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Chemistry

Síntese e caracterização de nanopartículas de ouro Anfífilos

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

As nanopartículas de ouro anfifílicas podem ser usadas em muitas aplicações biológicas. Um protocolo para sintetizar nanopartículas de ouro revestido por uma mistura binária de ligantes e uma caracterização detalhada dessas partículas é apresentada.

Abstract

As nanopartículas de ouro cobertas com uma mistura de 1-octanethiol (OT) e 11-mercapto-1-undecane ácido sulfônico (MUS) têm sido extensivamente estudadas por causa de suas interações com membranas celulares, bilayers lipídico e vírus. Os ligantes hidrófilos tornam essas partículas coloidalmente estáveis em soluções aquosas e a combinação com ligantes hidrofóbicos cria uma partícula anfifílica que pode ser carregada com drogas hidrofóbicas, fundir-se com as membranas lipídicas e resistir a inespecífica adsorção de proteínas. Muitas destas propriedades dependem do tamanho da nanopartícula e da composição do escudo do ligante. É, portanto, crucial ter um método sintético reprodutível e técnicas de caracterização confiáveis que permitam a determinação de propriedades de nanopartículas e a composição da casca do ligante. Aqui, uma redução química de uma fase, seguida por uma purificação completa para sintetizar estas nanopartículas com diâmetros abaixo de 5 nanômetro, é apresentada. A relação entre os dois ligantes na superfície da nanopartícula pode ser ajustada através de sua relação estequiométrica utilizada durante a síntese. Nós demonstramos como as várias técnicas rotineiras, tais como a microscopia de elétron da transmissão (tem), a ressonância magnética nuclear (RMN), a análise termogravimétrica (TGA), e a espectrometria ultravioleta-visível (UV-VIS), são combinadas a compreensivamente caracterizar os parâmetros físico-químicos das nanopartículas.

Introduction

A concha de ligante de nanopartículas de ouro pode ser projetada para expor várias propriedades diferentes que podem ser aplicadas para enfrentar os desafios da biomedicina1,2,3,4. Essa versatilidade permite o controle das interações intermoleculares entre nanopartículas e biomoléculas5,6,7. A hidrofobicidade e a carga desempenham um papel decisivo, bem como outros parâmetros superficiais que afetam a forma como as nanopartículas interagem com as biomoléculas5,8,9. Para sintonizar as propriedades superficiais das nanopartículas, a escolha de moléculas de tiolato que compõem a concha do ligante oferece uma infinidade de possibilidades, de acordo com as características procuradas. Por exemplo, uma mistura de moléculas de ligantes com grupos finais hidrofóbicos e hidrofílicos (por exemplo, carregados) são freqüentemente usadas para gerar nanopartículas anfífilas10,11.

Um exemplo proeminente deste tipo de nanopartículas é protegido por uma mistura de OT e de Mus (doravante chamado Mus: nanopartículas do ot) que foi mostrado para possuir muitas propriedades relevantes12,13,14. Primeiro, com uma composição de casca de ligantes de 66% MUS (doravante 66:34 MUS: OT), a estabilidade coloidal das nanopartículas é alta, atingindo até 33% em peso em água desionizada, bem como em soro fisiológico tamponado com fosfato (1x, 4 mM de fosfato, 150 mM NaCl)15. Além disso, estas partículas não precipitam em valores de pH relativamente baixos: por exemplo, em pH 2,3 e com concentrações de sal de 1 M NaCl15, estas nanopartículas permanecem coloidalmente estáveis por meses. A razão estequiométrica entre as duas moléculas na casca do ligante é importante porque dita a estabilidade coloidal em soluções com alta resistência iônica16.

Estas partículas têm sido mostradas para atravessar a membrana celular sem Poram-lo, através de uma via de energia independente1,12. A fusão espontânea entre estas partículas e os bicamadas do lipido subjaz sua difusividade através das membranas de pilha17. O mecanismo por trás dessa interação é a minimização do contato entre uma área de superfície hidrofóbica solvente-acessível e moléculas de água após a fusão com bicamadas lipídico18. Comparado a nanopartículas de All-MUS (nanopartículas que têm apenas o ligante MUS em sua casca), a maior hidrofobicidade no MUS misto: nanopartículas de OT (por exemplo, em um 66:34 MUS: OT composição) aumenta a extensão do diâmetro do núcleo que pode fundir com lipídios bicamadas18. Diferentes organizações de automontagem do escudo ligante correlacionam-se com modos de ligação distintos de 66:34 MUS: nanopartículas de OT com várias proteínas, como albumina e ubiquitina, quando comparadas às partículas de All-MUS19. Recentemente, relatou-se que 66:34 Mus: as nanopartículas do ot podem ser utilizadas como um agente antiviral do largo-espectro que destrua irreversivelmente os vírus por causa das ligações eletrostáticas multivalentes de ligantes do Mus e de acoplamentos-locais de ligantes do ot ao capsídeo proteínas14. Em todos estes casos, verificou-se que o conteúdo hidrofóbico, bem como o tamanho do núcleo das nanopartículas, determina como essas interações bio-nano acontecem. Estas propriedades diversas de nanopartículas de Mus: OT alertaram muitos estudos da simulação do computador que visaram esclarecer os mecanismos que sustentam as interações entre o mus: partículas do OT e várias estruturas biológicas tais como bicamadas do lipido20.

