Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы и постановка задач исследования 13
1.1 Методы синтеза металлических наночастиц 13
1.1.1 Классификация методов синтеза 13
1.1.2 Методы синтеза золотых наносфер 15
1.1.3 Методы синтеза золотых наностержней 20
1.1.3.1 Синтез золотых наностержней с использованием «жестких» матриц 21
1.1.3.2 Синтез золотых наностержней на «мягких» матрицах 22
1.1.4 Методы синтеза серебряных частиц 29
1.1.5 Золотосеребряные наночастицы 30
1.1.6 Модели роста наностержней 35
1.2 Оптические свойства металлических гидрозолей 37
1.2.1 Поверхностно-плазмонный резонанс 38
1.2.2 Оптические свойства сферических наночастиц 39
1.2.3 Оптические свойства стержнеобразных наночастиц 43
1.3 Методы исследования наностержней 47
1.3.1 Микроскопические методы исследования 47
1.3.2 Оптические методы... 49
1.3.2.1 Спектроскопия поглощения и резонансного светорассеяния 49
1.3.2.2 Динамическое светорассеяние... 51
1.4 Биосенсоры на основе металлических наночастиц... 55
1.4.1 Функционализация металлических наночастиц. ...56
1.4.2 Детектирование биомолекулярных взаимодействий в растворах... 61
1.4.3 Твердофазные методы анализа 66
1.4.4 Одночастичное детектирование методом микроспектрометрии рассеяния в темном поле 67
1.5 Постановка задач исследования «69
Глава 2. Синтез металлических наностержней заданной формы 71
2.1. Синтез золотых наностержней 71
2.2. Синтез золотых наностержней в присутствии ионов серебра 74
2.2.1 Приготовление образцов НСт и оптический контроль динамики синтеза 74
2.2.2 Управление размерами НСт 78
2.3 Сепарирование наночастиц 82
2.4. Заключение и выводы по разделу 86
Глава 3. Оптические свойства золотых наностержней: эксперимент и моделирование ... 89
3.1. Спектры поглощения и дифференциального статического рассеяния. 89
3.2. Зависимость спектральных свойств от диэлектрического окружения .96
3.3. Деполяризация света, рассеянного наностержнями... ...101
3.4. Заключение и выводы по разделу... .106
Глава 4. Функционализация и применение золотых наностержней в биосенсорике 109
4.1 Конъюгаты золотых НСт с белком А... 109
4.2 Конъюгаты золотых НСт с олиготимидином... 110
4.3 Исследование НСт и их конъюгатов в темном поле микроскопа 113
4.3.1 Динамические изменения интенсивности рассеяния наностержней и наносфер в темном поле микроскопа 113
4.3.2 Статическое рассеяние наностержней в темном поле микроскопа 123
4.4 Заключение и выводы по разделу 127
Заключение и выводы по диссертации 128
Список литературы 132
- Синтез золотых наностержней с использованием «жестких» матриц
- Одночастичное детектирование методом микроспектрометрии рассеяния в темном поле
- Приготовление образцов НСт и оптический контроль динамики синтеза
- Зависимость спектральных свойств от диэлектрического окружения
Введение к работе
Начало научного исследования свойств коллоидных благородных металлов традиционно связывают с именем Майкла Фарадея [1]. Тем не менее, растворы коллоидного золота были хорошо знакомы алхимикам (3 -16 вв. н.э.), и, возможно, удивительные цветовые превращения, сопровождающие конденсацию металлов при восстановлении из растворов солей, приводили к мысли о превращении элементов - трансмутации.
В настоящее время конъюгаты коллоидного золота с
биоспецифическими макромолекулами широко применяются в
иммунохимических исследованиях с использованием световой и электронной
микроскопии, твердофазного иммуноанализа. Это объясняется уникальными
электрохимическими и оптическими свойствами частиц золей золота,
обладающих высокой электронной плотностью, сильным поглощением в
видимой области светового спектра (интенсивной окраской), способностью
нековалентно связываться с биоспецифическими зондами. Благодаря этим
свойствам препараты коллоидного золота превосходят аналоги (конъюгаты с
ферментными, изотопными, флуоресцентными метками) по
чувствительности, простоте использования.
