peser 177,2 mg (0,45 mmol) de trihydrate de chlorure d'or (III) (HAuCl4x 3H2O) dans un petit flacon de verre (10 ou 20 ml de flacons de verre propre, ou sur du papier de pesage).
  3. Peser 87 mg (0,3 mmol) de MUS dans une fiole de verre de 20 ml.
  4. Ajouter 10 ml de méthanol pour dissoudre le MUS. Sonicate-le dans un bain à ultrasons jusqu'à ce qu'aucun matériau solide ne soit visible, pour assurer une dissolution complète.
    REMARQUE : Alternativement, à l'aide d'un pistolet thermique ou d'un bain chaud (60 oC), chauffez doucement la solution. Lorsqu'il est chauffé, faire couler l'eau froide à travers l'extérieur du flacon pour la ramener à la température ambiante.
  5. Ajouter 26 l (0,15 mmol) d'OT à la solution de méthanol et l'agiter pour mélanger les ligands.
  6. Peser 500 mg (13 mmol) de borohydride de sodium (NaBH4) et l'ajouter à 100 ml d'éthanol dans le flacon à fond rond de 250 ml. Remuer vigoureusement en remuant magnétique (600 à 800 tr/min). (Le NaBH4 prend de 10 à 20 min, selon la catégorie, pour former une solution claire dans l'éthanol.)

3. Synthèse des nanoparticules d'or

  1. Dissoudre le sel d'or dans 100 ml d'éthanol dans le flacon à fond rond de 500 ml et commencer à remuer à 800 tr/min avec une barre magnétique sur une plaque en mouvement. Assurez-vous que le sel d'or se dissout complètement.
  2. Placez un entonnoir d'ajout de 100 ml au-dessus du flacon à fond rond. Placez un entonnoir sur le dessus de l'entonnoir d'addition avec un filtre de papier quantitatif à l'intérieur. Lorsque le NaBH4 est dissous dans l'éthanol, commencer à filtrer la solution dans l'entonnoir d'addition à travers le papier filtre dans l'entonnoir.
  3. Ajouter la solution ligand au mélange de réaction. Attendez 15 min pour la formation du complexe d'or-thiolate. Le changement de couleur du mélange de réaction du jaune translucide au jaune turbide indique la formation du complexe d'or-thiolate.
  4. Commencez à ajouter la solution NaBH4 filtrée à partir de l'entonnoir d'ajout goutte à goutte. Ajuster le temps d'intervalle des gouttes de sorte que l'ajout de NaBH4 prend environ 1 h.
  5. Après l'ajout complet de NaBH4, retirer l'entonnoir. Continuez à remuer la réaction pendant une autre heure. À la fin de la réaction, retirez la barre magnétique en remuant à l'aide d'un aimant placé à l'extérieur du flacon.
  6. Utilisez un septum pour fermer le flacon et percer une aiguille dans le septum pour libérer le gaz H2 qui évoluera après la réaction.
  7. Conserver le mélange de réaction à l'intérieur d'un réfrigérateur de laboratoire (4 oC) pour précipiter les nanoparticules pendant la nuit.

