Управление размером золотых наночастиц через полярность растворителя при химическом восстановлении

Аннотация

Для настройки размера золотых наночастиц (GNP) в методах химического синтеза следуют сложным и строгим протоколам. В данном исследовании мы рассматриваем полярность растворителей как инструмент для управления размером GNP при методе химического восстановления. Исследовано влияние изменения полярного индекса реакционной среды на синтез золотых наночастиц методом химического восстановления. В качестве полярного растворителя использовался этанол, в качестве реакционной среды — смесь этанол-вода, в качестве восстановителя — L-аскорбиновая кислота, в качестве стабилизатора — поливинилпирролидон (PVP). Полярный индекс реакционной среды регулировали путем изменения объемного соотношения этанола к воде. Характеризация методом UV-Vis, динамическим рассеянием света (DLS) и передаточной электронной микроскопией (TEM) показала, что рост наночастиц постепенно увеличивался (от ~22 до 219 нм гидродинамического диаметра) с уменьшением полярного индекса реакционной среды (от ~8,2 до 5,2). Кроме того, высокий полярный индекс реакционной среды давал более мелкие и сферические наночастицы, тогда как низкий полярный индекс приводил к образованию более крупных GNP с разной формой. Эти результаты указывают на то, что механизмы роста, сборки и агрегации лиганд- или стабилизатор-оправленных GNP в значительной степени зависят от полярности молекул растворителя. Предлагаемая методология позволяет синтезировать GNP в широком диапазоне размеров и морфологий простой модуляцией объемного процента органического растворителя в реакционной среде.

Введение

Золотые наночастицы (GNP) признаются перспективными кандидатами во многих областях науки и инженерии, включая медицинскую терапию [1], доставку лекарств [2], химический сенсинг [3, 4], катализацию [5] и электронику [6] благодаря размеро- и формозависимому поверхностному плазмонному резонансу (SPR) [7], аффинности к органическим соединениям и высокой электрической проводимости [8]. Учитывая экспоненциально растущий спрос на GNP, всё больше внимания уделяется синтезу монодисперсных наночастиц с контролируемым размером и морфологией. Было предложено множество проектных принципов для управления свойствами GNP за счет включения различных реагентов, стабилизирующих агентов или лигандов [9], реакционных условий (температура, pH, концентрация) [4] и дисперсных сред (разные типы растворителей) [10].

В химическом синтезе GNP метод Туркевича является перспективным по сравнению с другими. В методе Туркевича ионы Au³⁺ восстанавливаются мягкими восстановителями, такими как цитрат [11], аскорбиновая кислота [12] и танновая кислота [13] в водной среде. В этом процессе получаются относительно мелкие и биосовместимые GNP. Однако основным недостатком этого метода является необходимость строгого соблюдения высококонтролируемого протокола (температура, концентрация, pH) для получения монодисперсных частиц желаемых размеров. Кроме того, в чисто водной среде маркировка GNP органическими лекарственными молекулами и модификация поверхности различными лигандами затруднены из-за низкой растворимости и гидрофобности органических компонентов в воде [14]. Поэтому внимание сосредоточено на преодолении этих ограничений метода Туркевича путем оптимизации реакционной среды, которая существенно контролирует свойства растворителя.

Растворитель играет важную роль в росте и сборке наночастиц в процессе коллоидного синтеза. Взаимодействие между поверхностью наночастицы и молекулами растворителя или между молекулами растворителя и лигандами существенно влияет на итоговый размер и морфологию частиц [15, 16]. В отсутствии пассивных лигандов или каппинг-агентов сила электрического двойного слоя, контролирующего рост частиц, в основном определяется природой молекул растворителя. В дисперсной среде с высоким полярным индексом на поверхности наночастиц адсорбируется большое количество заряженных ионов, формируя сильный электрический двойной слой вокруг коллоидных частиц [17]. В результате дзета-потенциал частиц увеличивается, и частицы отталкиваются друг от друга, предотвращая агрегацию. Однако поверхностный заряд вокруг наночастиц можно манипулировать через полярность растворителя, контролируя взаимодействие между частицами для оптимизации размера и формы [18]. Например, Song и соавт. получали тиол-оправленные GNP в диапазоне 1–6 нм в органических растворителях разной полярности [19]. Хотя существует несколько работ по оптимизации размера GNP в растворителях разной полярности, размер конечных частиц лежит в узком диапазоне (менее 20 нм), что не может полностью удовлетворить основные применения GNP, такие как терапевтика и доставка лекарств.

