Алтын нанобөлшектерінің сұйық ортадағы ерітіндісі

Алтын нанобөлшектері: қасиеттері, қолданылу аймақтары (электроника, медицина, нанотехнология). Түсі, пішіні мен мөлшеріне қарай өзгереді.

19 мин оқу

100%

Дереккөз: Colloidal gold — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Сұйықтағы алтын нанобөлшектерінің суспензиясы

Коллоидты алтын – сұйықтықта, әдетте судағы алтын нанобөлшектерінің соль немесе колоидты суспензиясы. Коллоидтың түсі көбінесе шарап қызыл (100 нм-ден кіші шар тәрізді бөлшектер үшін) немесе көк-қызыл (ірі шар тәрізді бөлшектер немесе наноқұбырлар үшін) болады. Олардың оптикалық, электрондық және молекулалық тану қасиеттеріне байланысты алтын нанобөлшектері көп зерттеулердің нысаны болып табылады, және олар электрондық микроскопия, электроника, нанотехнология, материалдар ғылымы және биомедицина сияқты көптеген салаларда кең мүмкіндіктерге ие. Коллоидты алтын нанобөлшектерінің қасиеттері, демек олардың қолданылу мүмкіндіктері, олардың мөлшері мен пішініне тікелей байланысты. Мысалы, таяқша тәрізді бөлшектерде көлденең және бойлық сіңіру максимумдары болады, ал пішіннің анизотропиясы олардың өздігінен жиналуына әсер етеді.

Тарих

Көне заманнан бері шыныны бояу үшін қолданылып келген колоидты алтын 4 ғасырға жататын Ликургус тостағанында пайдаланылған, ол жарық көзінің орналасуына қарай түсін өзгертеді. Орта ғасырларда алтын тұзын қамтитын ерітінді – ерігіш алтын, түрлі ауруларды емдеуге қабілетті деп есептелген. 1618 жылы философ және медициналық қызметкер Франциск Антоний «Panacea Aurea, sive tractatus duo de ipsius Auro Potabili» (лат. «Алтын дәуір, немесе ішуге жарамды алтын туралы екі трактат») атты кітап жариялады. Кітапта колоидты алтынның қалай пайда болатыны және оның медициналық қолданылуы туралы ақпарат келтірілген. Шамамен жарты ғасырдан кейін, 1656 жылы ағылшын ботанигі Николас Калпеппер «Трактат арум потабиле» атты кітап шығарды, онда колоидты алтынның медициналық қолданылуы ғана талқыланды. 1676 жылы неміс химигі Иоганн Кункель боялған шыны жасау туралы кітап жариялады. «Ауру және аргент тұздары, спириту мунди және басқа да құнды байқаулар немесе ескертулер» атты кітабында Кункель Аурум Потабильдің қызғылт түсі адам көзімен көрінбейтін металл алтынның ұсақ бөлшектерінен туындайды деп болжады. 1842 жылы Джон Гершель «хризотип» деп аталатын фотосурет процесін ойлап тапты (грекше χρῡσός – «алтын»), ол қағазға суреттерді түсіру үшін колоидты алтынды пайдаланды. Коллоидты алтынды ғылыми тұрғыдан зерттеу 1850 жылдары Майкл Фарадейдің жұмысынан бастау алды. 1856 жылы Корольдік институттың жертөлесіндегі зертханасында Фарадей микроскопқа арналған алтын жапырақшаларын бекіту кезінде кездейсоқ түрде қызыл түсті ерітінді жасады. Ол жарық пен материяның қасиеттеріне қызығғандықтан, колоидты алтынның оптикалық қасиеттерін зерттеуді жалғастырды. 1857 жылы ол «активтенген алтын» деп аталатын колоидты алтынның алғашқы таза үлгісін дайындады. Ол алтын хлоридінің ерітіндісін қышқылдандыру үшін фосфорды пайдаланды. Фарадей 150 жыл бұрын жасаған колоидты алтынның оптикалық белсенділігі бүгінгі күнге дейін сақталған. Ұзақ уақыт бойы «рубин» алтынның құрамы белгісіз болды. Дайындалу жолына байланысты бірнеше химиктер оның алтын-қалай қоспасы болуы мүмкін деп күдіктенді. Фарадей түстің алтын бөлшектерінің өте кішкентай өлшемдерінен туындайтынын анықтады. Ол алтын микробөлшектерінің жарықтың шашырауына байланысты қасиеттерін байқады, бұл қазір Фарадей-Тиндаль эффектісі деп аталады. Зигмондиден басқа, ультрацентрифуганы ойлап тапқан Теодор Сведберг және сфералық бөлшектердің шашырауы мен сіңіруінің теориясын ұсынған Густав Ми де колоидты алтынның синтезі мен қасиеттеріне қызығушылық танытты. 20-ғасырда әртүрлі талдау технологияларының жетістіктері алтын нанобөлшектерін зерттеуді үдетті. Атомдық күш микроскопиясы және электрондық микроскопия сияқты жетілдірілген микроскопия әдістері нанобөлшектерді зерттеуге үлкен үлес қосты. Оңай синтезделуіне және жоғары тұрақтылығына байланысты әртүрлі алтын бөлшектері практикалық қолдану үшін зерттелді. Алтын нанобөлшектерінің әртүрлі түрлері қазірдің өзінде электроника сияқты көптеген салаларда қолданылуда.

