ГЛАВА 11: HAHOЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА КАК ОПТИЧЕСКИЙ CEHCOP

Как уже отмечалось в главах 5-8, 10, характерной особенностью оптических свойств наночастиц благородных металлов (B частности, золота и серебра) является наличие локализованного поверхностного плазмонного резонанса (ППР). Явление ППР лежит в основе HOBOTO, быстро развивающегося направления в технологии наносистем, получившего название «наноплазмоника»; применительно к медицине и биологии данное направление перспективно для создания разного рода сенсоров [1, 2], диагностики и лечения опухолей и других заболеваний [3, 4], направленной доставки лекарств [5, 6] и т.д.

Качество оптического сенсора определяется его чувствительностью тем, какое минимальное изменение концентрации B системе можно зaрегистрировать по изменению его окраски, что, в свою очередь, зависит от молярного коэффициента экстинкции вещества. По этому показателю плазмонные частицы значительно превосходят органические красители.

Так, для красителей максимальное значение коэффициента экстинкции находится в пределах ~10⁵-10⁶ моль^-1см^-1(например, кристаллический фиолетовый имеет ɛ = 8.7х10⁴ моль^-1см^-1, для Родамина Б ɛ = 10⁵ моль^-1см^-1). При этом для наночастиц золота размером 10 нм коэффициент экстинкции составляет ɛ = 10⁸ моль^-1см^-1, с увеличением размера частиц до 90 нм его значение возрастает до ɛ = 10¹¹ моль^-1см^-1. Соответственно, сенсоры на основе плазмонных наночастиц будут в 10³-10⁵ раз чувствительнее сенсоров на органических красителях!

Описание задачи

Синтез золей золота путём восстановления хлораурата по методу Туркевича и наблюдение поведения наночастиц золота при их использовании в качестве сенсора на электролиты.

Реактивы, необходимые для работы

1. Вода дистиллированная.
2. Золотохлористоводородная кислота, HAuCl4•xH2O.
3. Цитратнатрия трёхзамещённый дигидрат, HOC(COONa)(СH2COONa)2*H2O.
4. Соль поваренная столовая.
5. Сахароза, сахар-песок столовый.
6. Хромовая смесь (опционально).
7. «Царская водка» (смесь концентрированных HCl и HNO3 B объёмном соотношении 3:1) для промывки (опционально).

Оборудование, необходимое для работы

1. Стеклянный стакан объёмом 50 мл — 4 шт.
2. Стеклянная пипетка объёмом 5 мл — 1 шт.
3. Набор стеклянных пробирок на штативе.
4. Весы электронные лабораторные 3-T0 класса или точнее.
5. Магнитная мешалка с нагревом.

Оборудование, необходимое для анализа (опционально)

1. Спектрофотометр.
2. Электронный микроскоп.

Описание эксперимента

1. Синтез золя наночастиц золота

Готовят исходные растворы золотохлористоводородной кислоты (1 мМ) и цитрата натрия (25 мМ). В стеклянный стаканчик объёмом 50 мл наливают 20 мл раствора HAuCl₄•xH₂O, помещают в нero перемешивающее устройство и устанавливают на магнитную мешалку. После того как содержимое стаканчика на мешалке закипит, в него быстро добавляют 3 мл раствора цитрата натрия. Продолжают нагрев (кипячение) и перемешивание около 10 минут, пока в стаканчике нe разовьётся устойчивая рубиновая окраска (при выкипании раствора можно довести его объём до первоначального дистиллированной водой). Готовый золь снимают с мешалки и охлаждают. Согласно «классическому» методу Туркевича [7], синтез золя золота происходит B результате восстановления золотохлористоводородной кислоты цитратом натрия, последний используется в небольшом избытке, поскольку выступает также в роли стабилизатора золя:

Примечания

1. Сам по себе синтез несложен, но предъявляет повышенные требования к качеству реактивов и (особенно!) к чистоте лабораторной посуды. Иногда даже в практически идеальных условиях, при использовании качественных реактивов, синтез не удаётся из-за плохо помытых стаканчиков и перемешивающих устройств. Поэтому всё оборудование следует вымыть сначала любым моющим средством для посуды, затем хромовой смесью (Осторожно!) и несколько раз дистиллированной водой. Если в этой посуде ранее уже проводили синтез наночастиц золота или серебра, рекомендуется дополнительно промыть её «царской водкой» — смесью концентрированных соляной (32-35 мас. %) и азотной (65-68 мас. %) кислот, взятых B соотношении 3:1 10 объёму (опционально). (Осторожно, едкое! Работать в перчатках и защитных очках!)

2. Золь золота, полученный по методу Туркевича, стабилизирован за счёт электростатического отталкивания цитратных групп, адсорбированных на поверхности частиц. В присутствии неионных соединений (сахароза) устойчивость коллоидной системы не изменяется (иногда даже повышается). Напротив, посторонние ионы B растворе уменьшают толщину двойного электрического слоя на поверхности частиц, и агрегативная устойчивость падает (частицы слипаются).

При сближении частиц на расстояние менее 0.1 их диаметра красный цвет золя изменяется на пурпурный и синий, а полоса поглощения уширяется и сдвигается в длинноволновую область:

3. Коагулирующая способность электролита характеризуется порогом коагуляции, т. е. минимальной концентрацией электролита, добавленного к коллоидному раствору, вызывающей его коагуляцию. По эмпирическому правилу Шульце-Гарди, порог коагуляции определяется в основном зарядом противоионов: соотношение порогов коагуляции одно-, двух- и трёхзарядных противоионов приблизительно равно 1:0.016:0.0013 (соответственно, отношение обратных величин — коагулирующей способности — составляет 1:60:700).

