周囲条件下での金ナノ粒子の安定オリゴマークラスターのサイズ制御された合成のための簡単​​な方法

私たちは、チオシアン酸ナトリウム（のNaSCN）と塩化金酸（のHAuCl _4）の還元により金ナノ粒子の安定性の高いオリゴマーのクラスタを生成するための簡単な方法を説明します。 oligoclustersは、狭いサイズ分布を有し、大きさおよび表面被覆の広い範囲で製造することができます。

アルカリ条件下でチオシアン酸ナトリウム（のNaSCN）を有する水性のHAuCl _4を希釈小さくすると、2〜3 nmの直径のナノ粒子を生成します。狭いサイズ分布のこの黄色のナノ粒子の安定したブドウ状オリゴマーのクラスターは、2つの方法を介して周囲条件下で合成されます。遅延時間法は、アルカリ溶液へのHAuCl ₄を添加すると、のNaSCNを還元剤のその後の添加の間の時間を変化させることによってoligoclustersにおけるサブユニットの数を制御します。黄色oligoclustersは〜3から〜25 nmの大きさの範囲を生成しました。自動触媒として合成oligoclusterナノ粒子中のサブユニットの数を増加させるために^-このサイズ範囲は、さらに、ヒドロキシル化塩化金し（Na ⁺ [金（OH _4-X）のCl _X]）を利用アドオン方法で拡張することができます70nmと3nmの全範囲を提供します。粗製のoligocluster製剤は、狭いサイズ分布を表示し、毛皮を必要としませんほとんどの目的のためにTHER分別。形成oligoclustersが凝集することなく> 300倍に濃縮することができ、粗反応混合物をさらに処理することなく数週間安定なままです。これらのオリゴマーのクラスタを誘導体化する前に濃縮することができるので、それらは高価な誘導体化剤は、経済的に使用できるようにします。また、我々は、粒子サイズの予測が非常に正確に行うことができることにより、2つのモデルを提示します。

生物医学的応用と基礎研究の両方におけるツールとしての金ナノ粒子の使用は、過去数十年にわたって途方もなく成長しました。いくつかの近代的なナノ材料は、太陽電池パネルからの光熱癌治療に至るまでにその使用を発見、非常に多くの多様な分野に適用されています。生物学的センサに電気から。化学触媒反応からの薬物送達システム^1-7。これらの分野でのツールとしての金ナノ粒子への関心は、特殊な構造の光学および電子特性^8を含む金ナノ粒子が有するユニークな特性によって駆動されます。

金の使用の増加は、生物学的および化学的ア ​​ッセイで^{9,10ナノ粒子}があります。家の合成でのコストと比較した場合、金ナノ粒子の購入のための多くの情報源の利用可能性にもかかわらず、彼らはかなりの価格で来ます。市販のナノ粒子の高コストは家合成デになりますsirable。私たちの手順は、小さな2-3 nmの球状金サブユニットによって作られたオリゴマーナノクラスターの合成を含みます。そのモジュール構造は、タンパク質の構造を模倣するので、それは透過性や濾過速度の測定に来るとき古典的な金ナノ粒子の利点の全てを有するオリゴマーナノクラスターは、選択肢を好まれます。

現在、金ナノ粒子の家の中で合成に最も一般的なアプローチは、水性条件下^11,12の下で塩化金（のHAuCl _4）の還元を伴います。このような_水素化ホウ素ナトリウム（NaBH 4）、またはクエン酸ナトリウムなどの一般的な還元剤とのHAuCl ₄の還元は、球状のナノ粒子¹³を製造することを可能にします。それらのコアの直径が増加するにつれて、それらは、生物学的緩衝液中の塩の存在に敏感になるため、これらの方法により合成した金ナノ粒子は、それらの有用なサイズ範囲で制限されています。この方法は、以前に記載されていますアルカリ条件下^14,15の下にチオシアン酸ナトリウムとのHAuCl ₄の還元2から3 nmの直径の黄色ナノ粒子の合成のために。

ここでは、追加のキャッピング剤を必要とせずに、黄色のナノ粒子のブドウのようなoligoclusterを生成し、その方法の変形例を説明します。単に、チオシアン酸ナトリウムのアルカリ溶液へのHAuCl ₄の添加と還元剤のその後の添加の間の時間を変化させることによって、我々は、〜25 nmの約3ナノメートルの金粒子が得られた大きさを変化させることができます。より大きな粒子を生成するために、単純なアドオン手順は、チオシアン酸ナトリウムの存在下で合成さoligoclustersに水酸化金（HG）の添加により、これらのoligoclustersを成長させるために使用することができます。これらの2つの方法を用いて、確実に〜3 nmの〜70nmの範囲をカバーするoligoclustersを生成することができます。この方法は高品質のGのよく制御された合成を可能にするという事実標準的な装置と試薬の数が限られているベンチトップ条件下で古いoligoclustersは、潜在的に化学合成でほとんど、あるいは全くの専門知識を持つ研究者への研究ツールとしての金ナノ粒子の利点を拡張します。