A preparação de nanopartículas do MUS: OT-Protected au representa alguns desafios. Primeiramente, o ligante carregado (Mus) e o ligante hydrofóbico (OT) são immiscible. Assim, a solubilidade das nanopartículas e dos ligantes deve ser levada em consideração ao longo da síntese, bem como durante a caracterização. Adicionalmente, a pureza das moléculas do ligante do Mus-especificamente, o índice de sais inorgânicos no material começar-influencia a qualidade, a reprodutibilidade, assim como a estabilidade coloidal a curto e a longo prazo das nanopartículas.

Aqui, uma síntese detalhada e a caracterização desta classe de nanopartículas anfifílicas do ouro protegidas por uma mistura de MUS e de OT são esboçadas. Um protocolo para a síntese do ligante do Mus negativamente carregado é relatado para assegurar a pureza e, daqui, a reprodutibilidade de synteses diferentes da nanopartícula. Em seguida, o procedimento para gerar essas nanopartículas, com base em uma síntese de uma fase comum, seguida pela purificação completa, é relatada em detalhes. Várias técnicas de caracterização necessárias21, tais como tem, UV-VIS, TGA, e RMN, foram combinadas para obter todos os parâmetros necessários para quaisquer outros experimentos biológicos.

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Protocol

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

Observação: Este protocolo pode ser usado em qualquer escala desejada. Aqui, uma escala--produto de 10 g é descrita.

