Коллоидное золото - Colloidal gold

Суспензии наночастиц золота различного размера. Разница в размерах вызывает разницу в цветах.

Коллоидное золото представляет собой золь или коллоидная суспензия из наночастиц из золота в жидкости, обычно воды. Коллоид обычно имеет интенсивный красный цвет (для сферических частиц менее 100  нм ) или синий / пурпурный (для более крупных сферических частиц или наностержней ). Благодаря своим оптическим , электронным свойствам и свойствам распознавания молекул наночастицы золота являются предметом значительных исследований с множеством потенциальных или обещанных применений в самых разных областях, включая электронную микроскопию , электронику , нанотехнологии , материаловедение и т. Д.биомедицина .

Свойства наночастиц коллоидного золота и, следовательно, их потенциальные применения сильно зависят от их размера и формы. Например, стержневидные частицы имеют как поперечный, так и продольный пик поглощения , а анизотропия формы влияет на их самосборку .

История

Эта стеклянная чаша из клюквы была сделана путем добавления соли золота (вероятно, хлорида золота) в расплавленное стекло.

Используемый с древних времен как метод окрашивания стекла коллоидное золото использовалось в чаше Ликурга 4-го века , которая меняет цвет в зависимости от расположения источника света.

В средние века растворимое золото, раствор, содержащий соль золота , имел репутацию лечебного свойства при различных заболеваниях. В 1618 году Фрэнсис Энтони , философ и медицинский работник, опубликовал книгу под названием Panacea Aurea, sive tractatus duo de ipsius Auro Potabili (латинское: золотое зелье или два лечения питьевым золотом). В книге представлена ​​информация об образовании коллоидного золота и его медицинских применениях. Примерно полвека спустя английский ботаник Николас Калпеппер опубликовал в 1656 году книгу « Трактат о Aurum Potabile» , в которой исключительно обсуждались медицинские применения коллоидного золота.

В 1676 году немецкий химик Иоганн Кункель опубликовал книгу по изготовлению витражей. В своей книге « Ценные наблюдения или замечания о фиксированных и летучих солях - Auro и Argento Potabile, Spiritu Mundi и им подобные» Кункель предположил, что розовый цвет Aurum Potabile произошел от небольших частиц металлического золота, невидимых человеческому глазу. В 1842 году Джон Гершель изобрел фотографический процесс, названный хризотипом (от греческого χρῡσός, что означает «золото»), который использовал коллоидное золото для записи изображений на бумаге.

Современная научная оценка коллоидного золота не началась до работы Майкла Фарадея в 1850-х годах. В 1856 году в подвальной лаборатории Королевского института Фарадей случайно создал раствор рубиново-красного цвета, вставляя кусочки сусального золота на предметные стекла микроскопа. Поскольку он уже интересовался свойствами света и материи, Фарадей продолжил исследование оптических свойств коллоидного золота. Он приготовил первый чистый образец коллоидного золота, который он назвал «активированным золотом», в 1857 году. Он использовал фосфор для восстановления раствора хлорида золота. Коллоидное золото, полученное Фарадеем 150 лет назад, все еще оптически активно. Долгое время состав «рубинового» золота оставался неясным. Некоторые химики подозревали, что это соединение золота и олова из-за его приготовления. Фарадей признал, что цвет на самом деле был обусловлен миниатюрным размером золотых частиц. Он отметил светорассеивающие свойства взвешенных микрочастиц золота, которые теперь называют эффектом Фарадея-Тиндаля .

В 1898 году Ричард Адольф Зигмонди приготовил первое коллоидное золото в разбавленном растворе. Помимо Жигмонди, синтезом и свойствами коллоидного золота интересовались Теодор Сведберг , который изобрел ультрацентрифугирование , и Густав Ми , предложивший теорию рассеяния и поглощения сферическими частицами .

С развитием различных аналитических технологий в 20 веке исследования наночастиц золота ускорились. Передовые методы микроскопии, такие как атомно-силовая микроскопия и электронная микроскопия , внесли наибольший вклад в исследования наночастиц. Благодаря сравнительно простому синтезу и высокой стабильности, различные частицы золота были изучены для их практического использования. Различные типы наночастиц золота уже используются во многих отраслях промышленности, например, в электронике.

