Методы получения препаратов коллоидного золота
Методы синтеза КЗ можно условно разделить на две большие группы: дисперсионные (диспергирование металлов) и конденсационные (восстановление соответствующих солей металлов) методы.
Дисперсионные методы основаны на разрушении кристаллической решетки металлического золота под действием электрического тока высокого напряжения. Если в жидкости между двумя золотыми электродами под действием электрического тока образуется электрическая дуга, то при ее «горении» происходит перенос вещества между электродами, сопровождающийся образованием КЗ. На выход и форму частиц золота влияет наличие в растворе электролитов. При использовании постоянного тока образуются неоднородные по величине частицы золота [39].
Конденсационные методы более распространены, чем дисперсионные. Наиболее часто КЗ получают восстановлением галогенидов золота (например, HAuCl4) с использованием химических восстановителей и/или физического облучения (УЗ- и УФ-облучения, импульсного или лазерного радиолиза) [41].
В качестве химических восстановителей используют различные органические и неорганические соединения. В работах Фарадея и Жигмонди восстановителями служили формальдегид, этанол и белый фосфор. Эти вещества и в настоящее время используются для получения золей со средним диаметром частиц 5-12 нм [42]. Помимо этих восстановителей, по данным литературы, используют цитрат натрия, аскорбиновую кислоту, этилендиаминтетрауксусную кислоту (ЭДТА), цитрат натрия вместе с танином, а также боргидрид натрия, боргидрид вместе с цитратом натрия или ЭДТА и цианоборгидрид [43].
В последнее время для синтеза монодисперсных частиц КЗ стали использовать синтетические полимеры – полиэтиленгликоль (ПЭГ), полиэтиленимин, поливинилпирролидон, хитозан и др. Частицы, сформированные в присутствии этих полимеров, отличаются большой однородностью размеров и формы. При этом в качестве восстановителей можно использовать боргидрид натрия, спирты и простые эфиры, гидразин, а также УЗ-излучение [43].
На схеме 1 представлена реакция окисления-восстановления, преимущественно используемая для химического синтеза наночастиц золота «мокрым способом».
Au3+ + восстановитель → Au0 → nAu0 (нанозолото) (1)
I II
nAu0 → [Au0]n + mL → [Au0]nLm (2)
IIа IIб
Схема 1 – Реакция окисления-восстановления для химического синтеза наночастиц золота [44].
Этап I в этой реакции соответствует элементарному акту окисления-восстановления. Обычно в качестве исходного вещества используют тетрахлорауровую кислоту – HAuCl4.nH2O. Восстановителями могут быть, как уже было сказано выше, самые разнообразные реагенты (цитрат натрия, аскорбиновая кислота и др.). Восстановление проводят в присутствии стабилизирующих органических веществ – лигандов. Лиганды могут наделить наночастицы способностями к биораспознаванию, транспортировке и катализу.
В этапе II следует выделить ступени: IIа и IIб. Ступень IIа соответствует стадии роста наночастицы; здесь лиганды формально не участвуют в процессе, однако, их присутствие сказывается на размере частиц и придании им соответствующей формы. На стадии IIб происходит окончательная стабилизация наночастицы [44].
В литературе описаны различные конденсационные методы получения наночастиц коллоидного золота, из которых наиболее популярными являются метод Туркевича, Браста-Шифрина и Френса.
Метод Туркевича. Метод основан на восстановлении золотохлористоводородной кислоты цитратом натрия. Na3C6H5O7 является восстановителем и стабилизатором, поэтому концентрация этого иона играет критическую роль: её изменение одновременно влияет на скорость восстановления и на процессы роста частиц. Процесс протекает в соответствии с реакцией, представленной на рис. 6.
Рис. 6 – Схема реакции восстановления наночастиц золота методом Туркевича [45].
Данный метод используется для получения монодисперсных сферических наночастиц золота, диспергированных в водном, растворе размером 10-20 нм. Схема процесса получения наночастиц золота методом Туркевича показана на рис. 7 [45].
Рис. 7 – Схема синтеза наночастиц золота методом Туркевича [45].