  1. Sódio undec-10-enesulfonato
    1. Adicionar 11-Bromo-1-undeceno (25 mL, 111,975 mmol), sulfito de sódio (28,75 g, 227,92 mmol) e brometo de benzyltrietilamónio (10 mg) a uma mistura de 200 mL de metanol (MeOH) e 450 mL de água deionizada (DI) (4:9 v/v MeOH: H2O ratio) num balão de fundo redondo de 1 L .
    2. Refluxo a mistura de reacção a 102 ° c por 48 h. Tampe o sistema com um mecanismo de alívio de pressão — por exemplo, um balão com uma agulha, ou simplesmente uma agulha. Esta reacção não é sensível aos gases atmosféricos.
      Nota: a solução torna-se incolor quando a reacção está concluída.
    3. Conecte a mistura de reação a um evaporador rotativo para evacir MeOH e reduzir o volume para aproximadamente 300 mL.
    4. Transfira a solução restante para um funil de adição de 1 L.
    5. Extraia a solução aquosa restante 5x com éter dietílico, usando o funil de adição. 11-Bromo-1-undeceno não reagido permanece na fase de éter dietílico e o produto sulfonado em H2o.
      Cuidado: Libere todo o acúmulo da pressão freqüentemente durante a extração, e consulte o uso correto de funis da adição.
    6. Colete a solução de água extraída final em um balão de fundo redondo de pescoço único de 1 L.
    7. Conecte o balão de reação a um evaporador rotativo colocando um pouco de graxa (ou tiras de anel de teflon ou qualquer outro selante) entre o balão e a armadilha.
    8. Diminua o vácuo lentamente para evaquer a fase aquosa em um Evaporador giratório. Como o produto é um surfactante, a formação de espuma ocorrerá durante a evaporação. Para contornar esse problema, siga as instruções na próxima etapa.
      1. Adicione o etanol à mistura para acelerar a evaporação de H2o e prevenir a formação de espuma. Quando a formação de espuma reinicia devido à diminuição do teor de etanol, pare a evaporação, retire o balão do evaporador rotativo, adicione mais etanol (cerca de um terço do volume total) e reconecte o balão ao evaporador rotativo. Repita este processo até que a mistura da solução diminua significativamente e não forme bolhas.
    9. Seque o pó branco diretamente conectando o balão a um vácuo elevado. O secador do pó, os sais menos inorgânicos vai rastejar para os passos subsequentes.
      Nota: o calor pode ser usado para secar o produto — por exemplo, mantendo o balão vácuo em um banho de 60 ° c e deixado durante a noite.
    10. Suspenda o pó branco em 400 mL de metanol em um balão. SONICATE para dissolver a quantidade máxima de produto.
      Nota: o objetivo desta etapa é dissolver o produto, mas não os subprodutos inorgânicos, como o excesso de sulfito de sódio e brometo de sódio, que têm solubilidade limitada em metanol. Use o metanol com o menor teor de água possível, pois a água no metanol aumentará a solubilidade dos subprodutos inorgânicos no solvente.
    11. Para aumentar a solubilidade do produto, o metanol pode ser suavemente aquecido perto do seu ponto de ebulição (~ 64 ° c).
      PRECAUÇÃO: Certifique-se de que trabalha uma capa de fumos durante o aquecimento do balão. As emanações do metanol evaporado são perigosas.
    12. Filtre a solução para remover os subprodutos inorgânicos insolúveis de metanol. Use um balão filtrante conectado a uma bomba de vácuo e um funil de filtragem com papel de filtro quantitativo, ou um filtro de borosilicato. Tanto o produto como os sais inorgânicos são pós brancos quando secos: o produto é solúvel em metanol, enquanto os sais não são.
    13. Transfira a solução filtrada do balão filtrante para um balão de fundo redondo de 1 L.
    14. Conecte o balão a um Evaporador giratório e evate a solução metanólico em 45 ° c, redissolva o pó branco no metanol, e filtre a solução (etapas do protocolo 1.1.7, 1.1.8, e 1.1.9). Repita este processo pelo menos 2x, para diminuir a quantidade de sal inorgânico.
    15. Recolher o pó branco, metanol solúvel (aproximadamente 30 g, nesta escala).
    16. Dissolver aproximadamente 10 mg de produto em 500 μL de D2o e transferir a solução para um tubo de RMN.
    17. Realize 1H de espectrometria de RMN no produto em D2o a 400 MHz com 32 varreduras.
      Nota: as atribuições de pico para 1H NMR (D2O) são 5,97 (m, 1h), 5, 9 (m, 2h), 2,95 (t, 2h), 2,10 (m, 2h), 1,77 (q, 2h), 1,44 (br s, 12h).
  2. Sódio 11-acetilthio-undecanesulfonate
    1. Dissolva os 30 g aproximados de sódio undec-10-enesulfonato (o produto de reacção da secção 1,1) em 500 mL de metanol no interior de um balão de fundo redondo de 1 L. Adicione um excesso de 2,6 x de ácido tioacético à solução e mexa-o na frente de uma lâmpada UV (250 W) durante a noite (~ 12 h). No caso de uma lâmpada UV não está disponível, a reação pode ser realizada por refluxo usando um iniciador radical, como azobisisobutyronitrile (AIBN); no entanto, o uso de uma lâmpada UV é fortemente recomendado.
      Atenção: Certifique-se de que trabalha sempre a capa de fumos. Se o balão precisar ser transportado para outro espaço onde a lâmpada UV esteja localizada, sele o balão para evitar espalhar o odor forte do ácido tioacético. Exercite o cuidado ao operar uma lâmpada UV: obstrua completamente o espaço onde a lâmpada é ficada situada e consulta as directrizes da segurança da instituição em como operar uma lâmpada UV.
    2. Monitore a reação tomando ~ 2 ml de alíquotas da reação, evacate o solvente, e adicione a água deuterado para verific com 1H NMR. Uma vez que os picos correspondentes à ligação dupla desaparecem, pare a reação.
      Nota: geralmente, após 12 h na frente da lâmpada UV, a reação está completa. Se a mistura de reacção se tornar turva, adicione mais MeOH e continue a exposição à luz UV durante seis horas adicionais.
    3. Evate todo o MeOH em um Evaporador giratório até que o resíduo contínuo se torne alaranjado-vermelho. Se deixado o tempo suficiente, o produto torna-se marrom a preto.
      Cuidado: trabalhe conscientemente por causa dos odores fortes do ácido thioacético. Os odores fortes de todos os derramamentos do heme podem ser neutralizados usando uma solução aquosa do alvejante (hipoclorito de sódio).
    4. Usando um balão filtrante, lave o produto com éter dietílico para remover qualquer excesso de ácido tioacético, até que não mais coloridas (laranja-amarela) substâncias aparecem no sobrenadante éter dietílico. Seque o sólido alto vácuo e, em seguida, dissolva-o em metanol, produzindo uma solução amarela a laranja.
      Nota: Adicione metanol suficiente para dissolver o produto.
      Nota: a cor pode variar nesta etapa.
    5. Adicione 3 g de carbono preto à solução, misture vigorosamente e filtre a mistura através de meio de filtração (ver tabela de materiais) cobrindo dois terços de um papel de filtro canelada.
      Nota: a estrutura porosa do preto de carbono captura o material colorido do lado-produto (e o algum do produto). A solução filtrada deve ser clara. Se a solução filtrada ainda estiver colorida (amarela), repita esse processo.
    6. Evate o solvente completamente em um Evaporador giratório e colete aproximadamente 35 g do pó branco.
    7. Dissolver ~ 10 mg do produto em ~ 500 μL de D2o e transferir a solução para tubos RMN.
    8. Realize 1H NMR no produto em D2o a 400 MHz com 32 varreduras.
      Nota: as atribuições máximas para o H NMR (D2O) são 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. Sódio do reflux 11-acetylthio-undecanesulfonate em 102 ° c em 400 ml do HCL de 1 M para 12 h para Cleave o grupo do tioacetato e para obter um Thiol.
    2. Transfira o produto para um balão de fundo redondo de 1,5 L ou 2 L. Adicione 200 mL de NaOH de 1 M à solução final e Top-lo com 400 mL de água DI para ter um volume final de 1 L. Isto manterá a solução ácida e impedirá a cristalização de sais inorgânicos como o subproduto.
      Nota: uma neutralização completa da solução para pH 7 resultará na cristalização de um produto insolúvel em metanol.
    3. Mantenha a solução desobstruída em 4 ° c e cristalizar-se-á durante a noite. O produto cristaliza-se como cristais finos que são viscosos quando molhados.
      Nota: para acelerar a cristalização, adicione MUS pré-sinthesized à solução, se disponível.
    4. Decantar o sobrenadante claro e centrifugar o produto branco viscoso em tubos de centrifugação de 50 mL por 5 min a 4.000 x g.
    5. Decantar o sobrenadante em um outro frasco e secar as pelotas brancas o vácuo elevado-dependendo do centrifugador disponível, este pode ser 2-16 tubos ou mais.
      Nota: a filtragem não é aconselhada devido à natureza do surfactante do produto; excesso de espuma ocorrerá e a maior parte do produto será perdida.
    6. Colete aproximadamente 12 g (cerca de 30% de rendimento) de MUS metanol-solúvel a partir desta etapa de purificação.
      Nota: esteja atento que o pó é fino e eletrostático — tende a furar aos espátulas e às superfícies dos recipientes. Além disso, mais material pode ser extraído do sobrenadante da etapa de centrifugação, reduzindo o volume (para cerca de um terço do seu valor original) e mantendo-o a 4 ° c. Diminua o volume ainda mais (por 75%) para aumentar o rendimento nesta etapa.
    7. Dissolver ~ 10 mg do produto em ~ 500 μL de D2o e transferir a solução para tubos RMN.
    8. Realize 1H NMR no produto em D2o a 400 MHz com 32 varreduras.
      Nota: as atribuições máximas de H NMR (D2O) são 2,93 (t, 4h), 2,59 (t, 3h), 1,78 (m, 2h), 1,65 (m, 2h), 1,44 (br s, 14h). A massa molar calculada (incluindo a contróion de sódio) do produto é 290,42 g/mol.