Физические свойства

Оптический

Изменение сечения рассеяния золотой наночастицы радиусом 100 нм в зависимости от длины волны

Коллоидное золото использовалось художниками на протяжении веков из-за взаимодействия наночастиц с видимым светом. Наночастицы золота поглощают и рассеивают свет, в результате чего цвет варьируется от ярко-красного (более мелкие частицы) до синего и черного и, наконец, до прозрачного и бесцветного (более крупные частицы), в зависимости от размера, формы, местного показателя преломления и агрегатного состояния. Эти цвета возникают из-за явления, называемого локализованным поверхностным плазмонным резонансом (LSPR), при котором электроны проводимости на поверхности наночастицы колеблются в резонансе с падающим светом.

Влияние размера

Как правило, длина волны поглощаемого света увеличивается с увеличением размера наночастиц. Например, псевдосферические наночастицы золота диаметром ~ 30 нм имеют максимум поглощения LSPR при ~ 530 нм.

Влияние местного показателя преломления

Изменения видимого цвета раствора наночастиц золота также могут быть вызваны средой, в которой находится суспензия коллоидного золота. Оптические свойства наночастиц золота зависят от показателя преломления вблизи поверхности наночастиц, поэтому обе молекулы непосредственно прикреплены к поверхности наночастиц. (т.е. лиганды наночастиц) и / или растворитель наночастиц могут влиять на наблюдаемые оптические характеристики. По мере увеличения показателя преломления вблизи поверхности золота NP LSPR будет сдвигаться в сторону более длинных волн. Помимо среды растворителя, пик экстинкции можно настроить, покрывая наночастицы непроводящими оболочками, такими как диоксид кремния, биомолекулы или оксид алюминия.

Эффект агрегации

Когда золотые наночастицы объединяются, оптические свойства частицы меняются, потому что изменяются эффективный размер, форма и диэлектрическая среда.

Медицинские исследования

Электронная микроскопия

Коллоидное золото и его различные производные уже давно являются одними из наиболее широко используемых меток для антигенов в биологической электронной микроскопии . Частицы коллоидного золота могут быть прикреплены ко многим традиционным биологическим зондам, таким как антитела , лектины , суперантигены , гликаны , нуклеиновые кислоты и рецепторы. Частицы разных размеров легко различимы на электронных микрофотографиях, что позволяет проводить одновременные эксперименты с множественными мечениями.

Помимо биологических зондов, наночастицы золота могут быть перенесены на различные минеральные субстраты, такие как слюда, монокристаллический кремний и атомарно плоское золото (III), для наблюдения с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ).

Система доставки лекарств

Наночастицы золота можно использовать для оптимизации биораспределения лекарств в пораженных органах, тканях или клетках, чтобы улучшить и направить доставку лекарств. Доставка лекарств, опосредованная наночастицами, возможна только в том случае, если распределение лекарств в остальном неадекватно. Эти случаи включают лекарственное нацеливание на нестабильные ( белки , миРНК , ДНК ), доставку к трудным участкам (мозг, сетчатку, опухоли, внутриклеточные органеллы) и лекарства с серьезными побочными эффектами (например, противораковые агенты). Характеристики наночастиц зависят от размера и функциональности поверхности частиц. Кроме того, высвобождение лекарственного средства и дезинтеграция частиц могут варьироваться в зависимости от системы (например, биоразлагаемые полимеры, чувствительные к pH). Оптимальная система доставки нанопрепаратов гарантирует, что активное лекарство доступно в месте действия в течение правильного времени и продолжительности, а их концентрация должна быть выше минимальной эффективной концентрации (MEC) и ниже минимальной токсической концентрации (MTC).

Наночастицы золота исследуются как носители таких лекарств, как паклитаксел . Введение гидрофобных лекарственных средств требует молекулярной инкапсуляции, и было обнаружено, что наноразмерные частицы особенно эффективны для уклонения от ретикулоэндотелиальной системы .

Обнаружение опухоли

В исследованиях рака коллоидное золото может использоваться для нацеливания на опухоли и обеспечения обнаружения с помощью SERS ( спектроскопия комбинационного рассеяния с усилением поверхности ) in vivo . Эти золотые наночастицы окружены рамановскими репортерами, которые обеспечивают световое излучение, которое более чем в 200 раз ярче, чем квантовые точки . Было обнаружено, что репортеры комбинационного рассеяния стабилизировались, когда наночастицы были инкапсулированы оболочкой из модифицированного тиолом полиэтиленгликоля . Это обеспечивает совместимость и циркуляцию in vivo . Для специфического нацеливания на опухолевые клетки частицы полиэтиленгилированного золота конъюгируют с антителом (или фрагментом антитела, таким как scFv), например, против рецептора эпидермального фактора роста , который иногда сверхэкспрессируется в клетках определенных типов рака. Используя SERS, эти пегилированные наночастицы золота могут затем определить местоположение опухоли.