4. Mise en place de la synthèse

  1. Décant l'éthanol supernatant pour réduire le volume.
  2. Transférer le reste des tubes de centrifugeuse de 50 ml et de la centrifugeuse pendant 3 min à 4 000 xg.
  3. Décant le supernatant, dispersez à nouveau les nanoparticules avec de l'éthanol par vortexing, et les centrifugez à nouveau. Répétez ce processus de lavage 4x.
  4. Séchez les nanoparticules sous vide pour enlever l'éthanol résiduel.
  5. Pour nettoyer les nanoparticules des ligands/molécules hydrophiles libres, dissoudre les précipités dans 15 ml d'eau DI et les transférer aux tubes centrifugeurs avec une membrane de filtration de 30 kDa de poids moléculaire de coupure. La dialyse est également favorable à cette procédure.
  6. Centrifuger ces tubes pendant 5 min à 4 000 x g pour concentrer la solution de nanoparticules.
  7. Ajouter 15 ml d'eau DI à cette solution et centrifugeuse pour se concentrer à nouveau. Répétez ce processus de nettoyage au moins 10x.
    REMARQUE : Une indication que les impuretés solubles dans l'eau ont été enlevées est l'absence de mousse lors de l'agitation des déchets aqueux; après tout, la plupart des impuretés sont des disulfides de MUS avec lui-même ou avec OT (cela peut être déterminé en recueillant le matériel et en effectuant 1H RMN).
  8. Après la centrifugation, transférer les nanoparticules concentrées dans un tube centrifugeur de 15 ml. Pour transformer les nanoparticules en poudre gérable, soit précipitez-les dans un solvant comme l'acétone, soit séchez la solution aqueuse restante. Lorsqu'elles sont lyophilisées, les nanoparticules ont tendance à former une poudre lâche qui colle aux surfaces et peut être difficile à manipuler.

5. Caractérisation des nanoparticules

  1. pureté
    1. Pour vérifier si les nanoparticules sont exemptes de ligands non liés, dissoudre 5 mg de nanoparticules sèches dans 600 OL de D2O et effectuer une mesure de 1H RMN des particules. S'il n'y a pas de pics aigus des ligands, cela signifie que les nanoparticules sont exemptes de petites molécules organiques.
  2. Ratio Ligand
    1. Préparer une solution d'iode de méthanol-d4 de 20 mg/mL. Ajouter 600 l de cette solution aux 5 mg de nanoparticules dans un flacon de verre, pour émousser les nanoparticules.
    2. Enveloppez le bouchon du flacon d'un film de paraffine et sonicatez-le dans un bain à ultrasons pendant 20 min. Transférez la solution à un tube RMN et acquérez un spectre de 1H RMN (400 MHz) avec 32 scans.
  3. Densité ligand
    1. Transférer 2 à 8 mg de nanoparticules dans un creuset TGA. Choisissez une plage de température allant de 30 à 900 oC et une vitesse de 5 oC par minute sous le gaz N 2.
  4. Distribution de taille
    1. Tem
      1. Préparer une solution de nanoparticules de 0,1 mg/mL dans l'eau DI. Déposez 5 ll de la solution préparée sur le réseau de cuivre de 400 mailles supporté par le carbone. Attends qu'il sèche.
      2. Transférer la grille dans un support TEM et l'insérer dans le microscope. Acquérir 5 à 10 images avec un grossissement d'au moins 64 000 X, actionné à 200 kV.
        REMARQUE : Pour augmenter le contraste, une ouverture objective de 20 nm peut être insérée.
    2. Spectres UV-Vis
      1. Préparer une solution de nanoparticules de 0,2 mg/mL dans l'eau DI.
      2. Mettez la quantité requise de cette solution dans la cuvette de quartz et scandez de 200 nm à 700 nm.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Les étapes de réaction pour synthétiser la MUS sont indiquées dans la figure 1. Les spectres 1H RMN du produit de chaque étape sont représentés à la figure 2. Le flux de travail de synthèse des nanoparticules d'or amphiphiles binaires MUS:OT est décrit dans la figure 3. Après la synthèse, l'analyse des nanoparticules a consisté à laver les particules plusieurs fois avec de l'éthanol et de l'eau DI. Avant toute caractérisation des nanoparticules, la propreté des nanoparticules provenant de ligands libres non liés était surveillée par 1H RMN dans D2O, comme le montre la figure 4. La distribution de la taille des nanoparticules a été caractérisée par TEM (Figure 5a,b). L'absorption localisée de résonance de plasmon de surface a été mesurée en acquérant des spectres UV-Vis (figure 5c).