Used since ancient times as a method of staining glass colloidal gold was used in the 4th century Lycurgus Cup, which changes color depending on the location of light source. During the Middle Ages, soluble gold, a solution containing gold salt, had a reputation for its curative property for various diseases. In 1618, Francis Anthony, a philosopher and member of the medical profession, published a book called Panacea Aurea, sive tractatus duo de ipsius Auro Potabili (Latin: gold potion, or two treatments of potable gold). The book introduces information on the formation of colloidal gold and its medical uses. About half a century later, English botanist Nicholas Culpepper published a book in 1656, Treatise of Aurum Potabile, solely discussing the medical uses of colloidal gold. In 1676, Johann Kunckel, a German chemist, published a book on the manufacture of stained glass. In his book Valuable Observations or Remarks About the Fixed and Volatile Salts Auro and Argento Potabile, Spiritu Mundi and the Like, Kunckel assumed that the pink color of Aurum Potabile came from small particles of metallic gold, not visible to human eyes. In 1842, John Herschel invented a photographic process called chrysotype (from the Greek χρῡσός meaning "gold") that used colloidal gold to record images on paper. Modern scientific evaluation of colloidal gold did not begin until Michael Faraday's work in the 1850s. In 1856, in a basement laboratory of Royal Institution, Faraday accidentally created a ruby red solution while mounting pieces of gold leaf onto microscope slides. Since he was already interested in the properties of light and matter, Faraday further investigated the optical properties of the colloidal gold. He prepared the first pure sample of colloidal gold, which he called 'activated gold', in 1857. He used phosphorus to reduce a solution of gold chloride. The colloidal gold Faraday made 150 years ago is still optically active. For a long time, the composition of the 'ruby' gold was unclear. Several chemists suspected it to be a gold tin compound, due to its preparation. Faraday recognized that the color was actually due to the miniature size of the gold particles. He noted the light scattering properties of suspended gold microparticles, which is now called Faraday Tyndall effect. Apart from Zsigmondy, Theodor Svedberg, who invented ultracentrifugation, and Gustav Mie, who provided the theory for scattering and absorption by spherical particles, were also interested in the synthesis and properties of colloidal gold. With advances in various analytical technologies in the 20th century, studies on gold nanoparticles has accelerated. Advanced microscopy methods, such as atomic force microscopy and electron microscopy, have contributed the most to nanoparticle research. Due to their comparably easy synthesis and high stability, various gold particles have been studied for their practical uses. Different types of gold nanoparticle are already used in many industries, such as electronics.

