Простой метод для размера контролируемого синтеза стабильных олигомерных кластеров наночастиц золота в условиях окружающей среды

Мы опишем простой способ получения высокостабильных олигомерные кластеры наночастиц золота с помощью сокращения тетрахлороаурат (HAuCl ₄₎ с тиоцианата натрия (NaSCN). В oligoclusters имеют узкое распределение по размерам и могут быть изготовлены с широким диапазоном размеров и поверхностных слоев.

Снижения разбавленных водных HAuCl ₄ с тиоцианата натрия (NaSCN) в щелочных условиях производит наночастицы диаметром нм 2 до 3. Стабильные винограда, как олигомерные кластеры этих желтых наночастиц узким распределением по размерам синтезируются в условиях окружающей среды с помощью двух методов. Способ задержка времени контролирует количество субъединиц в oligoclusters путем изменения времени между добавлением HAuCl _{4 к} щелочным раствором и последующее добавление восстановителя, NaSCN. Желтые oligoclusters производится в диапазоне размеров от ~ 3 до ~ 25 нм. Этот диапазон размера может быть продлен путем надстройка метода, использующего гидроксилированного золотую хлорид ^{(Na +} [Аи (ОН _4-х) Cl _х] ^-) для автоматического каталитически увеличить число субъединиц в синтезированный oligocluster наночастиц, обеспечивать общий диапазон 3 нм до 70 нм. Препараты сырой oligocluster отображения узким распределением по размерам и не требуют мехтермо фракционирования для большинства целей. В oligoclusters образованные могут быть сконцентрированы> 300 раз без агрегации и смеси сырой реакционной остаются стабильными в течение нескольких недель без дальнейшей обработки. Поскольку эти олигомерные кластеры могут быть сконцентрированы, прежде дериватизации они позволяют дорогие дериватизирующие агенты, используемые в экономическом отношении. Кроме того, мы представляем две модели, с помощью которых предсказания размера частиц могут быть сделаны с большой точностью.

Использование наночастиц золота в качестве инструмента в обоих биомедицинских применений и фундаментальных исследований значительно вырос за последние несколько десятилетий. Мало кто из современных наноматериалов были применены к стольких различных областях, находя их использование во всем от солнечных панелей к лечению рака фототермическая; от электрического до биологических датчиков; от химического катализа в системах доставки лекарственных средств ^1-7. Проценты в золотых наночастиц в качестве инструментов в этих областях обусловлены уникальными свойствами наночастицы золота обладают которые включают специальные структурные, оптические и электронные свойства ^8.

Существует растущая использование наночастиц золота ^9,10 в биологических и химических анализов. Несмотря на наличие многих источников для покупки золотых наночастиц, они приходят на значительном цене по сравнению со стоимостью в синтезе дома. Высокая стоимость коммерчески доступных наночастиц делает в доме синтеза деsirable. Наша методика включает синтез олигомерных нанокластеров сделанных небольших 2-3 нм сферических золотых субъединиц. Имея все преимущества классической наночастиц золота, олигомерные нанокластеры предпочтительным выбором, когда дело доходит до проницаемости или фильтрации ставки измерений, поскольку их модульная структура имитирует структуру белков.

В настоящее время наиболее общие подходы к в доме синтеза наночастиц золота включать сокращение хлорида золота (HAuCl ₄₎ в водных условиях ^11,12. Снижение HAuCl ₄ с общими восстанавливающих реагентов, таких как боргидрид натрия (NaBH ₄₎ или цитрата натрия, обеспечивает производство сферических наночастиц ^13. Наночастицы золота, синтезированные с помощью этих методов ограничены в их полезного диапазона размеров, поскольку они становятся чувствительными к присутствию солей в биологических буферов, как повысить их основные диаметры. Способ, была описана ранеедля синтеза желтых наночастиц 2-3 нм в диаметре от сокращения HAuCl ₄ с тиоцианата натрия в щелочных условиях ^14,15.