Наночастицы золота накапливаются в опухолях из-за неплотности сосудистой сети опухоли и могут использоваться в качестве контрастных агентов для улучшенной визуализации в системе оптической томографии с временным разрешением с использованием короткоимпульсных лазеров для обнаружения рака кожи на модели мыши. Обнаружено, что внутривенно введенные сферические наночастицы золота расширяли временной профиль отраженных оптических сигналов и усиливали контраст между окружающей нормальной тканью и опухолями.

Таргетинг на опухоли с помощью многофункциональных наноносителей. Раковые клетки снижают адгезию к соседним клеткам и мигрируют в строму, богатую сосудистой сетью. Попадая в сосудистую сеть, клетки могут свободно попадать в кровоток. Как только опухоль напрямую связана с основной системой кровообращения, многофункциональные наноносители могут напрямую взаимодействовать с раковыми клетками и эффективно воздействовать на опухоли.

Генная терапия

Золотые наночастицы показали потенциал в качестве носителей внутриклеточной доставки олигонуклеотидов siRNA с максимальным терапевтическим эффектом.

Многофункциональные наночастицы миРНК-золота с несколькими биомолекулами: ПЭГ, пептиды клеточной адгезии и проникновения в клетки, а также миРНК. Для конъюгирования миРНК с золотой наночастицей использовались два разных подхода: (1) Ковалентный подход : использование тиолированной миРНК для связывания золото-тиол с наночастицей; (2) Ионный подход : взаимодействие отрицательно заряженной миРНК с модифицированной поверхностью AuNP посредством ионных взаимодействий.

Золотые наночастицы обладают потенциалом в качестве внутриклеточных носителей для доставки антисмысловых олигонуклеотидов (одно- и двухцепочечной ДНК), обеспечивая защиту от внутриклеточных нуклеаз и легкость функционализации для избирательного нацеливания.

Фототермические агенты

Золотые наностержни исследуются как фототермические агенты для приложений in-vivo. Золотые наностержни представляют собой стержневые золотые наночастицы, соотношение сторон которых настраивает полосу поверхностного плазмонного резонанса (ППР) от видимой до ближней инфракрасной длины волны. Полное поглощение света на ППР складывается как из поглощения, так и из рассеяния. Для наностержней с меньшим осевым диаметром (~ 10 нм) преобладает поглощение, тогда как для наностержней с большим осевым диаметром (> 35 нм) может преобладать рассеяние. Как следствие, для исследований in vivo золотые наностержни малого диаметра используются в качестве фототермических преобразователей ближнего инфракрасного света из-за их высокого поперечного сечения поглощения. Поскольку свет в ближнем инфракрасном диапазоне легко проходит через кожу и ткани человека, эти наностержни можно использовать в качестве компонентов абляции для лечения рака и других целей. При покрытии полимерами золотые наностержни циркулируют in vivo с периодом полураспада более 6 часов, временем пребывания в организме около 72 часов и практически не поглощаются какими-либо внутренними органами, кроме печени.

Несмотря на несомненный успех золотых наностержней в качестве фототермических агентов в доклинических исследованиях , они еще не получили одобрения для клинического использования, поскольку размер превышает порог почечной экскреции . В 2019 году, первый БИК-поглощающий плазмонная сверхмалые-в-нана архитектура была сообщена, и совместно объединить: (I) подход щей фототермической преобразованией для гипертермии лечения, (II) возможность множественного фототермического лечения и (III) , почечная экскреция из строительные блоки после терапевтического воздействия.

Усилитель дозы лучевой терапии

Значительный интерес был проявлен к использованию золота и других наночастиц, содержащих тяжелые атомы, для увеличения дозы, доставляемой опухолям. Поскольку наночастицы золота захватываются опухолями в большей степени, чем близлежащие здоровые ткани, доза избирательно увеличивается. Биологическая эффективность этого типа терапии, по-видимому, связана с локальным отложением дозы облучения вблизи наночастиц. Этот механизм тот же, что и при терапии тяжелыми ионами .

