Waiting
Login processing...

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

Chemistry

Syntese og karakterisering av Amfifile Gold nanopartikler

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

Amfifile gull nanopartikler kan brukes i mange biologiske anvendelser. En protokoll for å syntetisere gull nanopartikler belagt av en binær blanding av ligander og en detaljert karakterisering av disse partiklene er presentert.

Abstract

Gull nanopartikler dekket med en blanding av 1-octanethiol (OT) og 11-mercapto-1-undecane sulfonsyrer acid (MUS) har blitt grundig studert på grunn av deres interaksjon med cellemembraner, lipid bilayers, og virus. De hydrofile ligander gjør disse partiklene colloidally stabile i vandige oppløsninger og kombinasjonen med hydrofobe ligander skaper en amfifile partikkel som kan lastes med hydrofobe legemidler, sikring med lipid membraner, og motstå uspesifisert absorpsjon av protein. Mange av disse egenskapene er avhengig av nanopartikkel størrelse og sammensetningen av ligand kallet. Det er derfor avgjørende å ha en reproduserbar syntetisk metode og pålitelig karakterisering teknikker som tillater fastsettelse av nanopartikkel egenskaper og ligand skallet sammensetning. Her presenteres en en-fase kjemisk reduksjon, etterfulgt av en grundig rensing for å syntetisere disse nanopartikler med diametere under 5 NM. Forholdet mellom de to ligander på overflaten av nanopartikkel kan stilles inn gjennom deres støkiometriske ratio brukes under syntese. Vi viser hvordan ulike rutinemessige teknikker, slik som overføring elektron mikroskopi (TEM), kjernefysisk magnetisk resonans (NMR), termogravimetriske analyse (TGA), og ultrafiolett-synlig (UV-Vis) massespektrometri, kombineres til omfattende karakteriserer de fysikalsk parametrene til nanopartikler.

Introduction

Det ligand skallet av gull nanopartikler kan være konstruert for å vise flere forskjellige egenskaper som kan brukes til å løse utfordringer i biomedisin1,2,3,4. Slik allsidighet gir mulighet for kontroll av Intermoleylære interaksjoner mellom nanopartikler og biomolekyler5,6,7. Hydrofobisiteten og lad spiller en avgjørende rolle, i tillegg til andre overflate parametre som påvirker hvordan nanopartikler samhandler med biomolekyler5,8,9. For å justere nanopartikler ' overflateegenskaper, valg av thiolate molekyler som utgjør det ligand skallet tilbyr en myriade av muligheter, i henhold til de ønskede egenskaper. For eksempel brukes en blanding av ligand molekyler med hydrofobe og hydrofile (f.eks.ladet) slutt grupper ofte til å generere amfifile nanopartikler10,11.

Et prominent eksempel på denne typen nanopartikler er beskyttet av en blanding av OT og mus (heretter kalt mus: OT nanopartikler) som har vist å ha mange relevante egenskaper12,13,14. Først med en ligand skall sammensetning av 66% MUS (heretter 66:34 MUS: OT), er kolloidalt stabiliteten av nanopartikler høy, og nådde opp til 33% i vekt i deionisert vann, så vel som i fosfat-bufret saltvann (1x, 4 mM fosfat, 150 mM NaCl)15. Dessuten, disse partiklene ikke utløse ved relativt lave pH-verdier: for eksempel ved pH 2,3 og med salt konsentrasjoner på 1 M NaCl15, forblir disse nanopartikler colloidally stabile i månedsvis. Det støkiometriske forholdet mellom de to molekylene på ligand kallet er viktig fordi det dikterer den kolloidalt stabiliteten i løsninger med en høy ioniske styrke16.

Disse partiklene har vist seg å krysse cellemembranen uten å porating den, via en energi uavhengig vei1,12. Den spontane fusjon mellom disse partiklene og lipid bilayers ligger til grunn for deres diffusivity gjennom cellemembraner17. Mekanismen bak denne samhandlingen er minimering av kontakt mellom et hydrofobe løsemiddel-tilgjengelig overflateareal og vannmolekyler ved fusjon med lipid bilayers18. Sammenlignet med all-MUS nanopartikler (nanopartikler har bare MUS ligand på skallet), jo høyere hydrofobisiteten på blandede MUS: OT nanopartikler (for eksempel ved en 66:34 MUS: OT sammensetning) øker span av kjernen diameter som kan fusjonere med lipid bilayers18. Forskjellige selv montering organisasjoner av ligand skallet relatere til distinkte bindende moduser av 66:34 MUS: OT nanopartikler med ulike proteiner, slik som albumin og ubiquitin, sammenlignet med all-MUS partikler19. Nylig har det blitt rapportert at 66:34 MUS: OT nanopartikler kan utnyttes som en bredspektret antiviral agent som irreversibelt ødelegger virus på grunn av multivalent elektrostatiske bindinger med MUS ligander og nonlocal koblinger av OT ligander til kapsid proteiner14. I alle disse tilfellene, det har blitt funnet at hydrofobe innhold, samt kjernen størrelsen på nanopartikler, bestemmer hvordan disse bio-nano interaksjoner finner sted. Disse ulike egenskapene til MUS: OT nanopartikler har bedt om mange datasimulering studier som tar sikte på å avklare mekanismene underbygger samspillet mellom MUS: OT partikler og ulike biologiske strukturer som lipid bilayers20.