試薬の調製

注意：化学物質やソリューションを扱うときに常に注意してください。適切な安全対策に従ってください、常に手袋、メガネと白衣を着用してください。ナノ材料は、それらのバルクの対応と比較して付加的な危険性を有していてもよいことに注意してください。
注：すべての化学溶液がむしろモルよりも重量モル（グラムモル当たりキロの溶媒）（溶液1リットル当たりグラムモル）として作られています。

1. 塩化金の調製
   1. 25mMのHAuCl ₄与えるためにH _{2 O} 100gに金（III）塩化物三水和物1gを溶解します。
2. ホウ砂を製造し（Na ₂ B _{4 O} 7・10H _{2 O）}
   1. （完全なソリューションを確実にするために、必要に応じて暖かい）0.1重量モルホウ砂を与えるために、H ₂ Oの100グラムにホウ砂の3.81グラムを溶解させます。
3. チオシアン酸ナトリウムの調製
   1. 100g中にチオシアン酸ナトリウム8.1グラム溶解H ₂ Oは1重量モルのNaSCNを得ました。
4. 炭酸ナトリウムの調製
   1. 0.5重量モルのNa ₂ CO _{3を与えるために} 、H _{2 O、100g}の無水炭酸ナトリウム5.3gのを溶かします。
5. グルタチオンの調製
   1. 0.5に重量モルGSHを与えるために0.5の1ミリリットル重量モルのNa ₂ CO ₃当たりの還元型グルタチオン（GSH）の154ミリグラムを溶解させます。

ゴールドOligoclustersの2.合成

1. ゴールドOligoclustersの遅延時間の合成
   1. 攪拌棒を含むクリーンな125ミリリットルのWheatonガラスボトルにH ₂ Oの59.5ミリリットルを追加します。任意の平底清潔なガラス容器を使用しますが、それは非常にきれいであることを確認してください。
   2. 0.1重量モルホウ砂の7ミリリットルを加え、激しく撹拌に解決策をもたらします。
   3. 激しい混合下で〜25 mMののHAuCl ₄の2.8ミリリットルを追加して、所望の遅延時間を待つ（のHAuCl ₄を添加すると、遅延時間を開始します）。遅延時間の大きさを決定します表1に示すようにoligoclusters合成します。
   4. 後所望の遅延時間は、短い激しい撹拌（30秒間1,200rpmで）下に1重量モルのNaSCNの700μlを添加します。
   5. 攪拌棒を取り外し、反応が完了Oに移動することを可能にする/ N（oligoclustersのサイズ分布は、さらに、反応が完結するながら、混合物を連続的にO / Nを攪拌することを可能にすることによって改善することができます）。反応が完了になってきたら、合成、粗oligoclustersは、数週間のために安定しています。
2. アドオンOligoclustersの成長
   1. HGの60ミリリットルに、合成oligoclustersの10ミリリットルを兼ね備えています。 HGに合成されたoligoclustersの比率は、HGの相対量が大きくoligoclustersを生産増加、結果として得られるoligoclustersのサイズを決定します。
   2. （30秒間1,200rpmで）簡単に激しく撹拌しながら1重量モルのNaSCNの900μLを加えます。
   3. 反応がoligoclustersの完了O / N（サイズ分布に行くことを許可さらに反応が）完了まで進みながら、混合物を連続的にO / Nを攪拌させることにより改善することができます。