Le rapport des deux ligands a été déterminé en coupant le noyau d'or à l'aide d'iode, en acquérant la RMN 1H et en calculant les quantités relatives de chaque ligand à l'aide des valeurs intégrées. La figure 6 montre les spectres représentatifs, ainsi que la procédure des affectations de pointe de la RMN. Pour trouver le rapport ligand entre MUS et OT, nous avons calculé les intégrales des pics entre 0,8 - 1 (I1), 1,12 - 1,55 (I2), 1,6 - 1,9 (I3), et 2,6 - 3 (I4) ppm. Le pic I1 contient le signal de trois hydrogènes OT, le pic I2 d'une combinaison de 14 hydrogènes MUS et 10 hydrohydrogènes OT, et les pics I3 et I4 de quatre hydrogènes MUS et deux hydrohydrogènes OT (pour chaque pic). Par conséquent, pour trouver le pourcentage d'OT, il est nécessaire de normaliser I1 à 3 et d'appliquer les expressions suivantes.

Pour I2,
Equation 1

Pour I3 et I4,
Equation 2

Ces calculs indiquent le rapport ot/MUS, en supposant qu'il y ait une unité arbitraire d'OT dans le système. Pour la figure 6B, les trois intégrales donnaient des valeurs similaires pour le pourcentage d'OT (c.-à-d. , 15,3, 15,9, et 15,9 de I2, I3, et I4, respectivement).

La couverture de surface des nanoparticules est examinée par TGA comme le montre la figure 7. Les données TGA, NMR et TEM (Figure 3) sont combinées pour calculer la densité du ligand, c'est-à-dire le nombre de ligands sur une unité de surface, ce qui rapproche les particules d'une sphère. (Ce calcul suppose que Na bout comme NaHSO3.) Les données du TEM montrent que le diamètre moyen des nanoparticules est de 2,4 nm, pointant vers environ 18,08 nm2 (Apar4pr2) de surface (Apar) et 7,23 nm3 (Vpar4pr 3/3) de volume par particule (Vpar). La densité de l'or est de 19,9 g/cm3 et la masse d'une particule est de 1,3969 x 10-16 mg (Particule de masse - Vpar x la densité de l'or - 7,23 nm3 x 19,9 g/cm3 x 10-18 mm3/nm3). La masse restante d'environ 800 oC correspond au noyau d'or, et il y a environ 3,7 x 1016 particules (Npar) qui sont estimées à l'aide de Npar (Masseor/Masse particule) 5,17 mg / 1,3969 x 10-16 mg. La surface totale (Atot) des particules est de 6,69 x 1017 nm2 (Atot - Nparx Apar3,69 x 1016 x 18,08 nm2). La RMN des nanoparticules gravées en iode a montré que le rapport MUS/OT est de 85:15 et que la quantité de teneur organique en TGA est de 0,00146 g. Par conséquent, il ya 3,26 x 1018 ligands(Nligand) suivant la formule de Ligand N - [Masseorganique / ((ROT x MwOT) - ( RMUS x MwMUS)) / (RMUS - ROT)] x NAvogadro[0,00146 g / ((15 x 146 g/mol) - (85 x 267,42 g/mol)) / ( 85 x 15] x (6,02 x 1023) - 3,26 x 1018 . Enfin, la densité ligand est de 4,8 ligands/nm2, calculée en divisant leligand N par Atot(4,8 à 3,26 x 1018/6,69 x 1017 nm2). Les ratios stoichiométriques par rapport aux ratios RMN de l'OT, résultant de diverses synthèses, sont comparés à la figure 8.