Во время синтеза цвет реакционной смеси изменяется. Первоначально слабо желтая окраска иона AuCl4- исчезает, раствор становится темно-синим, далее фиолетовым и окончательно рубиново-красным (наночастицы золота). Изменение цвета раствора указывает на структурные превращения, происходящие в системе. Методом пропускающей электронной микроскопии установлено, что бесцветный раствор, образующийся сразу после добавления цитрата, содержит золотые нанокластеры диаметром 3-5 нм (Рис.8а). В тёмно-синем растворе формируется сложная структура, которую можно описать как разветвленная сеть из нанопроволок с диаметром 5 нм (Рис.8b). В стадии тёмно-фиолетового цвета возникают небольшие сегменты, которые образуются в результате разрыва основной разветвленной сети нанопроволок (Рис.8c). Сферические наночастицы с диаметром 10-13 нм начинают откалываться от нанопроволок, когда раствор становится фиолетовым (Рис.8d,e). Окончательно золотые наносферы формируются, когда раствор становится рубиново-красным (Рис.8f).
Рис. 8 – Изображения золотых наночастиц на разных стадиях синтеза, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа [44].
Метод Браста-Шифрина.Метод основан на получении наночастиц в органических средах, несмешиваемых с водой, например, в толуоле. Метод позволяет получать наночастицы золота размером 2-8 нм. В качестве восстановителя используется боргидрид натрия (NaBH4), стабилизатора – тетраоктиламмония бромид ((C8H17)4NBr, ТОАБ).
Схема получения наночастиц золота методом Браста-Шифрина показана на рис. 9. Микрофотография и гистограмма распределения наночастиц, полученных соответствующим методам, по размерам приведены на рис. 10. Стабилизация синтезированных наночастиц в растворах может быть электростатическая, адсорбционная, хемосорбционная [44].
Рис. 9 – Схема получения наночастиц золота методом Браста-Шифрина [44].
Рис. 10 – Микрофотография и гистограмма распределения по размерам наночастиц золота, синтезированных методом Браста-Шифрина [44].
Метод Френса.Принцип наиболее распространенного в последнее время метода Френса заключается в том, что к кипящему 0,01 % водному раствору золотохлористоводородной кислоты добавляют 1% водный раствор цитрата натрия в объеме, зависящем от требуемого размера частиц. Именно подбор концентраций цитрата натрия для получения частиц КЗ с заранее заданными размерами отличает этот метод от аналогов, использующих в качестве восстановителя цитрат натрия [46]. В ряде случаев применяют модификацию этого метода, предложенную в работе [47], для получения КЗ с эквивалентной оптической плотностью А520≈ 2,5.
Схема реакции цитратного восстановления может быть представлена следующим образом:
2AuCl3 + 3 Na3C6H5O7 = 2 Au + 3 Na2C5H4O5 + 3CO2 + NaCl + 3 HCl.
Для расчета необходимого количества цитрата натрия при синтезе золотых частиц требуемого размера строится калибровочная кривая (рис. 11) [13].
Рис. 11 – Калибровочная кривая (2) для определения объема 1% цитрата натрия (на 100 мл золя), необходимого для получения частиц золота заданного размера, полученная по экспериментальным данным (1) [13].
По данным кривой выведена формула, по которой можно рассчитать объем цитрата натрия, необходимый для получения определенного диаметра наночастиц КЗ:
Рис. 12 – Формула расчета объема цитрата натрия (V, мл), необходимого для получения определенного диаметра наночастиц КЗ (d, нм) в расчете на 100 мл золя [48].
Существуют модификации метода, отличающиеся порядком внесения реактивов (сначала цитрат натрия, а затем золотохлористоводородная кислота; цитрат натрия и золотохлористоводородная кислота вносятся одновременно), для получения золей золота со средним размером частиц 8-10 нм [13].
Другие методы.НКЗ с номинальным диаметром 16 нм можно получить восстановлением золотохлористоводородной кислоты аскорбатом натрия [49]. К охлажденной до 4°С деионизованной воде добавляют 1%-ную золотохлористоводородную кислоту и 0,1 М карбонат калия. Смесь помещают на ледяную баню и быстро при перемешивании вносят 7%-ный аскорбат натрия, перемешивают, пока окраска не станет пурпурно-красной. Объем смеси доводят до 400 мл деионизованной водой, кипятят до появления красной окраски [19].