Обнаружение токсичного газа

Исследователи разработали простые недорогие методы обнаружения сероводорода H на месте.
2
S
присутствует в воздухе на основе антиагрегации наночастиц золота (AuNP). Растворение H
2
S
в слабощелочном буферном растворе приводит к образованию HS-, который может стабилизировать AuNP и гарантировать, что они сохранят свой красный цвет, что позволяет визуально определять токсичные уровни H
2
S
.

Биосенсор на основе наночастиц золота

Наночастицы золота включены в биосенсоры для повышения их стабильности, чувствительности и селективности. Свойства наночастиц, такие как малый размер, высокое отношение поверхности к объему и высокая поверхностная энергия, позволяют иммобилизовать широкий спектр биомолекул. Золотая наночастица, в частности, может также действовать как «электронный провод» для переноса электронов, а ее усиливающий эффект на электромагнитный свет позволяет ей действовать как усилители сигнала. Основными типами биосенсоров на основе наночастиц золота являются оптические и электрохимические биосенсоры.

Оптический биосенсор

Биосенсор для определения глутатиона (GSH) на основе наночастиц золота (Au-NP ). AuNP функционализированы с помощью химической группы, которая связывается с GSH и заставляет NP частично разрушаться и, таким образом, менять цвет. Точное количество GSH можно определить с помощью УФ-видимой спектроскопии по калибровочной кривой .

Наночастицы золота улучшают чувствительность оптического сенсора, реагируя на изменение локального показателя преломления. Угол падения света для поверхностного плазмонного резонанса, взаимодействия между световой волной и проводящими электронами в металле, изменяется, когда другие вещества связаны с поверхностью металла. Поскольку золото очень чувствительно к диэлектрической проницаемости окружающей среды, связывание аналита может значительно изменить SPR золотых наночастиц и, следовательно, обеспечить более чувствительное обнаружение. Золотая наночастица также может усиливать сигнал SPR. Когда плазмонная волна проходит через золотую наночастицу, плотность заряда в волне и электрон - золото взаимодействуют и приводят к более высокому энергетическому отклику, так называемому взаимодействию электронов. Поскольку аналит и биорецептор теперь связываются с золотом, это увеличивает кажущуюся массу анализируемого вещества и, следовательно, усиливает сигнал. Эти свойства были использованы для создания ДНК-сенсора с 1000-кратной чувствительностью, чем без Au NP. Датчик влажности также был построен путем изменения расстояния между атомами между молекулами с изменением влажности, изменение расстояния также привело бы к изменению LSPR Au NP.

Электрохимический биосенсор

Электрохимический датчик преобразует биологическую информацию в электрические сигналы, которые могут быть обнаружены. Проводимость и биосовместимость Au NP позволяют ему действовать как «электронная проволока». Он переносит электрон между электродом и активным центром фермента. Это можно сделать двумя способами: присоединить Au NP к ферменту или к электроду. Монослойный электрод GNP-глюкозооксидазы был сконструирован с использованием этих двух методов. Au NP дает больше свободы в ориентации фермента и, следовательно, более чувствительное и стабильное обнаружение. Au NP также действует как платформа для иммобилизации фермента. Большинство биомолекул денатурирует или теряет активность при взаимодействии с электродом. Биосовместимость и высокая поверхностная энергия Au позволяют ему связываться с большим количеством белка без изменения его активности, что приводит к более чувствительному сенсору. Более того, Au NP также катализирует биологические реакции. Золотая наночастица размером менее 2 нм проявила каталитическую активность по отношению к окислению стирола.

Иммунологический биосенсор

Наночастицы золота были покрыты пептидами и гликанами для использования в иммунологических методах обнаружения. Возможность использования гликонаночастиц в ELISA была неожиданной, но этот метод, по-видимому, обладает высокой чувствительностью и, таким образом, предлагает потенциал для разработки специфических анализов для диагностической идентификации антител в сыворотках пациентов.

Тонкие пленки

Наночастицы золота, покрытые органическими лигандами, такими как молекулы алкантиола, могут самоорганизовываться в большие монослои (> см ). Сначала частицы готовят в органическом растворителе, таком как хлороформ или толуол, а затем распределяют в монослои либо на жидкой поверхности, либо на твердой подложке. Такие межфазные тонкие пленки наночастиц имеют тесную связь с монослоями Ленгмюра-Блоджетт, сделанными из поверхностно-активных веществ.