В последние годы наночастицы коллоидного золота, серебра, а также сплавные частицы, широко используются как эффективные оптические преобразователи биоспецифических взаимодействий. В частности, резонансные оптические свойства нанометровых металлических частиц успешно применяются для разработки так называемых биочипов и биосенсоров. Подобные устройства представляют большой интерес для биологии (определение нуклеиновых кислот, белков и метаболитов), медицины (скрининг лекарственных веществ, выявление антител и антигенов, диагностика инфекций) и химии (экспресс-мониторинг окружающей среды, количественный анализ растворов и дисперсных систем). Особый интерес представляет обнаружение определенных
последовательностей нуклеиновых кислот (генов) и конструирование новых материалов, основанное на образовании трехмерных упорядоченных структур при гибридизации в растворах с комплементарными олигонуклеотидами, ковалентно связанными с металлическими наночастицами.
Детектирование биоспецифических взаимодействий, основанное на изменении оптических свойств системы наночастиц-носителей, можно отнести к области сравнительно новой отрасли науки — биосенсорике. Причем биосенсором является сама система либо частица-маркер (элементарный сенсор). Коллоидное золото в ряду оптических биосенсоров занимает особое место, поскольку, может выступать и в роли метки в наносенсорном устройстве, и как инструмент в молекулярно-биологических исследованиях, используемый in vitro, in situ и in vivo.
Большинство из рассматриваемых в данной работе вопросов можно также отнести к области сравнительно новой и бурно развивающейся науки нанотехнологии, точнее, биохимии и биофизике наноразмерных структур. То, что классические объекты коллоидной химии выделяют в отдельную область наноразмерных структур, аргументировано представлено в недавних обзорах В.И. Ролдугина [2] и М. Кортье [3]. Основным принципиальным отличием нанотехнологического описания высокодисперсных систем является определение свойств отдельных наноструктурных объектов и манипулирование отдельными наночастицами. В молекулярной биологии это означает создание устройств, позволяющих распознавать отдельные молекулы.
Несферические наночастицы благородных металлов представляют большой интерес из-за их уникальных оптических свойств, обусловленных настраиваемым продольным плазмонным резонансом [4-6]. Для направленного синтеза наностержпей необходимо создавать искусственно анизотропные условия роста, использовать различные «матрицы». В
последнее время наибольшей популярностью пользуются зародышевые методы синтеза металлических наностержней на мицеллярных матрицах поверхностно-активных веществ (ПАВ).
Зависимость плазмонного резонанса от диэлектрического окружения лежит в основе развиваемых в настоящее время биомедицинских приложений золотых и серебряных наночастиц как элементарных оптических биосенсоров, преобразующих специфические взаимодействия закрепленных на частицах молекул-зондов с молекулами-мишенями в детектируемый оптический сигнал [7-10]. Вследствие высокой яркости [11, 12] и повышенной чувствительности резонансного рассеяния к диэлектрическому окружению, по сравнению с эквиобъемными сферами [13, 14], несферические наночастицы имеют многообещающие перспективы использования в биомедицинских диагностических целях с применением световой микроскопии темного поля [15-17].
Отличительной особенностью стержнеобразных наночастиц является наличие в их спектрах экстинкции дополнительной плазмонной резонансной полосы, смещенной в длинноволновую область спектра относительно пика, характерного для сферических частиц. Это связано с появлением второго «характерного размера» по сравнению с наносферами - длиной оси стержнеобразной частицы и соответствующим разделением поверхностно-плазмонного резонанса на две моды: поперечную (перпендикулярную длинной оси частицы) и продольную (параллельную длинной оси).
Для оптического мониторинга различных стадий синтеза биомаркеров на основе плазмонно-резонансных частиц широко используется абсорбционная спектроскопия, позволяющая оперативно получить информацию о полидисперсности золя, форме и размере наночастиц и их локальном окружении. В дополнение к спектрам поглощения, резонансное рассеяние света представляет новые возможности для исследования дисперсного состава металлозолей [18, 19], структуры адсорбционного
полимерного слоя на поверхности наночастиц [20], аналитических [21, 22] и биомедицинских приложений [23-25]. Однако наиболее широкие перспективы в исследовании оптических свойств плазмонно-резонансных частиц и биоспецифических взаимодействий на таких частицах дает подход, комбинирующий использование обычной спектроскопии экстинкции, дифференциальную спектроскопию светорассеяния и измерения деполяризации рассеянного лазерного света.
Научная новизна работы:
Метод синтеза золотых наностержней на «мягких» матрицах ПАВ впервые оптимизирован введением оригинального этапа центрифугирования в градиенте концентрации глицерина и применением спектроскопии рассеяния для характеристики фракций препарата [26, 27].
