ГЛАВА 14: ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА

Особые оптические свойства металлического золота известны с давних времён. В чистом виде этот металл имеет золотисто-жёлтый цвет в отражённом свете, а на просвет — зелёный (в виде очень тонкой плёнки). Издавна известно и то, что коллоидные растворы золота зачастую обладают рубиново-красной окраской. В эру нанотехнологий в ходе исследований плазмонных свойств наночастиц золота было показано, что в зависимости от формы и размера они могут принимать практически любую окраску. А вот то, что наночастицы золота могут люминесцировать, учёные узнали только недавно. Правда, люминесцентными свойствами обладают не все наночастицы золота, а только очень маленькие, размером менее 1-2 HM, состоящие из нескольких десятков особым образом стабилизированных атомов (так называемые нанокластеры). Они уже не имеют плазмонных свойств, их иногда называют молекулярными наночастицами металлов [1] или даже металлическими квантовыми точками [2].

Как видно из диаграммы, важную роль в стабилизации — нанокластеров золота и проявлении ими люминесцентных свойств играют восстановители и модификаторы — молекулы или ионы, находящиеся на поверхности этих кластеров. Хорошими восстановителями ионов золота и стабилизаторами кластеров Au⁰ являются белки (протеины) [3], например яичный альбумин [4]. Уникальные свойства стабилизированных протеинами кластеров золота связывают с необычной, «напоминающей скрепки» (staple-like) структурой связей S-Au-S-Au-S поверхностных атомов [5, 6].

На рисунке приведён упрощённый (без лигандов) внешний вид люминесцентного кластера Au₂₅: для наглядности атомы золота в ядре и в «скрепках» имеют разный оттенок, зелёным обозначены атомы серы. Ещё одна причина образования люминесцентных кластеров — так называемое аурофильное (aurophilic) взаимодействие [7]; при этом между одновалентными ионами золота возникает слабая связь Au…Au (d¹⁰-d¹⁰), напоминающая водородную, и атомы золота самоорганизуются в наночастицу.

Описание задачи

Синтез стабилизированных альбумином золей ультрамалых наночастиц (нанокластеров) золота и наблюдение их люминесценции под действием УФ-излучения.

Реактивы, необходимые для работы

1. Вода дистиллированная. 
2. Золотохлористоводородная кислота, HAuCl_4*xH₂O
3. Гидроксид натрия, NaOH. 
4. Яйцо куриное сырое.

Оборудование, необходимое для работы

1. Стеклянный стаканчик (или пробирка на пластмассовом штативе) объёмом 20 мл — 1 шт. 
2. Стеклянная пипетка объёмом 2 мл — 1 шт. 
3. Пробирка Эппендорфа или маленький флакончик с пробкой объёмом  2 мл — 5-6 шт. 
4. Весы электронные лабораторные 3-го класса или точнее, 
5. Бытовая микроволновая печь с режимом мощности 100-200 BT (опционально). 
6. Ультразвуковая ванна (опционально). 

Оборудование, необходимое для анализа (опционально)

1. УФ-лампа «чёрного света» (лампа Вуда). 
2. Спектрофотометр (опционально). 
3. Электронный микроскоп (опционально).

Описание эксперимента

Всю стеклянную посуду промывают дистиллированной водой. В ста-канчике или стеклянной пробирке на 20 мл смешивают 2.0 мл белка куриного яйца и 2.0 мл дистиллированной воды. Затем туда добавляют 4.0 мл 10 мМ раствора HAuCl₄ (~8 мг Au). Смесь сразу становится мутной; раствор тщательно перемешивают встряхиванием. Отдельно готовят 1.0 M раствор NaOH, отбирают 0.8-1.0 мл и при перемешивании по каплям добавляют в смешанный раствор альбумина и золота (pH раствора должен быть ~12.0). Раствор обесцвечивается и становится прозрачным,  его оставляют стоять при комнатной температуре. Через 24 часа цвет раствора становится красно-коричневым, что свидетельствует об образовании кластеров золота. 

Полученные нанокластеры золота исследуют визуально (при дневном и УФ-освещении) и/или с помощью спектрофотометра.