Оптикалық

Коллоидты алтын суретшілер ғасырлар бойы қолданып келеді, себебі нанобөлшектердің көрінетін жарықпен өзара әрекеттесуіне байланысты. Алтын нанобөлшектері жарықты сіңіріп және шашыратып, бөлшек мөлшеріне, пішініне, жергілікті сындыру көрсеткішіне және жиналыс күйіне қарай, жарқын қызыл (кішкентай бөлшектер) түстен көк, қара және соңында мөлдір, түссіз (ірі бөлшектер) түске дейін әртүрлі түстерді тудырады. Бұл түстер жергілікті беттік плазмондық резонанс (LSPR) деп аталатын құбылыс нәтижесінде пайда болады, онда нанобөлшектің бетіндегі өткізгіш электрондар түскен жарықпен резонанста тербеліседі.

Өлшемі, пішіні, құрамы мен қоршаған ортаның әсері

Жалпы ереже бойынша, сіңірілген жарықтың толқын ұзындығы нанобөлшектердің мөлшері артатын сайын ұзарады. Нанобөлшектердің мөлшеріне, пішініне, құрамына және қоршаған ортасына байланысты, беттік плазмондық резонанс жиілігі де, шашырау қарқындылығы да өзгереді. Бұл құбылысты шар тәрізді нанобөлшектер үшін Мие шашырау теориясын қолдану арқылы сандық түрде бағалауға болады. 30–100 нм диаметріндегі нанобөлшектерді микроскоппен оңай көруге болады, ал бөлшектердің концентрациясы 10−4 М немесе одан жоғары болса, 40 нм мөлшеріндегі бөлшектерді тіпті қалың көзбен де көруге болады. 60 нм нанобөлшектен шашырау, флуоресцеин молекуласынан шығатын сәулеленуден шамамен 105 есе күшті.

Жергілікті сыну көрсеткішінің әсері

Алтын нанобөлшектер ерітіндісінің көрінетін түсі, колоидты алтынның таралып жатқан ортасына байланысты да өзгеруі мүмкін. Алтын нанобөлшектердің оптикалық қасиеттері нанобөлшек бетіндегі сыну көрсеткішіне тәуелді, сондықтан нанобөлшек бетіне тікелей бекітілген молекулалар (яғни, нанобөлшектердің лигандалары) және нанобөлшектердің еріткіші байқалатын оптикалық сипаттамаларға әсер ете алады.

Жиынтық әсері

Алтын нанобөлшектері жиналғанда, бөлшектің оптикалық қасиеттері өзгереді, себебі тиімді бөлшек мөлшері, пішіні және диэлектрлік ортасының барлығы да өзгереді.

Электрондық микроскопия

Коллоидты алтын және оның түрлі туындылары биологиялық электронды микроскопияда антигендерді белгілеу үшін ең көп қолданылатын заттардың қатарында болып табылады. Коллоидты алтын бөлшектерін антиденелер, лектиндер, суперантигендер, гликантар, нуклеин қышқылы және рецепторлар сияқты көптеген дәстүрлі биологиялық зондтарға бекітуге болады. Электронды микроскопияда әртүрлі өлшемдегі бөлшектерді оңай ажыратуға болады, бұл бір уақытта бірнеше белгілеу эксперименттерін жүргізуге мүмкіндік береді. Биологиялық зондтардан өзге, алтын нанобөлшектерін мика, монокристалды кремний және атомдық деңгейде тегіс алтын(III) сияқты әртүрлі минералдық субстраттарға атомдық күш микроскопиясы (АФМ) арқылы қарап зерттеу үшін ауыстыруға болады.