Впервые из препаратов наностержней (метод Nikoobakth-El-Sayed [28]) получена отдельная фракция частиц с плазменным резонансом около 570 нм, который соответствует частицам кубической формы (Pileni et al. [29]) [26, 27].
Впервые (независимо от Al-Sherbini [30] и Perez-Juste et al. [31]) экспериментально показано, что продольный плазмонный резонанс золотых наностержней обладает большей чувствительностью к диэлектрическому окружению, по сравнению с золотыми наносферами [26].
Впервые получены конъюгаты золотых наностержней со стафилококковым белком А и показана возможность их использования в методе дот-анализа [27].
Резонансное рассеяние неполяризованного света в микроскопии темного поля впервые применено для сравнительного анализа трансляционной диффузии сферических частиц (90 нм) и вращательной диффузии золотых наностержней (толщина порядка 15 нм, длина около 40 нм) [32] (в работе 2005 года Sonnichsen et al. [16] описано первое наблюдение
модуляции поляризованного света за счет движения стержней в плоскоети наблюдения).
Научно-практическая значимость работы:
Разработанные методы синтеза металлических гидрозолей с частицами заданных размеров и формы и их функционализации с применением широкого спектра белковых и нуклеотидных зондов могут быть использованы для создания разнообразных биохимических и молекулярно-генетических диагностических и биосенсорных систем нового поколения. Полученные препараты наностержней переданы в ряд научных организаций России (ФГУП ГНЦ НИОПИК, ФИАН РАН) и США (Медуниверситет Арканзаса) для исследования селективного фототермолиза раковых клеток.
Разработанные методики синтеза и функционализации наностержней, а также готовые препараты используются в практических занятиях для студентов кафедры биофизики факультета нелинейных процессов, химического и биологического факультетов СГУ.
Достоверность научных результатов подтверждается
воспроизводимостью экспериментальных данных и их соответствием теоретическим расчетам, а также качественным и количественным согласием с результатами независимых исследований других авторов.
На защиту выносятся следующие основные положении:
Параметрами, управляющими формой (осевым отношением) золотых наностержней, получаемых в мицеллярных растворах ПАВ зародышевым способом, являются: концентрация и состав ПАВ, соотношение ионов золота и серебра в ростовом растворе и количество добавляемых золотых зародышей.
Применение центрифугирования в градиенте концентрации глицерина позволяет получить фракцию наностержней с минимальным количеством побочных продуктов - наносфер и нанопризм (кубов).
Золотые стержни с толщиной 15-20 нм и осевым отношением -2-3 являются оптимальной нанотехнологической платформой для синтеза биоспецифических меток, используемых для детектирования молекулярного узнавания и в темнополевой визуализации биологических структур.
Продольный плазмонный резонанс значительно более чувствителен к локальному диэлектрическому окружению наночастиц по сравнению с поперечным и с резонансом наносфер эквивалентного объема. Относительный сдвиг резонанса наностержней пропорционален относительному изменению показателя преломления окружающей среды.
Модуляция интенсивности светорассеяния, регистрируемая с помощью световой микроскопии темного поля, обусловлена трехмерным броуновским движением отдельных золотых наностержней и потенциально может быть использована при разработке нового динамического типа биосенсоров.
Личный вклад диссертанта и результаты, полученные совместно с другими исследователями:
На защиту выносятся только те положения и результаты экспериментов, основная идея которых принадлежит автору и в получении которых роль автора была определяющей.
Все основные экспериментальные результаты диссертации, прежде всего касающиеся исследования механизмов синтеза наностержней, получены лично автором. Постановка задач исследования и обсуждение экспериментальных результатов проведены под руководством д.б.н. В.А. Богатырева. Интерпретация оптических измерений и расчетов выполнена при участии проф. Н.Г. Хлебцова. Теоретические расчеты выполнены совместно с аспирантом Трачук Л.А., к.ф.-м.н. Хлебцовым Б.Н. и проф. Хлебцовым Н.Г. Измерения деполяризации лазерного рассеяния и эксперименты по методу динамического светорассеяния проведены совместно с к.ф.-м.н. Хлебцовым Б.Н. Работы по функционализации частиц выполнены совместно с д.б.н. Дыкманом Л.А.
Работа выполнена на кафедре биофизики Саратовского государственного университета им. Н. Г. Чернышевского и в Лаборатории биосенсоров на основе наноразмерных структур ИБФРМ РАН в рамках плановой госбюджетной темы НИР «Развитие методов светорассеяния и электрооптики применительно к анализу природных и синтетических дисперсных систем» (науч. рук. зав. лаб. д.ф.-м.н. профессор Хлебцов Н.Г., № гос. per. 01912022281).