Figure 1
Figure 1 : Schéma de synthèse muséale. La synthèse muséale est le point clé de la reproductibilité de la synthèse des nanoparticules amphiphiles. Si la MUS a une teneur élevée en sel, le rapport stoichiométrique des ligands peut s'écarter. X à 9. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 2
Figure 2 : Spectres RMN des molécules après chaque étape de la synthèse muséale (400 MHz). (A) Ce panneau montre le spectre de 1H RMN de sodium undec-10-enesulfonate en D2O. (B) Ce panneau montre le spectre 1 H RMN de sodium 11-acetylthio-undecanesulfonate en D 2 O. ( C ) Ce panneau montre le spectre 1H RMN de sodium 11-acetylthio-undecanesulfonate en D2O. (C) Ce panneau montre le spectre de 1H RMN de 11-mercapto-1-undecanesulfonate en D2O. Dans tous les spectres, indique les pics de solvants. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 3
Figure 3 : Schéma de la synthèse amphiphile des nanoparticules. (A) Ce panneau montre la préparation de la réaction de réduction chimique en une phase utilisant l'éthanol comme solvant. (B) Le complexe de thiolate d'or est autorisé à se former avant l'ajout d'un agent réductur. À ce stade, la solution du sel d'or est devenue turbide. (C) Pendant l'ajout dropwise de l'agent réducteurs, des nanoparticules d'or sont formées. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 4
Figure 4 : Propreté des nanoparticules provenant de ligands libres non réagis. (A) Ce panneau montre le spectre de 1H RMN des nanoparticules juste après la synthèse et le séchage sous vide. D2O est utilisé comme solvant pour l'analyse 1H RMN. Les pics pointus indiqués par les flèches rouges indiquent l'existence de ligands non liés libres. (B) Ce panneau montre le spectre de 1H RMN des nanoparticules après une purification complète(c.-à-d., lavages et centrifugation avec de l'éthanol et de l'eau DI). La flèche rouge pointe vers la partie agrandie du spectre, dans laquelle les pics sont larges, pas pointus comme avant indiquant l'absence de ligands libres. Dans les deux spectres, indique les pics de solvants. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 5
Figure 5 : Répartition de la taille des nanoparticules. (A) Ce panneau montre une image TEM représentative des nanoparticules MUS:OT. La barre d'échelle est de 20 nm. (B) Ce panneau montre un histogramme de la taille centrale des nanoparticules sur la base de plusieurs images TEM. (C) Les spectres UV-Vis des nanoparticules ont montré le pic de résonance plasmon de surface caractéristique des nanoparticules à environ 520 nm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 6
Figure 6 : Calcul du ratio Ligand. (A) Ce panneau montre des spectres DE RMN représentatifs de combinaisons de disulfides (comme références pour les ligands après la gravure du noyau) et des affectations de pointe pour différents protons dans MeOD-d4. (B) Ce panneau montre 1spectre H RMN de nanoparticules gravées dans MeOD-d4. Dans tous les spectres, indique les pics de solvants. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 7
Figure 7 : Analyse de la densité de Ligand. Une mesure TGA des nanoparticules a été faite pour déterminer le rapport et la densité des matières organiques (ligands). Le graphique des mesures est tracé comme le pourcentage de poids vs. la température. OT desorbs d'abord, entre 176 oC et 233 oC (lignes verticales). La MUS se dégrade en molécules plus petites et est totalement brûlée à environ 800 oC. Le pourcentage de poids restant correspond au noyau aurifère des nanoparticules. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Figure 8
Figure 8 : Comparaison des rapports stoichiométriques et RMN de l'OT sur les particules. Il est possible d'ajuster l'amphiphilie des nanoparticules en modifiant le rapport stoichiométrique de départ entre la MUS et l'OT dans la réaction. Les barres d'erreur affichent la limite supérieure et inférieure du contenu OT acquis à l'aide des ratios stoichiométriques indiqués. Des ratios stoichiométriques de 10 %, 20 %, etc.,jusqu'à 90 % d'OT, ont été synthétisés pour observer les limites de la teneur en OT sur les surfaces des nanoparticules. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Ce protocole décrit d'abord la synthèse du ligand muséal, puis la synthèse et la caractérisation des nanoparticules d'or amphiphiles MUS:OT. La synthèse de la MUS avec une teneur minimale en sel permet une meilleure fiabilité du rapport stoichiométrique entre les ligands lors de la synthèse des nanoparticules, qui est un facteur clé pour la synthèse reproductible des nanoparticules MUS:OT avec une cible hydrophobe contenu (Figure 8). L'utilisation du méthanol comme solvant commun pour la MUS et l'OT, ainsi que la synthèse des particules dans l'éthanol, permet une synthèse fiable des nanoparticules d'or MUS:OT. Les méthodes de caractérisation présentées ici constituent une liste minimale d'expériences nécessaires pour obtenir suffisamment d'informations sur les nanoparticules pour vérifier les résultats de leur synthèse.