3. GSH誘導体とOligoclustersの濃度

1. 70ミリリットルの30kDaカットオフ遠心フィルターに（アドオン方式から、またはoligoclusters）、合成粗oligoclustersの70ミリリットルを追加します。
2. 3000×gで15分間スピン。これは、〜250μlの容量まで粒子を集中します。
3. フリップデバイスがオーバーと500×gで3分間のデバイスを回転させることによって濃縮液を回収します。回収された量は〜250μlであるべきです。
4. 測定は、マイクロピペットを使用してボリュームを回復しました。
5. 濃厚oligoclustersの回復量^番目の 1/9に等しい0.5重量モルグルタチオン（または他のチオール）のボリュームを追加します（最終濃度50 mmolal GSH）。
6. 誘導体化反応は、5〜10分間室温で静置します。誘導体化は急速に発生します。過度に長い時間が粒子を溶解することができます。
7. derivatを希釈ダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水50mlにoligoclustersを化さ。 （他の緩衝液、またはH _{2 O}は、この段階での希釈剤/洗浄緩衝剤として選択することができる。選択は、通常、意図下流側のアプリケーションによって決定されます。）
8. 30kDaのカットオフ遠心フィルターに希釈した誘導体化oligoclustersのすべてを追加します。
9. 3000×gで15分間遠心分離フィルターをスピン。
10. フリップデバイスがオーバーと500×gで3分間のデバイスを回転させることによって濃縮液を回収します。回収された量は〜250μlであるべきです。回収された濃厚粒子を使用する準備ができているし、4℃で数ヶ月の​​ために安定しています。

4. Oligocluster合成の分析と検証

1. Oligoclustersのゲル電気泳動
   1. 粗製のoligocluster製剤の電気泳動
      1. 0.5重量モルGのストックから60％グリセロール、〜0.15％ブロモフェノールブルー、および150 mmolal GSHを（含む負荷緩衝液で1：2に、合成oligoclusterの準備ミックスSH 0.5重量モルのNa ₂ CO _3）に溶解しました。
      2. 負荷30プレキャストポリアクリルアミド勾配ゲル（任意のキロダルトン）の上にμlのトリス - グリシンランニング緩衝液で実行します。定電圧（200 V）で26分間（25 mMトリス、192 mMグリシンないSDSが使用されません）。
   2. GSH誘導体化Oligoclustersの電気泳動
      1. H ₂ O（6μlのH ₂ OとGSH-oligoclustersの一般的に2μl）を持つ3：希準備1 oligocluster GSH誘導体化。
      2. 60％グリセロール、〜0.15％ブロモフェノールブルー、および150 mmolal重炭酸ナトリウムを含む負荷緩衝液で1：ミックスはGSH誘導体化oligoclusters 2に希釈しました。
      3. 負荷10プレキャストポリアクリルアミド勾配ゲル（任意のキロダルトン）の上にμlのトリス - グリシンランニング緩衝液で実行します。定電圧（200 V）で26分間（25 mMトリス、192 mMグリシンないSDSが使用されません）。
2. 透過型電子顕微鏡（TEM）
   1. TEMのための準備Oligoclusters
      1. oligoclustersを洗浄するには、H _{2 O}の0.5ミリリットルで濃縮さoligoclusters20μlのを希釈し、0.5ミリリットルの30kDaカットオフ遠心フィルターにに読み込みます。
      2. 10分間14,000×gでスピン。
      3. _H 2 Oの新鮮0.5ミリリットルでろ液および再懸濁濃縮液を削除します
      4. 合計3回の洗浄のための二回の洗浄を繰り返します。
      5. H ₂ Oで最終保持500倍に希釈（oligoclustersは、この時点でグリッド化の準備ができています）。
   2. グリッド化Oligoclusters
      1. 放電炭素被覆グリッドグロー。
      2. 炭素被覆グロー放電し、グリッド上にデポジット洗浄し、希釈したoligoclustersの0.6μLを。
      3. 10分間空気乾燥にグリッドを許可します。
      4. 100,000倍率でTEMによりoligoclustersを可視化します。ここに示されている画像を80 kVので動作します。

金oligoclustersの合成は、ゲル電気泳動（ 図1）及び透過型電子顕微鏡（TEM）（ 図2）によって分析しました。より大きな粒子はより移動して暗く見えるようGSHで被覆したoligoclustersの大きさは、電気泳動によりモニターすることができます。また、任意のサイズ製剤の品質は、電気泳動（ すなわち、与えられたサイズのため、狭いサイズ分布を持つ準備が広いサイズ分布と同じ大きさの準備よりもタイトなバンドを生成します）後に見られるバンドの広さによって推測することができます。 図2は、時間遅延 （遅延時間法）またはHGの関係を記述する：シード（アドオン方式）oligoclusterサイズに。遅延時間oligoclustersの種依存性成長およびアドオン方法、それぞれ：TEMにより算出された平均直径は、遅延時間とHGを決定するために使用されます。両方のための手順の概略を示すフローチャート（ 図3）が満たさhods所望の大きさのoligoclustersを生成する予測パラメータを提供する表（ 表1）が示されています。