Utarbeidelse av MUS: OT-beskyttet au nanopartikler utgjør noen utfordringer. For det første, det ladet ligand (MUS) og hydrofobe ligand (OT) er ublandbare. Dermed må løselighet av nanopartikler og ligander tas hensyn til gjennom syntesen, så vel som under karakterisering. I tillegg påvirker renheten til MUS-ligand molekyler – spesielt innholdet av uorganiske salter i Start materialet – kvaliteten, reproduserbarhet, samt kort-og langsiktig kolloidalt stabilitet av nanopartikler.

Her, en detaljert syntese og karakterisering av denne klassen av amfifile gull nanopartikler beskyttet av en blanding av MUS og OT er skissert. En protokoll for syntesen av den negativt ladet MUS-ligand rapporteres å sikre renheten og dermed reproduserbarheten til forskjellige nanopartikkel synteser. Deretter er prosedyren for å generere disse nanopartikler, basert på en felles en-fase syntese, etterfulgt av grundig rensing, rapportert i detalj. Ulike nødvendige karakterisering teknikker21, som tem, UV-Vis, TGA, og NMR, har blitt kombinert for å få alle de nødvendige parametrene for ytterligere biologiske eksperimenter.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. syntese av 11-mercapto-1-undecanesulfonate (MUS)

Merk: denne protokollen kan brukes i hvilken som helst skala ønsket. Her beskrives en 10 g skala-av-produkt.

