CC BY
61БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЗМЕРОВ ЗОЛОТЫХ НАНОЧАСТИЦ В КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРАХ МЕТОДОМ ДИНАМИЧЕСКОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТА
Мелебаев Д., Аманмадов А.Г., Гылыджова А.
Туркменский государственный университет им. Махтумкули, 744000, г. Ашхабад, проспект Туркменбаши, 31 Р01: Ш.3Ш8Л^.2413-5291.2022.1Ж605
АННОТАЦИЯ
Рассмотрено применение метода динамического рассеяния света (ДРС) для определения размеров коллоидных наночастиц золота в диапазоне 15-103 нм. Коллоидные наночастицы золота (НЧЗ) были синтезированы при температуре 80-100°С путём химического восстановления кислого раствора золотохлороводородной кислоты (НАиС14), в качестве прекурсора, щелочным раствором цитрата натрия (Ыа3С6Н507). Коллоидная стабильность образцов была получена посредством измерений дзета потенциала (£). Существенное влияние на процесс формирования наночастиц оказывают много факторов. В частности, важными являются соотношение концентраций ионов золота и восстановителя, рН раствора, время кипячения, скорость смещения реагентов. Таким образом, в зависимости от условий синтеза можно получить наночастицы разных размеров и формы.
Ключевые слова: наночастицы золота, золотохлороводородная кислота, метод цитратного восстановления, размер частицы, дзета потенциал, спектр поглощения.
1. Введение
За последние десятилетия, наночастицы металлов, таких как золото и серебро, стали объектом интереса для исследователей в связи с их оптическими, электрическими и химическими свойствами, которые значительно отличаются от свойств обычных материалов. Материалы нанометрового масштаба могут обладать уникальными физическими свойствами, которые исследуются с целью дальнейшего использования. Например, множество различных потенциальных применений золотых наночастиц основывается на химии их поверхности и их одинаковом размере. Наночастицы золота могут выступать в качестве многофункциональных средств доставки за счет присоединения различных функциональных органических молекул или биокомпонент [1,2].
Наночастицы золота важны во многих прикладных задачах нанотехнологии, так как они обладают рядом необходимых свойств, а также имеют большое значение в электронике, терапии, рентгенографии, доставке лекарств и устранении загрязнений [3,4]. В биомедицине, особенно при лечении рака, наночастицы золота весьма эффективны. Однако разные биомедицинские задачи требуют разных размеров наночастиц золота. Различные восстановители, как борогидрид натрия, гидроксиламин, аскорбиновая кислота были использованы для получения различных размеров наночатиц золота путем восстановления золотохлористоводородной кислоты [5]. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Однако самым распространенным методом является химическое восстановление
золотохлороводородной кислоты цитратом натрия, который играет роль восстановителя и стабилизатора; этот метод был введен Фарадеем [6] в 1857-ом году и был усовершенствован Френсом
[7]. Несмотря на это, эта процедура больше известна как метод Туркевича [8], который предложил модель для синтеза золотых наночастиц. Синтезированные наночастицы золота полученные цитратным восстановлением являются полидисперсными и часто невоспроизводимыми. Более того, было показано, что полидисперсность может достигать 40% [9]. Таким образом, были предложены различные теории, объясняющие эту эволюцию. В 2007-ом году, Кумар и его коллеги [10] разработали модель, для синтеза основанная на механизме предложенным Туркевичым и др. [11], но как позже оказалось, эта модель плохо работала в некоторых случаях. Затем, Агунлое и др. презентовали кинетическую модель, которая основывается на механизме семя-промежуточного синтеза описанный Вуитшиком и др. [12].
В этой работе, размеры и индексы полидисперсности (ИПД) полученных золотых наночастиц были измерены путем динамического рассеяния света (ДРС). Спектры поглощения ультрафиолетового и видимого света (УФ-вид) всех приготовленных образцов коллоидных наночастиц были получены на спектрофотометре СФ-2000, а для дзета потенциала (£) использовался метод электрокинетической звуковой амплитуды (ESA). Оптические измерения проводились при комнатной температуре (300 К).
2. Экспериментальная часть 2.1 Материалы и реагенты
Для синтеза коллоидных наночастиц золота, была, использовала золотохлороводородная кислота (HAuCU), в качестве прекурсора, и цитрат натрия (Na3C6H5O7), в качестве восстановителя. Исходная концентрация водного раствора HAuCU была 12 мМ. Концентрация восстановителя (Na3C6H5O7) во всех экспериментах была равна 38,8 мМ.