Дәрілік препараттарды жеткізу жүйесі

Алтын нанобөлшектерін дәрі-дәрмектерді ауру органдарға, тіндерге немесе жасушаларға жеткізуді жақсарту және бағыттау үшін, олардың биологиялық таралуын оңтайландыруға болады. Нанобөлшектер арқылы дәрі-дәрмектерді жеткізу, дәрі-дәрмектердің таралуы жеткіліксіз болған жағдайларда ғана мүмкін. Мұндай жағдайларға тұрақсыз препараттарды (ақуыздар, siRNA, ДНК) бағыттап қолдану, дәрі-дәрмектерді жеткізу қиын жайларға (ми, торқанат, ісіктер, жасуша ішіндегі органеллалар) жеткізу және күшті қосымша әсерлері бар препараттар (мысалы, қатерлі ісікке қарсы препараттар) жатады. Нанобөлшектердің тиімділігі олардың мөлшері мен беткі қабатының функционалдық қасиеттеріне байланысты. Сондай-ақ, дәрі-дәрмектің босатылуы және бөлшектердің ыдырауы жүйеге қарай өзгеруі мүмкін (мысалы, pH-қа сезімтал биодеградацияланатын полимерлер). Нанодәрі жеткізудің оңтайлы жүйесі белсенді дәрі-дәрмектің әсер ететін жерде қажетті уақыт аралығында және мөлшерде болуын қамтамасыз етеді, оның концентрациясы ең төменгі тиімді концентрациядан (ЭМК) жоғары, ал ең төменгі уытты концентрациядан (УМК) төмен болуы керек. Алтын нанобөлшектері Паклитаксел сияқты дәрі-дәрмектерді тасымалдау үшін зерттелуде. Гидрофобты дәрі-дәрмектерді енгізу үшін молекулалық қаптама қажет, және наноөлшектердің ретикулоэндотелиялық жүйені айналып өтуге қабілетті екені анықталды.

Ауыруды анықтау

Қатерлі ісіктерді зерттеуде колоидты алтын ісіктерді нысанаға алу және SERS (беттік күшейтілген Раман спектроскопиясы) арқылы тірі организмде (in vivo) анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Бұл алтын нанобөлшектердің айналасында Раман репортерлері орналасқан, олар кванттық нүктелерге қарағанда 200 еседен астам жарық шығарады. Нанобөлшектер тиол модификацияланған полиэтиленгликоль қаптамасымен қапталғанда Раман репортерлерінің тұрақтанатыны анықталды. Бұл тірі организмде (in vivo) үйлесімділік пен айналымды қамтамасыз етеді. Ісік жасушаларын нақты нысанаға алу үшін полиэтиленгликольмен қапталған алтын бөлшектері, мысалы, кейбір қатерлі ісік түрлерінің жасушаларында кейде жоғары экспрессияланатын эпидермалық өсу факторы рецепторына қарсы антиденемен (немесе scFv сияқты антидене фрагментімен) біріктіріледі. SERS қолданып, пегилденген алтын нанобөлшектер ісіктің орналасқан жерін анықтауға мүмкіндік береді. Алтын нанобөлшектері ісік тамырларының өткізгіштігіне байланысты ісіктерде жиналады және тышқан моделінде тері қатерлі ісігін анықтау үшін қысқа импульсті лазерлерді қолданатын уақытқа тәуелді оптикалық томография жүйесінде бейнелеу контрастын арттыру үшін контраст агенттері ретінде пайдаланылуы мүмкін. Ішке тамыр арқылы енгізілген шар тәрізді алтын нанобөлшектер кері шағылысқан оптикалық сигналдардың уақытша профилін кеңейтіп, айналадағы сау тіндер мен ісік арасындағы контрасты арттырады.

Гендік терапия

Алтын нанобөлшектері сиРНК олигонуклеотидтерін жасушалар ішінде жеткізуге арналған құрал ретінде, ең жоғары емдік әсерге қол жеткізуге мүмкіндік береді. Алтын нанобөлшектері антисенс олигонуклеотидтерін (бір және екі тізбекті ДНК) жасуша ішінде жеткізуге қабілетті, себебі олар жасуша ішіндегі нуклеазалардан қорғайды және таңдамалы бағыттау үшін функционалдық өзгертулерді жеңілдетеді.