  1. Natrium undec-10-enesulfonate
    1. Legg til 11-bromo-1-undecene (25 mL, 111,975 mmol), natrium sulfitt (28,75 g, 227,92 mmol), og benzyltrietylammoniumklorid bromide (10 mg) til en blanding av 200 mL metanol (MeOH) og 450 mL deionisert (DI) vann (4:9 v/v MeOH: H2O ratio) i en 1 L rund bunn kolbe .
    2. Reflux reaksjonsblandingen ved 102 ° c for 48 h. Cap systemet med en trykk avlastnings mekanisme-for eksempel en ballong med en nål, eller bare en nål. Denne reaksjonen er ikke følsom for atmosfæriske gasser.
      Merk: løsningen blir fargeløs når reaksjonen er fullført.
    3. Koble reaksjonsblandingen til en roterende fordamper for å fordampe MeOH og redusere volumet til ca. 300 mL.
    4. Overfør den gjenværende løsningen til en 1 L addisjon trakt.
    5. Pakk ut gjenværende vandig løsning 5x med dietyl Eter, ved hjelp av tillegg trakt. Ureagerte 11-bromo-1-undecene forblir i den dietyl Eter fasen og sulfonated-produktet i H2O.
      FORSIKTIG: Frigjør noe trykk buildup ofte under ekstraksjon, og se riktig bruk av tillegg trakter.
    6. Samle den endelige utdraget vann løsningen i en 1 L single-hals runde-Bottom kolbe.
    7. Koble reaksjons flasken til en roterende fordamper ved å sette litt fett (eller Teflon ring strimler eller annen tetningsmasse) mellom flasken og fellen.
    8. Reduser vakuumet langsomt for å fordampe den vandige fasen i en roterende fordamper. Fordi produktet er et overflateaktivt middel, skummende vil skje under fordampning. Hvis du vil omgå dette problemet, følger du instruksjonene i neste trinn.
      1. Legg etanol til blandingen for å akselerere fordampning av H2O og forhindre skummende. Når skummende starter på nytt på grunn av nedgangen i etanol innhold, stoppe fordampning, fjerne flasken fra den roterende fordamperen, tilsett mer etanol (omtrent en tredjedel av det totale volumet), og koble flasken til den roterende fordamperen. Gjenta denne prosessen til løsnings blandingen synker betraktelig og ikke danner bobler.
    9. Tørk det hvite pulveret direkte ved å koble flasken til et høyt vakuum. Den tørrere pulveret, de mindre uorganiske salter vil krype inn i de påfølgende trinnene.
      Merk: varmen kan brukes til å tørke produktet, for eksempel ved å holde flasken under vakuum i en 60 ° c bad og venstre over natten.
    10. Suspendere det hvite pulveret i 400 mL av metanol i en kolbe. Sonikere å oppløse den maksimale mengden av produktet.
      Merk: Målet med dette trinnet er å oppløse produktet, men ikke den uorganiske biprodukter, som overflødig natrium sulfitt og natrium bromide, som har begrenset løselighet i metanol. Bruk metanol med lavest mulig vanninnhold, fordi vann i metanol vil øke løselighet av uorganiske biprodukter i løsningsmidlet.
    11. For å øke produktets løselighet, kan metanol varmes forsiktig opp nær kokepunktet (~ 64 ° c).
      FORSIKTIG: Sørg for å arbeide under en avtrekksvifte under oppvarming av flasken. Røyken av fordampet metanol er farlig.
    12. Filtrer løsningen for å fjerne metanol uløselig uorganiske biprodukter. Bruk en filtrerings kolbe som er koblet til en vakuumpumpe og en filtrerings trakt med kvantitativ filter papir eller et Borosilikatglass filter. Både produktet og uorganiske salter er hvitt pulver når det er tørt: produktet er løselig i metanol, mens salter ikke er det.
    13. Overfør den filtrerte løsningen fra filtrerings flasken til en flaske på 1 L rundt bunnen.
    14. Koble flasken til en roterende fordamper og fordamper den methanolic løsningen ved 45 ° c, redissolve det hvite pulveret i metanol og Filtrer løsningen (protokoll trinn 1.1.7, 1.1.8 og 1.1.9). Gjenta denne prosessen minst 2x, for å redusere mengden av uorganisk salt.
    15. Samle det hvite, metanol løselig pulver (ca. 30 g, på denne skalaen).
    16. Løs opp ca. 10 mg produkt i 500 μL av D2O og Overfør løsningen til et NMR-rør.
    17. Utfør 1H NMR massespektrometri på produktet i D2O ved 400 MHz med 32 skanninger.
      Merk: topp tilordningene for 1H NMR (D2O) er 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. Natrium 11-acetylthio-undecanesulfonate
    1. Oppløse den omtrentlige 30 g natrium undec-10-enesulfonate (reaksjons produktet av § 1,1) i 500 mL av metanol i en 1 L runde-bunnen kolbe. Tilsett en 2,6 x overskudd av thioacetic syre til løsningen og rør den foran en UV-lampe (250 W) over natten (~ 12 h). Hvis en UV-lampe ikke er tilgjengelig, kan reaksjonen utføres av refluxing ved hjelp av en radikal initiator, for eksempel azobisisobutyronitrile (SHTS); bruken av en UV-lampe anbefales imidlertid på det sterkeste.
      FORSIKTIG: Sørg for å arbeide under avtrekks panseret til enhver tid. Hvis flasken må transporteres til en annen plass der UV-lampen er plassert, forsegle flasken for å unngå å spre den sterke lukten av thioacetic syre. Vær forsiktig når du bruker en UV-lampe: blokker helt plassen der lampen er plassert, og Rådfør deg med institusjonens sikkerhetsretningslinjer for hvordan du skal betjene en UV-lampe.
    2. Overvåk reaksjonen ved å ta ~ 2 mL alikvoter fra reaksjonen, fordampe løsemiddel, og tilsett deuterert vann for å sjekke med 1H NMR. Når toppene tilsvarer den doble bindingen forsvinne, stoppe reaksjonen.
      Merk: vanligvis, etter 12 h foran UV-lampen, er reaksjonen fullført. Hvis reaksjonsblandingen blir grumsete, tilsett flere MeOH og Fortsett eksponeringen til UV-lyset i seks ekstra timer.
    3. Fordampe alle MeOH i en roterende fordamper til den faste rester blir oransje-rød. Hvis venstre lenge nok, blir produktet brunt til svart.
      FORSIKTIG: arbeid mindfully på grunn av den sterke lukt fra thioacetic syre. Den sterke lukt av noen thiolate søl kan nøytralisert ved hjelp av en vandig løsning av blekemiddel (natrium natriumhypokloritt).
    4. Ved hjelp av en filtrering kolbe, vaske produktet med dietyl Eter å fjerne overflødig thioacetic syre, inntil ingen flere fargede (oransje-gul) stoffer vises i dietyl Eter supernatanten. Tørk fast under høyt vakuum, og deretter oppløse det i metanol, gir en gul til oransje løsning.
      Merk: Legg nok metanol til å oppløse produktet.
      Merk: fargen kan variere i dette trinnet.
    5. Tilsett 3 g karbon svart til løsningen, bland kraftig, og Filtrer blandingen gjennom filtrerings medium (se tabell over materialer) som dekker to tredjedeler av et riflet filter papir.
      Merk: den porøse strukturen av Carbon Black fanger den fargede side-produkt materiale (og noen av produktet). Den filtrerte løsningen bør være klar. Hvis den filtrerte løsningen fortsatt er farget (gul), gjentar du denne prosessen.
    6. Fordampe løsemiddel helt i en roterende fordamper og samle ca 35 g hvitt pulver.
    7. Løs opp ~ 10 mg av produktet i ~ 500 μL av D2O og Overfør løsningen til NMR-rør.
    8. Utfør 1H NMR på produktet i D2O ved 400 MHz med 32 skanninger.
      Merk: topp tilordningene for H NMR (D2O) er 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 ved 102 ° c i 400 mL av 1 M HCl for 12 h å holde fast i thioacetate gruppen og få en tiolderivat.
    2. Overfør produktet til en flaske på 1,5 L eller 2 L rundt bunnen. Tilsett 200 mL på 1 M NaOH til den endelige løsningen og topp den med 400 mL DI vann for å få et endelig volum på 1 L. Dette vil holde oppløsningen surt og hindre krystallisering av uorganiske salter som biprodukt.
      Merk: en komplett nøytralisering av løsningen til pH 7 vil resultere i krystallisering av et produkt uløselig i metanol.
    3. Hold den klare løsningen ved 4 ° c og den vil utkrystallisere over natten. Produktet krystalliseres som fine krystaller som er tyktflytende når det er vått.
      Merk: for å akselerere krystallisering, Legg presynthesized MUS til løsningen, hvis tilgjengelig.
    4. Dekanter den klare supernatanten og sentrifuge ned det tyktflytende hvite produktet i 50 mL sentrifugerør i 5 minutter ved 4 000 x g.
    5. Dekanter supernatanten til en annen kolbe og tørk den hvite pellets under høy vakuum-avhengig av sentrifuger tilgjengelig, kan dette være 2-16 rør eller mer.
      Merk: filtrering er ikke anbefalt på grunn av det overflateaktive innholdet i produktet; overdreven skumdannelse vil forekomme, og mesteparten av produktet vil gå tapt.
    6. Samle ca 12 g (ca 30% avkastning) av metanol-løselig MUS fra denne rensing trinn.
      Merk: Vær oppmerksom på at pulveret er fin og elektrostatisk-det har en tendens til å holde seg til spatler og overflater av containere. Dessuten kan mer materiale trekkes ut fra supernatanten av sentrifugering trinn ved å redusere volumet (til omtrent en tredjedel av sin opprinnelige verdi) og holde den ved 4 ° c. Reduser volumet enda mer (ved 75%) å øke avkastningen på dette trinnet.
    7. Løs opp ~ 10 mg av produktet i ~ 500 μL av D2O og Overfør løsningen til NMR-rør.
    8. Utfør 1H NMR på produktet i D2O ved 400 MHz med 32 skanninger.
      Merk: høyeste tilordninger av H NMR (D2O) er 2,93 (t, 4h), 2,59 (t, 3h), 1,78 (m, 2h), 1,65 (m, 2h), 1,44 (br s, 14H). Den beregnede molar massen (inkludert natrium counterion) av produktet er 290,42 g/mol.