Здесь мы описываем модификацию этого метода, который производит виноградный подобные oligocluster из желтых наночастиц без необходимости в дополнительных укупорки агентов. Путем простого изменения времени между добавлением HAuCl _{4 к} щелочным раствором и последующее добавление восстановителя, тиоцианат натрия, мы можем варьировать полученную размер частиц золота из ~ 3 нм до ~ 25 нм. Для изготовления более крупных частиц, простой дополнение процедура может быть использована для выращивания этих oligoclusters добавлением гидроксилированных золота (Hg) в качестве синтезированных oligoclusters в присутствии тиоцианата натрия. С помощью этих двух методов, мы можем надежно производить oligoclusters охватывающих диапазон от ~ 3 нм до ~ 70 нм. Тот факт, что этот метод позволяет хорошо контролировать синтез высококачественного гстарые oligoclusters под стендовых условиях со стандартным оборудованием и ограниченным числом реагентов потенциально расширяет преимущества золотых наночастиц в качестве исследовательского инструмента для исследователей с небольшим или никаким опытом в области химического синтеза.

1. Подготовка реагентов

Внимание: при работе с химическими веществами и решений всегда соблюдать осторожность. Следуйте надлежащих методов техники безопасности и носить перчатки, очки и халат во все времена. Следует помнить, что наноматериалы могут иметь дополнительные опасности по сравнению с их объемной коллегой.
Примечание: Все химические растворы изготавливают моляльная (грамм моль на кг растворителя), а не моляра (грамм моль на литр раствора).

1. Получение хлорида золота
   1. Растворить 1 г тригидрата золота (III) хлорида в 100 г H _{2 O} с получением 25 мМ HAuCl _4.
2. Получение буры (Na _{2 B 4 O 7} · 10H _{2 O)}
   1. Растворите 3,81 г буры в 100 г H _{2 O,} чтобы дать 0,1 моляльной буру (теплый, если необходимо обеспечить полное решение).
3. Получение тиоцианата натрия
   1. Растворить 8,1 г тиоцианата натрия в 100 г_{H 2 O} с получением 1 моляльной NaSCN.
4. Получение карбоната натрия
   1. Растворите 5,3 г безводного карбоната натрия в 100 г H _{2 O} с получением 0,5 моляльной _{Na 2 CO 3.}
5. Получение глутатиона
   1. Растворить 154 мг восстановленного глутатиона (GSH) в 1 мл 0,5 моляльная _{Na 2 CO 3} с получением 0,5 моляльная GSH.

2. Синтез Gold Oligoclusters

1. Задержка времени Синтез Gold Oligoclusters
   1. Добавить 59,5 мл H _{2 O} на чистую 125 мл Уитон стеклянной бутылке, содержащей мешалку. Используйте любой плоской нижней чистый стеклянный контейнер, но убедитесь, что это очень чистый.
   2. Добавить 7 мл 0,1 моляльной буры и довести решение до энергичного перемешать.
   3. Добавить 2,8 мл ~ 25 мМ HAuCl ₄ при энергичном перемешивании и ждать желаемое время задержки (добавление HAuCl ₄ начинается задержка времени). Время задержки будет определять размерАС синтезированы oligoclusters как показано в таблице 1.
   4. После желаемое время задержки, добавьте 700 мкл 1 моляльной NaSCN под кратким интенсивным перемешиванием (1200 оборотов в минуту в течение 30 сек).
   5. Удалить мешалку и оставляют реакционную смесь до завершени O / N (распределение по размерам oligoclusters могут быть дополнительно улучшены, позволяя смесь непрерывно перемешивают O / N в то время как реакция идет к завершению). После реакции прийти к завершению синтезированного сырой oligoclusters стабильны в течение недели.
2. Дополнительный роста Oligoclusters
   1. Зерноуборочные 10 мл, как-синтезированных oligoclusters до 60 мл HG. Отношение, как-синтезированных oligoclusters до HG определяет размер полученных oligoclusters, увеличивая относительное количество HG производит большие oligoclusters.
   2. Добавить 900 мкл 1 моляльной NaSCN под кратким интенсивным перемешиванием (1200 оборотов в минуту в течение 30 сек).
   3. Оставляют реакционную идти до завершения O / N (распределение по размерам oligoclustersможет быть дополнительно улучшена, позволяя смесь непрерывно перемешивают O / N в то время как реакция идет к завершению).