Гранты
Данные исследования поддерживались грантами РФФИ (проекты №№ 01-03-33130, 01-04-48736, 04-04-48224 и 05-02-16776) и совместным грантом'фонда CRDF и Минобразования РФ № REC-006.
Апробация результатов
Основные результаты диссертации представлялись на следующих научных конференциях:
Saratov Fall Meeting - International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics, Saratov, Russia, 2002-2005;
V Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии», Саратов, 2005;
9-ой Международной Путинской школе-конференции молодых ученых «Биология — наука XXI века», Пущино, 2005;
научных конференциях и семинарах ИБФРМ РАН (2003-2006). Публикации
По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых зарубежных журналах и журналах РАН и 3 статьи в зарубежных изданиях.
Структура диссертации такова. В первой главе дан анализ литературных данных, включая методы синтеза золотых, серебряных и золотосеребряных стержнеобразных наиочастиц, обсуждаются оптические
свойства сферических и стержнеобразных плазмонно-резонансных наночастиц и возможности использования наностержней в биосенсорике. Вторая глава посвящена оптимизация технологии получения золотых наностержней и исследованию физико-химических параметров, влияющих на размер и геометрию частиц. В третьей главе проведено теоретическое и экспериментальное исследование оптических свойств золотых наностержней на основе комбинированного использования спектроскопии поглощения, дифференциальной спектроскопии статического рассеяния света и динамического светорассеяния. В четвертой главе обсуждаются перспективы использования стержнеобразных наночастиц в биосенсорике, предлагаются новые методы функционализации наностержней (стафилококковым белком А и тиолированными олигонуклеотидами), рассмотрены статический и динамический режимы анализа наностержней методом микроскопии темного поля.
Диссертационная работа изложена на 155 страницах, содержит 30 рисунков, 5 таблиц, и 229 литературных источников.
Синтез золотых наностержней с использованием «жестких» матриц
В методах получения металлических наностержней (НСт), основанных на использовании «жестких» матриц, ионы металла восстанавливаются внутри цилиндрических пор оксидных или полимерных мембран [28]. Наиболее широко в качестве «жестких» матриц используют оксиды кремния или алюминия [59-61 ].
Впервые подобный метод синтеза золотых НСт был предложен группой Мартина [62]. Метод основан на электрохимическом осаждении золота внутрь наноразмерных пор поликарбонатных или алюмооксидных мембран. Сначала на мембрану, выступающую в роли «жесткой» матрицы, наносят тонкий слой серебра, меди или алюминия, чтобы создать проводящую пленку, которая послужит основой электрохимическому росту золотых наночастиц [31, 63]. Впоследствии происходит электроосаждение золота внутрь нанопор мембраны. Значение напряжения осаждения пропорционально толщине барьерного слоя в месте соединения мембраны и проводящего слоя; чрезмерно высокое напряжение приводит к отсоединению мембраны от металлической пленки и, соответственно, к гетерогенному осаждению золота [63]. На следующем этапе и мембрану, и проводящую пленку растворяют в присутствии полимерного стабилизатора (например, поливинилпирролидона [60]). И наконец, полученные наностержни диспергируют в воде или органическом растворителе посредством воздействия ультразвуком или активного перемешивания [31].
Диаметр золотых наночастиц, синтезированных таким способом, примерно равен диаметру пор мембраны. Таким образом, управляя диаметром пор используемой матрицы, можно получать наностержни с различными заданными значениями толщины (диаметра). Длина синтезируемых наностержней определяется количеством золота, осажденного внутрь мембранной поры. А значит, несомненным достоинством данного метода является высокая монодисперсность синтезируемых наночастиц.
Для синтеза наночастиц золота внутри нанопор электрохимическое осаждение может быть успешно заменено ультразвуковым воздействием. В работе [59] предложен метод синтеза золотых наночастиц внутри пор мезопористого кварца, согласно которому кварцевые пластины предварительно вымачивали в растворе ЗХВК с изопропанолом в течение трех недель, а затем подвергали воздействию ультразвука (40 КГц) в течение 120 мин при комнатной температуре. Интенсивная сонохимическая реакция, происходящая внутри пор в межфазных зонах жидкость-твердое тело, выражалась в эффективном восстановлении Аи (III) ионов до Au-атомов, с последующим формированием золотых наночастиц внутри пор.