2. nanopartikkel syntese: utarbeidelse av reagensene

  1. Rengjør alle glass (1 250 mL og 1 500 mL enkelt hals rund bunn kolbe, en 100 mL tillegg trakt, og en liten trakt) med fersk Aqua Regia (tre deler saltsyre til en del nitrogen syre). Skyll glasset med en overflødig mengde vann inne i en avtrekks hette og Fjern alle gasser. Deretter skylle glass med etanol og tørk den i en laboratorie glass ovn (40-60 ° c anbefales).
  2. Veie 177,2 mg (0,45 mmol) av gull (III) klorid trihydrat (HAuCl4∙ 3t2O) i et lite hetteglass (10 eller 20 ml hetteglass eller på veie papir).
  3. Veie 87 mg (0,3 mmol) MUS i et hetteglass på 20 mL.
  4. Tilsett 10 mL metanol for å oppløse MUS. Sonikere det i et ultralydbad til ingen fast materiale er synlig, for å sikre fullstendig oppløsning.
    Merk: Alternativt, ved hjelp av en varmepistol eller et varmt bad (~ 60 ° c), varme løsningen forsiktig. Ved oppvarming, kjøre kaldt vann gjennom utsiden av flasken for å bringe den tilbake til romtemperatur.
  5. Tilsett 26 μL (0,15 mmol) av OT til metanol løsning og agitere det å blande ligander.
  6. Veie 500 mg (13 mmol) natrium borohydride (NaBH4) og tilsett den til 100 ml etanol i 250 ml runde-Bottom kolbe. Rør kraftig ved hjelp av magnetisk omrøring (600-800 RPM). (The NaBH4 tar 10 til 20 min, avhengig av karakteren, for å danne en klar løsning i etanol.)