3. GSH Получение производных и обогащение Oligoclusters

1. Добавить 70 мл в синтезированных oligoclusters сырой (или oligoclusters из надстройки по методу) до 70 мл 30 кДа отсечки центробежной фильтр.
2. Спин течение 15 мин при 3000 х г в. Это концентрирует частицы вниз до объема ~ 250 мкл.
3. Флип устройство снова и восстановить ретентата спиннинг устройство в течение 3 мин при 500 х г в. Восстановленные объем должен быть ~ 250 мкл.
4. Мера восстановлены громкость с помощью микропипетки.
5. Добавить объем 0,5 моляльной глутатиона (или другого тиола), равном 1/9 ^й извлеченного объема концентрированных oligoclusters (конечная концентрация 50 mmolal GSH).
6. Разрешить реакция производных сидеть при комнатной температуре в течение 5-10 мин. Получение производных происходит быстро. Чрезмерно длинные времена может распустить частицы.
7. Развести произдартизованных oligoclusters в 50 мл фосфатно-буферным раствором Дульбекко. (Другие буферы или _{H 2 O} может быть выбран в качестве разбавителя / промывочного буфера в этом шаге. Выбор, как правило, определяется предполагаемой потоку приложения.)
8. Добавьте все разбавленных дериватизированных oligoclusters до 30 кДа отсечки центробежным фильтром.
9. Спин центробежным фильтром в течение 15 мин при 3000 х г в.
10. Флип устройство снова и восстановить ретентата спиннинг устройство в течение 3 мин при 500 х г в. Восстановленные объем должен быть ~ 250 мкл. Восстановленные концентрированные частицы готовы к использованию и стабильны в течение нескольких месяцев при 4 ° С.

4. Анализ и проверка Oligocluster Synthesis

1. Гель-электрофорез Oligoclusters
   1. Электрофорез подготовки сырой oligocluster
      1. Смешайте синтезированного oligocluster Подготовительные 2: 1 с буфером нагрузки, содержащей 60% глицерина, ~ 0,15% бромфенола синего и 150 mmolal GSH (запаса 0,5 моляльной G изSH растворяют в 0,5 моляльной Na _{2 CO 3).}
      2. Нагрузка 30 мкл на сборного полиакриламидном градиентном геле (любой кДа) и запустить с Трис-Глицин Запуск буфер (25 мМ Трис, 192 мМ глицина; не используется SDS) за 26 мин при постоянном напряжении (200 V).
   2. Электрофорез GSH дериватизованных Oligoclusters
      1. Развести GSH-производные oligocluster подготовки 1: 3 с _{H 2 O} (обычно 2 мкл ГШ-oligoclusters с 6 мкл _{H 2 O).}
      2. Смешайте разбавленный GSH-производные oligoclusters 2: 1 с буфером нагрузки, содержащей 60% глицерина, ~ 0,15% бромфенола синего и 150 mmolal бикарбоната натрия.
      3. Нагрузка 10 мкл на сборного полиакриламидном градиентном геле (любой кДа) и запустить с Трис-Глицин Запуск буфер (25 мМ Трис, 192 мМ глицина; не используется SDS) за 26 мин при постоянном напряжении (200 V).
2. Просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ)
   1. Подготовка Oligoclusters для ТЕА
      1. Для мытья oligoclusters разбавить 20 мкл концентрированных oligoclusters 0,5 мл _{H 2 O} и нагрузки в 0,5 мл 30 кДа отсечки центробежной фильтр.
      2. Спин при 14000 х г в течение 10 мин.
      3. Удалить фильтрата и ресуспендируют ретентата со свежим 0,5 мл _{H 2 O.}
      4. Повторите промывку дважды в общей сложности 3 стирок.
      5. Развести окончательного ретентат 500 раз в _{H 2 O} (oligoclusters готовы к гриддинга в этой точке).
   2. Гридинг Oligoclusters
      1. Тлеющий разряд углерода покрытием сетки.
      2. Депозит 0,6 мкл промытых и разводненной oligoclusters на тлеющем выписан сетку, покрытую углеродом.
      3. Разрешить сетку до воздушно-сухого в течение 10 мин.
      4. Визуализация oligoclusters ТЭМ в 100000-кратном увеличении. Работают на 80 кВ для изображений, показанных здесь.