С другой стороны, в присутствии лигандов в реакционной среде взаимодействия между молекулами растворителя и лигандами значительно влияют на рост и сборку наночастиц. Подобные исследования показывают, что неводные растворители, солватирующие молекулы органических лигандов в коллоидном растворе, во многом защищают наночастицы от дальнейшего роста и агрегации [20, 21]. Однако при определенных обстоятельствах, таких как высокая концентрация, высокая молекулярная масса и большая длина лигандов, могут вызывать агрегацию или интенсивный рост коллоидных наночастиц. Особенно разные скорости набухания и удлинения молекул лигандов в растворителях разной полярности легко запускают рост и сборку наночастиц в коллоидном синтезе [22]. Однако этот негативный эффект можно превратить в инструмент для контролируемого роста наночастиц. Больше, чем прямое участие растворителя в росте наночастиц, концепция управления свойствами лигандов с помощью растворителя может позволить синтезировать GNP с широким диапазоном размеров.

Исходя из вышеизложенного, данное исследование предлагает метод оптимизации размера и морфологии GNP путем управления лигандом или стабилизатором и поверхностными зарядами, используя полярный индекс реакционной среды как инструмент. В данном исследовании GNP синтезировали методом химического восстановления с использованием L-аскорбиновой кислоты как восстановителя и PVP как стабилизирующего агента. По сравнению с молекулами воды, полярный индекс этанола (выбранного в качестве полярного органического растворителя) ниже. Поэтому полярный индекс реакционной среды манипулировали путем добавления этанола к воде в различных объемных соотношениях. В отличие от традиционного метода Туркевича, ожидается, что предложенная техника позволит синтезировать GNP с широким диапазоном предпочтительных размеров в один этап с минимальным протоколом.

Методы

Материалы

HAuCl₄∙3H₂O (≥ 99% trace metal basis), кристаллическая L-аскорбиновая кислота, поливинилпирролидон (PVP) K60 и гранулы гидроксида натрия (NaOH) приобрели у Sigma-Aldrich (Миссури, США). Этанол (99,90% assay) получен от J-Kollin Chemicals (Великобритания), а двужды дистиллированная вода (ddH₂O) — из лаборатории (Факультет химической инженерии, UiTM, Малайзия).

Подготовка золотых наночастиц (GNP)

Коллоидные GNP получали по модифицированному подходу Туркевича с включением аскорбиновой кислоты [23]. В этом методе L-аскорбиновая кислота использовалась как восстановитель, а поливинилпирролидон (PVP) — как стабилизатор. Раствор восстановителя готовили растворением L-аскорбиновой кислоты в абсолютном этаноле или в бинарных смесях растворителей этанол-вода с объемными соотношениями 20%, 50% и 80%. Общий объем воды, добавляемой к бинарной смеси этанол-вода, определяли согласно уравнению (1). Кроме того, PVP растворяли непосредственно в смеси растворителя L-аскорбиновая кислота/этанол-вода до конечной концентрации 1% (м/об) под низкоинтенсивной ультразвуковой обработкой. Наконец, pH раствора восстановителя корректировали до 10,5 от начального значения капельным добавлением 2 М NaOH.

$$ \text{Объемный процент воды в смеси растворителей } (\%) = \frac{V_w + V_{GC}}{V_R} \times 100 $$ (1)

где V_W — объем воды, V_GC — объем хлороaurта, а V_R — общий объем реакционной смеси.

Реакционную смесь для образования GNP готовили быстрым введением 5 мМ водного раствора HAuCl₄ в раствор восстановителя. Общий объем реакционной смеси поддерживали на уровне 20 мл растворов HAuCl₄ и L-аскорбиновой кислоты. Начальные концентрации HAuCl₄ и L-аскорбиновой кислоты в итоговой реакционной смеси устанавливали как 0,15 мМ и 1,5 мМ соответственно с мольным соотношением HAuCl₄ к L-аскорбиновой кислоте 1:10. Реакционную смесь интенсивно перемешивали со скоростью 800 об/мин в течение 30 мин при комнатной температуре, а полученный коллоид GNP фильтровали через лабораторную фильтровальную бумагу Whatman перед хранением при 4 °C для предотвращения дальнейшей реакции.