Механические свойства монослоев наночастиц широко изучены. Для сфер размером 5 нм, покрытых додекантиолом, модуль Юнга монослоя составляет порядка ГПа. Механика мембран определяется сильными взаимодействиями между лигандными оболочками на соседних частицах. При разрушении пленки растрескиваются перпендикулярно направлению деформации при напряжении разрушения 11 2,6 МПа, что сравнимо с таковым у пленок из сшитых полимеров. Свободно стоящие мембраны из наночастиц демонстрируют жесткость на изгиб порядка 10 эВ, что выше, чем предсказывается в теории для непрерывных пластин той же толщины, из-за нелокальных микроструктурных ограничений, таких как нелокальная связь вращательных степеней свободы частиц. С другой стороны, обнаружено, что сопротивление изгибу значительно снижается в монослоях наночастиц, которые поддерживаются на границе раздела воздух / вода, возможно, из-за экранирования взаимодействий лигандов во влажной среде.

Химия поверхности

Во многих различных типах синтезов коллоидного золота интерфейс наночастиц может иметь совершенно разные характер - от интерфейса, подобного самоорганизующемуся монослою, до неупорядоченной границы без повторяющихся узоров. Помимо интерфейса Au-лиганд, конъюгация межфазных лигандов с различными функциональными фрагментами (от небольших органических молекул до полимеров, от ДНК до РНК) дает коллоидному золоту большую часть его обширных функциональных возможностей.

Обмен / функционализация лиганда

После первоначального синтеза наночастиц лиганды коллоидного золота часто заменяются новыми лигандами, разработанными для конкретных применений. Например, наночастицы золота, полученные методом Туркевича (или цитратным восстановлением), легко вступают в реакцию посредством реакций обмена лигандов из-за относительно слабого связывания между карбоксильными группами и поверхностями наночастиц. Этот обмен лигандом может вызвать конъюгацию с рядом биомолекул от ДНК до РНК, от белков до полимеров (таких как PEG ) для повышения биосовместимости и функциональности. Например, было показано, что лиганды усиливают каталитическую активность , опосредуя взаимодействия между адсорбатами и активными поверхностями золота для определенных реакций оксигенации. Обмен лиганда также можно использовать для ускорения фазового переноса коллоидных частиц. Обмен лиганда также возможен с блокированными алкантиолами НЧ, полученными методом синтеза типа Бруста, хотя для ускорения отрыва лиганда необходимы более высокие температуры. Альтернативный метод дальнейшей функционализации достигается за счет конъюгации лигандов с другими молекулами, хотя этот метод может привести к разрушению коллоидной стабильности Au NP.

Удаление лиганда

Во многих случаях, как в различных высокотемпературных каталитических применениях Au, удаление блокирующих лигандов дает более желательные физико-химические свойства. Удаление лигандов из коллоидного золота при поддержании относительно постоянного числа атомов Au на Au NP может быть затруднено из-за тенденции этих голых кластеров к агрегированию. Удаление лигандов частично достижимо, просто смыв все избыточные кэпирующие лиганды, хотя этот метод неэффективен при удалении всего кэпирующего лиганда. Чаще всего удаление лиганда достигается при высокой температуре или световой абляции с последующей промывкой. В качестве альтернативы лиганды можно удалить электрохимическим способом .

Структура поверхности и химическая среда

Точная структура лигандов на поверхности НЧ коллоидного золота влияет на свойства частиц коллоидного золота. Конформации связывания и поверхностная упаковка закрывающих лигандов на поверхности НЧ коллоидного золота имеют тенденцию сильно отличаться от адсорбции на модели объемной поверхности, в основном из-за высокой кривизны, наблюдаемой на поверхности наночастиц. Границы раздела тиолат-золото на наномасштабе были хорошо изучены, и было обнаружено, что тиолатные лиганды оттягивают атомы Au от поверхности частиц к «штапельным» мотивам, которые имеют значительный характер Thiyl-Au (0). С другой стороны, поверхность цитрат-золото относительно менее изучена из-за огромного количества конформаций связывания цитрата с изогнутыми поверхностями золота. Исследование, проведенное в 2014 году, показало, что наиболее предпочтительное связывание цитрата происходит с двумя карбоновыми кислотами, а гидроксильная группа цитрата связывает три поверхностных атома металла.