НКЗ получают также с помощью 1% цитрат-танинового раствора (0,5% танина в 1% растворе цитрата), его добавляют к 0,01% раствору золотохлористоводородной кислоты, рН раствора доводят до 8,6 5% карбонатом натрия [50].
Некоторые из выше перечисленных методов имеют недостатки. Так, таниновый метод мало применим из-за ухудшения качества маркера, получаемого с этим КЗ, вследствие адсорбции на коллоидных частичках золота таниновой кислоты и высокомолекулярных продуктов ее окисления. Это приводит к экспериментальным осложнениям на этапе конъюгации биоспецифического зонда с КЗ. Недостатками метода Браста-Шифрина являются невысокая степень воспроизводимости размеров золотых наночастиц и низкая стабильность золей при хранении [44].
Таким образом, наиболее изученными и воспроизводимыми методами для синтеза НКЗ являются методы с использованием в качестве восстановителя цитрата натрия (метод Туркевича и метод Френса). Метод Френса более распространен благодаря возможности получения наночастиц золота заданного размера. Однако, исходя из данных литературы, конкретных рекомендаций по алгоритму получения КЗ, даже в отношении наиболее популярного в настоящее время, применяемого с данной целью метода Френса, нет. Мы не нашли ни одной методики, построенной на принципе метода Френса, в которой была бы четко описана последовательность всех этапов приготовления наночастиц коллоидного золота.
При анализе литературы были найдены различные модификации метода Френса. Так, в одних источниках хлористоводородную кислоту добавляют сразу, а цитрат натрия при закипании, в других – и тот и другой реагент вносят последовательно при закипании [13, 16, 18, 19]. Имеются расхождения по объему вносимого в раствор цитрата натрия для получения частиц с заданным размером. В таблице 2 представлен сравнительный анализ данных научно-исследоватеских работ, в которых имеется информация по объему вносимого в раствор цитрата натрия для получения частиц с заданным размером при приготовлении его по методу Френса, и данных расчета объема цитрата натрия, который необходимо добавить в раствор, чтобы получить частицы соответствующего размера по формуле, также рекомендуемой для использования в отдельных работах [48].
Таблица 2 – Сравнительный анализ количества цитрата натрия, вносимого в раствор, для получения НКЗ различного диаметра в расчете на 100 мл золя при приготовлении его по методу Френса
| Диаметр наночастиц коллоидного золота, нм | Объем цитрата натрия, вносимого в раствор, для получения наночастиц коллоидного золота различного диаметра в расчете на 100 мл золя при приготовлении его по методу Френса, мл | |
| по данным статей | при расчете по формуле [8]: V(цитрата натрия) =  | |
| 6,0 [ ] | 4,795 | |
| 1,539 [ ] 3,192 [ ] | 2,984 | |
| 2,201 [ ] | 2,132 | |
| 1,942 [ ] 1,776 [ ] | 1,642 | |
| 1,467 [ ] 1,492 [ ] | 1,326 | |
| - | 1,108 | |
| 1,157 [ ] | 0,947 | |
| 0,920 [ ] | 0,826 | |
| 0,927 [ ] | 0,730 | |
| - | 0,653 | |
| 0,718 [ ] | 0,590 | |
| - | 0,537 | |
| - | 0,492 | |
| 0,540 [ ] | 0,454 | |
| 0,440 [ ] | 0,367 | |
| Примечания: Расшифровать все элементы формулы (V; d) 1. V (мл) – объем цитрата натрия, необходимого для получения определенного диаметра наночастиц КЗ 2. d (нм) – диаметр наночастиц КЗ 3. «-» – информация по получению наночастиц КЗ данного диаметра отсутствует |
Из данных, представленных в таблице, следует, что при приготовлении по методу Френса частиц КЗ большего диаметра количество цитрата натрия, добавляемого в раствор, уменьшается как по данным различных литературных источников, так и при расчете по формуле. Однако при сравнении данных литературы и данных, полученных при расчете объема цитрата натрия, добавляемого в раствор, по формуле для одного диаметра частиц наблюдается, что в первом случае цитрата натрия рекомендуют добавлять больше, чем во втором.