Arany nanorészecskék: Gold Gold Gold Gold: Tulajdonságok és alkalmazások

Bevezetés

A kolloidális arany nanorészecskéket évszázadok óta használják a művészek a látható fénnyel való kölcsönhatásuk által létrehozott élénk színek miatt. Újabban ezeket az egyedülálló optoelektronikai tulajdonságokat kutatják és hasznosítják olyan csúcstechnológiai alkalmazásokban, mint a szerves fotovoltaika, az érzékszervi szondák, a terápiás szerek, a biológiai és orvosi alkalmazásokban alkalmazott gyógyszeradagolás, az elektronikus vezetők és a katalízis. Az arany nanorészecskék optikai és elektronikus tulajdonságai a méret, az alak, a felületi kémia vagy az aggregációs állapot megváltoztatásával hangolhatók.

Az arany nanorészecskék optikai és elektronikai tulajdonságai

Az arany nanorészecskék és a fény kölcsönhatása erősen függ a környezetüktől, méretüktől és fizikai méreteiktől. A kolloid nanorészecskék közelében terjedő fénysugár oszcilláló elektromos mezői kölcsönhatásba lépnek a szabad elektronokkal, ami az elektron töltésének összehangolt oszcillációját okozza, amely rezonanciában van a látható fény frekvenciájával. Ezeket a rezonáns oszcillációkat felületi plazmonoknak nevezzük. Kicsi (~30 nm) monodiszperz arany nanorészecskék esetében a felületi plazmonrezonancia jelenség a spektrum kék-zöld tartományában (~450 nm) a fény elnyelését okozza, míg a vörös fény (~700 nm) visszaverődik, ami gazdag vörös színt eredményez. A részecskék méretének növekedésével a felületi plazmon-rezonanciával összefüggő abszorpció hullámhossza a hosszabb, vörösebb hullámhosszak felé tolódik el. Ekkor a vörös fény elnyelődik, a kék fény pedig visszaverődik, így halványkék vagy lila színű oldatokat kapunk (1. ábra). Ahogy a részecskeméret tovább növekszik az ömlesztett határ felé, a felületi plazmon-rezonancia hullámhosszai a spektrum infravörös tartományába kerülnek, és a látható hullámhosszok nagy része visszaverődik, ami a nanorészecskéknek világos vagy áttetsző színt ad. A felületi plazmon-rezonancia a nanorészecskék méretének vagy alakjának változtatásával hangolható, ami a különböző alkalmazásokhoz testre szabott optikai tulajdonságokkal rendelkező részecskékhez vezet.

1. ábra. Különböző méretű monodiszpergált arany nanorészecskék színei

Ez a jelenség akkor is megfigyelhető, ha az aranyoldathoz felesleges sót adunk. Az arany nanorészecske felületi töltése semlegessé válik, ami a nanorészecskék aggregálódását okozza. Ennek eredményeként az oldat színe vörösről kékre változik. Az aggregáció minimalizálása érdekében az arany nanorészecskék sokoldalú felületi kémiája lehetővé teszi, hogy polimerekkel, kismolekulákkal és biológiai felismerő molekulákkal vonják be őket. Ez a felületmódosítás lehetővé teszi az arany nanorészecskék széles körű alkalmazását a kémiai, biológiai, műszaki és orvosi alkalmazásokban. Az arany nanorészecskék tipikus tulajdonságait az 1. táblázat mutatja be.