2. síntese de nanopartículas: preparação dos reagentes

  1. Limpe todos os copos (1 250 mL e 1 500 mL de um único pescoço-balão de fundo redondo, um funil de adição de 100 mL, e um pequeno funil) com água fresca Regia (três partes de ácido clorídrico a uma parte de ácido nítrico). Enxague os copos com uma quantidade excessiva de água dentro de uma capa de fumaça e retire todos os fumos. Em seguida, lave o vidro com etanol e seque-o em um forno de vidro de laboratório (40-60 ° c é recomendado).
  2. Pesar 177,2 mg (0,45 mmol) de cloreto de ouro (III) trihidratado (HAuCl4∙ 3h2O) num frasco de vidro pequeno (10 ou 20 ml frascos de vidro limpos, ou em papel de pesagem).
  3. Pesar 87 mg (0,3 mmol) MUS num frasco de vidro de 20 mL.
  4. Adicionar 10 mL de metanol para dissolver o MUS. SONICATE-lo em um banho ultra-sônico até que nenhum material sólido é visível, para garantir a dissolução completa.
    Nota: Alternativamente, usando uma pistola de calor ou um banho quente (~ 60 ° c), aqueça a solução suavemente. Quando aquecido, água fria do funcionamento através da parte externa do balão para trazê-lo de volta à temperatura ambiente.
  5. Adicionar 26 μL (0,15 mmol) de OT à solução de metanol e agitá-lo para misturar os ligantes.
  6. Pesar 500 mg (13 mmol) de borohidreto de sódio (NaBH4) e adicioná-lo a 100 ml de etanol no balão de fundo redondo de 250 ml. Mexa vigorosamente usando agitação magnética (600-800 rpm). (O NaBH4 leva de 10 a 20 min, dependendo do grau, para formar uma solução clara em etanol.)