Основным недостатком синтеза НСт на «жестких» матрицах является достаточно низкий выход продукта. Поскольку единовременно может быть приготовлен только лишь монослой стержнеобразных наночастиц, синтезировать количество НСт, близкое хотя бы к миллиграмму, довольно затруднительно [31].
Другим вариантом получения наностержней является восстановление ЗХВК на так называемых «мягких» матрицах, представляющих собой мицеллярный раствор ПАВ. Известно, что в определенных условиях водные растворы ионных ПАВ способны образовывать мицеллы различного вида (сферические, цилиндрические и пластинчатые) [64]. Основная идея метода мягких матриц заключается в осуществлении роста частиц с использованием несферических мицелл как анизотропной фазовой границы. Чаще всего в качестве ПАВ, применяемого в методах мягких матриц, используется широко распространенный в биохимии и микробиологии ионный детергент цетилтриметиламмониум бромид (ЦТАБ) [65]. Концентрированный ЦТАБ имеет тенденцию формировать вытянутые цилиндрические мицеллярные структуры, которые участвуют как в создании палочек, так и в их стабилизации [66].
Интересно, что синтезированные на мягких матрицах НСт, могут далее использоваться как вторичные матрицы для полых цилиндров — нанотрубочек [67].
В электрохимическом методе получения стержнеобразных золотых наночастиц, предложенном группой Ванга [4], золотой электрод используется в качестве «жертвенного» анода, а платиновый электрод — в качестве катода. Оба электрода погружены в раствор электролита, содержащий катионоактивный ПАВ (как правило, ЦТАБ), который действует как дополнительный электролит и как стабилизатор, предотвращающий агломерацию формирующихся палочек. [12, 68] Иногда в качестве электролита используют водный раствор солей тетраалкиламмониум бромида [69]. В ряде случаев, раствор электролита представляет собой смесь двух гидрофильных катионных ПАВ, . например, ЦТАБ и тетрадодециламмониум бромид (или тетраоктиламмониум бромид), и электролиз проводят при ультразвуковом излучении [4, 5, 31, 7.0]. Перед началом электролиза в раствор электролита добавляют некоторое количество ацетона и циклогексана. Ацетон служит для ослабления мицеллярной структуры, способствуя образованию мицелл ПАВ, а циклогексан необходим для усиления формирования удлиненных цилиндрических мицелл. Во время синтеза образуются анионы AuBr4 , которые затем соединяются с ионным ПАВ и мигрируют на катод, где и происходит восстановление. Однако на данный момент неизвестно, где именно происходит нуклеация: на поверхности катода или внутри мицелл. [31] Электрохимический синтез дает палочки с довольно хорошей однородностью и контролируемым отношением осей, хотя механизм их роста остается еще недостаточно изученным. Также к достоинствам метода следует отнести достаточно большой выход наночастиц. При помощи электрохимического метода можно получать НСт со средним значением отношения осей до 10 [68].
Ким с соавторами [71] предложили фотохимический метод синтеза золотых наностержней с управляемой величиной отношения осей с использованием УФ-излучения в присутствии мицелл ЦТАБ. Стоит отметить, что облучение раствора ультрафиолетовым светом в течение слишком длительного времени (более 30 часов) приводит к созданию более коротких НСт, что вероятно связано с трансформацией наночастиц в термодинамически более стабильную сферическую форму. Через определенное время ( 40 часов) деградация обычно останавливается. В работе [72] описано получение золотых наночастиц различных форм при восстановлении ЗХВК ультрафиолетовым излучением в мицеллярном растворе тритона ТХ-100.
Комбинация химического и фотохимического методов приводит к убыстрению процесса формирования золотых НСт [73]. Протокол синтеза включает в себя предварительное добавление восстановителя (аскорбиновой кислоты), вызывающего восстановление Аи(Ш)-ионов до . Au(I), с последующим фотостимулированным восстановлением. В последнее время широкой популярностью пользуются зародышевые методы получения золотых стержнеобразных наночастиц. Группой Мёрфи [66] был предложен зародышевый метод получения НСт, который затем был существенно улучшен в том же коллективе [75], и совсем недавно в работе Никубакта и Эль-Сайеда [28]. Этот подход позволил развить целый класс методов для синтеза стержнеобразных наночастиц с управляемым размером и осевым отношением [28, 66, 74, 75].