Il y a quatre étapes critiques dans ce protocole : (i) la synthèse de la MUS avec une faible teneur en sel avec l'élimination des impuretés colorées dans la deuxième étape et une cristallisation de la MUS pure à la fin ; (ii) l'adage et la détermination du rapport stoichiométrique entre la MUS et l'OT; (iii) l'accumulation des nanoparticules; et (iv) la caractérisation des nanoparticules.

Lors de la formation des nanoparticules, la MUS se lie de préférence aux surfaces des nanoparticules, qui pourraient être liées à la solubilité des nanoparticules résultantes. Par exemple, un rapport d'alimentation stoichiométrique de 2:1 entre la MUS et l'OT donne 15 % de l'OT à la surface lorsqu'il est calculé à l'aide des données de la RMN 1H des nanoparticules d'or gravées. Par conséquent, une teneur plus élevée en OT doit être utilisée lors de la synthèse des particules (figure 8) pour obtenir une nanoparticule avec un rapport PLUS faible de MUS à OT; en d'autres termes, une particule plus hydrophobe. Afin d'évaluer le rapport stoichiométrique entre les ligands à la surface des nanoparticules, il est nécessaire de s'assurer qu'il n'y a pas de ligands non liés dans la solution. La présence de ligands non liés affecte la détermination du rapport ligand sur les nanoparticules et la densité, ainsi que des essais et des expériences ultérieurs qui peuvent conduire à des interprétations incorrectes. Des cycles de nettoyage répétitifs avec différents solvants (tels que l'éthanol et l'eau DI) sont nécessaires pour éliminer tous les ligands non liés et autres impuretés (sous-produits du borohydride de sodium, ions d'or, etc.). 1 Fois H RMN est important pour confirmer la pureté des nanoparticules. L'effet d'élargissement des ligands en raison de l'environnement chimique complexe sur les nanoparticules élargit les pics correspondant aux ligands, tandis que tout signal aigu provient de molécules non liées22. En outre, en raison de la mobilité restreinte, les pics de RMN correspondant au méthylène adjacent aux groupes de thioles ne peuvent pas être détectés, ce qui est une autre signature de la nanoparticule lors de l'inspection à l'aide de 1H RMN. Une fois que les nanoparticules sont propres, le noyau métallique est gravé avec de l'iode. La gravure à l'iode est une méthode bien établie pour quantifier le rapport ligand sur les nanoparticules. Par exemple, il y a deux décennies, Murray et coll. ont signalé la détermination de la composition des monocouches sur les nanoparticules d'or après la gravure à l'iode, dans laquelle l'iode décompose le noyau d'or et libère les ligands de thiolate sous forme de disulfides23. La fiabilité de la méthode de gravure à l'iode a été établie à l'aide d'autres méthodes; par exemple, Harkness et coll. ont signalé que le ratio ligand obtenu de la RMN est inférieur à 1 % par rapport aux mesures de spectroscopie de masse24.

TGA est une méthode simple pour calculer la teneur organique sur les nanoparticules. L'estimation de la densité de ligand de surface suppose que tous les ligands de thiolate se lient aux atomes d'or de surface et tous les ligands libres ont été enlevés pendant la purification. Pour déterminer la densité du ligand, plusieurs hypothèses sont faites, principalement que les particules sont sphériques, qui est utilisé pour calculer la surface, ainsi que la densité d'emballage, du noyau d'or. TEM fournit une distribution de taille des noyaux d'or nanoparticules qui peuvent être utilisés pour calculer la surface approximative d'une nanoparticule. La synthèse des nanoparticules décrite ici produit une population polydispersée de particules d'un diamètre moyen de 2 à 3 nm et d'une déviation de taille allant jusqu'à 30%. En outre, le rayon moyen, utilisé pour calculer le volume moyen d'une particule (approximation des particules aux sphères), combiné avec la densité de l'or, permet le calcul de la masse d'une nanoparticule. Ensuite, la masse mesurée par TGA au-dessus de 800 oC permet de calculer le nombre de particules initialement présentes. En utilisant cette valeur et la taille moyenne du noyau, la surface totale des nanoparticules d'or peut être estimée. Le rapport ligand calculé à partir des données acquises avec la spectroscopie 1H RMN permet de calculer le nombre de grains de beauté des ligands à la surface des nanoparticules. Le rapport molaire entre les ligands sur la surface des nanoparticules d'or fournit la densité ligand (Figure 7). Les nanoparticules propres ont environ 4 ligands par nm2. Les données de TGA peuvent également être utilisées pour estimer le rapport ligand, si l'intervalle de température dans lequel ils desorb de la surface d'or est connu pour chaque ligand, et la desorption se produit à des plages de température séparées.