3. syntese av gull nanopartikler

  1. Oppløse gull salt i 100 mL av etanol i 500 mL rund-bunnen kolbe og begynne omrøring ved 800 RPM med en magnetisk bar på en røring plate. Sørg for at gullet salt oppløses helt.
  2. Plasser en 100 mL tillegg trakt over den runde bunnen kolbe. Sett en trakt på toppen av tillegg trakten med en kvantitativ papir filter inne. Når NaBH4 er oppløst i etanol, begynner du å filtrere løsningen i tilleggs trakten gjennom filter papiret i trakten.
  3. Legg den ligand løsningen på reaksjonsblandingen. Vent 15 min for dannelsen av gull-thiolate kompleks. Fargen endring av reaksjonen blanding fra gjennomskinnelig gult til grumsete gult indikerer dannelsen av gull-thiolate kompleks.
  4. Begynn å legge til den filtrerte NaBH4 -løsningen fra trakt dråpevis. Juster intervalltiden for dråpene, slik at tilsetning av NaBH4 tar ca 1 time.
  5. Etter den komplette tillegg av NaBH4, Fjern trakten. Hold omrøring reaksjonen for en time. På slutten av reaksjonen, fjerne magnetisk røring bar ved hjelp av en magnet plassert på utsiden av flasken.
  6. Bruk en septum for å lukke flasken og Pierce en nål inn i septum for å løsne H2 gassen som vil utvikle seg etter reaksjonen.
  7. Hold reaksjonsblandingen inne i et laboratorie kjøleskap (4 ° c) for å utløse nanopartikler over natten.

4. workup av syntese

  1. Dekanter supernatanten etanol for å redusere volumet.
  2. Overfør de resterende overilet til 50 mL sentrifugerør og sentrifuger i 3 minutter ved 4 000 x g.
  3. Dekanter supernatanten, spre nanopartikler igjen med etanol ved virvlingen, og sentrifuger dem igjen. Gjenta denne vaskeprosessen 4X.
  4. Tørk nanopartikler under vakuum for å fjerne gjenværende etanol.
  5. For å rense nanopartikler fra frie hydrofile ligander/molekyler, oppløse precipitates i 15 mL av DI vann og overføre dem til sentrifuge rørene med en filtrerings membran på 30 kDa cut molekylvekt. Dialyse er også mottagelig for denne prosedyren.
  6. Sentrifuger disse rørene i 5 min på 4 000 x g for å konsentrere den nanopartikkel løsningen.
  7. Tilsett 15 mL av DI vann til denne løsningen og sentrifuger å konsentrere seg igjen. Gjenta denne rengjøringsprosessen minst 10x.
    Merk: en indikasjon på at de vannløselige urenheter er fjernet, er fraværet av skummende ved agitating av det vandige avfallet; tross alt, de fleste av urenheter er disulfider av MUS med seg selv eller med OT (dette kan bestemmes ved å samle inn materiale og utføre 1H NMR).
  8. Etter sentrifugering, Overfør de konsentrerte nanopartikler til et 15 mL sentrifugerør. For å snu nanopartikler til et håndterlig pulver, enten utløse dem i et løsemiddel som aceton eller fryse-tørr den resterende vandig løsning. Når fryse-tørket, nanopartikler har en tendens til å danne et løst pulver som holder seg til overflater og kan være vanskelig å manipulere.

5. karakterisering av nanopartikler

  1. Renhet
    1. For å sjekke om nanopartikler er fri for ubundet ligander, oppløses 5 mg tørre nanopartikler i 600 μL av D2O og utfør en 1H NMR måling av partiklene. Hvis det ikke er noen skarpe topper i ligander, betyr det at nanopartikler er fri for små organiske molekyler.
  2. Ligand forhold
    1. Forbered en 20 mg/mL metanol-d4 løsning av jod. Tilsett 600 μL av denne løsningen på ~ 5 mg nanopartikler i et hetteglass, for å etse nanopartikler.
    2. Vikle hetten på hetteglasset med para fin film og sonikere det i et ultralydbad i 20 min. Overfør løsningen til et NMR-rør og Skaff deg et 1H NMR (400 MHz) spektrum med 32 skanninger.
  3. Ligand tetthet
    1. Overfør 2 til 8 mg nanopartikler til en TGA smeltedigel. Velg et temperaturområde fra 30 ° c til 900 ° c og en hastighet på 5 ° c per minutt under N2 gass.
  4. Størrelse distribusjon
    1. Tem
      1. Forbered 0,1 mg/mL nanopartikkel løsning i DI vann. Slipp 5 μL av den tilberedte løsningen på 400-karbon-støttede kobber gitter. Vent til det tørker.
      2. Overfør rutenettet i en TEM-holder og sett det inn i mikroskopet. Skaff 5-10 bilder med en forstørrelse på minst 64, 000X, operert ved 200 kV.
        Merk: for å øke kontrasten kan det settes inn en objektiv åpning på 20 NM.
    2. UV-Vis Spectra
      1. Forbered en 0,2 mg/mL nanopartikkel løsning i DI vann.
      2. Sett den nødvendige mengden av denne løsningen i kvarts Cuvette og Skann fra 200 NM til 700 NM.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Reaksjons trinnene for å syntetisere MUS vises i figur 1. 1H NMR Spectra av produktet av hvert trinn er representert i figur 2. Den syntese arbeidsflyt av binære MUS: OT amfifile gull nanopartikler er beskrevet i Figur 3. Etter syntesen besto workup av nanopartikler av å vaske partiklene flere ganger med etanol og DI vann. Før noen karakterisering av nanopartikler ble renslighet av nanopartikler fra ubundet fri ligander overvåket av 1H NMR i D2O, som vist i Figur 4. Størrelsesfordelingen av nanopartikler var karakterisert ved TEM (figur 5a, b). Lokaliserte overflate Plasmon resonans absorpsjon ble målt ved å anskaffe UV-Vis Spectra (figur 5c).