2.2 Приборы
Коллоидные наночастицы золота были приготовлены магнитной мешалкой (AMTAST, MS-400). УФ-вид спектр поглощения коллоидный наночастиц золота был получен с помощью УФ-вид спектрофотометра (ОКБ Спектр, 130063 СФ-2000 Спектрофотометр). Размер и распределение размеров коллоидных наночастиц золота были проанализированы методом динамического рассеяния света (PHOTOCOR Mini, 130130). Значения дзета потенциала коллоидных наночастиц золота были получены с помощью анализатора дзета потенциала (PA field ESA, 0124F.49, PA Partikel - Analytik - Meßgeräte GmbH). Вес химикатов и реагентов был получен микровесами (METTLER TOLEDO, MS204S). Для реакций, был использованы химическая стеклянная
Синтез коллоидны
посуда (KLIN) и пипетка (Thermo Fisher Scientific) для транспорта измеренных объемов жидкостей.
2.3 Приготовление наночастиц золота цитратным методом Коллоидные наночастицы золота были синтезированы методом Туркевича [8]. Исходная концентрация золотохлороводородной кислоты (HAuCU) была восстановлена цитратом натрия. Водный раствор HAuCl4 интенсивно мешали и подогревали под оттоком (рефлюксом). Цитрат натрия был добавлен после того как водный раствор HAuCl4 вскипел и был оставлен дополнительное время для рефлюкса. Четыре разных набора экспериментальных условий коллоидных наночастиц золота показаны в таблице 1.
Таблица 1.
наночастиц золота_
Металл Восстановитель (стабилизатор) Концентрация и объем восстановителя Концентрация и объем прекурсора Температура Время оттока
Au Цитрат натрия №яслИчО7) C=38.8 мM V=2 mл C=1 мM V=20 мл 800C 10 мин
Au Цитрат натрия (НазС6Н507) C=38.8 мИ V=2 мл C=1 мM V=20 мл 1000C 10 мин
Au Цитрат натрия (НазСбН507) C=38.8 мЛ V=3 мл C=0.3 мM V=100 мл 1000C 15 мин
Au Цитрат натрия (НазСбН507) C=38.8 мН V=30 мл C=0.5 мM V=300 мл 1000C 30 мин
3. Результаты и обсуждение 3.1 Измерения размеров коллоидных наночастиц золота динамическим рассеянием света (ДРС)
Динамическое рассеяние света (ДРС) дает много возможностей для получения информации о таких свойствах как размер наночастиц и коэффициент диффузии. Размер наночастиц был измерен при помощи PHOTOCOR Mini 130130 оснащенный 25 мВ диодным лазером (654 нм), который работает при угле 90° и при температуре 18-22°C. Объем образца 2.5 мл был помещен в кюветы с диаметром 10 мм. Средние гидродинамические радиусы частиц, Rh, были
рассчитаны из интенсивности рассеянного света при помощи пакета программного обеспечения Р^йсог, который основывается на теории Броуновского движения и на уравнении Стокса-Эйнштейна:
D =
квТ 6 mjRh
Где, D (начальный измерений) температура, и п растворителя [13].
- это параметр
k
коэффициент получаемый постоянная Больцмана, T -- коэффициент вязкости
диффузии из ДРС
Таблица 2.
Размер частиц и индекс полидисперсности коллоидных наночастиц золота синтезированных при
Концентрация и объем восстановителя Концентрация и объем прекурсора Температура Время рефлюкса Размер частиц (радиус) Индекс полидисперсности
C=38.8 мП V=2 мл C=1 мM V=20 мл 800C 10 мин 64.18 нм 0.203
C=38.8 мM V=2 мл C=1 мM V=20 мл 1000C 10 мин 61.15 нм 0.488
C=38.8 мM V=3 мл C=0.3 мЫ V=100 мл 1000C 15 мин 18.34 нм 0.567
C=38.8 мM V=30 мл C=0.5 мM V=300 мл 1000C 30 мин 15.27 нм 0.419
Интенсивность ДРС в процентах и распределения размеров наночастиц показаны на рисунках 1, 2. Очевидно, что при увеличении количества используемого цитрата во время синтеза, радиус частиц уменьшается. Размер и
полидисперсность синтезированных коллоидных наночастиц золота 64.18 нм (0.203), 61.15 нм (0.488), 18.34 нм (0.567) и 15.27 нм (0.419) соответственно.