Одночастичное детектирование методом микроспектрометрии рассеяния в темном поле
В световой микроскопии, в частности в микроскопии темного ПОЛЯ, применение металлических наночастиц обеспечивается их высокой цветовой контрастностью, обусловленной интенсивным и добротным поглощением и рассеянием в видимой области спектра, а также способностью значительно усиливать амплитудный контраст изображения за счет селективной адсорбции на наночастицы ионов серебра и золота [214]. Поскольку длина волны максимума ППР, как и интенсивность рассеяния, зависят от размера наночастиц, использование «разноцветных» (от синего до красного) наночастиц позволяет получить широкий диапазон зондов для одновременного выявление различных компонент [134]. Так, например, длинные НСт рассеивают оранжевый/красный свет, а короткие - сине-зеленый и желтый. Причем короткие НСт выглядят в темном поле гораздо ярче, поскольку оба максимума их ППР находятся в видимой области, в отличие от длинных НСт с продольным максимумом в инфракрасной области. Эти свойства стержнеобразных металлических наночастиц, наряду с высокой чувствительностью ППР к ближайшему диэлектрическому окружению, могут найти широкое применение в «оптических биочипах». [78] -; :1 - Метод микроспектрометрии рассеяния в темном поле позволяет исследовать влияние показателя, преломления среды на спектр ППР индивидуальных наночастиц [137]. Небольшие изменения значения показателя преломления приводят к существенным сдвигам резонансного максимума, что выражается в видимом глазом изменении цвета наночастиц в темном поле. Причем второй (продольный) максимум НСт обладает гораздо большей чувствительностью, по сравнению с поперечным резонансом и резонансом сферических наночастиц.
В работе [8] описывается использование темнопольного оптического микроскопа;для демонстрации локализованного ППР ответа индивидуальных серебряных наночастиц на образование монослоя небольших молекул адсорбата. Адсорбция менее чем 60 000 1-гексадекантиольных молекул на отдельную Ag наночастицу приводила к сдвигу локализованного ППР на 40.7 нм.
Недавно Сеннишеном и Аливисатосом была опубликована статья [16], в которой было предложено использовать золотые стержнеобразные наночастицы как невыцветающие плазмон-ориентационные сенсоры для поляризационной микроскопии единичных частиц. В данной работе золотые НСт рассматриваются как несовершенные поляризаторы. За счет аккуратного управления ионной силой и рН раствора наночастицы были нежестко прикреплены к стеклянной поверхности таким образом, что могли совершать вращательные движения в одной плоскости, что проявлялось при темнопольном, микроскопическом наблюдении в виде периодического «вспыхивания», значительного увеличения интенсивности светорассеяния. Было показано, что общая интенсивность остается постоянной в пределах допустимого уровня шума, в то время как значительные колебания интенсивности наблюдаются по двум ортогональным направлениям поляризации.
Основной целью диссертационной работы являлось, исследование механизмов синтеза и. свойств золотых наностержней, как нового типа частиц для плазмонно-резонансных биоспецифических меток, с использованием комплексного подхода на основе методов спектроскопии поглощения и дифференциального рассеяния света, динамического светорассеяния и электронной микроскопии.
К моменту начала диссертационных исследований (2003 г.) не были выяснены параметры, управляющие геометрией золотых наностержней, синтезируемых по методу, разработанному в группах Мёрфи [66] и. Эль-Сайеда; [28J; не были решены проблемы получения стержней без побочных частиц - и не были изучены сами эти частицы [29]; отсутствовали экспериментальные сведения о спектрах рассеяния суспензий и чувствительности резонансов к диэлектрическому окружению; не были решены проблемы функционализации НСт биомолекулами (первые публикации появились только в 2005 г. [174]).
В связи с этим были поставлены следующие задачи исследования. Исследовать механизм формирования золотых наностержней в технологии, основанной на восстановлении золотохлористоводородной кислоты в присутствии ультрадисперсных зародышей, ионов серебра и анизотропных мицелл ПАВ с помощью методов спектроскопии поглощения и статического рассеяния света, динамического светорассеяния, деполяризации лазерного рассеяния и электронной микроскопии. Определить основные физико-химические параметры, которыми управляется осевое отношение наностержней.
Разработать воспроизводимый лабораторный регламент с повышенным выходом наностержней с настраиваемым продольным плазмонным резонансом в области 600-1000 нм. it». Исследовать экспериментально зависимость относительного сдвига продольного плазмонного резонанса наностержней от относительного показателя преломления окружающей среды (на модели водно-глицериновых смесей).