Forholdet mellom de to ligander ble bestemt av etsing gull kjernen ved hjelp av jod, anskaffe 1H NMR, og beregne den relative mengder av hver ligand ved hjelp av integrerte verdier. Figur 6 viser representanten Spectra, samt prosedyren for NMR peak oppdrag. For å finne ligand forholdet mellom MUS og OT, beregnet vi integraler av toppene mellom 0,8-1 (I1), 1,12-1,55 (i2), 1,6-1,9 (i3), og 2,6-3 (i4) ppm. Den I1 peak inneholder signal fra tre OT bygget, i2 peak fra en kombinasjon av 14 mus bygget og 10 OT bygget, og i3 og jeg4 topper fra fire mus bygget og to OT bygget (for hver peak). Derfor, for å finne den OT prosentpoeng, er det nødvendig å normalisere jeg1 til 3 og bruke følgende uttrykk.

For I2,
Equation 1

For jeg3 og jeg4,
Equation 2

Disse beregningene indikerer forholdet OT til MUS, antar det er en vilkårlig enhet av OT i systemet. For figur 6b, de tre integraler ga lignende verdier for OT prosentandel (dvs.15,3, 15,9 og 15,9 fra i2, i3, og i4, henholdsvis).

Overflaten dekning av nanopartikler er undersøkt av TGA som vist i figur 7. TGA, NMR og TEM-data (Figur 3) kombineres for å beregne ligand tetthet, som er antall ligander på en enhet av overflateareal, tilnærme partiklene til en sfære. (Denne beregningen forutsetter at na koker som NaHSO3.) TEM viser at den gjennomsnittlige diameteren på nanopartikler er 2,4 NM, og peker på ca 18,08 NM2 (apar= 4PR2) av overflateareal (apar) og 7,23 NM3 (Vpar= 4PR 3/3) volum per partikkel (Vpar). Tettheten av gull er 19,9 g/cm3 og massen av en partikkel er 1,3969 x 10-16 mg (massepartikkel = Vpar x tettheten av gull = 7,23 NM3 x 19,9 g/cm3 x 10-18 mm3/NM3). Den resterende massen rundt 800 ° c tilsvarer gull kjernen, og det er ca 3,7 x 1016 partikler (Npar) som er anslått ved hjelp av Npar =(Mass Gold/Mass partikkel) = 5,17 mg/1,3969 x 10-16 mg. Det totale overflatearealet (atot) av partiklene er 6,69 x 1017 NM2 (Atot = Nparx Apar= 3,69 x 1016 x 18,08 NM2). Den NMR av jod-etset nanopartikler viste at MUS: OT ratio er 85:15 og mengden av organisk innhold i TGA er 0,00146 g. Derfor er det 3,26 x 1018 ligander (Nligand) etter formelen av Nligand= [MassOrganic /((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 + 15] x (6,02 x 1023) = 3,26 x 1018 . Endelig er ligand tetthet 4,8 ligander/NM2, beregnet ved å dele Nligand av entot(4,8 = 3,26 x 1018/6,69 x 1017 NM2). Den støkiometriske prosenter vs. den NMR PROSENTER av OT, som følge av ulike synteser, sammenlignes i Figur 8.