Здоровье и безопасность

Поскольку наночастицы золота (AuNP) исследуются на предмет адресной доставки лекарств людям, необходимо учитывать их токсичность. По большей части предполагается, что AuNP являются биосовместимыми, но необходимо определить концентрации, при которых они становятся токсичными, и попадают ли эти концентрации в диапазон используемых концентраций. Токсичность можно проверить in vitro и in vivo . Результаты токсичности in vitro могут варьироваться в зависимости от типа среды для клеточного роста с различными белковыми композициями, метода, используемого для определения клеточной токсичности (здоровье клетки, клеточный стресс, количество клеток, попавших в клетку), и лигандов кэпинга в растворе. . Оценки in vivo могут определять общее состояние здоровья организма (ненормальное поведение, потеря веса, средняя продолжительность жизни), а также тканеспецифическая токсикология (почки, печень, кровь), а также воспалительные и окислительные реакции. Эксперименты in vitro более популярны, чем эксперименты in vivo, потому что эксперименты in vitro проще проводить, чем эксперименты in vivo .

Токсичность и опасность при синтезе

Хотя сами AuNP, по-видимому, обладают низкой или незначительной токсичностью, а литература показывает, что токсичность гораздо больше связана с лигандами, а не с самими частицами, их синтез включает в себя опасные химические вещества. Боргидрид натрия , агрессивный реагент, используется для восстановления ионов золота до металлического золота. Ионы золота обычно происходят из хлористоводородной кислоты , сильнодействующей кислоты. Из-за высокой токсичности и опасности реагентов, используемых для синтеза AuNP, возникла потребность в более «зеленых» методах синтеза.

Токсичность из-за кэпирующих лигандов

Некоторые кэпирующие лиганды, связанные с AuNP, могут быть токсичными, в то время как другие нетоксичны. В золотых наностержнях (AuNRs), было показано , что сильная цитотоксичность была связана с СТАВОМ -stabilized AuNRs при низкой концентрации, но полагают , что свободный СТАВ был виновником токсичности. Модификации, которые покрывают эти AuNR, снижают эту токсичность для клеток рака толстой кишки человека (HT-29), предотвращая десорбцию молекул CTAB из AuNR обратно в раствор. Токсичность лиганда также можно увидеть в AuNP. Было показано, что по сравнению с 90% токсичностью HAuCl4 при той же концентрации AuNP с карбоксилатными концами нетоксичны. Крупные AuNP, конъюгированные с биотином, цистеином, цитратом и глюкозой, не были токсичными для клеток лейкемии человека ( K562 ) при концентрациях до 0,25 М. Кроме того, было доказано, что золотые наносферы с блокировкой цитратом (AuNS) совместимы с кровью человека и действительно не вызывают агрегацию тромбоцитов или иммунный ответ. Однако было обнаружено, что покрытые цитратом золотые наночастицы размером 8–37 нм смертельно токсичны для мышей, вызывая более короткую продолжительность жизни, тяжелую болезнь, потерю аппетита и веса, обесцвечивание волос и повреждение печени, селезенки и легких; Наночастицы золота накапливаются в селезенке и печени после прохождения определенного участка иммунной системы. Существуют смешанные взгляды на AuNP, модифицированные полиэтиленгликолем (PEG). Было обнаружено, что эти AuNP токсичны для печени мышей при инъекции, вызывая гибель клеток и незначительное воспаление. Однако AuNP, конъюгированные с сополимерами PEG, показали незначительную токсичность по отношению к клеткам толстой кишки человека ( Caco-2 ). Токсичность AuNP также зависит от общего заряда лигандов. В определенных дозах AuNS, которые имеют положительно заряженные лиганды, токсичны для клеток почек обезьян (Cos-1), красных кровяных телец человека и E. coli из-за взаимодействия AuNS с отрицательно заряженной клеточной мембраной; Было обнаружено, что AuNS с отрицательно заряженными лигандами нетоксичны для этих видов. В дополнение к ранее упомянутым экспериментам in vivo и in vitro были выполнены другие аналогичные эксперименты. Алкилтиолатные AuNP с концами триметлиаммониевого лиганда опосредуют транслокацию ДНК через клеточные мембраны млекопитающих in vitro на высоком уровне, что пагубно для этих клеток. Помутнение роговицы у кроликов лечили in vivo с помощью покрытых полиэтилеменимином наночастиц золота, которые были трансфицированы геном, который способствует заживлению ран и ингибирует фиброз роговицы .

