Nanocząstki złota: Właściwości i zastosowania

Wprowadzenie

Koloidalne nanocząstki złota są od wieków wykorzystywane przez artystów ze względu na żywe kolory wytwarzane przez ich interakcję ze światłem widzialnym. Od niedawna te unikalne właściwości optoelektroniczne są badane i wykorzystywane w zaawansowanych technologicznie zastosowaniach, takich jak organiczna fotowoltaika, sondy sensoryczne, środki terapeutyczne, dostarczanie leków w zastosowaniach biologicznych i medycznych, przewodniki elektroniczne i kataliza. Właściwości optyczne i elektroniczne nanocząstek złota można regulować poprzez zmianę rozmiaru, kształtu, składu chemicznego powierzchni lub stanu agregacji.

Właściwości optyczne i elektroniczne nanocząstek złota

Oddziaływanie nanocząstek złota na światło jest silnie podyktowane ich otoczeniem, rozmiarem i wymiarami fizycznymi. Oscylujące pola elektryczne promienia świetlnego rozchodzącego się w pobliżu koloidalnej nanocząstki oddziałują z wolnymi elektronami, powodując skoordynowane oscylacje ładunku elektronowego, który jest w rezonansie z częstotliwością światła widzialnego. Te rezonansowe oscylacje znane są jako plazmony powierzchniowe. W przypadku małych (~30 nm) monodyspersyjnych nanocząstek złota, zjawisko rezonansu plazmonów powierzchniowych powoduje absorpcję światła w niebiesko-zielonej części widma (~450 nm), podczas gdy światło czerwone (~700 nm) jest odbijane, dając bogaty czerwony kolor. Wraz ze wzrostem rozmiaru cząstek, długość fali absorpcji związanej z rezonansem plazmonów powierzchniowych przesuwa się w kierunku dłuższych, bardziej czerwonych długości fal. Czerwone światło jest następnie absorbowane, a niebieskie światło jest odbijane, dając roztwory o bladoniebieskim lub fioletowym kolorze (Rysunek 1). Wraz ze wzrostem wielkości cząstek w kierunku granicy objętości, długości fal rezonansu plazmonów powierzchniowych przesuwają się do części widma w podczerwieni, a większość widzialnych długości fal jest odbijana, nadając nanocząstkom przezroczysty lub półprzezroczysty kolor. Rezonans plazmonów powierzchniowych można dostroić, zmieniając rozmiar lub kształt nanocząstek, co prowadzi do cząstek o właściwościach optycznych dostosowanych do różnych zastosowań.

Rysunek 1. Kolory różnej wielkości monodyspersyjnych nanocząstek złota

Zjawisko to obserwuje się również po dodaniu nadmiaru soli do roztworu złota. Ładunek powierzchniowy nanocząstek złota staje się neutralny, powodując agregację nanocząstek. W rezultacie kolor roztworu zmienia się z czerwonego na niebieski. Aby zminimalizować agregację, wszechstronna chemia powierzchni nanocząstek złota pozwala na pokrycie ich polimerami, małymi cząsteczkami i biologicznymi cząsteczkami rozpoznawczymi. Taka modyfikacja powierzchni umożliwia szerokie wykorzystanie nanocząstek złota w zastosowaniach chemicznych, biologicznych, inżynieryjnych i medycznych. Typowe właściwości nanocząstek złota przedstawiono w Tabeli 1.

Tabela 1 Właściwości nanocząstek złota

Średnica	Nanocząstki /mL	Szczytowa długość fali SPR	Wydajność molowa (M-1cm-1)	Numery produktów
5 nm	5.47 x 1013	515-520 nm	1.10 x 107	741949 (Surfactant Stabilized) 752568 (PBS)
10 nm	5.98 x 1012	515-520 nm	1.01 x 108	741957 (Surfactant Stabilized) 752584 (PBS)
15 nm	1.64x1012	520	3.67x108	777137 (Surfactant Stabilized) 777099 (PBS)
20 nm	6.54 x 1011	524 nm	9.21 x 108	741965 (Surfactant Stabilized) 753610 (PBS)
30 nm	1.79 x 1011	526 nm	3.36 x 109	741973 (Surfactant Stabilized) 753629 (PBS)
40 nm	7.15 x 1010	530 nm	8.42 x 109	741981 (Surfactant Stabilized) 753637 (PBS)
50 nm	3.51 x 1010	535 nm	1.72 x 1010	742007 (Surfactant Stabilized) 753645 (PBS)
60 nm	1.96 x 1010	540 nm	3.07 x 1010	742015 (Surfactant Stabilized) 753653 (PBS)
80 nm	7.82 x 109	553 nm	7.70 x 1010	742023 (Surfactant Stabilized) 753661 (PBS)
100 nm	3.84 x 109	572 nm	1.57 x 1011	742031 (Surfactant Stabilized) 753688 (PBS)
150 nm	3.60 x 109	Nie zmierzono	-	742058 (stabilizowany surfaktantem)
200 nm	1.9 x 109	Nie zmierzono	-	742066 (stabilizowany surfaktantem)
250 nm	7.1 x 108	Nie zmierzono	-	742074 (stabilizowany surfaktantem)
300 nm	4.5 x 108	Nie zmierzono	-	742082 (stabilizowany surfaktantem)
400 nm	1.9 x 108	Nie zmierzono	-	742090 (stabilizowany środkiem powierzchniowo czynnym)