<r Distribution analysts
F«tii>9 range [40 140] channels
Number of Nef.als 200
Boundaries И 5*4; 2 0e*9|
Resolution 0
Peak Hum Area Mean Positon STD
1 0 011 4 651 4 674 0 385
2 0 512 61 57 61.15 7 391
3 j 0 477 4396 4224 Î3SÔ
26e-l
Рис 1. Интенсивность ДРС в процентах и распределение размеров наночастиц: а - 64,18 нм; б - 61,15 нм
Рис 2. Интенсивность ДРС в процентах и распределение размеров наночастиц: а - 18,34 нм; б - 15,27 нм
3.2 Измерения дзета потенциала коллоидных наночастиц золота методом электрокинетической звуковой амплитуды (ESA)
Эффективный заряд или же дзета потенциал частиц традиционно измеряется как скорость, с которой они двигаются во внешнем электрическом поле (электрофорез) при применении постоянного тока. В этом случае, частицы начинают двигаться в сторону одного из электродов. Непосредственным
параметром, который измеряется, является их динамическая подвижность. РА устройство применяет переменный ток для того, чтобы заряженные частицы двигались. В таком случае, они колеблются с частотой внешнего электрического поля. Колебания вещества в диапазоне от 200 К Гц до 2 МГц производят звуковые волны с равнодействующим импульсом до тех пока есть разность плотностей между частицами и окружающим растворителем.
Амплитуда этих волн или же электрокинетическая звуковая амплитуда (ESA) пропорциональна, через доказанную теорию, динамической подвижности, а она в свою очередь пропорциональна дзета потенциалу частиц в дисперсии.
Значения дзета потенциала синтезированных коллоидных наночастиц золота зависят от размера и индекса полидисперсности синтезированных коллоидных наночастиц золота (табл. 3).
Таблица 3.
Дзета потенциал коллоидных наночатиц золота синтезированных при четырех разных
Металл Размер Дзета потенциал Индекс
частиц (радиус) (С) полидисперсности
Au 64.18 нм -4.2 мВ 0.203
Au 61.15 нм -3.5 мВ 0.488
Au 18.34 нм -37.8 мВ 0.567
Au 15.27 нм -33.6 мВ 0.419
3.3 Спектр поглощения коллоидных наночастиц золота
Кристаллическая решетка золота, как и других металлов, организована таким образом, что валентные электроны способны двигаться по всему объему вещества; таким образом, металлы имеют высокую электрическую проводимость. Переменное электрическое поле пучка света смещает электроны проводимости и электрический диполь формируется на поверхности наночастицы, который колеблется с частотой равной частоте поля падающего луча. Этот диполь, который колеблется на поверхости наночастцы называется поверхностым плазмоном. Поверхностный плазмон появляется если наночастица много меньше длины падающего луча.
Совпадение частоты колебания
поверхностного плазмона с частотой колебания падающего луча является причиной абсорбционного резонанса и рассеяния света, который называется поверхностно-плазмонным резонансом (ППР).
Поглощение света веществом рассчитывается по закону Ламберта-Бера:
£ • С • d
Здесь, J0 и J - интенсивности света перед и после прохождения через слой толщины d (см) с концентрацией С (моль/л). Отношение /о//, а также значение е называются затуханием и коэффициентом молярного затухания,
соответственно.
Таким образом, специфическая полоса поглощения раствора расширяется в видимый регион вследствие уменьшения размера частицы. Полоса плазмонного поглощения увеличивается, если размер частицы становится меньше средней длины свободного пробега электронов в металле. Только для трех металлов (Au, Ag, и Cu) плазмонный резонанс наночастицы смещается из УФ области в видимую область спектра; для всех других, он перемещается в УФ область.
Спектр поглощения коллоидных наночастиц золота, синтезированных при четырех разных экспериментальных условиях показан на рисунках 3, 4. Спектр поглощения был измерен в диапазоне от 400 нм до 900 нм, при помощи спектрофотометра (СФ-2000) с использованием кварцевой кюветы. Значения поглощения плазмонного резонанса и Lambda max (Xmax
) в видимой области спектра показаны в таблице 4.
Таблица 4.