3. síntese de nanopartículas de ouro

  1. Dissolva o sal de ouro em 100 mL de etanol no balão de fundo redondo de 500 mL e comece a mexer a 800 rpm com uma barra magnética numa placa de agitação. Certifique-se de que o sal de ouro se dissolve completamente.
  2. Coloque um funil de adição de 100 mL acima do balão de fundo redondo. Coloque um funil na parte superior do funil de adição com um filtro de papel quantitativo dentro. Quando o NaBH4 é dissolvido em etanol, comece a filtrar a solução para o funil de adição através do papel de filtro no funil.
  3. Adicione a solução de ligantes à mistura de reacção. Aguarde 15 min para a formação de ouro-thiolate complexo. A mudança da cor da mistura da reação do amarelo translúcido ao amarelo turva indica a formação do complexo do ouro-thiolate.
  4. Comece a adicionar a solução de NaBH4 filtrada do funil de adição Dropwise. Ajustar o tempo de intervalo das gotas para que a adição de NaBH4 leva cerca de 1 h.
  5. Após a adição completa de NaBH4, retire o funil. Continue mexendo a reação por mais uma hora. No final da reacção, retire a barra de agitação magnética com um íman colocado no exterior do balão.
  6. Use um septo para fechar o balão e perfurar uma agulha no septo para liberar o gás H2 que evoluirá após a reação.
  7. Mantenha a mistura de reacção dentro de um frigorífico de laboratório (4 ° c) para precipitar as nanopartículas durante a noite.

4. workup da síntese

  1. Decantar o etanol sobrenadante para reduzir o volume.
  2. Transfira o precipitante remanescente para tubos de centrifugação de 50 mL e centrifugue durante 3 min a 4.000 x g.
  3. Decantar o sobrenadante, dispersar as nanopartículas novamente com etanol por vortexing, e centrifugá-los novamente. Repita este processo de lavagem 4x.
  4. Seque as nanopartículas vácuo para remover o etanol residual.
  5. Para limpar as nanopartículas de ligantes/moléculas hidrofílicas livres, dissolva os precipitados em 15 mL de água DI e transfira-os para os tubos de centrifugação com uma membrana de filtração de 30 kDa de corte de peso molecular. A diálise também é passíveis para este procedimento.
  6. Centrifugue estes tubos durante 5 min a 4.000 x g para concentrar a solução de nanopartículas.
  7. Adicionar 15 mL de água DI a esta solução e centrifugar para se concentrar novamente. Repita este processo de limpeza pelo menos 10x.
    Nota: uma indicação de que as impurezas solúveis em água foram removidas é a ausência de formação de espuma ao agitar os resíduos aquosos; Afinal, a maioria das impurezas são dissulfides de MUS com si mesmo ou com OT (isto pode ser determinado coletando o material e realizando 1H NMR).
  8. Após a centrifugação, transfira as nanopartículas concentradas para um tubo de centrifugação de 15 mL. Para transformar as nanopartículas em um pó gerenciável, ou precipitá-los em um solvente como a acetona ou congelar-secar a solução aquosa remanescente. Quando liofilizado, as nanopartículas tendem a formar um pó solto que adere às superfícies e pode ser difícil de manipular.

5. caracterização das nanopartículas

  1. Pureza
    1. Para verificar se as nanopartículas estão livres de ligantes não acoplados, dissolva 5 mg de nanopartículas secas em 600 μL de D2o e realize uma medição de 1H NMR das partículas. Se não houver picos agudos dos ligantes, isso significa que as nanopartículas estão livres de pequenas moléculas orgânicas.
  2. Relação do ligand
    1. Prepare um 20 mg/mL metanol-d4 solução de iodo. Adicionar 600 μL desta solução ao ~ 5 mg de nanopartículas num frasco de vidro, para gravar as nanopartículas.
    2. Enrole a tampa do frasco com película de parafina e sonicá-lo em um banho ultra-sônico por 20 min. Transfira a solução para um tubo de RMN e adquira um espectro de 1H NMR (400 MHz) com 32 varreduras.
  3. Densidade do ligand
    1. Transfira 2 a 8 mg de nanopartículas para um cadinho TGA. Escolha uma escala de temperatura de 30 ° c a 900 ° c e uma velocidade de 5 ° c por o minuto o gás de N2 .
  4. Distribuição de tamanho
    1. TEM
      1. Prepare 0,1 mg/mL de solução de nanopartículas em água DI. Soltar 5 μL da solução preparada para a grelha de cobre com suporte de carbono 400-mesh. Espere até secar.
      2. Transfira a grelha num suporte de TEM e insira-a no microscópio. Adquira 5-10 imagens com uma ampliação de pelo menos 64, 000X, operado em 200 kV.
        Nota: para aumentar o contraste, pode ser inserida uma abertura objetiva de 20 nm.
    2. Espectros UV-VIS
      1. Prepare uma solução de nanopartículas de 0,2 mg/mL em água DI.
      2. Coloque a quantidade necessária desta solução na cubeta de quartzo e digitalizar de 200 nm para 700 nm.