遅延時間によって形成されたoligoclustersの 図1. ポリアクリルアミド勾配ゲル電気泳動およびアドオンの方法。遅延時間によって生成され、アドオン方法Oligoclusters勾配ゲル電気泳動で分析しました。レーン2-4：。のHAuCl ₄アルカリとのNaSCNの追加を行う間に異なる遅延時間（45、135、および405秒）後に形成されたレーン5-8 oligoclusters：アドオン法により形成されoligoclusters。種子は↓で示す405秒の遅延で遅延時間法により形成しました。 HGの変化量は、アドオンのために使用しました。 （金で1 mM）の溶液をシードするHG溶液の比（ゴールド1 mM）を、各試料を調製するために使用されているインディカテッドは、4xHG、6xHG、12xHG、および24xHGとして。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

図 遅延時間によって形成された金oligoclustersの 2 直径とアドオンの方法。Oligoclusters遅延時間により調製し、アドオンの方法は、TEMにより分析しました。 A）およびB）、参考文献^16、著作権2014年米国化学会から許可を得て適応されます。 （A）50nmの代表的なTEM画像は、試料から調製グリッド×50 nmの領域は、遅延時間法を用いて作製。それらの調製（X軸）に使用される粒子の直径（Y軸）との遅延時間は、両方の軸が対数であり、示されています。 電子の^-bt -黒い太線（R ² = 0.973）は、経験的な3パラメータ方程式Dの_遅延時間 = D ₀ +（1とベストフィットですDの_{遅延時間は、nm}単位でのクラスタの平均直径である場合商標>）、D _0は、クラスター（〜3.5ナノメートル）の最小直径は、遅延時間を延長することによって引き起こされるコアサイズの最大増加は（〜20 nm）の、 および b = 0.0021 ^秒 -1。 （B）のNaSCN（遅延時間法）を加える前に、異なる遅延時間後に形成さoligoclustersの直径は、リニアスケールで示しました。 （C）を添加した後に形成されoligoclustersの直径（アドオン方式）HGの異なる量の405秒の遅延時間で遅延時間法により形成された予め形成された金種に。太い黒線で示すように、容易にアドオン法により形成oligoclustersの直径であることがわかります 、Cの_HGおよびc _種子はアドオン方式でHGの溶液を作ることにし、oligocを製造する際に使用される塩化金酸の濃度である場合それぞれ遅延時間法によりシャンデリア。同様にV _HGとV _種子は 、対応するボリュームです。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

遅延時間と異なるサイズの金oligoclustersを作るためのアドオン方法の 図3. ウォールチャート図 。フローチャートのいずれかの遅延時間を使用してさまざまなサイズの金oligoclustersを合成するための手順を概説またはアドオンの方法。塩化金酸のアルカリ溶液が青色です。 HGは赤です。金ナノ粒子の種子やoligoclustersは黒です。 このファイルをダウンロードするにはこちらをクリックしてください。

表1 Oligoclusterサイズ予測テーブルのいずれかの遅延時間を用いて形成された金oligoclustersの直径を予測またはアドオンの方法。遅延時間法の予測径 ​​が平均oligocluster直径Dの_遅延時間 = D ₀ +ための経験式を用いて計算される- Dは nm単位で金oligoclustersの平均直径は、（1のE ^-bt）を 、D _0は最小径（3.5ナノメートル）、Aはコアサイズ（20 nm）の中で最大の増加であり、bは0.0021秒^-1で、以前¹⁶に示すように。アドオン方式の予測径を新しいナノ粒子はHGから形成することができない考慮に入れて計算され、むしろそれは、このように彼らが大きくなって、均一に周囲に予め形成された球状の種子を堆積させます。他の仮定は必要ありません。これは、簡単に目のことがわかりますアドオン法により形成oligoclustersのE径は 、ここで、cの_HGおよびc _種子はアドオン方式でHGの溶液を作製する際には、それぞれ遅延時間法によりoligoclustersを製造するのに使用される塩化金酸の濃度です。同様にV _HGとV _種子は 、対応するボリュームです。