1. táblázat Az arany nanorészecskék terméktulajdonságai

Diameter	Nanorészecskék /mL	Peak SPR hullámhossz	Moláris ext (M-1cm	Termékszámok
5 nm	5.47 x 1013	515-520 nm	1.10 x 107	741949 (felületaktív anyaggal stabilizált) 752568 (PBS)
10 nm	5.98 x 1012	515-520 nm	1.01 x 108	741957 (felületaktív anyaggal stabilizált) 752584 (PBS)
15 nm	1.64x1012	520	3.67x108	777137 (felületaktív anyaggal stabilizált) 777099 (PBS)
20 nm	6.54 x 1011	524 nm	9.21 x 108	741965 (felületaktív anyaggal stabilizált) 753610 (PBS)
30 nm	1.79 x 1011	526 nm	3.36 x 109	741973 (felületaktív anyaggal stabilizált) 753629 (PBS)
40 nm	7.15 x 1010	530 nm	8.42 x 109	741981 (felületaktív anyaggal stabilizált) 753637 (PBS)
50 nm	3.51 x 1010	535 nm	1.72 x 1010	742007 (felületaktív anyaggal stabilizált) 753645 (PBS)
60 nm	1.96 x 1010	540 nm	3.07 x 101010	742015 (felületaktív anyaggal stabilizált) 753653 (PBS)
80 nm	7.82 x 109	553 nm	7.70 x 1010	742023 (felületaktív anyaggal stabilizált) 753661 (PBS)
100 nm	3.84 x 109	572 nm	1.57 x 1011	742031 (felületaktív anyaggal stabilizált) 753688 (PBS)
150 nm	3.60 x 109	Nem mért	-	742058  (felületaktív anyaggal stabilizált)
200 nm	1.9 x 109	Nem mért	-	742066  (felületaktív anyaggal stabilizált)
250 nm	7.1 x 108	Nem mért	-	742074  (felületaktív anyaggal stabilizált)
300 nm	4.5 x 108	Nem mért	-	742082	-	742082 (felületaktív anyaggal stabilizált)
400 nm	1.9 x 108	Nem mért	-	742090  (felületaktív anyaggal stabilizált)

Alkalmazások

Az arany nanorészecskék alkalmazási köre gyorsan növekszik, és a következőkre terjed ki:

1. Elektronika - Az arany nanorészecskéket a nyomtatható tintáktól az elektronikus chipekig vezetőként használják.¹ Ahogy az elektronika világa egyre kisebb lesz, a nanorészecskék fontos alkotóelemek a chipek tervezésében. A nanoméretű arany nanorészecskéket ellenállások, vezetők és az elektronikus chip egyéb elemeinek összekapcsolására használják.
2. Fotodinamikai terápia - A közeli infravörös fényt elnyelő arany nanorészecskék (beleértve az arany nanohéjakat és nanorudakat) hőt termelnek, amikor 700 és 800 nm közötti hullámhosszúságú fénnyel gerjesztik őket. Ezáltal ezek a nanorészecskék képesek a célzott daganatok kiirtására.² Amikor fényt alkalmaznak egy arany nanorészecskéket tartalmazó daganatra, a részecskék gyorsan felmelegednek, és elpusztítják a daganatsejteket a hipertermia-terápiának is nevezett kezelés során.
3. Terápiás szerek szállítása - Az arany nanorészecskék felületére terápiás szerek is bevonhatók.³ Az arany nanorészecskék nagy felület-térfogat aránya lehetővé teszi, hogy felületükre több száz molekula (köztük terápiás szerek, célzott hatóanyagok és szennyeződésgátló polimerek) bevonható legyen.
4. Szenzorok - Az arany nanorészecskéket számos érzékelőben használják. Például egy arany nanorészecskéken alapuló kolorimetrikus szenzor képes azonosítani, hogy az élelmiszerek alkalmasak-e a fogyasztásra.⁴ Más módszerek, mint például a felületi megerősített Raman spektroszkópia, az arany nanorészecskéket szubsztrátként használják ki, hogy lehetővé tegyék a kémiai kötések rezgési energiáinak mérését. Ezt a stratégiát fehérjék, szennyező anyagok és más molekulák jelölésmentes kimutatására is lehetne használni.
5. Szondák - Az arany nanorészecskék is szórják a fényt, és sötétmező-mikroszkópiában érdekes színek sokaságát képesek előállítani. Az arany nanorészecskék szórt színeit jelenleg biológiai képalkotó alkalmazásokban használják.⁵ Emellett az arany nanorészecskék viszonylag sűrűek, így hasznosak szondaként a transzmissziós elektronmikroszkópiában.
6. Diagnosztika - Az arany nanorészecskéket biomarkerek kimutatására is használják a szívbetegségek, a rákos megbetegedések és a fertőző ágensek diagnosztikájában.⁶ Az oldalirányú áramlásos immunpróbákban is gyakoriak, egy gyakori háztartási példa az otthoni terhességi teszt.
7. Katalízis - Az arany nanorészecskéket katalizátorként használják számos kémiai reakcióban.⁷ Az arany nanorészecskék felületét szelektív oxidációra lehet használni, vagy bizonyos esetekben a felület redukálhat egy reakciót (nitrogén-oxidok). Az arany nanorészecskéket üzemanyagcellás alkalmazásokhoz fejlesztik. Ezek a technológiák hasznosak lennének az autóiparban és a kijelzőiparban.