Токсичность из-за размера наночастиц

Токсичность в определенных системах также может зависеть от размера наночастиц. Было обнаружено, что AuNS размером 1,4 нм токсичны для клеток рака кожи человека (SK-Mel-28), клеток рака шейки матки ( HeLa ), клеток фибробластов мыши (L929) и макрофагов мыши (J774A.1), тогда как 0,8, 1,2 и AuNS размером 1,8 нм были менее токсичны в шесть раз, а AuNS размером 15 нм были нетоксичны. В исследованиях in vivo есть некоторые доказательства накопления AuNP после инъекции , но это очень зависит от размера. Было обнаружено, что 1,8 нм AuNP почти полностью захватываются в легких крыс. Было обнаружено, что AuNP разного размера накапливаются в крови, головном мозге, желудке, поджелудочной железе, почках, печени и селезенке.

Исследования биобезопасности и биокинетики биоразлагаемых ультрамалых структур в нано показали, что наночастицы золота способны предотвращать накопление металла в организмах за счет выхода через почечный путь.

Синтез

Возможная разница как функция расстояния от поверхности частицы.

Как правило, наночастицы золота производятся в жидкости ( «жидких химических методов») путем сокращения из тетрахлороаурат ( Н [AuCl
4
]
). Чтобы предотвратить агрегацию частиц, добавляют стабилизаторы. Цитрат действует как восстановитель и коллоидный стабилизатор.

Они могут быть функционализированы различными органическими лигандами для создания органо-неорганических гибридов с расширенной функциональностью.

Метод Туркевича

Этот простой метод был впервые предложен J. Turkevich et al. в 1951 г. и усовершенствован Дж. Френсом в 1970-х гг. Он производит умеренно монодисперсные сферические наночастицы золота диаметром около 10–20 нм. Могут быть получены более крупные частицы, но за счет монодисперсности и формы. В этом методе горячая золотохлористоводородная кислота обрабатывается раствором цитрата натрия, в результате чего получается коллоидное золото. Реакция Туркевича протекает через образование временных золотых нанопроволок . Эти золотые нанопроволоки ответственны за темный вид реакционного раствора, прежде чем он станет рубиново-красным.

Укупорочные агенты

Укупорочный агент используется во время синтеза наночастиц для подавления роста и агрегации частиц. Химикат блокирует или снижает реактивность на периферии частицы - хороший укупоривающий агент имеет высокое сродство к новым ядрам. Цитрат-ионы или дубильная кислота действуют как восстанавливающий агент, так и как укупоривающий агент. Чем меньше цитрат натрия, тем больше частицы.

Метод Бруста-Шиффрина

Этот метод был открыт Брустом и Шиффрином в начале 1990-х годов и может использоваться для производства наночастиц золота в органических жидкостях , которые обычно не смешиваются с водой (например, толуол ). Он включает реакцию раствора хлорауриновой кислоты с раствором тетраоктиламмонийбромида (TOAB) в толуоле и боргидридом натрия в качестве антикоагулянта и восстанавливающего агента, соответственно.

Здесь наночастицы золота будут иметь размер около 5–6 нм. NaBH 4 представляет собой восстанавливающий агент, а TOAB является одновременно катализатором межфазного переноса и стабилизирующим агентом.

TOAB не связывается с наночастицами золота особенно сильно, поэтому раствор будет постепенно агрегироваться в течение примерно двух недель. Чтобы предотвратить это, можно добавить более сильный связующий агент, такой как тиол (в частности, алкантиолы ), который будет связываться с золотом, образуя почти постоянный раствор. Наночастицы золота, защищенные алкантиолом, можно осаждать, а затем повторно растворять. Тиолы являются лучшими связующими агентами, потому что существует сильное сродство к связям золото-сера, которые образуются, когда два вещества реагируют друг с другом. Тетрадодекантиол - широко используемый сильный связывающий агент для синтеза более мелких частиц. Часть агента фазового переноса может оставаться связанной с очищенными наночастицами, это может повлиять на физические свойства, такие как растворимость . Чтобы удалить как можно больше этого агента, наночастицы должны быть дополнительно очищены экстракцией Сокслета .