Zastosowania

Zakres zastosowań nanocząstek złota szybko rośnie i obejmuje:

1. Elektronika - Nanocząstki złota są przeznaczone do stosowania jako przewodniki, od farb drukarskich po chipy elektroniczne.¹ W miarę jak świat elektroniki staje się coraz mniejszy, nanocząsteczki są ważnymi komponentami w projektowaniu chipów. Nanocząstki złota w nanoskali są wykorzystywane do łączenia rezystorów, przewodników i innych elementów układów elektronicznych.
2. Terapia fotodynamiczna - Nanocząstki złota absorbujące bliską podczerwień (w tym złote nanopowłoki i nanorody) wytwarzają ciepło, gdy są wzbudzane przez światło o długości fali od 700 do 800 nm. Umożliwia to tym nanocząsteczkom eliminację docelowych guzów.² Gdy światło jest stosowane do guza zawierającego nanocząsteczki złota, cząsteczki szybko się nagrzewają, zabijając komórki nowotworowe w leczeniu znanym również jako terapia hipertermią.
3. Dostarczanie środków terapeutycznych - Środki terapeutyczne mogą być również powlekane na powierzchni nanocząstek złota.³ Duży stosunek powierzchni do objętości nanocząstek złota umożliwia pokrycie ich powierzchni setkami cząsteczek (w tym terapeutykami, środkami celującymi i polimerami przeciwporostowymi).
4. Czujniki - Nanocząstki złota są wykorzystywane w różnych czujnikach. Na przykład czujnik kolorymetryczny oparty na nanocząstkach złota może określić, czy żywność nadaje się do spożycia.⁴Inne metody, takie jak wzmocniony powierzchniowo Raman spektroskopia, wykorzystują nanocząstki złota jako substraty umożliwiające pomiar energii drgań wiązań chemicznych. Strategia ta może być również stosowana do wykrywania białek, zanieczyszczeń i innych cząsteczek bez użycia etykiet.
5. Probes - Nanocząstki złota również rozpraszają światło i mogą wytwarzać szereg interesujących kolorów pod mikroskopem ciemnego pola. Rozproszone kolory nanocząstek złota są obecnie wykorzystywane do obrazowania biologicznego.⁵ Ponadto, nanocząstki złota są stosunkowo gęste, co czyni je użytecznymi jako sondy do transmisyjnej mikroskopii elektronowej.
6. Diagnostyka - Nanocząstki złota są również wykorzystywane do wykrywania biomarkerów w diagnostyce chorób serca, nowotworów i czynników zakaźnych.⁶ Są one również powszechne w testach immunologicznych z przepływem bocznym, czego przykładem jest domowy test ciążowy.
7. Kataliza - Nanocząstki złota są wykorzystywane jako katalizatory w wielu reakcjach chemicznych.⁷ Powierzchnia nanocząstek złota może być wykorzystywana do selektywnego utleniania lub w niektórych przypadkach powierzchnia może redukować reakcję (tlenki azotu). Nanocząstki złota są obecnie opracowywane do zastosowań w ogniwach paliwowych. Technologie te byłyby przydatne w przemyśle motoryzacyjnym i wyświetlaczy.

Quality Advantage

We współpracy z firmą Cytodiagnostics z dumą oferujemy szeroką gamę nanocząstek złota przeznaczonych specjalnie do zaawansowanych technologicznie zastosowań w dziedzinie nauk przyrodniczych i materiałoznawstwa. Nanocząstki złota są dostępne w rozmiarach od 5 nm do 400 nm średnicy z licznymi funkcjami powierzchniowymi w różnych kompozycjach rozpuszczalników.