Синтез золотых oligoclusters были проанализированы с помощью электрофореза гель (рисунок 1) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) (рисунок 2). Размер oligoclusters GSH-покрытых можно контролировать с помощью электрофореза в более крупные частицы мигрируют все меньше и темнее. Кроме того, качество любого данного препарата размера может быть выведен широты диапазона видели после электрофореза (т.е. для данного размера, препараты с распределениями узких размера будет производить более жесткие полосы, чем препараты того же размера с более широкими распределений размеров) . Рисунок 2 описывает связь временной задержки (метод задержки времени) или HG: семя (дополнение метод), чтобы oligocluster размер. Средние диаметры рассчитанные методом просвечивающей электронной микроскопии используются для определения задержки времени и HG: рост зависимость семенной oligoclusters для задержки времени и дополнительных методов, соответственно. Блок-схема (рисунок 3), с описанием процедуры для обоих метHODS и таблица (таблица 1) обеспечение предсказанные параметры для получения oligoclusters желаемого размера представлены.

Рисунок 1. Полиакриламид градиент гель электрофорез oligoclusters образованных задержка времени и дополнительных методов. Oligoclusters производится задержки времени и дополнительных методов были проанализированы на электрофореза градиентном геле. Дорожки 2-4: oligoclusters образованные после различным временем задержки (45, 135, и 405 сек) между делая HAuCl ₄ щелочные и добавление NaSCN Переулках 5-8:. Oligoclusters образованных дополнительными метода. Семенной был сформирован методом задержка времени с 405 задержки сек, обозначенном ↓. Различные количества HG были использованы для дополнения. Соотношения раствора Hg (1 мм в золоте), чтобы отобрать решение (1 мМ в золоте), используемые для приготовления каждого образца показателямТед, а 4xHG, 6xHG, 12xHG и 24xHG. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Рисунок 2. Диаметры золотых oligoclusters образованные задержки времени и дополнительных методов. Oligoclusters подготовленные задержки времени и дополнительных методов были проанализированы с помощью ПЭМ. А) и Б) приспособлены с разрешения реф. ^16, Copyright 2014 Американского химического общества. (А) представитель ПЭМ-изображения 50 нм х 50 нм участки сеток, изготовленных из образцов с использованием метода задержки времени. Диаметр частиц (ось) и временем задержки используемых при их получении (оси X) указаны оба оси логарифмические. Тяжелая черная линия ^{(R 2} = 0,973) является наилучшим образом подходит с эмпирической 3-параметра уравнение D _{задержки времени} = D ₀ + а (1 - е ^-bt ), где D _{задержки времени} средний диаметр кластеров в нм, D ₀ минимальный диаметр кластеров (~ 3,5 нм); А является максимальное увеличение размера базовой вызвано увеличением времени задержки (~ 20 нм) и б = 0,0021 сек ^-1. (B) Диаметры oligoclusters образовавшихся после различным временем задержки перед добавлением NaSCN (метод задержки времени) представил в линейном масштабе. (С) Диаметры oligoclusters образовавшихся после того (надстройка метод) различных количеств HG на сформованных семян золотых сформированных способом задержки времени с временем задержки 405 сек. Как показано с помощью тяжелой черной линией, это можно легко увидеть, что диаметр oligoclusters образованный дополнительными метода является , Где с _HG и гр _Семена концентрации тетрахлороаурат используемые при изготовлении раствора ртути в дополнительными метода и в принятии oligoc люстры методом задержки времени, соответственно. Аналогично _Семена V _HG и V являются соответствующие объемы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Рисунок 3. Учебный плакат схема задержки времени и дополнительных способов получения золота oligoclusters разных размеров. Блок-схема с изложением процедуры для синтеза золотых oligoclusters разных размеров, используя либо задержки времени или дополнительные методы. Щелочной раствор тетрахлороаурат синий. HG красный. Золото семена наночастиц и oligoclusters черные. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы загрузить этот файл.

