ГЛАВА 13: ЗОЛОТЫЕ НАНОЗВЁЗДЫ

Поверхностный плазмонный резонанс (см. выше) сопровождается целым рядом оптических и физико-химических явлений — например, наночастицы можно избирательно нагревать. Положение плазмонного максимума у наночастиц золота можно менять за счёт изменения их формы и размера. A ещё золото — благородный металл, и вследствие своей химической инертности наночастицы Au имеют сравнительно низкую токсичность. Благодаря таким свойствам наночастицы золота широко применяются в диагностике и терапии ряда социально значимых заболеваний.

Фототерапия опухолей — сравнительно новое направление в онкологии. Оно основано на уничтожении злокачественных новообразований за счёт взаимодействия светового излучения с особым препаратом-сенсибилизатором, предварительно введённым в зону онкогенеза. Такое взаимодействие вызывает образование токсичных (поражающих) факторов: например, активных форм кислорода (при фотодинамической терапии) или температуры (при фототермической терапии). В качестве сенсибилизаторов для фотодинамической терапии обычно используют органические красители, которые при возбуждении светом способствуют образованию особой активной формы кислорода — так называемого синглетного кислорода, убивающего раковые клетки. В качестве сенсибилизаторов при фототермической терапии используют наночастицы золота, которые за счёт плазмонного резонанса при возбуждении светом способны разогреваться и термически убивать раковую клетку.

Интересно, что наночастицы золота могут избирательно накапливаться в зоне онкогенеза: при введении в организм они следуют именно туда, где идёт активный процесс образования сосудов, и при этом могут доставлять молекулы органических красителей-сенсибилизаторов избирательно в опухоль [1], поэтому совместное применение фотодинамической и фототермической терапии значительно повышает эффективность лечения рака

Таким образом, золотые наночастицы — перспективный материал для терапии злокачественных образований. У «классических» сферических наночастицзолота есть один существенный недостаток — их плазмонный резонанс находится в видимом диапазоне от 520 HM (мелкие частицы диаметром 10-15 нм) 10 570 HM (частицы диаметром 100 нм). В то же время биологические ткани имеют окна прозрачности, через которые излучение способно максимально глубоко проникать B опухоль, и эти «окна» расположены B диапазоне длин волн 600-1000 нм. Для фототерапии обычно используют светодиодные лазеры, работающие на границе ИК-области (630-700 HM), но сферические наночастицы золота не реагируют на излучение стакой длиной волны. И всё же выход был найден — оказалось, что максимум плазмонной полосы поглощения наночастиц золота сложной геометрии или структуры (наностержни, нанооболочки, нанозвёздочки) может располагаться в диапазоне прозрачности биологических тканей. Например, золотые нанозвёзды размером 100 нм имеют плазмонный пик не при 570, а при 680 HM, что точно соответствует одному из окон прозрачности биологических тканей и длине волны терапевтического лазера.

Описание задачи

Простой одностадийный синтез золотых нанозвёзд с регулируемым плазмонным резонансом. Предполагаемая возможная сфера использования наночастиц — биомедицина, поэтому исходные вещества для синтеза выбраны U3 числа нетоксичных.

Реактивы, необходимые для работы

1. Золотохлористоводородная кислота, HAuCl4*xH2O (раствор с содержанием золота 1-10 мг/мл).
2. Натриевая соль 4-(2-оксиэтил)1-пиперазинэтансульфоновой кислоты (HEPES-Na).
3. Вода дистиллированная.
4. Поливинилпирролидон, ПВП 10…40, (С6Н9,№0), (опционально).
5. «Царская водка» (смесь кондентрированных HCl и HNO3 в объёмном соотношении 3:1) для промывки (опционально).

Оборудование, необходимое для работы

1. Стеклянный стакан объёмом 200 мл — 2 шт.
2. Мерный цилиндр объёмом 250 мл — 1 шт.
3. Стеклянная палочка — 1 шт.
4. Пипетка объёмом 5 мл — 1 шт.
5. Магнитная мешалка.
6. Весы электронные лабораторные 3-го класса или точнее.

Оборудование, необходимое для анализа (опционально)

1. Спектрофотометр.
2. Электронный микроскоп.

Описание эксперимента

HEPES-Na — популярный рН-буфер в биохимических исследованиях и при выращивании клеточных культур (соль малотоксична, и её значение рК, близко к физиологическому значению pH 7.5). Пиперазиновая группа молекулы HEPES способна генерировать азотсодержащий свободный радикал, восстанавливающий ионы золота (AuCl₄^—), а также стимулирующий образование разветвлённой структуры на поверхности золотой наночастицы, что позволяет свысоким выходом (~92%) и в одну стадию получать в водном растворе стабильные золи частиц золота, имеющих отрицательную кривизну поверхности [2]. B свою очередь, поливинилпирролидон (популярный в медицине полимер) блокирует поверхность золота и останавливает образование «лучей» на поверхности; применение ПВП позволяет с высоким выходом получать золотые наночастицы, имеющие положительную кривизну поверхности. Сочетанием этих двух ингредиентов можно регулировать образование лучей на поверхности золотой наночастицы и таким образом управлять положением плазмонного резонанса.