Приготовление образцов НСт и оптический контроль динамики синтеза
В методиках синтеза золотых НСт в присутствии ионов серебра использованы следующие реагенты: золотохлористоводородная кислота (Aldrich, США), цетилтриметиламмоний бромид (Serva, Германия), бензилдиметилгексадециламмоний хлорид (Fluka, Швейцария), борогидрид натрия (Serva, Германия), нитрат серебра (Реахим, Россия), аскорбиновая кислота (Реахим, Россия), вода тридистиллированная. Все реактивы квалификации не ниже «хч». Золотосеребряные НСт были синтезированы по методу [28] с незначительными модификациями касающимися концентраций некоторых реагентов и условий реакции. На этапе формирования зародышей ультрадисперсные золотые золи с частицами диаметром 4-6 нанометров в диаметре были синтезированы в присутствии ЦТАБ. На втором этапе эти, покрытые ПАВ, частицы были использованы в качестве зародышей для роста НСт. Приготовление зародышевого раствора 1 мл 0.1 М водного раствора ЦТАБ был смешан с 25 мкл 0.01 М ЗХВК в воде; к этому раствору добавляли 100 мкл свежеприготовленного в ледяной воде 0.01 М ЫаВНд и интенсивно перемешивали; зародышевый раствор продолжали перемешивать в течение 1 мин. После добавления борогидрида натрия цвет зародышевого раствора изменялся от слегка желтого (соответствующего смеси ЦТАБ и ЗХВК) до желтовато-коричневого. Полученные зародыши необходимо использовать в течение 2-3 часов, поскольку в дальнейшем имеет место «старение» зародышей, что проявляется в смене цвета раствора на розовый. Выращивание Au-Ag наностержней 9.5 мл водного раствора ПАВ (0.1 М ЦТАБ или 0.075 М БДАХ / 0.055 М ЦТАБ) смешивали с варьируемым объемом 0.004 М водного раствора AgNOj (от 50 мкл до 250 мкл в зависимости от требуемого размера НСт); к этому раствору добавляли 500 мкл 0.01 М ЗХВК; затем, при интенсивном перемешивании, как можно быстрее добавляли 100 мкл 0.08 М аскорбиновой кислоты; в этот ростовой раствор добавляли свежеприготовленный зародышевый раствор (от 6 до 18 мкл); препарат инкубировали в термостате при Т = 30С в течение нескольких часов ( 20ч). Аскорбиновая кислота как умеренный восстановитель в присутствии бромид-ионов ЦТАБ изменяет цвет ростового раствора от темного желтого до бесцветного.
После добавления зародышей цвет раствора постепенно изменяется в течение 5-15 мин. Полное время синтеза НСт занимает несколько часов. Финальный цвет системы зависит от размера (осевого отношения) наностержней. Полученные образцы обозначаются далее в соответствии с положением длинноволнового пика экстинкции (продольного плазмонного резонанса НСт), например, NR-655. На рис. 2.3 представлено изменение во времени спектров экстинкции растущих НСт. Также показаны спектры экстинкции зародышевого и ростового растворов. Спектры экстинкции НСт были измерены через 2 мин, 5 мин, 30 мин и 60 мин после добавления зародышей к ростовому раствору и через несколько часов, когда рост частиц уже остановился. Данные спектры позволяют проследить временную динамику роста частиц. Формирование несферических наночастиц, как и предполагалось, происходит в первые пять минут после добавления зародышей, что соответствует изменению цвета раствора с бесцветного до сине-сиреневого. Из данного рисунка также видно, что существенные изменения спектров (и связанные с ними изменения размеров и концентрации НСт) наблюдаются в первые 20-40 мин, после чего процесс роста выходит на насыщение. Кинетические изменения в спектрах экстинкции при синтезе золотосеребряных НСт отличаются от таковых для золотых НСт. Именно, в начальный интервал времени мы регистрировали длинноволновый резонанс, который постепенно смещался в синюю сторону. В случае золотых НСт наблюдается красный, а не синий сдвиг продольного резонанса с течением времени [28, 77]. Синий дрейф продольного резонанса на конечных стадиях синтеза (ср. спектры 4-7) является интересной особенностью наших спектральных измерений [26, 26], согласующихся с данными работ [30, 96]. Теоретически такой дрейф можно объяснить [215] уменьшением осевого отношения за счет увеличения толщины НСт, (при неизменной длине), уменьшением длины (при неизменной толщине) или латеральной агрегацией некоторой доли частиц. Недавние тщательные исследования [96] показали, что в присутствии ионов серебра на первом этапе формируются частицы с небольшими утолщениями на концах, которые потом дорастают до частиц, похожих на s-цилиндры.