Характеризация и инструментарий

UV-Vis характеристика

UV-Vis экстинкционные спектры каждого образца GNP измеряли при комнатной температуре (25 °C) с помощью спектрофотометра Agilent Cary 60 UV-Vis. Максимальную длину волны поверхностного плазмонного резонанса (SPR) результирующих GNP определяли из полученных UV-Vis данных для сравнения размера частиц.

Распределение размера частиц и дзета-потенциал

Средний размер частиц, распределение размеров, индекс полидисперсности (PDI) и дзета-потенциал GNP измеряли на приборе Malvern Zetasizer nanoZS. Значение PDI рассчитывали из графиков интенсивного распределения размера частиц (PSD) динамического рассеяния света (DLS) по уравнению (2) [24]:

$$ PDI = \left( \frac{\text{стандартное отклонение}}{\text{средний размер частицы}} \right)^2 $$ (2)

Анализ полярного индекса смешанного растворителя

Полярность реакционной среды оптимизировали путем смешивания различных объемных соотношений воды и органического растворителя. Чистый полярный индекс полученной смеси органического растворителя и воды, P′, можно выразить уравнением (3) [25]:

$$ P' = \sum p'_i \varnothing_i $$ (3)

где p'_i — полярный индекс растворителя i, а ∅_i — объемная доля растворителя i в смеси. Полярный индекс дистиллированной воды и абсолютного этанола составляли 9,0 и 5,2 соответственно.

Передаточная электронная микроскопия (TEM) и распределение размера частиц

Образцы GNP ультразвуковано обрабатывали перед измерениями TEM. Капли ультразвуково обработанных суспензий/коллоидов наносили на медную сетку 200 mesh с пленкой Formvar. Сетку помещали в держатель для «однонаклонной» загрузки и вставляли в передаточный электронный микроскоп 200-кВ FEI, Tecnai G2 20 Twin для изображения. Кроме того, количественный анализ размера частиц и распределения размеров из TEM-изображений проводили с помощью программного обеспечения ImageJ для обработки изображений.

Результаты и обсуждение

Рис. 1 изображает UV-Vis спектры синтезированных коллоидных GNP в различных объемных соотношениях смеси растворителей этанол-вода. Типичная максимальная длина волны поглощения SPR (λ_m) GNP зависит от размера и формы [26, 27]. Как показано на рис. 1, максимальная λ_m синтезированных коллоидных GNP смещается в длинноволновую область, что указывает на увеличение размера синтезированных GNP с увеличением объемного соотношения этанола в воде. Максимальная λ_m коллоидных GNP, синтезированных в реакционных смесях, содержащих этанол с объемным процентом 20% и 50%, появляется в коротковолновой области поглощения (514 нм и 520 нм), что указывает на образование мелких GNP при низком объемном проценте этанола. Кроме того, максимальная λ_m GNP, синтезированных в смеси этанол-вода с 80% объемным процентом или в абсолютном этаноле, смещается в область более длинных волн на 575 нм и 561 нм соответственно. Эти смещения указывают на формирование более крупных GNP и широкую тенденцию графиков, подразумевающую неравномерные формы GNP.

UV-Vis спектры GNP в бинарной смеси растворителей этанол-вода с объемным процентом этанола 20%, 50%, 80% и 100%

Синтезированные GNP в различных объемных процентах смесей этанол-вода с разными полярными индексами kvantифицировали методом DLS, полученное распределение размеров GNP показано на рис. 2. Кроме того, средние размеры частиц, значения PDI GNP и полярные индексы смесей этанол-вода для полученных GNP сведены в таблице 1. Рис. 2 показывает, что DLS распределение размеров увеличивается с увеличением объемного процента этанола. Средние гидродинамические диаметры GNP в смесях растворителей, содержащих абсолютный этанол, 80%, 50% и 20% объемного процента этанол-вода, составляли 154 ± 56,7; 219 ± 84,9; 28 ± 10,5 и 22 ± 4,6 нм соответственно (см. таблицу 1). Эти результаты DLS согласуются с выводами UV-Vis данного исследования: мелкие частицы образуются при высоком полярном индексе смеси этанол-вода и наоборот.

