CC BY
13УДК 543.424.2:544.774.4:546.215:546.59:547.97
Ю.С. Пестовский
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АГРЕГАЦИИ ЗОЛОТЫХ НАНОЧАСТИЦ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТАМИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ СИГНАЛА В СПЕКТРЕ ГИГАНТСКОГО
КОМБИНАЦИОННОГО РАССЕЯНИЯ
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
e-mail: organics@mail.ru
При иммобилизации золотых наночастиц на обработанные полиэлектролитами поверхности образуются различные типы агрегатов. Поверхностная концентрация наночастиц и агрегатов, а также вид агрегатов зависят от природы полиэлектролита. Автометаллография приводит к значительному увеличению способности полученных поверхностей к усилению сигнала в спектре гигантского комбинационного рассеяния иммобилизованного красителя. Интенсивность сигнала также зависит от противоио-на, вводимого в раствор полиэлектролита.
Ключевые слова: автометаллография, золотые наночастицы, гигантское комбинационное рассеяние (ГКР)
ВВЕДЕНИЕ
Спектроскопия ГКР обладает очень высокой чувствительностью и в ряде случаев позволяет обнаруживать одиночные молекулы [1]. Значительное увеличение чувствительности анализа достигается при правильном выборе подложки. Например, ГКР-активные поверхности могут быть созданы на основе острийных структур [2]. Показана возможность регистрации спектров ГКР 4,4'-бипиридина и биомолекул на полученных поверхностях с пикограммовой чувствительностью. Получены также структурированные поверхности в виде системы полых микроцилиндров. Чувствительность анализа при использовании цилиндров примерно на порядок хуже, чем у острийных систем [2].
Более широкое распространение получил другой подход - создание наноструктур из самих же наночастиц. Наиболее простым способом их получения является высушивание раствора нано-частиц на инертной поверхности. Была предпринята успешная попытка диагностики рака ротовой полости с использованием спектров ГКР слюны, снятых на полученной поверхности [3]. Однако такие структуры непригодны для количественного анализа вследствие их невоспроизводимости.
Наиболее удобным способом получения наноструктур является агрегация наночастиц в процессе их иммобилизации. Для данной цели может быть использована стеклянная поверхность, ковалентно модифицированная аминогруппами [4] или покрытая монослоем хлорида поли-диметилдиаллиламмония [5].
Золотые наноструктуры могут быть видоизменены с использованием автометаллографии -
метода, позволяющего изменять плазмонные свойства наноструктур и, следовательно, их способность к усилению сигнала ГКР. Данная возможность к настоящему времени не изучалась.
МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
В работе использовали аминопропилтри-этоксисилан Merck (Германия), золотые наночастицы Sigma (США) с распределением диаметров 8.5 - 12 нм (средний диаметр 10 нм, A520 = 0.75), золотохлористоводородную кислоту Aldrich (США), хлорид цетилтриметиламмония Aldrich (Германия), 5,5'-дитиобис(2-нитробензойную кислоту) Fluka (Германия), хлорид полидиметилди-аллиламмония Aldrich (США), полиэтиленимин Sigma (Германия), полианетолсульфонат натрия Serva (Германия), поли-(2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфокислоту) Aldrich (Германия), перок-сид водорода Merck (Германия), соли и компоненты буферного раствора Merck (Германия), ICN (США), алюминиевые тарелочки PerkinElmer (США). Все реактивы использовались без предварительной очистки. Все растворы готовились на воде, удельное сопротивление которой составляет 18.2 МОм/см, полученной с помощью системы очистки воды Milli-Q фирмы Millipore (США).
Для получения изображений образцов использовался растровый электронный микроскоп Supra-40 (Carl Zeiss). Обработка изображений производилась в программе Gwyddion 2.16 в среде Gtk+ 2.12.9-2. Спектры комбинационного рассеяния получали на спектрометре innoRam (B&WTek, Inc.) Длина волны возбуждающего лазера составляет 785 нм, диаметр луча 0.1 мм (собственные измерения). Измерения проводили при следую-
щих параметрах: мощность лазера 10%, время накопления 1.5 с, усреднение по 10 спектрам. Перед получением каждого спектра вручную при времени накопления 1 с без усреднения настраивали резкость так, чтобы интенсивность максимума в спектре была наибольшей. В случае если интенсивность максимума была больше предельной для ПЗС-матрицы прибора, подбирали соответствующее время накопления; полученные данные нормировали на время накопления 1.5 с в предположении линейной зависимости интенсивности спектральных максимумов от времени накопления (правомерность такой нормировки была доказана экспериментально). Обработку спектров осуществляли в программе GRAMS Research 3.01 A Level II. Из найденных интенсивностей максимума вычитали уровень базовой линии, который находили вручную для каждого спектра.