En résumé, ce protocole fournit un moyen simple de synthétiser le ligand MUS avec une faible teneur en sel et des nanoparticules d'or amphiphiles MUS:OT. L'un des facteurs clés de la reproductibilité de ces nanoparticules est la faible teneur en sel inorganique dans la MUS utilisée. Ces nanoparticules sont stables à la fois sous forme de poudre et en solution(p. ex., H2O et physiologiquement pertinentes), ce qui devrait être souligné comme condition préalable à de nombreuses applications. Une caractérisation approfondie de la taille et des propriétés de surface des nanoparticules amphiphiles est essentielle pour les applications futures dans lesquelles le degré d'amphiphilie peut jouer un rôle clé.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Les auteurs n'ont rien à révéler.

Acknowledgments

Z.P.G. et F.S. remercient la Fondation nationale suisse pour la science et, en particulier, le NCCR 'Molecular Systems Engineering'. Z.L. et F.S. remercient le soutien de la subvention de la Division II de la Fondation nationale suisse pour la science. Tous les auteurs remercient Quy Ong pour les discussions fructueuses et pour la relecture du manuscrit.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Verma, A., et al. Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions. Small. 6 (1), 12-21 (2010).
  2. Yeh, Y. -C., et al. Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology. Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).
  3. Mirza, A. Z. A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy. Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).
  4. Mirza, A. Z., et al. Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod. Arabian Journal of Chemistry. , In Press (2014).
  5. Nel, A. E., et al. Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface. Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).
  6. Yeo, E. L. L., et al. Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy. ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).
  7. Lin, J., et al. Cell membranes open "doors" for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics. ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).
  8. Saha, K., et al. Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona. ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).
  9. Moyano, D. F., et al. Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity. ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).
  10. Pengo, P., et al. Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives. European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).
  11. Kuna, J. J., et al. The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy. Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).
  12. Verma, A., et al. Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles. Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).
  13. Van Lehn, R. C., et al. Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes. Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).
  14. Cagno, V., et al. Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism. Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).
  15. Uzun, O., et al. Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells. Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).
  16. Huang, R., et al. Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity. Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).
  17. Carney, R. P., et al. Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers. ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).
  18. Van Lehn, R. C., et al. Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers. Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).
  19. Huang, R., et al. Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations. ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).
  20. Van Lehn, R. C., et al. Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers. Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).
  21. Ong, Q., et al. Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles. Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).
  22. Marbella, L. E., et al. NMR techniques for noble metal nanoparticles. Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).
  23. Templeton, A. C., et al. Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects. Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).
  24. Harkness, K. M., et al. A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles. Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).

Tags

Chimie Numéro 149 nanoparticules d'or amphiphiles ligands sulfonés synthèse caractérisation revêtement binaire de ligand monocouche auto-assemblée
Synthèse et caractérisation des nanoparticules d'or amphiphiles
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Guven, Z. P., Silva, P. H. J., Luo,… More

Guven, Z. P., Silva, P. H. J., Luo, Z., Cendrowska, U. B., Gasbarri, M., Jones, S. T., Stellacci, F. Synthesis and Characterization of Amphiphilic Gold Nanoparticles. J. Vis. Exp. (149), e58872, doi:10.3791/58872 (2019).

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