Фототермиялық агенттер

Алтын наноқалқандар in vivo қолданбалар үшін фототермиялық агенттер ретінде зерттелді. Алтын нанотабандар – таған тәрізді алтын нанобөлшектер, олардың көлбеулік қатынастары беттік плазмондар резонансының (SPR) жолағын көрінетіннен жақын инфрақызыл толқын ұзындығына дейін реттейді. SPR-дегі жарықтың толық жойылуы сіңіру мен шашыраудан тұрады. Кіші осьтік диаметрлі нанотабандар үшін (~10 нм) сіңіру басым, ал үлкен осьтік диаметрлі нанотабандар үшін (>35 нм) шашырау басым болуы мүмкін. Сәйкесінше, in vivo зерттеулер үшін кішкентай диаметрлі алтын нанотабандар жоғары сіңіру қималарының арқасында жақын инфрақызыл сәулелердің фототермиялық түрлендіргіштері ретінде қолданылады. Жақын инфрақызыл сәулелер адам терісі мен тіндері арқылы оңай өтетіндіктен, бұл нанотабандарды қатерлі ісіктер және басқа да нысандарды жою үшін қолдануға болады. Полимерлермен қапталған алтын наноқалқандар 6 сағаттан астам жартылай ыдырау мерзімімен, денеде 72 сағатқа дейін айналып жүретіні және бауырдан басқа ішкі органдарда аздап немесе мүлдем сіңбейтіні байқалды. Алтын нанотабандар клиникалық зерттеулерге дейін фототермиялық агенттер ретінде сөзсіз табысқа жеткеніне қарамастан, олардың өлшемі бүйрек арқылы шығарылатын шектен жоғары болғандықтан клиникалық қолдануға әлі рұқсат алмады. 2019 жылы наноархитектурадағы алғашқы NIR сәулесін жұтатын плазмоникалық ультрашағын құрылым туралы хабарланды, ол бірге: (i) гипертермиялық емдеу үшін қолайлы фототермиялық түрлендіруді, (ii) бірнеше фототермиялық емдеу мүмкіндігін және (iii) терапиялық әсерден кейін құрылыс блоктарының бүйрек арқылы шығарылуын біріктіреді.

Радиотерапиялық дозаны күшейтуші

Ісіктерге берілетін дозаны арттыру мақсатында алтын және басқа да ауыр атомдардан тұратын нанобөлшектерді пайдалануға зор қызығушылық білдірілуде. Алтын нанобөлшектердің ісіктерге, жақын орналасқан сау тіндерге қарағанда көп сіңірілуіне байланысты, доза таңдаулы түрде күшейтіледі. Осы терапияның биологиялық тиімділігі, сәулелену дозасының нанобөлшектер маңындағы жергілікті шоғырлануымен байланысты болып көрінеді. Бұл механизм ауыр иондық терапиядағы механизммен ұқсас.

Уытты газды анықтау

Зерттеушілер алтын нанобөлшектерінің (AuNPs) антиагрегациясына негізделген, ауадағы күкіртсутек H2S-ті орнында анықтау үшін қарапайым, арзан әдістерді әзірледі. Күкіртсутектің әлсіз сілтілік буферлік ерітіндіде ерітілуі HS-тің түзілуіне алып келеді, ол AuNP-ді тұрақтандырып, олардың қызыл түсін сақтайды, соның арқасында күкіртсутектың уытты деңгейін көзбен анықтау мүмкін болады.

Алтын нанобөлшектеріне негізделген биосенсор

Алтын нанобөлшектері биосенсорлардың тұрақтылығын, сезімталдығын және таңдаулылығын арттыру үшін оларға енгізіледі. Нанобөлшектердің кіші өлшемі, жоғары бет-көлем қатынасы және жоғары беттік энергиясы сияқты қасиеттері биомолекулалардың кең ауқымын бекітуге мүмкіндік береді. Алтын нанобөлшектері, әсіресе, электрондарды тасымалдау үшін "электрондық сым" ретінде әрекет ете алады, ал электромагниттік жарыққа күшейту әсері сигнал күшейткіш ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Алтын нанобөлшектеріне негізделген биосенсорлардың басты түрлері – оптикалық және электрохимиялық биосенсорлар.

Оптикалық биосенсор

Алтын нанобөлшектері жергілікті сыну индексінің өзгеруіне жауап ретінде оптикалық сенсорлардың сезімталдығын арттырады. Жарқы толқындары мен металдың өткізгіш электрондары арасындағы өзара әрекеттесу – беттік плазмондардың резонансы, металл бетіне басқа заттар байланған кезде оның жарық түсіру бұрышы өзгереді. Алтын өз айналасындағы диэлектрлік тұрақтыға өте сезімтал болғандықтан, талдаушының (analyte) байлануы алтын нанобөлшегінің SPR-ін айтарлықтай өзгертеді, демек, бұл сезімталрақ анықтауға мүмкіндік береді. Алтын нанобөлшегі SPR сигналын күшейте де алады. Плазмондық толқын алтын нанобөлшегінен өткенде, толқынның заряд тығыздығы мен алтынның электрондары өзара әрекеттеседі, нәтижесінде жоғары энергиялық жауап пайда болады, бұл электрондық байланыс деп аталады. Ылғалдылық сенсорлары да ылғалдылықтың өзгеруімен молекулалар арасындағы атомдардың арақашықтығын өзгерту арқылы жасалған, ал арақашықтықтың өзгеруі Au NP-нің LSPR-ін өзгертеді.