Для модификации аминогруппами образцы кремния выдерживали под слоем аминопро-пилтриэтоксисилана без растворителя в закрытых пробирках в течение 2 часов, затем поверхность промывали водой до полного удаления непрореа-гировавшего вещества и высушивали в потоке воздуха. Время обработки поверхности образца растворами полиэлектролитов во всех случаях составляло 10 мин, затем образец промывали водой и высушивали. Исходный раствор золотых нано-частиц перед проведением иммобилизации разбавляли водой в 5 раз. Образцы с раствором находились в течение 30 мин во влажной камере, затем их выдерживали в воде в течение 1 мин при слабом перемешивании и высушивали в потоке воздуха. В случае исследования влияния нанострук-турированной поверхности на интенсивность ГКР для иммобилизации использовали неразбавленный раствор наночастиц, продолжительность иммобилизации составляла 1 час.
Автометаллографию проводили в 0.01 M натрий-фосфатном буферном растворе (pH 7.2), содержащем 2-10-3 M хлорида цетилтриметилам-мония, 2-10-4 M золотохлористоводородной кислоты и 2-10-2 M пероксида водорода. Образцы выдерживали с соответствующими растворами во влажной камере при комнатной температуре в течение 30 мин. По истечении требуемого времени образцы промывали водой и высушивали в потоке воздуха, после чего хранили их в эксикаторе с си-ликагелем не менее 1 часа.
Для иммобилизации красителя к 500 мкл раствора золотых наночастиц диаметром 45 нм (8.97-10-11 M, pH 4.42) добавляли 1000 мкл насыщенного водного раствора красителя 5,5'-дитио-бис(2-нитробензойной кислоты). Реакцию проводили при комнатной температуре в защищенном
от света месте в течение 7 часов. Затем наноча-стицы отделяли центрифугированием при 13000 об/мин в течение 10 мин и ресуспендировали в 200 мкл воды.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В отличие от свободных золотых наночастиц, агрегаты золотых наночастиц коммерчески недоступны, что, вероятно, связано с их низкой стабильностью и невоспроизводимостью экспериментов по их получению. В связи с этим была исследована возможность получения агрегатов путем иммобилизации золотых наночастиц на обработанные полиэлектролитами поверхности кремния и алюминия и модифицированные аминогруппами и затем обработанные полиэлектролитами образцы кремния. Был также использован метод послойного нанесения полиэлектролитов, состоящий в последовательном нанесении на поверхность противоположно заряженных полиэлектролитов. Один слой в действительности соответствует двум: одному слою поликатиона (хлорида полидиметилдиаллиламмония) и одному слою полианиона.
Наилучшими критериями сравнения изображений, коррелирующими с результатами визуального сравнения, являются суммарная площадь объектов и площадь агрегатов. Для их вычисления наиболее эффективной оказалась следующая методика, которая была автоматизирована:
- объекты, площадь которых была меньше площади круга диаметром 8 нм, отсекались и далее не рассматривались;
- вычислялась суммарная площадь оставшихся объектов;
- объекты, площадь которых менее чем в 2 раза превышала площадь наименьшего из оставшихся объектов, отсекались и далее не рассматривались;
- вычислялась суммарная площадь оставшихся объектов и интерпретировалась как площадь агрегатов.
Суммарная площадь агрегатов коррелирует с их визуально наблюдаемым количеством, а суммарная площадь объектов - с визуально оцениваемым количеством наночастиц. Взаимодействие золотых наночастиц с полиэлектролитами в растворе и на поверхности, а также с поверхностями, модифицированными аминогруппами, позволяет получить разнообразные агрегаты. Наиболее высокая поверхностная концентрация наноча-стиц и агрегатов на поверхности кремния и алюминия достигается при предварительной обработке поверхности раствором хлорида полидиметил-диаллиламмония.
Дальнейшая модификация агрегатов может быть проведена с помощью автометаллографии, в ходе которой протекает следующая реакция:
АиСЫ + у H2O2 ^ Аи + 4СГ + у О2 + 3Н+
Проведение автометаллографии помимо увеличения размеров наночастиц приводит к приобретению некоторыми наночастицами неправильной формы, что, вероятно, объясняется возникновением золотых нанокластеров на поверхности растущих наночастиц [6]. Наночастицы, входящие в состав агрегатов, также подвергаются автометаллографии, в результате чего на поверхности образца возникают объекты необычной формы. С ростом концентрации пероксида водорода количество таких объектов возрастает.
