CC BY
67
Химические науки
Пестовский Ю.С.
соискатель ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», г. Иваново
Влияние полиэлектролитов и автометаллографии на спектральные свойства наночастиц золота
Пестовский Ю.С.
Среди всех микро- и наночастиц важное место занимают наночастицы металлов, которые замечательны, прежде всего, оптическими свойствами и способностью эффективно рассеивать и поглощать свет [1]. Благодаря возможности настройки спектра поглощения наночастицы золота и серебра нашли разнообразные применения в нанобиотехнологии и наномедицине [2].
Основным методом получения наночастиц золота является автометаллография — увеличение наночастиц путем осаждения дополнительного металла, образующегося в ходе окислительно-восстановительной реакции. Использование пероксида водорода в качестве восстановителя позволяет получить препараты наночастиц с малой полидисперсностью. Уравнение реакции золотохлористоводородной кислоты с пероксидом водорода имеет следующий вид [3]:
AuCl4- + ъ/г H2O2 -+Au + 4СГ + ъ/г O2 + 3H+
Получение наночастиц методом автометаллографии во многих случаях требует последующего контроля препаратов. Контролируемым параметром обычно является средний диаметр наночастиц. Наиболее простым способом определения этого параметра является спектроскопия [2]. Однако на спектр поглощения помимо размера наночастиц влияют и другие факторы, в том числе степень агрегации и наличие посторонних веществ. Изучение спектра поглощения наночастиц золота в зависимости от условий эксперимента позволит расширить область их аналитического применения.
Реактивы и материалы
В работе использовали наночастицы золота Sigma (США) с распределением диаметров 8.5 — 12 нм (средний диаметр 10 нм), наночастицы золота средним диаметром 2, 5, 10, 15, 20 нм производства ИБФРМ (Саратов), концентрация растворов наночастиц размером 5 — 20 нм 6.3 • 1013, 5.7 • Ш2, 1.6 • Ш2, 7.7 • 1011 частиц/мл соответственно; золотохлористоводородную кислоту Aldrich (США), хлорид цетилтриметиламмония Aldrich (Германия), пероксид водорода Merck (Германия), аминопропилтриэтоксисилан Merck (Германия), хлорид полидиметилдиаллиламмония Aldrich (США), полиэтиленимин Sigma (Германия), поли-анетолсульфонат натрия Serva (Германия), хитозан-500000 Sigma (Германия), уксусную кислоту производства ООО «Техпром», глюкозооксидазу Sigma (Германия), холинок-сидазу Sigma (Германия), соли и компоненты буферных растворов Merck (Германия), ICN (США), нитроцеллюлозу Millipore (Франция). 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).
Методика
Для модификации аминогруппами образцы стекла выдерживали под слоем аминопропилтриэтоксисилана без растворителя в эксикаторе над прокаленным силикагелем в течение 2 часов, затем поверхность промывали водой до полного удаления образовавшегося твердого слоя или непрореагировавшего вещества и высушивали в потоке воз-
духа. После модификации поверхности сразу проводили иммобилизацию наночастиц. Исходный раствор наночастиц золота разбавляли водой в 5 раз. Образцы выдерживали под слоем раствора в течение 30 минут во влажной камере. Затем образцы промывали водой и высушивали в потоке воздуха.
Нанесение наночастиц на нитроцеллюлозу осуществлялось в потоке азота с использованием прибора CAMAG Linomat 5.
Автометаллографию проводили в 0.01 M на-
трий-фосфатном буферном растворе (pH 7.2), содержащем 240-3 M хлорида цетилтриметиламмония, 2-10-4 M HAuCl4 и пероксид водорода. Реакцию проводили во влажной камере при комнатной температуре в течение 10 мин.
Спектры поглощения стеклянных образцов получали на двухлучевом кюветном спектрофотометре Shimadzu UV-1800. Обработку спектральных данных, полученных на этом спектрофотометре, проводили с использованием программного обеспечения встроенного компьютера. Перед поиском максимумов производили сглаживание спектров.
