Nanočástice zlata: Nanodrátky: vlastnosti a aplikace

Úvod

Koloidní nanočástice zlata jsou již po staletí využívány umělci díky zářivým barvám, které vznikají při interakci s viditelným světlem. V poslední době jsou tyto jedinečné optoelektronické vlastnosti zkoumány a využívány ve špičkových technologických aplikacích, jako je organická fotovoltaika, senzorické sondy, terapeutické látky, dodávání léčiv v biologických a lékařských aplikacích, elektronické vodiče a katalýza. Optické a elektronické vlastnosti nanočástic zlata lze ladit změnou velikosti, tvaru, chemického složení povrchu nebo stavu agregace.

Optické a elektronické vlastnosti nanočástic zlata

Interakce nanočástic zlata se světlem je silně závislá na jejich prostředí, velikosti a fyzikálních rozměrech. Oscilující elektrické pole světelného paprsku šířícího se v blízkosti koloidní nanočástice interaguje s volnými elektrony a způsobuje souhlasné oscilace elektronového náboje, které jsou v rezonanci s frekvencí viditelného světla. Tyto rezonanční oscilace jsou známé jako povrchové plazmony. U malých (~30 nm) monodisperzních nanočástic zlata způsobuje jev povrchové plazmonové rezonance absorpci světla v modrozelené části spektra (~450 nm), zatímco červené světlo (~700 nm) se odráží, čímž vzniká sytě červená barva. S rostoucí velikostí částic se vlnová délka absorpce související s povrchovou plazmonovou rezonancí posouvá k delším, červenějším vlnovým délkám. Červené světlo je pak absorbováno a modré světlo se odráží, čímž vznikají roztoky s bledě modrou nebo fialovou barvou (obrázek 1). Jak se velikost částic dále zvětšuje směrem k objemové hranici, vlnové délky povrchové plazmonové rezonance se přesouvají do infračervené části spektra a většina viditelných vlnových délek se odráží, což dává nanočásticím průhlednou nebo průsvitnou barvu. Povrchovou plazmonovou rezonanci lze vyladit změnou velikosti nebo tvaru nanočástic, což vede k vytvoření částic s optickými vlastnostmi na míru pro různé aplikace.

Obrázek 1. Barvy různě velkých monodispergovaných nanočástic zlata

Tento jev se projevuje také tehdy, když se do roztoku zlata přidá nadbytek soli. Povrchový náboj nanočástic zlata se stane neutrálním, což způsobí agregaci nanočástic. V důsledku toho se barva roztoku změní z červené na modrou. Pro minimalizaci agregace umožňuje univerzální povrchová chemie zlatých nanočástic jejich potahování polymery, malými molekulami a biologickými rozpoznávacími molekulami. Tato povrchová modifikace umožňuje široké využití nanočástic zlata v chemických, biologických, technických a lékařských aplikacích. Typické vlastnosti nanočástic zlata jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1 Vlastnosti produktu Nanočástice zlata

Průměr	Nanočástice /mL	Špičková vlnová délka SPR	Molární rozptyl (M-1cm	Molární rozptyl (M-1cm	Čísla produktů
5 nm	5.47 x 1013	515-520 nm	1.10 x 107	741949 (stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 752568 (PBS)
10 nm	5.98 x 1012	515-520 nm	1.01 x 108	741957 (stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 752584 (PBS)
15 nm	1.64x1012	520	3.67x108	777137 (stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 777099 (PBS)
20 nm	6.54 x 1011	524 nm	9.21 x 108	741965 (stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 753610 (PBS)
30 nm	1.79 x 1011	526 nm	3.36 x 109	741973 (stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 753629 (PBS)
40 nm	7.15 x 1010	530 nm	8.42 x 109	741981 (stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 753637 (PBS)
50 nm	3.51 x 1010	535 nm	1.72 x 1010	742007 (stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 753645 (PBS)
60 nm	1.96 x 1010	540 nm	3.07 x 1010	742015 (stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 753653 (PBS)
80 nm	7.82 x 109	553 nm	7.70 x 1010	742023 (Stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 753661 (PBS)
100 nm	3.84 x 109	572 nm	1.57 x 1011	742031 (stabilizovaný povrchově aktivní látkou) 753688 (PBS)
150 nm	3.60 x 109	Není měřeno	-	742058 (Stabilizovaný povrchově aktivní látkou)
200 nm	1.9 x 109	Není měřeno	-	742066 (Stabilizovaný povrchově aktivní látkou)
250 nm	7.1 x 108	Není měřeno	-	742074 (Stabilizovaný povrchově aktivní látkou)
300 nm	4.5 x 108	Není měřeno	-	742082	Není měřeno	-	742082/a> (stabilizovaný povrchově aktivní látkou)
400 nm	1.9 x 108	Není měřeno	-	742090 (Stabilizovaný povrchově aktivní látkou)

Aplikace

Škála aplikací nanočástic zlata rychle roste a zahrnuje:

1. Elektronika - nanočástice zlata jsou určeny k použití jako vodiče od potisknutelných barev až po elektronické čipy.¹ S tím, jak se svět elektroniky zmenšuje, jsou nanočástice důležitými součástmi při návrhu čipů. Nanočástice zlata se používají k propojení rezistorů, vodičů a dalších prvků elektronického čipu.
2. Fotodynamická terapie - Nanočástice zlata absorbující blízké infračervené záření (včetně zlatých nanoobalů a nanodrátků) produkují teplo, když jsou excitovány světlem o vlnové délce 700 až 800 nm. To umožňuje těmto nanočásticím likvidovat cílené nádory.² Když se na nádor obsahující nanočástice zlata aplikuje světlo, částice se rychle zahřejí a usmrtí nádorové buňky při léčbě známé také jako hypertermická terapie.
3. Doručování terapeutických látek - Terapeutické látky lze také nanášet na povrch nanočástic zlata.³ Velký poměr povrchu a objemu zlatých nanočástic umožňuje potahovat jejich povrch stovkami molekul (včetně terapeutik, cílených látek a polymerů proti znečištění).
4. Senzory - Zlaté nanočástice se používají v různých senzorech. Například kolorimetrický senzor na bázi nanočástic zlata může určit, zda jsou potraviny vhodné ke konzumaci.⁴ Další metody, jako je povrchově zesílená Ramanova spekroskopie využívají nanočástice zlata jako substráty umožňující měření vibračních energií chemických vazeb. Tuto strategii by bylo možné využít i pro detekci proteinů, znečišťujících látek a dalších molekul bez použití značek.
5. Sondy - Nanočástice zlata také rozptylují světlo a mohou vytvářet řadu zajímavých barev při mikroskopii v temném poli. Rozptýlené barvy nanočástic zlata se v současnosti využívají pro biologické zobrazovací aplikace.⁵ Nanočástice zlata jsou také poměrně husté, takže jsou užitečné jako sondy pro transmisní elektronovou mikroskopii.
6. Diagnostika - Nanočástice zlata se také používají k detekci biomarkerů při diagnostice srdečních onemocnění, rakoviny a infekčních agens.⁶ Jsou také běžné v imunoanalýzách s laterálním průtokem, běžným příkladem v domácnosti je domácí těhotenský test.
7. Katalýza - Nanočástice zlata se používají jako katalyzátory v řadě chemických reakcí.⁷ Povrch zlaté nanočástice lze využít k selektivní oxidaci nebo v určitých případech může povrch redukovat reakci (oxidy dusíku). Nanočástice zlata jsou vyvíjeny pro aplikace v palivových článcích. Tyto technologie by byly užitečné v automobilovém průmyslu a v oblasti displejů.

Výhoda kvality

Ve spolupráci s firmou Cytodiagnostics jsme hrdí na to, že můžeme nabídnout široké portfolio zlatých nanočástic určených speciálně pro špičkové technologické aplikace v oblasti přírodních věd a materiálových věd. Nanočástice zlata jsou k dispozici ve velikostech od 5 nm do 400 nm v průměru s mnoha povrchovými funkcemi v různých složeních rozpouštědel.

Zatímco sférické nanočástice zlata se tradičně syntetizují pomocí redukčních činidel, jako je citrát sodný nebo borohydrid sodný, společnost Cytodiagnostics disponuje vlastním postupem a složením, které vede k přípravě vysoce sférických nanočástic zlata bez použití drsných redukčních činidel. Ve srovnání s jinými nanočásticemi zlata mají tyto nanočástice mnoho výhod, mezi které patří:

1. Úzká distribuce velikosti - na základě analýzy dynamického rozptylu světla (DLS) a TEM. Každá šarže je ověřena pomocí DLS a UV-Vis spektroskopie (obrázek 2).

Obrázek 2. DLS a UV-Vis spektra ukazující přesné nanočástice zlata od společnosti Cytodiagnostics.

 

2. Konzistentní velikost a tvar - <10% CV (variační koeficient) i nad 100 nm. Příklad nanočástic o velikosti 5 nm a 400 nm je uveden níže na obrázku 3.

Obrázek 3. TEM snímky 5 nm (vlevo) a 400 nm (vpravo) zlatých nanočástic s <8% CV.

 

Zlaté nanourychlovače

Obrázek 4. TEM 100 nm zlatých nanourychlovačů

Zlaté nanočástice mají ve srovnání se sférickými nanočásticemi zlata o stejném průměru jádra jedinečné optické vlastnosti. Špičatý nerovný povrch způsobuje červený posun píku povrchového plazmonu a větší zesílení elektromagnetického pole na špičkách hrotů Zlatých NanoUrchinů ve srovnání se sférickými částicemi. Jako příklad lze uvést 100nm sférické zlaté nanočástice, které mají SPR pík na 570 nm, zatímco 100nm Gold NanoUrchiny mají SPR pík na přibližně 680 nm, obrázek 4.

Obrázek 5. Vlevo - UV-VIS spektra 100 nm zlatých nanočástic (modrá) a 100 nm standardních zlatých nanočástic (zelená). Všimněte si červeného posunu v píku SPR. Vpravo - UV-VIS spektra zlatých nanoUrchinů o velikosti od 50 nm do 100 nm v průměru.

Pohled

Nanočástice zlata jsou univerzální materiály pro širokou škálu aplikací s dobře charakterizovanými elektronickými a fyzikálními vlastnostmi díky dobře vyvinutým syntetickým postupům. Kromě toho lze jejich povrchovou chemii snadno modifikovat. Díky těmto vlastnostem se nanočástice zlata staly jedním z nejpoužívanějších nanomateriálů pro akademický výzkum a nedílnou součástí lékařských přístrojů v místě péče a průmyslových výrobků po celém světě. Naše široká nabídka zlatých nanočástic, která je přístupná celosvětové výzkumné komunitě, slouží k jejich většímu rozšíření v aplikacích špičkových technologií.

Odkazy

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