Электрохимиялық биосенсор

Электрохимиялық сенсор биологиялық ақпаратты электр сигналдарына түрлендіреді. Алтын нанобөлшектердің (Au NP) өткізгіштігі және биоүйлесімділігі оларды "электрондық сым" ретінде жұмыс істеуге мүмкіндік береді. Бұл екі тәсілмен жүзеге асырылуы мүмкін: Au NP ферментке немесе электродқа бекітіледі. Осы екі әдіс қолданылып, ГНП глюкозооксидазаның моноқабатты электроды құрастырылды. Au NP ферменттің бағдарында көбірек еркіндікке мүмкіндік берді, соның салдарынан анықтау сезімтал және тұрақты болды. Au NP ферментті бекіту платформасы ретінде де қызмет етеді. Көптеген биомолекулалар электродпен өзара әрекеттескенде құрылымдық өзгеріске ұшырайды немесе белсенділігін жоғалтады. Сонымен қатар, Au NP биологиялық реакцияларды катализдейді. 2 нм-ден кіші алтын нанобөлшегі стиролдің тотығуына каталитикалық белсенділік танытты.

Иммунологиялық биосенсор

Алтын нанобөлшектер иммунологиялық анықтау әдістерінде қолдану үшін пептидтер және гликанмен қапталды. Гликонанобөлшектерді ELISA-да пайдалану мүмкіндігі күтпеген болса да, бұл әдіс жоғары сезімталдыққа ие болып көрінеді және пациент сарысуындағы антиденелерді диагностикалық анықтауға арналған спецификалық талдауларды әзірлеуге мүмкіндік береді.

Ұсақ пленкалар

Алканетиол молекулалары сияқты органикалық лигандтармен қапталған алтын нанобөлшектері >см² көлемдегі үлкен моноқабаттарға өздігінен жиналуы мүмкін. Бөлшектер алдымен хлороформ немесе толуол сияқты органикалық еріткіште дайындалып, содан кейін сұйық бетке немесе қатты субстратқа моноқабаттар түрінде жайылады. Нанобөлшектердің мұндай интерфейстік жұқа қабаттары, серфактанттардан жасалған Лангмуир-Блоджетт моноқабаттарымен тығыз байланысты. Нанобөлшектердің моноқабаттарының механикалық қасиеттері жан-жақты зерттелген. Додеканетиолмен қапталған 5 нм шарлар үшін моноқабаттың Янг модулі GPa шамасында болады. Мембраналардың механикасы, жақын орналасқан бөлшектердегі лиганд қабықшалары арасындағы күшті өзара әрекеттесулермен анықталады. Жарақаттанғанда, пленкалар 11 ± 2,6 МПа сынған кездегі кернеу бағытына перпендикуляр жарылады, бұл кросс-байланысқан полимерлік пленкаларға ұқсас. Тұрған нанобөлшектер мембраналары 10 ЭВ шамасында иілу қатаңдығын көрсетеді, бұл сол қалыңдықтағы континуумдық пластиналар үшін теориялық болжамдардан жоғары, себебі бөлшектердің айналу дәрежелерінің жергілікті емес байланысы сияқты жергілікті емес микроқұрылымдық шектеулерге байланысты. Екінші жағынан, ауа/су интерфейсінде қолдау көрсетілген нанобөлшектердің моноқабаттарында иілуге төзімділік айтарлықтай төмендегені анықталды, бұл ылғалды ортада лиганд өзара әрекеттесулерін басуға байланысты болуы мүмкін.