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Representative Results

As etapas de reação para sintetizar MUS são mostradas na Figura 1. Os espectros de 1H NMR do produto de cada etapa estão representados na Figura 2. O fluxo de trabalho de síntese das nanopartículas de ouro anfifílicas binário MUS: OT é descrito na Figura 3. Após a síntese, o workup das nanopartículas consistiu em lavar as partículas várias vezes com etanol e água DI. Antes de qualquer caracterização de nanopartículas, a limpeza das nanopartículas de ligantes livres não acoplados foi monitorada por RMN de 1H em D2O, como mostra a Figura 4. A distribuição do tamanho das nanopartículas foi caracterizada por Met (Figura 5a, b). A absorção de ressonância plasmática de superfície localizada foi mensurada pela aquisição de espectros UV-VIS (Figura 5C).

A razão entre os dois ligantes foi determinada pela gravura do núcleo de ouro utilizando iodo, adquirindo a RMN de 1H, e calculando as quantidades relativas de cada ligante utilizando os valores integrados. A Figura 6 mostra os espectros representativos, bem como o procedimento das atribuições de pico de RMN. Para encontrar a relação ligante entre Mus e OT, calculamos as integrais dos picos entre 0,8-1 (i1), 1,12-1,55 (i2), 1,6-1,9 (i3) e 2,6-3 (i4) ppm. O i1 pico contém sinal de três hidrogênios OT, o i2 pico de uma combinação de 14 Mus hidrogênios e 10 OT hidrogênios, e os i3 e i4 picos de quatro Mus hidrogênios e dois OT hidrogênios (para cada pico). Portanto, para localizar a porcentagem de OT, é necessário normalizar I1 a 3 e aplicar as expressões a seguir.

Para I2,
Equation 1

Para I3 e i4,
Equation 2

Esses cálculos indicam a razão de OT para MUS, supondo que haja uma unidade arbitrária de OT no sistema. Para a Figura 6B, as três integrais deram valores semelhantes para a porcentagem de OT (i.e., 15,3, 15,9 e 15,9 de i2, i3e i4, respectivamente).

A cobertura superficial das nanopartículas é examinada pela TGA, como mostra a Figura 7. Os dados de TGA, RMN e TEM (Figura 3) são combinados para calcular a densidade do ligante, que é o número de ligantes em uma unidade de área de superfície, aproximando as partículas a uma esfera. (Este cálculo assume que na ferve como NaHSO3.) Os dados de TEM mostram que o diâmetro médio das nanopartículas é de 2,4 nm, apontando para aproximadamente 18, 8 nm2 (apar= 4PR2) da área superficial (apar) e 7,23 nm3 (Vpar= 4PR 3/3) de volume por partícula (Vpar). A densidade do ouro é 19,9 g/cm3 e a massa de uma partícula é 1,3969 x 10-16 mgs (partícula maciça = Vpar x a densidade do ouro = 7,23 nanômetro3 x 19,9 g/cm3 x 10-18 mm3/nm3). A massa restante em torno de 800 ° c corresponde ao núcleo do ouro, e há aproximadamente 3,7 x 1016 partículas (npar) que são estimadas usando npar = (massa deouro/massa partícula) = 5,17 mg/1,3969 x 10-16 mg. A área total da superfície(atot) das partículas é 6,69 x 1017 nm2 (atot = Nparx apar= 3,69 x 1016 x 18, 8 nm2). O NMR de nanopartículas iodo-gravadas mostrou que a relação de MUS: OT é 85:15 e a quantidade de índice orgânico em TGA é 0, 146 g. Portanto, existem 3,26 x 1018 ligantes (nligante) seguindo a fórmula de nligante= [massaorgânica /((rOT x MwOT) + (rMus x MwMus))/(rMus + rOT)] x NAvogadro= [0, 146 g/((15 x 146 g/mol) + (85 x 267,42 g/mol))/(85 + 15] x (6, 2 x 1023) = 3,26 x 1018 . Finalmente, a densidade do ligante é de 4,8 ligands/nm2, calculada dividindo-se o Nligante por umtot(4,8 = 3,26 x 1018/6,69 x 1017 nm2). As proporções estequiométricas versus as proporções de RMN do ot, resultantes de várias sínteses, são comparadas na Figura 8.