Figure 1
Figur 1: skjematisk av mus-syntese. MUS syntese er det sentrale punktet for reproduserbarhet av amfifile nanopartikkel syntese. Hvis MUS har et høyt saltinnhold, kan det støkiometriske forholdet mellom ligander avvike. X = 9. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2: NMR Spectra av molekylene etter hvert trinn i mus-syntesen (400 MHz). (A) dette panelet viser 1h NMR spektrum av natrium undec-10-enesulfonate i D2o. (B) dette panelet viser 1h NMR spektrum av natrium 11-acetylthio-undecanesulfonate i d2O. (C) dette panelet viser 1H NMR Spectrum av 11-mercapto-1-Undecanesulfonate i D2O. I alle Spectra, * indikerer løsemiddel topper. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3: skjematisk av amfifile nanopartikkel syntese. (A) dette panelet viser utarbeidelse av en-fase kjemisk reduksjon reaksjon ved hjelp av etanol som løsemiddel. (B) gull-thiolate kompleks er tillatt å danne før tilsetning av et reduksjonsmiddel. På dette stadiet, ble løsningen av gull salt grumsete. (C) under dråpevis tilsetning av reduksjons middelet dannes gull nanopartikler. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4: renslighet av nanopartikler fra ureagerte frie ligander. (A) dette panelet viser 1H NMR spektrum av nanopartikler rett etter syntese og vakuum tørking. D2O brukes som løsningsmiddel for 1H NMR analyse. Skarpe topper vist med røde piler viser at det finnes fritt ubundet ligander. (B) dette panelet viser 1H NMR spektrum av nanopartikler etter en grundig rensing (dvs.VASKER og sentrifugering med etanol og di vann). Den røde pilen peker på den forstørrede delen av spekteret, der toppene er brede, ikke skarpe som før indikerer fravær av gratis ligander. I begge Spectra, * indikerer løsemiddel topper. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5: størrelsesfordeling av nanopartikler. (A) dette panelet viser et representativt tem-bilde av mus: OT nanopartikler. Skalaen bar er 20 NM. (B) dette panelet viser et histogram av kjerne størrelsen av nanopartikler basert på flere tem-bilder. (C) UV-Vis Spectra av nanopartikler viste den karakteristiske overflaten Plasmon resonans toppen av nanopartikler på rundt 520 NM. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 6
Figur 6: beregning av ligand-forhold. (A) dette panelet viser representative NMR Spectra av kombinasjoner av disulfider (som referanser for ligander etter kjerne etsing) og Peak oppgaver for ulike protoner i MeOD-D4. (B) dette panelet viser 1H NMR Spectra av etset nanopartikler i MeOD-D4. I alle Spectra, * indikerer løsemiddel topper. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 7
Figur 7: ligand tetthets analyse. En TGA-måling av nanopartikler ble gjort for å bestemme forholdet og tettheten av organisk materiale (ligander). Grafen av målingene er plottet som vekten prosentandel vs. temperaturen. OT desorbs først, mellom 176 ° c til 233 ° c (vertikale linjer). MUS forringer til mindre molekyler og er helt brent på rundt 800 ° c. Den resterende vektprosent tilsvarer gull kjernen av nanopartikler. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 8
Figur 8: sammenligning av støkiometriske og NMR prosenter av OT på partiklene. Det er mulig å justere amphiphilicity til nanopartikler ved å endre start støkiometriske forholdet mellom MUS og OT i reaksjonen. Feilen bars viser det øvre og nedre grense av OT innhold ervervet benytter det angitt støkiometriske forhold. Støkiometriske prosenter på 10%, 20%, etc., opp til 90% OT, ble syntetisert for å observere grensene for OT innhold på nanopartikkel overflater. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Denne protokollen beskriver først syntesen av MUS ligand og, da, syntese og karakterisering av amfifile MUS: OT gull nanopartikler. Syntetisere MUS med minimalt saltinnhold muliggjør en bedre pålitelighet av støkiometriske forholdet mellom ligander under nanopartikkel syntese, som er en nøkkelfaktor for reproduserbar syntese av MUS: OT nanopartikler med et mål hydrofobe innhold (Figur 8). Bruk av metanol som et vanlig løsemiddel for MUS og OT, sammen med syntesen av partiklene i etanol, gir en pålitelig syntese av MUS: OT gull nanopartikler. Metodene for karakterisering som presenteres her utgjør en minimal liste over eksperimenter som er nødvendige for å innhente tilstrekkelig informasjon om nanopartikler for å verifisere utfallet av syntesen.

Det er fire viktige trinn i denne protokollen: (i) syntesen av MUS med lavt saltinnhold sammen med fjerning av fargede urenheter i det andre trinnet og en krystallisering av ren MUS til slutt; (II) tuning og fastsettelse av støkiometriske forholdet mellom MUS og OT; (III) workup av nanopartikler; og (IV) karakterisering av nanopartikler.