Таблица 1. Oligocluster предсказание размер таблицы. Прогнозируемые диаметры золотых oligoclusters образованные с помощью либо задержки времени или дополнения методов. Прогнозируемая диаметр для метода задержки времени рассчитывается эмпирическую формулу для средний диаметр oligocluster D _{задержки времени} = D ₀ + а (1 - е ^-bt), где D является средний диаметр золотых oligoclusters в нм, D ₀ минимальный диаметр (3,5 нм), а является максимальное увеличение размера базовой (20 нм), и б является 0,0021 сек ^-1, как было показано ранее ^16. Прогнозируемая диаметр для надстройки по методу рассчитывается с учетом, что новые наночастицы не могут образовывать с HG, а его наносят равномерно вокруг предварительно сформированные сферические семена, тем самым делая их больше. Ни одна другая предположение не является необходимым. Это можно легко увидеть, что гое диаметр oligoclusters формируется дополнительными метода является , Где с _HG и гр _Семена концентрации тетрахлороаурат используемые при изготовлении раствора ртути в дополнительными метода и в принятии oligoclusters методом задержки времени, соответственно. Аналогично _Семена V _HG и V являются соответствующие объемы.

Эта рукопись представляет собой подробный протокол для настольной синтеза монодисперсных золотых oligoclusters (рисунок 3). Способ способен производить широкий диапазон размеров простым изменением времени между добавлением HAuCl _{4 к} щелочным раствором и последующее добавление восстановителя, тиоцианата натрия. Добавление HAuCl ₄ до щелочной буферный водный раствора приводит к временной зависимости гидроксилирования HAuCl _{4 к} гидроксилированного золота ^{(Na +} [Аи (ОН _4-х) Cl _х] ^-). Это гидроксилирования результаты менее HAuCl ₄ будут доступны, хотя гидроксилирование не идет к завершению, как это представляет собой равновесную реакцию. Зарождение и формирование De Novo золотых мономеров может быть инициирован только HAuCl _4. Гидроксилированные золота способен лишь добавив к существующим наночастиц золота, что приводит к образованию золотых oligoclusters; наша дополненияСпособ использует эту ^16. Oligoclusters образованные с помощью метода задержки времени могут быть использованы в качестве затравок при котором гидроксилированных золото наносится, тем самым увеличивая размер посеянных oligoclusters. Семенами рост можно контролировать, изменяя соотношение количества гидроксилированных золота (HG) против синтезированного oligocluster (Рисунок 1). В обоих методах размер частиц легко может быть предсказано, выбрав правильный задержку (рис 2А, Б) или выбрав право начиная семена и правильное соотношение добавленной гидроксилированных золота (HG) (рис 2С). Прогнозы на самых полезных размеров частиц представлены (Таблица 1). Увеличивая размер GSH дериватизированных oligoclusters можно контролировать с помощью электрофореза в более крупные частицы мигрируют все меньше и появляются в частности темнее, чем позже в результате того, что коэффициент экстинкции наночастиц золота увеличивается пропорционально размеру частиц.