Жер бетінің химиясы

Көптеген коллоидты алтын синтезінің әртүрлі түрлерінде нанобөлшектердің беті әртүрлі қасиеттерді көрсете алады – өзін-өзі жинақтайтын моноқабатқа ұқсас беттен бастап, ешқандай қайталама үлгісі жоқ ретсіз шекараға дейін. Au лигандты бетінен ары қарай, интерфейстік лигандтардың әртүрлі функционалдық топтармен (кішкентай органикалық молекулалардан полимерлерге, ДНК-дан РНК-ға дейін) қосылуы коллоидты алтынның кең мүмкіндіктерін қамтамасыз етеді.

Лиганд алмасу/функционализация

Нанобөлшектердің бастапқы синтезінен кейін колоидты алтын лигандтары көбінесе нақты қолданулар үшін жаңа лигандтармен алмастырылады. Мысалы, Түркевич әдісімен (немесе цитратты тотығу) алынған Au нанобөлшектері карбоксил тобы мен нанобөлшек беті арасындағы байланыс салыстырмалы түрде нашар болғандықтан, лиганд алмасу реакциялары арқылы оңай реакцияға түседі. Бұл лиганд алмасу ДНК-дан РНК-ға, ақуыздардан полимерлерге (мысалы, PEG) дейінгі бірқатар биомолекулалармен қосылу арқылы биоүйлесімділікті және функционалдықты арттыруға мүмкіндік береді. Мысалы, лигандтар белгілі бір оттегілендіру реакциялары үшін адсорбаттар мен алтынның белсенді беті арасындағы өзара әрекеттесуді қамтамасыз ету арқылы катализдік белсенділікті арттыратыны көрсетілген. Лиганд алмасу коллоидты бөлшектердің фазалық өтуін күшейту үшін де қолданылуы мүмкін. Басқа молекулалармен лигандтарды қосу арқылы қосымша функционализацияға қол жеткізуге болатын баламалы әдіс бар, бірақ бұл әдіс Au нанобөлшектерінің коллоидтық тұрақтылығын бұзуы мүмкін.

Лигандты алу

Көп жағдайларда, әсіресе алтынды жоғары температурада катализдік қолдануда, қаптаушы лигандтарды жою физикалық-химиялық қасиеттерді жақсартады. Алтын нанобөлшектерінің (Au NP) құрамындағы алтын атомдарының шамамен тұрақты санын сақтай отырып, коллоидты алтыннан лигандтарды алу, осы жалаңаш кластерлердің бірігіп қалуға бейімділігіне байланысты қиын болуы мүмкін. Лигандтарды жою, барлық артық лигандтарды жуу арқылы ішіктей жүзеге асырылуы мүмкін, бірақ бұл әдіс барлық лигандтарды толық жоюға жеткіліксіз. Көбінесе лигандтарды жоғары температурада немесе жарықпен абляциялау арқылы алып тастап, содан кейін жуады. Балама ретінде, лигандтарды электрохимиялық әдіспен кесуге болады.

Жер бетінің құрылысы және химиялық орта

Коллоидты алтынның бетіндегі лигандтардың нақты құрылымы коллоидты алтын бөлшектерінің қасиеттеріне әсер етеді. Коллоидты алтын нанобөлшектерінің (НП) бетіндегі қаптаушы лигандтардың байланысу конформациясы және беттік жинақылығы, көбінесе нанобөлшектер бетінде байқалатын жоғары қисықтыққа байланысты, көлемдік беттік модельдің адсорбциясынан айтарлықтай өзгеше. Ал цитратты алтынның беті, керісінше, цитраттың қисық алтын беттеріне байланысудың көптеген конформацияларының болуына байланысты салыстырмалы түрде аз зерттелген. 2014 жылы жүргізілген зерттеуде цитраттың ең қолайлы байланысы екі карбоксил тобынан тұратыны және цитраттың гидроксил тобы үш беттік металл атомын байланыстыратыны анықталды.