Спектры поглощения раствора наночастиц получали на планшетном спектрофотометре Bio-Rad xMark.
Результаты и обсуждение
На рис. 1 показана зависимость спектра поглощения наночастиц золота от времени автометаллографии. Представленные данные демонстрируют, что рост наночастиц золота сопровождается не только возрастанием оптической плотности раствора, но и смещением максимума поглощения в длинноволновую область.
Рисунок 1. Спектр поглощения наночастиц золота размером 10 нм при восстановлении золотохлористоводородной кислоты 2-10-2 М Н202 Цифры над кривыми - время процесса, мин.
В случае иммобилизованных наночастиц автометаллография также проводит к смещению их максимума поглощения в длинноволновую область. Кроме того, возрастает оптическая плотность образцов в максимуме поглощения, причем разность оптических плотностей зависит от используемой концентрации пероксида водорода. В частности, при проведении автометаллографии с использованием 6-10-4 М Н202 в течение 30 мин максимум поглощения сместился на 14 нм и оптическая плотность возросла на 0.007. При 2-10'2 М Н202 в тех же условиях максимум сместился на 6 нм и оптическая плотность возросла на 0.018.
Зависимость коэффициента экстинкции при 550 нм от диаметра наночастиц в графическом виде была получена ранее [4]. Аппроксимация данного графика позволила получить следующее уравнение:
s«xyt+ad+bd
где У0 = 1.336 X 1010, а = -2.367 х 109, Ь = 1.043 х 108. Положение максимума поглощения также зависит от диаметра наночастиц; аппроксимация данных из работы [2] позволила получить следующее уравнение:
Для выяснения соотношения коэффициентов экстинкции при 550 нм и в максимуме поглощения нами были получены спектры поглощения растворов наночастиц диаметром
2, 5, 10, 15, 20 нм. В результате анализа этих спектров была получена следующая формула:
где у0 = 0.4291, х0 = -6.208, а' = 0.5518, Ь' = 0.4462. Подстановка всех трех формул в закон Бера позволяет получить искомую зависимость:
Здесь g = 30.824, к = 2.1406, с — концентрация наночастиц в моль/л, 1 - длина оптического пути в сантиметрах. Полученная формула описывает экспериментальные данные с коэффициентом корреляции 0.98.
Наличие рассмотренной зависимости позволяет использовать автометаллографию как метод повышения чувствительности анализа. Конъюгаты наночастиц золота могут использоваться в экспресс-анализе на тест-полосках, так как при достаточной концентрации их интенсивная окраска видна невооруженным глазом. Однако определяемые вещества чаще всего присутствуют в низких концентрациях. Для решения этой проблемы можно использовать наночастицы, имеющие диаметр порядка нескольких десятков нанометров, так как их окраска наиболее интенсивна. Однако с ростом диаметра наночастиц падает скорость диффузии их конъюгатов.
Автометаллография позволяет применять в экспресс-анализе даже наночастицы, имеющие диаметр 2 нм, так как после ее проведения размер наночастиц возрастает настолько, что вследствие увеличения оптической плотности их окраска становится видимой.
На рис. 2 представлены изображения нитроцеллюлоз-ных тест-полосок, полученные с помощью сканера. На образцы были нанесены наночастицы золота размером 2 нм. Исследовалось как нанесение наночастиц в центр, так и на край образца с последующим проведением бумажной хроматографии. На изображениях заметно, что проведение ав-
тометаллографии позволило визуализировать присутствие наночастиц и не вызвало их существенной диффузии.
Спектр поглощения наночастиц золота чувствителен не только к их размеру, но и к наличию веществ, способных к взаимодействию с ними. Это свойство обусловливает еще одну область применения наночастиц. Поверхность с иммобилизованными наночастицами золота может быть использована для спектрофотометрического определения адсорбированных веществ [5] с использованием зависимости максимума поглощения наночастиц от количества адсорбированного вещества и его природы.