Кроме того, наностержни, покрытые ЦТАБ, кинетически нестабильны и их длина постепенно уменьшается со временем (эта важная проблема была недавно решена в [96] добавлением Na2S в ростовой раствор). Оба эти фактора обусловливают синий дрейф продольного резонанса Также необходимо отметить, что спектры, представленные в работах большинства авторов, не обладают слабым синим плечом, которое явно заметно в наших спектрах, а также в работе [77]. Судя по всему, это плечо связано с присутствием сферических частиц, которые формируются как побочные продукты синтеза. Поскольку синтез стержнеобразных наночастиц на «мягких» матрицах подразумевает использование растворов ПАВ, концентрация ЦТАБ, несомненно, оказывает существенное влияние на отношение осей формирующихся частиц. На рис. 2.4 представлены спектры экстинкции Аи-Ag НСт, синтезированных в ростовых растворах с разной концентрацией ЦТАБ. При невысоких значениях концентрации ЦТАБ (0.01 М) образуются частицы сферической формы (см. кривую 1). При больших значениях концентрации формируются стержнеобразные частицы, осевое отношение которых и процентное содержание в растворе (относительно сферических частиц) возрастает с увеличением концентрации ЦТАБ.
Зависимость спектральных свойств от диэлектрического окружения
Теоретический анализ [215, 220] показывает, что продольный и поперечный резонансы НСт имеют разную чувствительность к диэлектрическому окружению. На рис. 3.7а приведены; экспериментальные спектры экстинкции НСт в 20% глицерине (сплошная линия) и в воде (штриховая линия). Оба резонансных пика, как поперечный, так и продольный сдвинуты в длинноволновую область по сравнению с водной суспензией частиц. Однако сдвиг пика продольного резонанса составляет около 10 нм, в то время как поперечного, только 1 нм. Отметим, что полученное нами значение сдвига продольного резонанса существенно больше, чем полученное в работе [30] для дисперсии золотых НСт в водно-глицериновой смеси примерного того же состава.
Теоретические спектры (рис. 3.76) рассчитаны для разбавленной суспензии золотых хаотически ориентированных s-цилиндров в воде и в 20% глицерине. В последнем случае показатель преломления среды был принят равным пт = 1.358. Нормировка спектров соответствует толщине кюветы / = 1 см и концентрации золота cg = 28 мкг/мл, оцененной из условий эксперимента. Толщина частиц была взята 2b = 15 нм, а среднее осевое отношение є = (a + b)/b рассматривалось как подгоночный параметр, обеспечивающий наилучшее согласие теории и эксперимента. Спектр в воде на рис. 3.76 соответствует оптимальному значению осевого отношения е = 2.6. Оба теоретических спектра (в воде и глицерине) и теоретический сдвиг максимума согласуются качественно с данными эксперимента (рис. 3.7а), однако отношения пиков экстинкции AGS SIS по теории (около 6) и в эксперименте (около 2.3) различаются значительно. Это расхождение между расчетом и измерениями может быть связано с различными причинами, включая распределение частиц по размерам и формам и наличие определенной доли кубических и сферических частиц (см. рис. 2.8). Моделирование спектра с помощью бинарной смеси наностержней и сфер позволяет значительно улучшить согласие между рассчитанными и измеренными кривыми (см., например, работу [26]).
Зависимость продольного плазмонного резонанса от показателя преломления окружающей среды была исследована для пяти водно-глицериновых смесей :(10, 20, 30, 40 и 50%) и для наностержней с двумя продольными плазмонными резонансами 637 и 647 нм. Результаты этих экспериментов (рис. 3.8) показывают, что даже при очень незначительном увеличении осевого отношения частиц (в нашем случае примерно от 2.2 до 2.4) различие в чувствительности резонанса к изменению показателя преломления окружающей среды детектируется вполне уверенно (ср. рис. 3.8а и рис. 3.86).
Теоретически этот эффект объясняется в терминах электростатического рэлеевского приближения, согласно которому резонансная длина волны Яр наностержня определяется формулой [31,215] где єіь 12.2 есть вклад межзонных переходов в диэлектрическую проницаемость по модели Друде, Яо 131 нм есть длина волны плазменных колебаний свободных электронов золота, пт - л\єт есть показатель преломления окружающей среды, Ьц есть геометрический фактор деполяризации для продольного резонанса. Для сфероидальных частиц формула для L\\ хорошо известна [99-101]. Факторы деполяризации для s-цилиндров