Метод Перро

Этот подход, открытый Перро и Чаном в 2009 году, использует гидрохинон для восстановления HAuCl 4 в водном растворе, который содержит зародыши наночастиц золота размером 15 нм. Этот метод синтеза на основе затравок аналогичен тому, который используется при проявке фотопленки, при котором зерна серебра внутри пленки растут за счет добавления восстановленного серебра на их поверхность. Точно так же наночастицы золота могут действовать вместе с гидрохиноном, катализируя восстановление ионного золота на своей поверхности. Присутствие стабилизатора, такого как цитрат, приводит к контролируемому осаждению атомов золота на частицах и их росту. Обычно семена наночастиц получают цитратным методом. Гидрохиноновый метод дополняет метод Френса, поскольку он расширяет диапазон монодисперсных сферических частиц, которые могут быть получены. В то время как метод Френса идеален для частиц размером 12–20 нм, гидрохиноновый метод может производить частицы размером не менее 30–300 нм.

Метод Мартина

Этот простой метод, открытый Мартином и Эа в 2010 году, генерирует почти монодисперсные «голые» наночастицы золота в воде. Точный контроль стехиометрии восстановления путем регулирования соотношения ионов NaBH 4 -NaOH к ионам HAuCl 4 -HCl в «сладкой зоне», наряду с нагреванием, позволяет воспроизводить настройку диаметра в пределах 3–6 нм. Водные частицы коллоидно стабильны из-за их высокого заряда из-за избытка ионов в растворе. Эти частицы могут быть покрыты различными гидрофильными функциональными группами или смешаны с гидрофобными лигандами для применения в неполярных растворителях. В неполярных растворителях наночастицы остаются сильно заряженными и самоорганизуются на жидких каплях, образуя двумерные однослойные пленки монодисперсных наночастиц.

Нанотехнологические исследования

Bacillus licheniformis может быть использован для синтеза золотых нанокубов размером от 10 до 100 нанометров. Наночастицы золота обычно синтезируются при высоких температурах в органических растворителях или с использованием токсичных реагентов. Бактерии производят их в гораздо более мягких условиях.

Наварро и др. метод

Для частиц размером более 30 нм контроль размера частиц с помощью низкой полидисперсности сферических наночастиц золота остается сложной задачей. Чтобы обеспечить максимальный контроль над структурой НЧ, Наварро и его сотрудники использовали модифицированную процедуру Туркевича-Френса, используя ацетилацетонат натрия в качестве восстановителя и цитрат натрия в качестве стабилизатора.

Сонолиз

Другой метод экспериментального получения частиц золота - сонолиз . Первый метод такого типа был изобретен Байджентом и Мюллером. Эта работа впервые использовала ультразвук для обеспечения энергии задействованных процессов и позволила создать частицы золота диаметром менее 10 нм. В другом методе, использующем ультразвук, реакцию водного раствора HAuCl 4 с глюкозой , восстановителями являются гидроксильные радикалы и радикалы пиролиза сахара (образующиеся на границе раздела между разрушающимися полостями и основной водой), и полученная морфология представляет собой морфологию наноленты шириной 30–50 нм и длиной несколько микрометров. Эти ленты очень гибкие и могут изгибаться под углом более 90 °. Когда глюкоза заменяется циклодекстрином (олигомером глюкозы), получаются только сферические частицы золота, что позволяет предположить, что глюкоза важна для направления морфологии в сторону ленты.

Блок-сополимерный метод

Экономичная, экологически безопасная и быстрая методология синтеза наночастиц золота с использованием блок-сополимера была разработана Sakai et al. В этой методологии синтеза блок-сополимер играет двойную роль восстанавливающего агента, а также стабилизирующего агента. Формирование наночастиц золота включает три основных этапа: восстановление иона соли золота блок-сополимерами в растворе и образование кластеров золота, адсорбция блок-сополимеров на кластерах золота и дальнейшее восстановление ионов соли золота на поверхности этих кластеров золота для ступенчатый рост частиц золота и, наконец, его стабилизация блок-сополимерами. Но этот метод обычно имеет ограниченный выход (концентрацию наночастиц), который не увеличивается с увеличением концентрации соли золота. Ray et al. улучшил этот метод синтеза, многократно увеличив выход наночастиц при температуре окружающей среды.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

  • Boisselier E, Astruc D (июнь 2009 г.). «Золотые наночастицы в наномедицине: препараты, визуализация, диагностика, терапия и токсичность». Обзоры химического общества . 38 (6): 1759–82. DOI : 10.1039 / b806051g . PMID  19587967 .

внешние ссылки