この原稿は、単分散金oligoclustersのベンチトップ合成（ 図3）のための詳細なプロトコルを提供します。この方法は、単にアルカリ性溶液と還元剤のその後の添加、チオシアン酸ナトリウムへのHAuCl ₄の添加の間の時間を変化させることにより、サイズの広い範囲を生成することができます。アルカリ性へのHAuCl _4の添加は、ヒドロキシル金へのHAuCl ₄の時間依存水酸化内の水溶液の結果をバッファリングし（Na ⁺ [金（OH _4-x）は Clで_X]を^{- ）。}それは平衡反応であるとしてヒドロキシル化は完結しませんが以下のHAuCl ₄でこのヒドロキシル化の結果は、利用可能です。 デノボ金モノマーの核形成および形成のみのHAuCl ₄によって開始することができます。ヒドロキシル化金は金oligoclustersの形成をもたらし、既存の金ナノ粒子上に付加することができるだけです。私たちのアドオンこの方法は、この¹⁶を利用しています。遅延時間法で形成Oligoclustersは水酸化金、それにより播種oligoclustersのサイズを大きく、堆積する際のシードとして使用することができます。播種成長は水酸化金の比率（HG） 対として合成oligocluster（ 図1）を変えることによって制御することができます。両方の方法では、粒子の大きさは、簡単に右の時間遅延（ 図2A、B）を選択することによって、または種子を開始、右、コメントを追加しましたヒドロキシル金（HG）（ 図2C）の右の比率を選択することによって予測することができます。最も有用な粒子サイズの予測は、（ 表1）に示されています。より大きな粒子は、以下に移行し、表示されるGSH誘導体化oligoclustersの大型化は、電気泳動によって監視することができ、特に暗い後金ナノ粒子の吸光係数は、粒子サイズに比例して増加するという事実に起因します。

アドオン方法は、高HGで必要とされる大きな反応容量である最初のうち2つの制限があります。アドオンメソッドの2番目の制限はのHAuCl ₄のヒドロキシル化は平衡反応であり、完結していないことが、前述の事実に由来します。 HAuCl ₄の不完全な水酸化はアドオン反応oligocluster種の濃度が高いままに最小限の影響を与えています。 oligocluster種子の濃度がそうであるように長い遅延時間の種子と高HG使用した場合、低い場合：シード比を、unhydroxylatedのHAuCl ₄の影響は大きくなることがあります。これらの条件下でのHAuCl _4は oligoclustersの不均一な集団を生じる、新規oligoclustersの合成を核形成することができます。

遅延時間やアドオン方法により製造された、合成oligoclustersは金のみの沈殿物の微量を開発し、数週間のために安定しています。後でもあることingがoligoclustersが安定した状態を維持し、凝集に抵抗300倍に濃縮しました。ここで説明した金oligoclustersはまた、このようにして、高価な誘導体化剤がより少量で使用することができるように、事前の誘導体化なしに集中させることができるという追加の利点を有します。グルタチオン（GSH）で誘導体化された後、クラスタは1年まで安定していました。 GSH-誘導体化はまた、このようにin vivo実験に適してい、生理的緩衝液または動物血漿にさらされたときに、それらが凝集に抵抗になり、強い負の電荷^{13を提供します} 。誘導体化試薬を含有するチオール基の広範囲で達成することができます。

他のチオール含有分子で誘導体化oligoclustersの従順^{17,18は、このように} oligoclustersの表面の化学的性質と反応性を制御し、表面単層の便利で簡単に修正することができます。このプロトコルのCAで使用される他の化学物質nは容易に合成を損なうことなく、類似の化学物質に置換すること。これは、他のチオシアン酸塩のための他のアルカリ緩衝剤とホウ砂（ 例えば 、炭酸塩）とチオシアン酸ナトリウムの置換を含んでいる（ 例えば 、KSCN）。

このプロトコルの主な属性が強調されている必要があり、そのシンプルさ、です。唯一ミリグラム体重計及びマグネチックスターラーを高度な生物学的材料の用途に使用することができる商業的品質の金oligoclustersを生成するために必要とされます。広い適用を作製することができるよりも、サイズの広い範囲によって、および単分散により支援されます。また、家の中で生産が低コストです。

oligoclustersは、基底膜および血液関門の透過性の研究のために特に有用です。彼らは簡単に別の経路で生理食塩水を投与し 、インビボ^19-21 で追跡することができます。得られた組織サンプルは、その後で検査することができます電子顕微鏡^16,22。透過性に加えて、バイオ分布は、有益な薬理学的な情報を提供し、異なるサイズのoligoclustersの混合物の投与は、身体^23-25 ​​内部の粒子の大きさに依存分布に関する貴重な情報を提供します。最後に、それらのユニークな構造の彼らはおそらく彼らに蛍光²⁶のほぼ完全な消光でLSPRとフォア結果との間の干渉ので、金ナノ粒子に容易に達成可能ではない蛍光標識、のための理想的な候補者を作る局在表面プラズモン共鳴（LSPR）を発揮することができません。

The authors have nothing to disclose.

TKスロベニア研究機関からの支援を認め（ARRSを、BI-US / 13-14-040、およびJ3-6803付与）。 OSは、国立衛生研究所（NIH）助成RO1HL49277からの支援を認めています。