Figure 1
Figura 1: esquema da síntese do Mus. A síntese do MUS é o ponto-chave para a reprodutibilidade da síntese de nanopartículas anfífilas. Se MUS tem um alto teor de sal, a razão estequiométrica dos ligantes pode desviar. X = 9. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 2
Figura 2: espectros de RMN das moléculas após cada etapa na síntese do Mus (400 MHz). (A) este painel mostra o espectro de 1h NMR de sódio undec-10-enesulfonate em d2o. (B) este painel mostra o espectro de 1h NMR de sódio 11-Acetilthio-undecanesulfonate em d2o. (C) este painel mostra o espectro de 1H NMR de 11-mercapto-1-undecanesulfonate em D2O. Em todos os espectros, * indica os picos de solvente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 3
Figura 3: esquema da síntese anfífila de nanopartículas. (A) este painel mostra a preparação da reação de redução química de uma fase utilizando etanol como solvente. (B) o complexo tiolato de ouro pode formar-se antes da adição de um agente redutor. Nesta fase, a solução de sal de ouro tornou-se turbid. (C) durante a adição de gota gota do agente redutor, as nanopartículas de ouro são formadas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 4
Figura 4: limpeza das nanopartículas de ligantes livres não reagidos. (A) este painel mostra o espectro de 1H NMR das nanopartículas logo após a síntese e a vácuo-secagem. D2o é utilizado como solvente para a análise de 1H NMR. Os picos afiados mostrados pelas setas vermelhas indicam a existência de ligantes livres não vinculados. (B) este painel mostra o espectro de 1H NMR das nanopartículas após uma purificação completa (isto é, lavas e centrifugação com etanol e água de di). A seta vermelha aponta para a parte ampliada do espectro, em que os picos são largos, não afiada como antes de indicar a ausência de ligands livres. Em ambos os espectros, * indica os picos de solvente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 5
Figura 5: distribuição do tamanho das nanopartículas. (A) este painel mostra uma imagem representativa do tem de NANOPARTÍCULAS de Mus: OT. A barra de escala é de 20 nm. (B) este painel mostra um histograma do tamanho do núcleo de nanopartículas com base em várias imagens de tem. (C) os espectros UV-VIS das nanopartículas mostraram o pico característico da ressonância do Plasmon de superfície das nanopartículas em torno de 520 nanômetro. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 6
Figura 6: cálculo da relação ligand. (A) este painel mostra espectros de RMN representativos de combinações de dissulfides (como referências para ligantes após o condicionamento do núcleo) e atribuições de pico para diferentes prótons em meod-D4. (B) este painel mostra 1H NMR espectros de nanopartículas gravadas em meod-D4. Em todos os espectros, * indica os picos de solvente. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 7
Figura 7: análise da densidade do ligand. Uma medida de TGA das nanopartículas foi feita para determinar a relação e a densidade do material orgânico (ligands). O gráfico das medições é plotado como a porcentagem de peso versus a temperatura. Desorbs OT primeiro, entre 176 ° c a 233 ° c (linhas verticais). MUS degrada a moléculas menores e é queimado totalmente em torno de 800 ° c. A percentagem de peso remanescente corresponde ao núcleo de ouro das nanopartículas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figure 8
Figura 8: comparação das proporções estequiométricas e RMN de OT nas partículas. É possível sintonizar a anfíphilicidade das nanopartículas, alterando a relação estequiométrica inicial entre MUS e OT na reação. As barras de erro mostram o limite superior e inferior do conteúdo de OT adquirido usando as proporções estequiométricas indicadas. Proporções estequiométricas de 10%, 20%, etc., até 90% OT, foram sintetizadas para observar os limites do teor de OT nas superfícies de nanopartículas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

Este protocolo descreve primeiramente a síntese do ligante do Mus e, então, a síntese e a caracterização do Mus anfifílico: nanopartículas do ouro do ot. Sintetizar o MUS com teor mínimo de sal permite uma melhor fiabilidade da relação estequiométrica entre os ligantes durante a síntese de nanopartículas, que é um factor-chave para a síntese reprodutível das nanopartículas de MUS: OT com um alvo hidrofóbico conteúdo (Figura 8). O uso de metanol como solvente comum para MUS e OT, juntamente com a síntese das partículas em etanol, permite uma síntese confiável das nanopartículas de ouro do MUS: OT. Os métodos de caracterização apresentados aqui compõem uma lista mínima de experimentos necessários para adquirir informações suficientes sobre as nanopartículas para verificar o desfecho de sua síntese.

Há quatro etapas críticas neste protocolo: (i) a síntese de MUS com um baixo índice de sal junto com a remoção de impurezas coloridas na segunda etapa e uma cristalização do MUS puro na extremidade; (II) ajuste e determinação da razão estequiométrica entre MUS e OT; III) o workup das nanopartículas; e (IV) a caracterização das nanopartículas.