Дополнения метод имеет два ограничения, первое из которых является большое реакционные объемы, необходимые при высоких HG: соотношениях семян. Второе ограничение для надстройки по методу происходит от вышеупомянутой тем, что гидроксилирование HAuCl _{4 представляет собой} равновесную реакцию и не идет к завершению. Неполным гидроксилирование HAuCl ₄ имеет минимальное влияние на дополнительными реакции, когда концентрация семян oligocluster остается высоким. Когда концентрация семян oligocluster низки, как это имеет место при использовании длинный семя задержка времени и высокой HG: коэффициенты семян, влияние unhydroxylated HAuCl ₄ может стать значительным. В этих условиях HAuCl ₄ способен зародыши синтез новых oligoclusters, в результате чего гетерогенных популяций oligoclusters.

Синтезированного oligoclusters произведенные задержки времени или Add-On метода являются стабильными в течение нескольких недель, только развивается следовые количества осадка золота. Даже после бытьING концентрировали в 300 раз, что oligoclusters остаются стабильными и противостоять агрегации. Золотые oligoclusters описанные здесь также есть дополнительное преимущество, которое позволяет быть сконцентрированы без предварительного получения производных, тем самым позволяя дорогие дериватизирующие агенты, которые будут использоваться в меньших объемах. После дериватизации с глутатиона (GSH), кластеры оставались стабильными до одного года. GSH-производного также обеспечивает сильный отрицательный заряд ^13, что делает их противостоять агрегации при воздействии физиологических буферах или животного плазмы, таким образом, что делает их пригодными для экспериментов в естественных условиях. Получение производных может быть достигнуто широкое разнообразие тиоловых групп, содержащий реагенты.

Аменабельности oligoclusters дериватизации с другими тиоловыми содержащий молекул ^17,18 обеспечивает удобный и легкий модификации поверхности монослоя, таким образом, контрольный химию поверхности и реакционной способности oligoclusters. Другие химические вещества, используемые в настоящем Протоколе CAп легко заменить аналогичными химическими веществами, не ухудшая синтез. Это включает в себя замену буры с другими щелочными буферами (например., Карбонат) и тиоцианата натрия для других солей тиоцианатных (например., KSCN).

Главным атрибутом этого протокола является его простота, которая должна быть подчеркнуто. Только вес масштаба миллиграмм и магнитной мешалкой требуется производить коммерческие качество золотых oligoclusters которые могут быть использованы для продвинутых биологических и материальных применений. Широкая применимость чему способствует широкий диапазон размеров, чем могут быть получены и по монодисперсности. Кроме того, в доме производство является низкая стоимость.

В oligoclusters особенно ценны для изучения проницаемости базальных мембран и барьеров крови. Они могут быть легко управляются с физиологическим раствором через различные маршруты и отслеживать в естественных условиях ^19-21. Полученные образцы тканей могут быть впоследствии исследовали подэлектронный микроскоп ^16,22. Кроме проницаемости, распространение био обеспечивает ценные фармакологические информация и администрация смеси oligoclusters разных размеров дает ценную информацию о размере зависимого размещения частиц внутри тела ^23-25. Наконец, из-за их уникальной структуры они не проявляются локализованные поверхностного плазмонного резонанса (LSPR) возможно что делает их идеальными кандидатами для флуоресцентного мечения, которая не является легко достижимым в золотых наночастиц, потому что интерференция между LSPR и флуорофором результатов в почти полной тушению флуоресценции ²⁶ ,

The authors have nothing to disclose.

ТК признает поддержку со стороны Агентства Словении исследований (ARRS, предоставляет БИ-США / 13-14-040, и J3-6803). ОС подтверждает поддержку от Национального института здоровья (NIH) гранта RO1HL49277.