10000
8000
6000
4000
2000
1 2 3
Рис. 1. Интенсивность сигнала алюминиевых образцов, последовательно обработанных растворами: 10.98 мг/л хлорида полидиметилдиаллила аммония в присутствии 20 мМ KCl (a) или KI (b); раствором 10 нм наночастиц золота (1,3) или 45 нм наночастицами золота (2); раствором полиэлектролита, имеющего такой же состав; 45 нм наночастиц золота с иммобилизованным красителем. Колонка 3 соответствует 10 нм наночастицам, подвергнутым автометаллографии после иммобилизации
Fig. 1. The signal intensity of aluminum samples sequentially treated with solutions: 10.98 mg/ml polydimethyldiallylammo-mium chloride in the presence of 20 mM KCl (a) or KI (b); solution of 10 nm gold nanoparticles (1, 3) or 45 nm gold nanopar-ticles (2); polyelectrolyte solution having the same composition;
45 nm gold nanoparticles with immobilized dye. Column 3 corresponds to the 10 nm nanoparticles undergone autometallography after immobilization
Таким образом, автометаллография приводит не только к изменению распределения иммобилизованных наночастиц по высоте, но и к качественному изменению поверхности - появлению видоизмененных агрегатов, состоящих из частично соединившихся наночастиц неправильной формы. Количество таких объектов возрастает с увеличением концентрации пероксида водорода, использующейся для автометаллографии.
Интенсивность сигнала красителя в спектрах ГКР образцов, подвергшихся автометаллографии, оказалась значительно выше, чем в спектрах образцов, содержащих наночастицы размером 10 или 45 нм, не подвергавшиеся автометаллографии. Сравнение с золотыми наночастицами диаметром 45 нм обусловлено тем, что они обеспечивают наиболее высокую интенсивность сигнала в спектре ГКР иммобилизованного красителя [7]. Интенсивность сигнала всех образцов, для обработки которых использовался раствор хлорида полидиметилдиаллиламмония в присутствии КС1 (рис. 1, а), оказалась ниже, чем в случае использования К1 (рис. 1, б).
Рис. 2. Поверхность одного из образцов, подвергнутых автометаллографии, результаты исследования которого методом
Рамановского рассеяния показаны на рис. 1 (b) Fig. 2. The surface of one of the samples wich were undergone autometallography the results of investigation of which by SERS spectrometry are shown in fig. 1 (b)
Исследование тех же самых образцов методом электронной микроскопии показывает, что автометаллография приводит к возникновению на поверхности разнообразных агрегатов. В случае если для обработки поверхности использовался раствор хлорида полидиметилдиаллиламмония с добавлением KI, на изображениях подвергшихся автометаллографии образцов часто присутствуют агрегаты ветвистой формы (рис. 2). При использовании раствора того же полиэлектролита с добавлением KCl на изображениях также много агрегатов, но агрегаты ветвистой формы отсутствуют
0
1
2
3
120000 г
б
100000 -
80000 -
60000 -
40000
20000
0
(рис. 3). На изображениях образцов, не подвергавшихся автометаллографии, при использовании KCl поверхностная концентрация наночастиц в среднем ниже.
Рис. 3. Поверхность одного из образцов, подвергнутого автометаллографии, результаты исследования которого методом
Рамановского рассеяния приведены на рис. 1(а) Fig. 3. The surface of one of the samples which were undergone autometallography the results of investigation of which by SERS spectrometry are given in fig. 1 (a)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведено исследование процесса агрегации золотых наночастиц в процессе их иммобилизации на обработанные полиэлектролитами по-
верхности. Разработана методика количественного анализа изображений полученных нанострук-турированных поверхностей, что позволило провести сравнение результатов, полученных при различных методиках обработки поверхности. Установлено, что автометаллография позволяет дополнительно увеличить ГКР-активность поверхностей более чем на порядок. Показано, что интенсивность сигнала также зависит от природы противоиона, вводимого в раствор полиэлектролита.
ЛИТЕРАТУРА
1. Yonzon C.R., Stuart D.A., Zhang X., McFarland A.D., Haynes C.L., Van Duyne R.P. // Talanta. 2005. V. 67. N 3.
P. 43S-44S.
2. Олейников В.А., Первов Н.В., Мчедлишвили Б.В. // Мембраны. 2QQ4. Т. 4. № 24. С. 17-28;
Oleiynikov V.A., Pervov N.V., Mchedlishvili B.V. // Membrany. 2004. V. 4. N 24. P. 17-28 (in Russian).
3. Kah J.C.Y., Kho K.W., Lee C.G.L., Sheppard C.J.R., Shen Z.X., Soo K.C., Olivo M.C. // International Journal of Nanomedicine. 2007. V. 2. N 4. P. 785-798.
4. Makiabadi T., Bouvrée A., Le Nader V., Terrisse H., Louarn G. // Plasmonics. 2010. V. 5. P. 21-29.
5. Song C., Wang Z., Yang J., Zhang R. and Cui Y. // J. Raman spectrosc. 2011. V. 42. Issue 3. P. 313-318.
6. Zayats M., Baron R., Popov I., and Willner I. // Nanolet-ters. 2005. V. 5. N 1. P. 21-25.
7. Rule K.L. and Vikesland P.J. // Environ. Sci. Technol. 2009. V. 43. P. 1147-1152.