При обычном дневном (слева)  и УФ (справа) освещении:  1  — раствор альбумина (яичного белка);  2  — раствор золотохлористоводородной кислоты; 3  — золь нанокластеров золота, стабилизированных альбумином 

Спектры поглощения:  1  — раствор альбумина (яичного белка);  2  — раствор золотохлористоводородной кислоты;  3  — золь нанокластеров золота, стабилизированных альбумином;  4  — для сравнения  — спектр поглощения плазмонных наночастиц золота размером 20 нм 

Примечания

1. Если в растворе комплекса золота сальбумином после введения щёлочи остались хлопья, его можно обработать в ультразвуковой ванне до прозрачности (опционально). 
2. Кроме того, ультразвуковая обработка ускоряет образование кластеров. 
3. Процесс получения кластеров можно ускорить также с помощью микроволновой обработки (опционально). Для этого смесь нагревают в микро- волновой печи на низкой мощности (100-200 Вт) в следующем режиме: 2 минуты облучение, 2 минуты пауза, а затем ещё 2 минуты облучение [4]. 
4. Если выбран способ синтеза с применением СВЧ-облучения, используйте высокий стакан или пробирку с запасом по объёму (жидкость может вспениться). Во избежание взрыва при микроволновой обработке не закрывайте плотно пробирку. 
5. Синтезированный золь можно высушить; полученный светло-коричневый порошок растворим в воде и обладает яркой люминесценцией. 

Дополнительные факты

• Нанокластеры золота очень устойчивы при нормальных условиях, имеют неплохой квантовый выход и большой стоксов сдвиг (больше 300 нм), они практически не выгорают при УФ-облучении — все эти факторы делают их весьма привлекательными для использования B качестве люминесцентных меток. Кроме того, нанокластеры золота малотоксичны (биологически совместимы) и благодаря этому могут быть использованы для окрашивания препаратов как in vitro, так и in vivo. Для этого их очищают диализом от побочных продуктов, подвергают лиофилизации и хранят в сухом виде при температуре -18°С. 
• Коллаген волос также представляет собой белок, способный участвовать в образовании и стабилизации люминесцентных нанокластеров золота. Французские учёные [7 ] обработали пучок светлых волос золото- хлористоводородной кислотой в щелочной среде (рН 10). Как и ожидалось, через несколько дней (образование кластеров золота — процесс небыстрый) волосы приобрели золотисто-коричневый цвет и яркую люминесценцию в лучах ультрафиолета. (Внимание! Проведение реакции требует высокого значения водородного показателя (pH), а соли золота токсичны. He пытайтесь окрасить волосы непосредственно на теле, это приведёт к разрушению волос, химическим ожогам и дерматиту!) 
• Способность некоторых тиосоединений участвовать в образовании люминесцентных кластеров золота можно использовать для их идентификации — например, в составе лекарственных препаратов. Так, распространённый иммуномодулятор «Тиотриазолин» (морфолиновая соль 3-метил-1,2,4-триазолил- 5-тиоуксусной кислоты) при вза- имодействии с HAuCl₄ в течение нескольких часов образует яркие кластеры золота (см. фотографию, освещение лампой Вуда). 

Полезная литература

1. Zheng J. Zhou C., Yu М. Liu J. Different sized luminescent gold nanoparticles // Nanoscale. 2012. V. 4 (14). P. 4073-4083. 

2.  Zheng J., Nicovich P.R, Dickson В. M. Highly fluorescent noble metal quantum dots // Annual Review оf Physical Chemistry. 2007. V. 58. Р. 409-431. 

3.  Chevrier D.M., Chatt A, Zhang P. Properties ап applications of protein-stabilized fluorescent gold nanoclusters: short review // Journal оf Nanophotonics. 2012.V. 6 (1). P. 064504-1. 

4.  Tian J., Yan L., Sang А. et al. Microwave-assisted synthesis оf red-light emitting Au nanoclusters with the use of egg white // Journal of Chemical Education. М. 91 (10). P. 1715-1719. 

5. Simms G.A., Padmos J.D., Zhang P. Structural and electronic properties оf protein/thiolate-protected gold nanocluster with “staple” motif: A XAS, L-DOS, and XPS study // Journal оf Chemical Physics. 2009. V. 131 (21). P. 214703. 

6. MacDonald M. А., Chevrier О. М., Zhang P. et al. The structure and bonding оf Auzs(SR)1s nanoclusters from EXAFS: the interplay of metallic and molecularbehavior // The Journal of Physical Chemistry C.2011. V. 115 (31). P. 15282-15287. 

7.  Haveli S.D., Walter P, Patriarche С. et al. Hair fiber as а nanoreactor in controlled synthesis оf fluorescent gold nanoparticles // Nano Letters. 2012. V. 12 (12). P. 6212-6217.