Under dannelsen av nanopartikler bindes MUS fortrinnsvis til nanopartikkel overflater, som kan være relatert til løselighet av de resulterende nanopartikler. For eksempel, en 2:1 støkiometriske feed forholdet mellom MUS og OT resulterer i 15% av OT på overflaten når beregnet ved hjelp av data fra 1H NMR av etset gull nanopartikler. Derfor må et høyere innhold av OT brukes under syntesen av partiklene (Figur 8) for å få en nanopartikkel med en lavere mus til OT ratio; med andre ord, en mer hydrofobe partikkel. For å vurdere støkiometriske forholdet mellom ligander på overflaten av nanopartikler, er det nødvendig å sikre at det ikke er noen ubundet ligander i løsningen. Tilstedeværelsen av ubundet ligander påvirker bestemmelse av ligand ratio på nanopartikler og tettheten, sammen med påfølgende tester og eksperimenter som kan føre til uriktige tolkninger. Repeterende rengjøring sykluser med ulike løsemidler (som etanol og DI vann) er nødvendig for å eliminere alle ubundne ligander og andre urenheter (biprodukter av natrium borohydride, gull ioner, etc.). 1 den andre H NMR er viktig å bekrefte renheten av nanopartikler. Linje utvide effekten av ligander på grunn av det komplekse kjemiske miljøet på nanopartikler utvider toppene som tilsvarer ligander, mens eventuelle skarpe signaler kommer fra ubundne molekyler22. Videre, på grunn av begrenset mobilitet, NMR topper som tilsvarer metylen ved siden av tiolderivat gruppene ikke kan oppdages, som er en annen signatur av nanopartikkel når inspisert med 1H NMR. Når nanopartikler er rene, da metallet kjernen er etset med jod. Jod etsing er en veletablert metode for å kvantifisere ligand ratio på nanopartikler. For eksempel, to ti år siden, Murray et al. rapporterte bestemmelse av monolag sammensetning på gull nanopartikler etter jod etsing, der jod dekomponerer gull kjernen og utgivelser thiolate ligander som disulfider23. Påliteligheten til jod etsing metoden har blitt etablert ved hjelp av andre metoder; for eksempel Harkness et al. rapporterte at ligand ratio innhentet fra NMR er innenfor 1% avvik fra massen spektroskopi målinger24.

TGA er en grei metode for å beregne organisk innhold på nanopartikler. Estimering av overflaten ligand tettheten forutsetter at alle thiolate ligander binder seg til overflaten gull atomer og alle gratis ligander har blitt fjernet under rensing. For å bestemme ligand tetthet, er flere forutsetninger laget, hovedsakelig at partiklene er sfærisk, som brukes til å beregne arealet, samt pakking tetthet, av gull kjernen. TEM gir en størrelsesfordeling av nanopartikkel gull kjerner som kan brukes til å beregne omtrentlig overflateareal på en nanopartikkel. Den nanopartikkel syntesen som beskrives her, gir en polydisperse bestand av partikler med en gjennomsnittlig diameter på 2-3 NM og et størrelses avvik på opptil 30%. Også den gjennomsnittlige radius, som brukes til å beregne gjennomsnittlig volum av en partikkel (tilnærme partiklene til kuler), kombinert med tettheten av gull, gjør at beregningen av massen av en nanopartikkel. Deretter, massen målt ved TGA over 800 ° c gjør det mulig å beregne antall partikler i utgangspunktet til stede. Ved å bruke denne verdien og den gjennomsnittlige kjerne størrelsen, kan det totale overflatearealet av gull nanopartikler anslås. Ligand ratio beregnet fra data ervervet med 1H NMR spektroskopi tillater beregning av antall føflekker av ligander på overflaten av nanopartikler. Molar forholdet mellom ligander over overflatearealet av gull nanopartikler gir ligand tetthet (figur 7). Rene nanopartikler har ca. 4 ligander per NM2. TGA-data kan også brukes til å anslå ligand ratio, hvis temperatur intervallet de elendig fra gull overflaten er kjent for hver ligand, og desorpsjon skjer ved separate temperaturområder.

Oppsummert gir denne protokollen en grei måte å syntetisere MUS ligand med lavt saltinnhold og MUS: OT amfifile gull nanopartikler. En av de viktigste faktorene for reproduserbarhet av disse nanopartikler er det lave uorganiske saltinnholdet i MUS brukt. Disse nanopartikler er stabile både som pulver og i oppløsning (f. eksH2O og fysiologisk-relevante seg), som bør understrekes som en forutsetning for mange bruksområder. Grundig karakterisering av størrelsen og overflateegenskapene til amfifile nanopartikler er avgjørende for fremtidige anvendelser der graden av amphiphilicity kan spille en nøkkelrolle.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Z.P.G. og F.S. takker Swiss National Science Foundation og, spesielt, NCCR ' molekylær Systems Engineering '. Z.L. og F.S. takker støtte fra Swiss National Science Foundation divisjon II stipend. Alle forfatterne takker QUY Ong for fruktbare diskusjoner og for korrekturlesing manuskriptet.

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

Kjemi amfifile gull nanopartikler sulfonated ligander syntese karakterisering binær ligand belegg selv-monterte monolag
Syntese og karakterisering av Amfifile Gold nanopartikler
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