4. Исходные растворы могут храниться в посуде из тёмного стекла в прохладных условиях: раствор цитрата натрия — не более полугода, раствор золотохлористоводородной кислоты — нe более недели. А вот золь коллоидного золота достаточно устойчив: в Лондоне, в музее Королевского института Великобритании, хранятся две склянки с коллоидными растворами золота, полученными М. Фарадеем ещё в первой половине XIX в.

Дополнительные факты

Использование наночастиц золота в качестве оптического селективного сенсора в медицине основано на аналогичном подходе. В 1980 г. Дж. Лойверинг с соавторами [8] предложили новый метод, названный ими «иммуноанализ на частицах золя» (sol particle immunoassay, SPIA). Молекулы цитрата на поверхности наночастиц меняют на биологические молекулы, например антитела [9]. Коагуляцию (укрупнение частиц) такого золя будут вызывать не электролиты, а соответственные биологические маркеры неблагоприятных процессов. Дальнейшая агломерация и изменение плазмонной полосы золота аналогичны исследованным на примере цитрата и электролитов. С помощью таких экспресс-тестов можно регистрировать, например, наличие ряда заболеваний (рак, туберкулёз, ВИЧ и пр.) на самых ранних стадиях их развития [10]. Ряд особо опасных заболеваний имеют короткий инкубационный период и склонны к эпидемическому распространению. В этом случае очень важно уметь быстро распознать носителя болезни с целью его локализации и лечения. Так, экспресс-тест, основанный на arpeгации наночастиц золота и изменении цвета пробы, был предложен для идентификации заболевших атипичной пневмонией при эпидемии в Юго-Восточной Азии [10].

Многие экспресс-тесты на беременность в основе диагностики используют описанный принцип [11]. Например, спомощью конъюгата наночастиц золотаи соответствующих антител тест-полоски компании Ulti Med регистрируют уровень «гормона беременности» — хорионического гонадотропина человека (ХГЧ) в моче. ХГЧ состоит U3 двух субъединиц: α и β. В одном участков бумажной тест-полоски в виде линии иммобилизованы α-субъединицы ХГЧ, а в другом — наночастицы золота с моноклональными антителами, специфичными к β-субъединице ХГЧ. Когда полоска погружена в мочу, наночастицы золота перемещаются вдоль полоски за счёт капиллярных сил. Если моча содержит ХГЧ (т.е. если женщина беременна), В-субъединицы ХГЧ связываются с мечеными золотыми наночастицами и при достижении места локализации α-субъединиц α— и β-субъединицы соединяются, образуя комплекс золота-ХГЧ. Если концентрация ХГЧ достаточно высока, комплекс проявляется в виде красной линии, это свидетельствует о TOM, что женщина беременна. Остальные частицы золота связываются со второй линией, что указывает на правильность выполнения теста (положительного или отрицательного).

Полезная литература

1. Willets K. А., Van Duyne В. Р. Localized surface plasmon resonance spectroscopy and sensing // Annual Review оЁ Physical Chemistry. 2007.V. 58. P. 267-297.
2. Anker J. N., Hall W.P, Lyandres O. et al. Biosensing with plasmonic nanosensors // Nature Materials. 2008. М. 7 (6). P. 442-453.
3. ZharovV.P, Kim J. W, Curiel D.T., Everts M. Self-assembling nanoclusters in living systems: application forintegrated photothermal nanodiagnostics and nanotherapy // Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 2005. V. 1 (4). P. 326-345.
4. HuangX., Jain P.K., El-Sayed I. H., El-Sayed M. A. Plasmonic photothermal therapy (PPTT) using gold nanoparticles // Lasers in Medical Science. 2008. V. 23 (3). Р. 217-228.
5. Song J., Zhou J., Duan H. Self-assembled plasmonic vesicles of SERS-encoded amphiphilic gold nanoparticles for cancer cell targeting and traceable intracellular drug delivery // Journal of the American Chemical Society. 2012. V. 134 (32). Р. 13458-13469.
6. Han G., Ghosh P, Rotello V. M. Functionalized gold nanoparticles for drug delivery // Nanomedicine. 2007. V. 2 (1). P. 113-123.
7. Turkevich J., Stevenson P.C., Hillier J. A study of the nucleation and growth processes in the synthesis of colloidal gold // Discussions of the Faraday Society. М. 11.P.55-75.
8. Leuvering J.H., Thal Р.J.Н.М., Waart M.V.D., Schuurs A.H.W.M. Sol particle immunoassay (SPIA) // Journal of Inmunoassay. 1980. V. 1 (1). P. 77-91.
9. Wu S.H, Wu Y.S., Chen C.H. Colorimetric sensitivity of gold nanoparticles: minimizing interparticular repulsion as a general approach // Analytical Chemistry. 2008.V.80 (17). P. 6560-6566.
10. Lin М., Pei Н., Yang Е. et al. Applications оЁ gold nanoparticles in the detection and identification of infectious diseases and biothreats // Advanced Materials. 2013. V. 25 (25). P. 3490-3496.
11. Rojanathanes R., Sereemaspun A., Pimpha N. et al. Gold nanoparticle as an alternative tool for a urine pregnancy test // Taiwanese Journal of Obstetrics and Gynecology. 2008. V. 47(3). P. 296-299.