Характеристика синтезированных коллоидных наночастиц золота УФ-вид спектром
Металл Размер частицы (радиус) Коэффициент поглощение (D) Макс ламбда (Xmax)
Au 64.18 нм 2.28 525.5 нм
Au 61.15 нм 0.51 549.5 нм
Au 18.34 нм 0.89 533.5 нм
Au 15.27 нм 1.54 527.5 нм
Рис 3. Спектральная зависимость поглощения света видимого диапазона наночастицами золота размером: а - 64,18 нм; б - 18,34 нм
Рис 4. Спектральная зависимость поглощения света видимого диапазона наночастицами золота размером: 1 - 93,76 нм; 2 - 15,27 нм
Спектры поглощения света всех приготовленных образцов коллоидных наночастиц были получены на спектрофотометре СФ-2000. Все образцы показали пик поверхностно-плазмонного резонанса (рис. 3,4). Это доказывает формирование наночастиц золото в растворе. Измерение спектров поглощения света золотыми наночастицами разных размеров (r=15-103 нм) в коллоидном растворе показало, что при уменьшении размеров наночастиц, пик плазмонного поглощения сдвигается в коротковолновую область (рис. 4). Этот факт соответствует революционной идее нанотехнологии.
4. Заключение
Наномасштабные частицы золота демонстрируют интересные физические, химические и биологические свойства. Для получения коллоидных наночастиц золота в этой работе было использовано цитратное восстановление золотохлороводородной кислоты в водной среде. Размер и индекс полидисперстности наночастиц были определены методом динамического рассеяния света, а для дзета потенциала использовался метод
электрокинетической звуковой амплитуды. Спектры поглощения света всех приготовленных образцов коллоидных наночастиц были получены на спектрофотометре СФ-2000. Все образцы
показали пик поверхносто-плазмонного резонанса. Это доказывает формирование наночастиц золота в растворе. Было показано, что при молярном отношении цитрата к золоту, окончательные размеры могут быть уменьшены до 15 нм без существенной потери стабильности наночатистиц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Л. А. Дыкман, В. А.Богатырев, С. Ю. Щеголев, Н. Г. Хлебцов. Золотые наночастицы. Москва. Наука. 2008 - 319 с.
2. Цао Гочжун, Ин Ван. Наноструктуры и наноматериалы. Синтез, свйоства и применение. Пер. С англ. - М. : Научный мир, 2012 - 540с.
3. Mieszawska, A.J. Mulder, W.J. Fayad, Z.A. ve Cormode, D.P., (2013). "Multifunctional gold nanoparticles for diagnosis and therapy of disease", Molecular pharmaceutics, 10: 831-847.
4. Tan, G. Onur, M.A. ve SAGLAM, N., 2012. "Utilization of gold nanostructures in biomedical applications", Turkish Journal of Biology, 36: 607-621.
5. Егорова Е.М., Кубатиев А.А., Швец В.И. Биологические эффекты наночастиц металлов. М.: Наука. 2014.
6. M. Faraday, 1857. Experimental relations of gold (and other metals) to light, Philos. Trans. R. Soc. 147 145-181.
7. G. Frens, 1973. Controlled nucleation for the regulation of particle size in monodisperse gold suspenions, Nature 241, 20.
8. Turkevich J, Stevenson P C, Hillier J, 1951. Discuss. Faraday Soc. 11 55 9. Ji, X.H., Song, X.N., Li, J., et al., 2007. Size control of gold nanocrystals in citrate reduction: the third role of citrate. J. Am. Chem. Soc. 129, 13939.
10. Kumar, S., Kumar, R., Gandhi, K.S., 2007. Modeling of formation of gold nanoparticles by citrate method. Ind. Eng. Chem. Res. 46, 3128-3136. https://doi.org/10.1021/ie060672j.
11. Agunloye, E., Panariello L., Gavriilidis, A., et al., 2018. A model for the formation of gold
nanoparticles in the citrate synthesis method. Chem. Eng. Sci. 191, 318-331.
https://doi.org/10.1016/j.ces.2018.06.046
12. Wuithschick, M., Witte, S., Kettemann, F., et al., 2015. Turkevich in new robes: key questions answered for the most common gold nanoparticle synthesis. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 19895-19900. https://doi.org/10.1021/acsnano.5b01579.
13. Amanmadov A, Melebaev D. Modern techniques for determining the sizes of gold nanoparticles. Национальная ассоциация ученых, выпуск 24/51, том №1, стр. 37-42, 2020, doi: 10.31618/nas.2413-5291.2020.1.51.129