Тенденции DLS распределения размеров частиц GNP в бинарной смеси растворителей этанол-вода с объемным процентом этанола 20%, 50%, 80% и 100%

Рассчитанные значения полярного индекса различных объемных процентов смесей растворителей этанол-вода приведены в таблице 1. Полярный индекс бинарной смеси растворителей уменьшается с увеличением объемного процента этанола (органического растворителя) в смеси. Здесь результаты UV-Vis и DLS данного исследования показывают, что более мелкие GNP образуются при высоком полярном индексе реакционной среды, тогда как более крупные GNP — при низком полярном индексе. Хорошо изучено, что и растворитель, и лиганды играют важную роль в контроле роста и сборки наночастиц в процессе коллоидного синтеза наночастиц. В процессе формирования наночастиц молекулы растворителя и лиганда контролируют и замедляют рост частиц, блокируя поверхностные центры связывания. Однако при определенных условиях, таких как разная полярность смеси растворителей, молекулы растворителя и лиганда могут также запускать рост и сборку наночастиц в коллоидных растворах. В согласии с этим утверждением, результаты UV-Vis и DLS показывают, что рост и сборка PVP-оправленных GNP увеличивались с увеличением объемного процента этанола в бинарной смеси растворителей. Для подтверждения этих выводов соответствующий механизм роста PVP-оправленных GNP в бинарной смеси растворителей этанол-вода можно интерпретировать в два этапа (как показано на рис. 3): рост, вызванный растворителем, и рост, индуцированный лигандом.

Этапы роста GNP в коллоидном растворе в присутствии длинных полимерных цепей лигандов, где рост GNP управляется (a) молекулами растворителя и (b) молекулами лиганда

На первом этапе, после нуклеации мономеров, рост GNP управлялся молекулами растворителя. В коллоидном растворе высокополярные молекулы растворителя распределяют высокий поверхностный заряд на поверхности наночастицы и формируют сильный электрический двойной слой, предотвращающий дальнейший рост частиц, тогда как молекулы растворителя с низким полярным индексом формируют слабый электрический двойной слой вокруг частиц, что приводит к более интенсивному росту или агрегации [28]. Корреляция между поверхностным зарядом и полярным индексом реакционной среды может быть объяснена с помощью уравнения Пуассона, данного в уравнении (4) [29].

$$ \varepsilon \varepsilon_o \frac{d^2\psi(x)}{dx^2} = -\rho(x) $$ (4)

где ρ — плотность заряда, ψ — электрический потенциал, ε — диэлектрическая проницаемость вакуума, ε_o — диэлектрическая постоянная, а x — расстояние от поверхности частицы.

Согласно уравнению (4), плотность заряда на поверхности наночастицы (ρ) пропорциональна диэлектрической постоянной (ε_o) окружающей среды, которая управляется полярным индексом среды. В данном исследовании значения полярного индекса соответствующих растворителей можно упорядочить как вода > этанол. Следовательно, дисперсная среда с более высоким объемным процентом воды может обеспечить более высокий поверхностный заряд на поверхности GNP благодаря высокой полярности. Кроме того, аскорбиновая кислота выступает восстановителем, отдающим электроны металлической соли для формирования золотых наночастиц. Аскорбиновая кислота имеет более высокую растворимость в чистой воде, чем в абсолютном этаноле, что способствует образованию большего количества водородных связей с молекулами воды. Более высокая растворимость может способствовать более интенсивному свободному электронному переносу для быстрой нуклеации мономеров Au⁰, что приводит к замедленному росту GNP [30]. Ввиду этих фактов скорость роста GNP была обратно пропорциональна значению полярного индекса смеси растворителей этанол-вода.