Kuliste nanocząstki złota są tradycyjnie syntetyzowane przy użyciu środków redukujących, takich jak cytrynian sodu lub borowodorek sodu, Cytodiagnostics posiada własny proces i formułę, która prowadzi do przygotowania wysoce sferycznych nanocząstek złota, bez ostrych środków redukujących. W porównaniu do innych nanocząstek złota, nanocząstki te mają wiele zalet, w tym:

1. Wąski rozkład wielkości - w oparciu o dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) i analizę TEM. Każda partia jest weryfikowana za pomocą DLS i spektroskopii UV-Vis (Rysunek 2).

Rysunek 2. Widma DLS i UV-Vis pokazujące precyzyjne nanocząstki złota od Cytodiagnostics.

 

2. Stały rozmiar i kształt - <10% CV (współczynnik wariancji) nawet powyżej 100 nm. Przykłady nanocząstek o wielkości 5 nm i 400 nm pokazano poniżej na Rysunku 3.

Rysunek 3. Obrazy TEM nanocząstek złota o wielkości 5 nm (po lewej) i 400 nm (po prawej) z <8% CV.

 

Nanouryny złota

Rysunek 4. TEM złotych nanourycyn 100 nm

Złote NanoUrchiny mają unikalne właściwości optyczne w porównaniu do sferycznych nanocząstek złota o tej samej średnicy rdzenia. Kolczasta, nierówna powierzchnia powoduje czerwone przesunięcie piku plazmonów powierzchniowych i większe wzmocnienie pola elektromagnetycznego na końcach kolców Gold NanoUrchin w porównaniu do cząstek kulistych. Na przykład, 100nm sferyczne nanocząstki złota mają pik SPR przy 570nm, podczas gdy 100nm Złote NanoUrchiny mają pik SPR przy około 680nm, rysunek 4.

Rysunek 5. Po lewej - widma UV-VIS 100 nm nanocząstek złota (niebieskie) i 100 nm standardowych nanocząstek złota (zielone). Zwróć uwagę na przesunięcie ku czerwieni w piku SPR. Po prawej - widma UV-VIS nanocząstek złota o średnicy od 50 nm do 100 nm.

Outlook

Nanocząstki złota są wszechstronnymi materiałami do szerokiego zakresu zastosowań o dobrze scharakteryzowanych właściwościach elektronicznych i fizycznych dzięki dobrze opracowanym procedurom syntetycznym. Ponadto, ich chemia powierzchni jest łatwa do modyfikacji. Cechy te sprawiły, że nanocząstki złota są jednym z najczęściej wykorzystywanych nanomateriałów w badaniach akademickich oraz integralnym składnikiem urządzeń medycznych point-of-care i produktów przemysłowych na całym świecie. Nasza szeroka oferta nanocząstek złota, dostępna dla globalnej społeczności badawczej, służy zwiększeniu ich zastosowania w zaawansowanych technologicznie aplikacjach.

Referencje

1. Huang D, Liao F, Molesa S, Redinger D, Subramanian V. 2003. Plastic-Compatible Low Resistance Printable Gold Nanoparticle Conductors for Flexible Electronics. J. Electrochem. Soc.. 150(7):G412. https://doi.org/10.1149/1.1582466

2. Stuchinskaya T, Moreno M, Cook MJ, Edwards DR, Russell DA. 2011. Targeted photodynamic therapy of breast cancer cells using antibody?phthalocyanine?gold nanoparticle conjugates. Photochem. Photobiol. Sci.. 10(5):822. https://doi.org/10.1039/c1pp05014a

3. Brown SD, Nativo P, Smith J, Stirling D, Edwards PR, Venugopal B, Flint DJ, Plumb JA, Graham D, Wheate NJ. 2010. Gold Nanoparticles for the Improved Anticancer Drug Delivery of the Active Component of Oxaliplatin. J. Am. Chem. Soc.. 132(13):4678-4684. https://doi.org/10.1021/ja908117a

4. Ali ME, Mustafa S, Hashim U, Che Man YB, Foo KL. 2012. Nanobioprobe for the Determination of Pork Adulteration in Burger Formulations. Journal of Nanomaterials. 20121-7. https://doi.org/10.1155/2012/832387

5. Perrault SD, Chan WCW. 2010. In vivo assembly of nanoparticle components to improve targeted cancer imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 107(25):11194-11199. https://doi.org/10.1073/pnas.1001367107

6. Peng G, Tisch U, Adams O, Hakim M, Shehada N, Broza YY, Billan S, Abdah-Bortnyak R, Kuten A, Haick H. 2009. Diagnosing lung cancer in exhaled breath using gold nanoparticles. Nature Nanotech. 4(10):669-673. https://doi.org/10.1038/nnano.2009.235

7. Thompson DT. 2007. Using gold nanoparticles for catalysis. Nano Today. 2(4):40-43. https://doi.org/10.1016/s1748-0132(07)70116-0