На рис. 3 представлены спектры поглощения модифицированного аминогруппами стеклянного образца с иммобилизованными золотыми наночастицами до и после обработки хлоридом полидиметилдиаллиламмония. Из рисунка видно, что обработка привела к смещению максимума поглощения наночастиц в длинноволновую область. Менее выраженное смещение максимума поглощения происходит и при адсорбции белков на поверхность наночастиц, находящихся в растворе, как было показано на примере белка в, глюкозооксидазы и холиноксидазы.
Рисунок 2. Визуализация наночастиц золота размером 2 нм на тест-полоске с помощью автометаллографии (2.410-3 М Н202). Контрольные полоски отличались отсутствием стадии автометаллографии.
Подобным же образом на спектр поглощения наночастиц золота влияет их агрегация: с увеличением степени агрегации максимум поглощения наночастиц смещается в длинноволновую область, как было показано на примере хлорида полидиметилдиаллиламмония в интервале концентраций 12 — 166 мг/мл. На рис. 4 показаны спектры поглощения золотых наночастиц в присутствии этого полиэлектролита. Присутствие других полиэлектролитов (хитозана в присутствии 4% уксусной кислоты, полиэтиленимина, полианетолсульфокисло-ты, хлорида поли-п-винилбензилпиридина, бромида поли-4-винилбензилпиридина) вызывает похожее изменение спектра.
Рисунок 3. Спектры поглощения стеклянного образца с иммобилизованными наночастицами золота размером 15 нм до (тонкая линия) и после обработки хлоридом полидиметилдиаллиламмония (жирная линия).
Отметим также, что ни в одном из рассмотренных случаев процесс не сопровождался осаждением наночастиц. Следовательно, описанный метод позволяет воспроизводимо получать устойчивые растворы агрегатов наночастиц золота, что практически невозможно при использовании низкомолекулярных электролитов.
Таким образом, положение максимума поглощения наночастиц золота зависит от их размера, степени агрегации и от наличия посторонних веществ. Количественная зависимость положения максимума от размера может использоваться для контроля размера получаемых наночастиц при проведении автометаллографии, что позволит повысить точность эксперимента. Влияние посторонних веществ на спектр поглощения позволяет использовать наночастицы золота для их спектрофотометрического определения. Взаимодействие наночастиц золота с полиэлектролитами позволяет получать устойчивые растворы агрегатов.
Рисунок 4. Спектры поглощения раствора наночастиц золота размером 10 нм в присутствии 1.58 мг/мл (пунктир) и 7.91 мг/мл хлорида полидиметилдиаллиламмония (сплошные линии) при различной продолжительности взаимодействия при комнатной температуре (сверху вниз): 5 мин; 10.5 мин; 16 мин; 21 мин; 26.5 мин; 32 мин. Жирной линией показан спектр наночастиц в отсутствие полиэлектролита.
Список использованных источников
1. Климов В.В. Наноплазмоника. М., 2009.
2. Хлебцов Н.Г., Богатырев В.А., Дыкман Л.А., Хлебцов Б.Н. Золотые наноструктуры с плазмонным резонансом для биомедицинских исследований. // Российские нанотехнологии. 2007. Т. 2. №3-4. С. 69-86.
3. Zayats M., Baron R., Popov I., and Willner I. Biocatalytic Growth of Au Nanoparticles: From Mechanistic Aspects to Biosensors Design. // Nanoletters. 2005. V. 5. No. 1. P. 21-25.
4. Дыкман Л.А., Богатырев В.А., Щёголев С.Ю., Хлебцов Н.Г Золотые наночастицы: синтез, свойства, биомедицинское применение. М., 2008.
5. Cao Z., Gong F.-C., Tu M., Zeng M.-X., Huang X.-X., Zhang L.,
Tan S.-Z., Sun L.-X., Gu N. Preliminary Recognition of c-Myc Gene Protein Using an Optical Biosensor with Gold Colloid Nanoparticles Based on Localized Surface Plasmon Resonance. // Analytical Letters. 2009. V. 42. No. 17. P. 2820-2837.