Durante a formação de nanopartículas, o MUS liga-se preferencialmente às superfícies de nanopartículas, o que pode estar relacionado com a solubilidade das nanopartículas resultantes. Por exemplo, uma relação de alimentação estequiométrica 2:1 entre MUS e OT resulta em 15% de OT na superfície quando calculado usando os dados do 1H NMR de nanopartículas de ouro gravadas. Portanto, um maior teor de OT deve ser utilizado durante a síntese das partículas (Figura 8) para obter uma nanopartícula com uma menor relação Mus a OT; em outras palavras, uma partícula mais hidrofóbica. A fim de avaliar a relação estequiométrica entre os ligantes na superfície das nanopartículas, é necessário garantir que não haja ligantes não acoplados na solução. A presença de ligantes não acoplados afeta a determinação da razão ligantes sobre as nanopartículas e a densidade, juntamente com os testes e experimentos subsequentes que podem levar a interpretações incorretas. Ciclos de limpeza repetitivos com diferentes solventes (como etanol e água DI) são necessários para eliminar todos os ligantes não acoplados e outras impurezas (subprodutos de borohidreto de sódio, íons dourados, etc.). 1. º H RMN é importante para confirmar a pureza das nanopartículas. O efeito de linha-broadening dos ligantes devido ao ambiente químico complexo nas nanopartículas amplia os picos que correspondem aos ligantes, quando todo o sinal afiado vier das moléculas não acopladas22. Além disso, devido à mobilidade restrita, os picos de RMN correspondentes ao metileno adjacente aos grupos tióis não podem ser detectados, o que é outra assinatura da nanopartícula quando inspecionado usando 1H NMR. Uma vez que as nanopartículas estão limpas, então o núcleo de metal é gravado com iodo. O condicionamento de iodo é um método bem estabelecido para quantificar a relação de ligantes em nanopartículas. Por exemplo, há duas décadas, Murray et al. relataram a determinação da composição monocamada em nanopartículas de ouro após a gravura do iodo, na qual o iodo decompõe o núcleo de ouro e libera os ligantes tiolados como dissulfides23. A confiabilidade do método de condicionamento de iodo foi estabelecida usando outros métodos; por exemplo, Harkness et al. relataram que a relação de ligantes Obtida de RMN está dentro de 1% de desvio das medidas de espectroscopia de massa24.

A TGA é um método simples para calcular o conteúdo orgânico sobre as nanopartículas. A estimativa da densidade do ligante da superfície supõe que todos os ligantes do heme ligam aos átomos de superfície do ouro e todos os ligantes livres estiveram removidos durante a purificação. Para determinar a densidade do ligante, diversas suposições são feitas, principalmente que as partículas são esféricas, que é usada para calcular a área de superfície, assim como a densidade da embalagem, do núcleo do ouro. O TEM fornece uma distribuição do tamanho dos núcleos do ouro da nanopartícula que podem ser usados para calcular a área de superfície aproximada de uma nanopartícula. A síntese de nanopartículas descrita aqui produz uma população de polidisperse de partículas com um diâmetro médio de 2-3 Nm e um desvio de tamanho de até 30%. Também, o raio médio, usado para calcular o volume médio de uma partícula (aproximando as partículas às esferas), combinado com a densidade do ouro, permite o cálculo da massa de uma nanopartícula. Em seguida, a massa medida pela TGA acima de 800 ° c possibilita o cálculo do número de partículas inicialmente presentes. Usando esse valor e o tamanho médio do núcleo, a área de superfície total das nanopartículas de ouro pode ser estimada. A relação do ligante calculada dos dados adquiridos com a espectroscopia de 1H RMN permite o cálculo do número de toupeiras dos ligantes na superfície das nanopartículas. A relação molar entre os ligantes sobre a área superficial das nanopartículas de ouro fornece a densidade de ligantes (Figura 7). As nanopartículas limpas têm aproximadamente 4 ligantes por o nanômetro2. Os dados de TGA podem igualmente ser usados para estimar a relação do ligante, se o intervalo da temperatura em que de da superfície do ouro é sabido para cada ligante, e a dessorção ocorre em escalas de temperatura separadas.

Em resumo, este protocolo fornece uma maneira direta de sintetizar o ligante do Mus com um baixo índice de sal e de nanopartículas anfílicas do ouro de Mus: OT. Um dos fatores-chave da reprodutibilidade dessas nanopartículas é o baixo teor de sal inorgânico no MUS utilizado. Estas nanopartículas são estáveis tanto em pó como em solução (por exemplo,H2O e fisiologicamente relevantes), O que deve ser enfatizado como pré-requisito para muitas aplicações. A caracterização minuciosa do tamanho e das propriedades superficiais das nanopartículas anfifílicas é essencial para futuras aplicações em que o grau de anfíphilicidade pode desempenhar um papel fundamental.

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Disclosures

Os autores não têm nada a revelar.

Acknowledgments

Z.P.G. e FS agradecem a Fundação Nacional de Ciências da Suíça e, especificamente, a NCCR ' engenharia de sistemas moleculares '. Z.L. e FS agradecem o apoio da subvenção da Swiss National Science Foundation Division II. Todos os autores agradecem a Quy ONG por discussões frutíferas e pela revisão do manuscrito.

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

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References

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