1. Синтез наночастиц золота с отрицательной кривизной поверхности

Стеклянную посуду промывают «царской водкой» (Осторожно, едкое! Работать в перчатках и защитных очках!) и затем несколько раз дистиллированной водой. Наливают в стакан 100 мл дистиллированной воды и растворяют B ней 1 г HEPES-Na, чтобы получить ~0.04 М раствор (буферный раствор HEPES не цитотоксичен до концентрации 0.05 M). С помощью пипетки в стакан добавляют 5 мг золота (в пересчете на металл) в виде водного раствора HAuCl₄, (1-2 мл раствора). Стакан устанавливают на магнитную мешалку и интенсивно перемешивают раствор 20 минут при комнатной температуре, затем останавливают мешалку. В течение 1 часа развивается окраска — последовательно от розовой до тёмно-синей. После формирования наночастиц для стабильности золя в него можно добавить 100 мг ПВП.

2. Синтез наночастиц золота с положительной кривизной поверхности

Стеклянную посуду промывают, как в п. 1. Наливают в стакан 100 мл дистиллированной воды и растворяют B ней 1 г HEPES-Na. В раствор сразу добавляют 100 мг ПВП и перемешивают стеклянной палочкой до растворения. С помощью пипетки в стакан добавляют 5 мг золота в виде водного раствора HAuCl₄. Стакан устанавливают на магнитную мешалку и интенсивно перемешивают раствор 20 минут при комнатной температуре, затем останавливают мешалку. В течение 1 часа развивается окраска — от розовой 10 ярко-алой. Далее цвет раствора не изменяется.

На микрофотографиях показаны наночастицы золота, полученные методами, описанными B п. 1 (слева, «синий золь») и п. 2 (справа, «красный золь»).

Примечания

В англоязычной литературе форму таких частиц часто сравнивают с морскими ежами, их называют «nano-urchins» или «nano-sea-urchins».

Дополнительные факты

• На основе золотых нанозвёзд учёные из Массачусетского технологического института (MIT) разработали композицию, способную защитить сетчатку глаз от повреждения яркой световой вспышкой (например, у солдат в условиях боевых действий). Обычные фотохромные красители в стёклах защитных очков имеют очень большое время «отклика» на изменение освещённости, а импульс света от лазерного дальномера длится приблизительно 10 наносекунд. Оказалось, что нанесение на стекло золотых нанозвёзд позволяет исправить этот недостаток: при интенсивности излучения 1-10 мкДж/см² плазмонные частицы способны расплавиться и сделать непрозрачными линзы очков за 10 наносекунд, спасая зрение солдат [3]. Если аккуратно высушить раствор, полученный 10 методике 1, и зaтем обработать сухой остаток спиртом, то ПВП вместе с нанозвёздами в спирте растворится, а HEPES-Na — нет. Этим спиртовым раствором можно покрыть стекло и высушить — получим тонкую синюю фотохромную плёнку, аналогичную защитному покрытию, разработанному в MIT. (Внимание! Не наносите покрытие на стёкла очков и нe проверяйте на устойчивость к лазерному излучению, это может привести к поражению сетчатки глаза и слепоте!)
• Вблизи наночастиц, обладающих поверхностным плазмонным резонансом (ППР), наблюдается повышение интенсивности колебательных и электронных переходов органических молекул, что проявляется, например, в усилении рамановского рассеяния (Surface Enhanced Raman Scattering — SERS) или в повышении квантового выхода люминесценции веществ, способных излучать свет. Особенно активны наночастицы серебра и нанозвёздочки золота (более чем на порядок активнее сферических золотых наночастиц). Эффект ППР золотых нанозвёздочек был использован для усиления люминесценции хлорофилла в листьях бакопы каролинской (Васора caroliniana) в УФ-свете [4]. В эксперименте листья этого растения были помещены в коллоидный раствор золотых нанозвёзд на 5 дней (отметим, что в отличие от золотых серебряные частицы — альгицид, использовать их в опытах с водорослями нельзя). При освещении листьев бакопы ультрафиолетом они люминесцировали ровным светом! Учёные пояснили, что происходит это именно благодаря особой «колючей» форме наночастиц золота, использованных в эксперименте. «В будущем биосветодиоды можно будет использовать для того, чтобы заставить придорожные деревья светиться (люминесцировать) ночью. Это позволит сэкономить энергию и ускорит поглощение CO₂, так как люминесценция биосветодиодов будет также стимулировать процесс фотосинтеза», — сообщил автор разработки доктор Йен-Синь Су журналистам. Возможно, через несколько лет на улицах вместо фонарей будут высаживать люминесцентные деревья — всё благодаря золотым нанозвёздочкам! И кто знает, может быть, фантастический пейзаж планеты Пандора из кинофильма Джеймса Кэмерона в будущем станет реальным для парков и лесов планеты Земля.

Полезная литература

1. Gamaleia N.F, Shishko E.D. Dolinsky G.A. et а!. Photodynamic activity оf hematoporphyrin conjugates with gold nanoparticles: experiments in vitro // Experimental Oncology. 2010. V. 32 (1). P. 44-47.

2. Xie J., Lee J.Y, Wang D.LC. Seedless, surfactantless, high-yield synthesis оf branched gold nanocrystals in HEPES buffer solution // Chemistry of Materials. 2007. М. 19 (11). P. 2823-2830.

3. https://www.ll.mit.edu/publications/labnotes/nano-urchins.html

4. Su Y.H, Tu S.L. Tseng S.W. et al. Influence оf surface plasmon resonance on the emission intermittency of photoluminescence from gold nano-sea-urchins // Nanoscale. 2010. V. 2 (12). P. 2639-2646.