Minőségi előny

A Cytodiagnostics-szal együttműködve büszkén kínáljuk az arany nanorészecskék széles portfólióját, amely kifejezetten az élettudományok és az anyagtudományok területén történő csúcstechnológiai alkalmazásokhoz készült. Az arany nanorészecskék 5 nm és 400 nm közötti átmérőjű méretekben, számos felületi funkcionalitással és különböző oldószer-kompozíciókban állnak rendelkezésre.

Míg a gömb alakú arany nanorészecskéket hagyományosan redukálószerek, például nátrium-citrát vagy nátrium-borohidrid, a Cytodiagnostics rendelkezik egy saját eljárással és formulával, amely nagy gömb alakú arany nanorészecskék előállításához vezet, durva redukálószerek nélkül. Más arany nanorészecskékkel összehasonlítva ezek a nanorészecskék számos előnnyel rendelkeznek, többek között:

1. szűk méreteloszlás - a dinamikus fényszórás (DLS) és a TEM-elemzés alapján. Minden egyes tételt DLS és UV-Vis spektroszkópia segítségével ellenőriznek (2. ábra).

2. ábra. DLS és UV-Vis spektrumok, amelyek a Cytodiagnostics pontos arany nanorészecskéit mutatják.

 

2. konzisztens méret és forma - <10% CV (szóráskoefficiens) még 100 nm felett is. Példa 5 nm-es és 400 nm-es nanorészecskékre az alábbi 3. ábra mutatja.

3. ábra. TEM-felvételek 5 nm-es (balra) és 400 nm-es (jobbra) arany nanorészecskékről <8%-os CV-vel.

 

Az arany nanoharcsák

4. ábra. TEM 100 nm-es arany nanoharcsákról

Az arany nanorészecskék egyedülálló optikai tulajdonságokkal rendelkeznek az azonos magátmérőjű gömb alakú arany nanorészecskékhez képest. A tüskés egyenetlen felület a felületi plazmoncsúcs vörös eltolódását és az elektromágneses tér nagyobb mértékű erősödését okozza az arany NanoUrchin tüskék csúcsainál a gömb alakú részecskékhez képest. Például a 100 nm-es gömb alakú arany nanorészecskék SPR-csúcsa 570 nm-nél van, míg a 100 nm-es Gold NanoUrchins SPR-csúcsa 680 nm körül van, 4. ábra.

5. ábra. Balra - 100 nm-es arany nanorészecskék (kék) és 100 nm-es standard arany nanorészecskék (zöld) UV-VIS spektruma. Figyeljük meg az SPR-csúcs vörös eltolódását. Jobbra - 50 nm és 100 nm közötti átmérőjű arany NanoUrchinok UV-VIS spektrumai.

Nézőpont

Az arany nanorészecskék a jól kidolgozott szintetikus eljárásoknak köszönhetően jól jellemezhető elektronikus és fizikai tulajdonságokkal rendelkező, sokoldalúan felhasználható anyagok az alkalmazások széles körében. Emellett felületi kémiájuk könnyen módosítható. Ezek a tulajdonságok tették az arany nanorészecskéket az egyik legszélesebb körben használt nanoanyaggá a tudományos kutatásban, és világszerte az orvosi eszközök és ipari termékek szerves részévé. A globális kutatóközösség számára elérhető, széleskörű arany nanorészecske-kínálatunk azt szolgálja, hogy növeljük a csúcstechnológiai alkalmazásokban való elterjedésüket.

Hivatkozások

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