На втором этапе предполагалось, что рост и сборка GNP преимущественно управляются молекулами лиганда (PVP) (см. рис. 3(b)). В присутствии молекул лиганда в коллоидном растворе лиганды адсорбируются или ковалентно прикрепляются к поверхности наночастицы и предотвращают дальнейший рост и сборку наночастиц за счет контроля межфазной энергии между поверхностью частицы и растворителем или создания отталкивающих сил между одинаково лиганд-оправленными частицами [28]. Однако если адсорбированные молекулы лиганда имеют высокую концентрацию, длинную полимерную цепь или высокую молекулярную массу, они формируют хвосты, поезда и петли в коллоидном растворе. Как показано на рис. 3(b), эти выступающие хвосты, поезда и петли полимерных цепей связывают наночастицы и индуцируют флокуляцию в коллоидах [31]. Эта мостковая флокуляция в наночастицах может способствовать вторичному росту, инициируемому семенами, в результате чего частицы могут легко расти. В данном исследовании для стабилизации GNP в коллоидном растворе использовали 1% (м/об) PVP. PVP — амфифильное молекула, имеющая гидрофильную голову (состоящую из C=O и N видов) и высоко гидрофобную углеводородную основную цепь. В полярном органическом растворителе органические молекулы имеют большую аффинность как к карбоксильной группе, так и к гидрофобному углеводородному хвосту PVP, как показано на рис. 4(a). Однако в чисто водной среде молекулы воды могут связываться только с карбоксильной головкой PVP через водородные связи, а гидрофобные хвосты остаются в суспензии независимо, как показано на рис. 4(b). Таким образом, молекулы PVP солватируются и набухают в органическом растворителе в большей степени, чем в чисто водной среде [21]. В подтверждение, Guettari и соавт. исследовали поведение полимера PVP в различных объемных процентах смеси растворителей этанол-вода. Экспериментальные результаты с моделированием эффективного взаимодействия растворителя с полимером (ESIP) подтверждают, что гидродинамический радиус и полимер-полимерное взаимодействие молекул PVP увеличиваются с увеличением мольной доли этанола [32]. Это увеличение глобулярного размера молекул PVP при более высоком объемном проценте этанола усиливает мосткование GNP, что приводит к высокому росту или сборке при высоком объемном соотношении этанола. Поэтому сделан вывод, что высоко растянутые цепи 1% (м/об) PVP флокулируют частицы и формируют различные формы сборки или агрегации GNP, что приводит к высокому росту при высоком объемном соотношении этанола [33, 34, 35].

(a) Взаимодействие между молекулами этанола и молекулами PVP и (b) взаимодействие между молекулами H₂O и молекулами PVP

Кроме того, влияние молекул лиганда на рост и сборку наночастиц в смеси растворителей этанол-вода с варьирующимся полярным индексом анализировали через дзета-потенциал полученных GNP. Значения дзета-потенциала GNP, синтезированных в различных объемных соотношениях этанола к воде, показаны на рис. 5. Полученные результаты показывают, что значения дзета-потенциала PVP-стабилизированных GNP уменьшаются с увеличением объемного процента этанола. В общем, полимер смещает плоскость скольжения электрического двойного слоя частиц, что может изменить значение дзета-потенциала. Изменения значения дзета-потенциала зависят от интерфасного поверхностного заряда и количества адсорбированного полимера [22]. Подобные исследования показывали, что значение дзета-потенциала полностью PVP-оправленных GNP составляет около -6 мВ [23, 36]. Кроме того, это отрицательное значение дзета-потенциала может увеличиваться с уменьшением количества адсорбированного PVP на поверхности GNP [22]. Следовательно, полученное наименьшее значение дзета-потенциала (-5,53 мВ) в абсолютном этаноле указывает на то, что синтезированные GNP были полностью окружены молекулами PVP. С другой стороны, уменьшение значений дзета-потенциала с увеличением объемного соотношения этанола неявно указывает на то, что PVP адсорбировался в высокой степени при высоком объемном соотношении органического растворителя (этанола).

Значения дзета-потенциала PVP-стабилизированных GNP в бинарной смеси растворителей этанол-вода с объемным процентом этанола 20%, 50%, 80% и 100%

TEM-изображения синтезированных GNP в смесях растворителей этанол-вода с разными полярными индексами показаны на рис. 6. Рисунки 6(a) и (b) показывают, что почти сферические наночастицы размером 9,7 нм и 13,9 нм были получены в смесях растворителей с объемным процентом этанола 20% и 50% соответственно. С другой стороны, рис. 6(c) показывает типичные изображения GNP при 80% объемном проценте смеси этанол-вода. TEM-изображения показывают, что частицы неправильной формы [37] и большего размера (около 53,1 нм) образовывались в растворе с 80% объемным процентом этанола, и эти частицы агрегировались в коллоидном растворе. Аналогично, в абсолютном этаноле получались относительно более крупные GNP неправильной формы со средним диаметром 37,2 нм. Эти результаты согласуются с предыдущими результатами UV-Vis и DLS данного исследования, в которых более крупные частицы формировались из-за низкого значения полярного индекса реакционной среды, что являлось следствием роста частиц и сборки, вызванных высоко растянутыми полимерными цепями PVP в смеси этанол-воды с низким полярным индексом.

Цвета, TEM-изображения и распределение размеров полученных суспензий GNP в различных объемных процентах этанола в воде с (a) 20%, (b) 50%, (c) 80% и (d) 100% этанолом

Стоит отметить, что размер GNP при 80% объемном проценте этанола в воде больше, чем размер GNP в абсолютном этаноле.

Рисунки 7(a) и (d) сравнивают TEM-изображения GNP при 80% объемном соотношении этанола к воде и в абсолютном этаноле соответственно. GNP агрегировались в кластеры (рис. 7(a–c)) и выстраивались линейно (рис. 7(a) и (b)) при 80% объемном соотношении этанола, тогда как GNP в абсолютном этаноле оставались дискретными частицами с меньшей агрегацией (рис. 7(d)). Мы предполагаем, что состав 80% этанола к воде быстро повышал поверхностную энергию первичных частиц GNP из-за асимметричного взаимодействия молекул воды и этанола с полимерными цепями PVP и поверхностями наночастиц. Поэтому частицы агрегировались по механизму ориентированного присоединения, образуя более крупные нанокластеры для минимизации этой поверхностной энергии [38, 39]. Кроме того, линейное выстраивание GNP в 80% этанол-воде атрибутируется диполь-дипольному взаимодействию частиц, которое результатировало от асимметричного взаимодействия молекул воды и этанола с полимерными цепями PVP [40]. Кроме того, наблюдалось, что средний гидродинамический диаметр GNP, полученный с помощью DLS, был выше размера, рассчитанного из TEM-изображений. В данном исследовании GNP синтезировали в избыточном количестве полимерного раствора PVP. Поэтому метод DLS измерял не только диаметр частиц, но и слой каппинг-полимера с удлиненными полимерными хвостами, поездами и петлями. Более того, DLS может измерять размер флоккул вместо отдельных частиц (например, образец GNP в 80% этанол-воде). Следовательно, средний размер GNP, измеренный с помощью DLS, был выше, чем с помощью TEM.

TEM-изображения GNP (a), (b) и (c) агрегированные частицы при 80% объемном проценте этанола (d) дискретные частицы в 100% этаноле

Заключение

В данном исследовании обсуждался синтез размеро-селективных GNP с использованием полярности органического растворителя как переменной. Исследовано влияние полярности растворителя на рост GNP путем синтеза PVP-оправленных GNP в этаноле и смесях этанол-вода с L-аскорбиновой кислотой. UV-Vis спектры и измерения DLS подтвердили, что размер частиц увеличивается с уменьшением полярного индекса растворителя. На основе этих результатов рост GNP контролировался в два этапа в процессе химического восстановления. Изначально рост частиц контролировался молекулами растворителя путем формирования сильного двойного слоя вокруг наночастицы. Затем сборка и стабильность GNP управлялись молекулами стабилизатора или лиганда на втором этапе. Однако рост GNP увеличивался с уменьшением полярного индекса реакционной среды на обоих этапах. Итоговые цвета суспензий GNP и TEM-изображения указывают на морфологии полученных GNP. В частности, высокая полярность смеси растворителей приводила к образованию сферических GNP, а среда с низким полярным индексом — к образованию GNP неправильной формы. Это исследование заложило новый подход к синтезу GNP различных размеров и форм в один этап, используя зависимость роста и сборки частиц от полярного индекса растворителя.

Доступность данных и материалов

Все данные, полученные и проанализированные в ходе данного исследования, включены в данную работу. Необработанный набор данных, полученный и проанализированный в ходе экспериментальной работы, доступен у соответствующего автора по обоснованному запросу.

Аббревиатуры

GNPs:

Золотые наночастицы

NPs:

Наночастицы

PVP:

Поливинилпирролидон

TEM:

Передаточная электронная микроскопия

DLS:

Динамическое рассеяние света

PDI:

Индекс полидисперсности