Денсаулық және қауіпсіздік

Алтын нанобөлшектері (AuNP) адамдарда мақсатты дәрі жеткізу үшін одан әрі зерттеліп жатқандықтан, олардың уыттылығын ескеру қажет. Көбінесе AuNP-лер биоүйлесімді деп саналады, бірақ олардың уытты болатын концентрацияларын және осы концентрациялар қолданылатын диапазонға сәйкес келе ме жоқ па, анықтау қажет. Уыттылықты in vitro және in vivo жағдайында тексеруге болады. In vitro уыттылық нәтижелері әртүрлі белок құрамы бар жасушалық өсу ортасының түріне, жасушалық уыттылықты анықтау әдісіне (жасуша денсаулығы, жасуша стресі, жасушаға енетін жасушалар саны) және ерітіндідегі қаптау лигандтарына байланысты өзгеруі мүмкін. In vivo бағалаулар организмнің жалпы денсаулығын (аномальді мінез-құлық, салмақ жоғалту, орташа өмір сүру ұзақтығы), сондай-ақ тіндік уыттылықты (бүйрек, бауыр, қан) және қабыну мен тотығу реакцияларын анықтайды. Алтын иондары көбінесе хлороалтын қышқылынан, яғни күшті қышқылдан алынады. Бұл AuNR-лерді жабатын модификациялар, CTAB молекулаларының AuNR-лерден ерітіндіге қайта оралмауына кедеріс келтіру арқылы, адам ішек қатерлі ісік жасушаларында (HT 29) осы уыттылықты азайтады. Биотин, цистеин, цитрат және глюкозамен конъюгацияланған ірі AuNP 0,25 М концентрацияға дейін адам лейкемия жасушаларында (K562) уытты емес болды. Сонымен қатар, цитратпен қапталған алтын нанобөлшектерінің 8-37 нм мөлшері егеуқұйрықтар үшін өлімге әкелетін уытты екені анықталды, бұл өмір сүру ұзақтығын қысқартуға, ауыр ауруға, тәбет пен салмақ жоғалтуға, шаштың түсінің өзгеруіне және бауыр, көкбауыр мен өкпеге зақым келтірді; алтын нанобөлшектері иммундық жүйенің бір бөлігінен өткеннен кейін көкбауыр мен бауырда жиналды. Полиэтиленгликольмен (PEG) модификацияланған AuNP-лерге қатысты әртүрлі пікірлер бар. Бұл AuNP-лер инъекция арқылы егеуқұйрық бауырына уытты әсер етіп, жасушалардың өліміне және жеңіл қабынуға әкелді. Дегенмен, PEG-кополимерлерімен конъюгацияланған AuNP адам ішегінің қатерлі жасушаларына (Caco 2) аз ғана уытты әсер көрсетті. AuNP уыттылығы лигандтардың жалпы зарядына да байланысты. Белгілі бір дозаларда оң зарядталған лигандтары бар AuNS маймыл бүйрек жасушаларында (Cos 1), адам қан жасушаларында және E. coli бактериясында теріс зарядталған жасуша мембранасымен өзара әрекеттесуіне байланысты уытты болады; теріс зарядталған лигандтары бар AuNS осы түрлерде уытты емес деп табылған. Полиэтилениминді қапталған алтын нанобөлшектерін қолдану арқылы қоянның мүйіз қабығының тұмандылығы in vivo жазылды, бұл жараның жазылуын ынталандыратын және мүйіз қабығының фиброзын тежейтін генмен трансфекцияланды.

As gold nanoparticles (AuNPs) are further investigated for targeted drug delivery in humans, their toxicity needs to be considered. For the most part, it is suggested that AuNPs are biocompatible, but the concentrations at which they become toxic needs to be determined, and if those concentrations fall within the range of used concentrations. Toxicity can be tested in vitro and in vivo. In vitro toxicity results can vary depending on the type of the cellular growth media with different protein compositions, the method used to determine cellular toxicity (cell health, cell stress, how many cells are taken into a cell), and the capping ligands in solution. In vivo assessments can determine the general health of an organism (abnormal behavior, weight loss, average life span) as well as tissue specific toxicology (kidney, liver, blood) and inflammation and oxidative responses. The gold ions usually come from chloroauric acid, a potent acid. Modifications that overcoat these AuNRs reduces this toxicity in human colon cancer cells (HT 29) by preventing CTAB molecules from desorbing from the AuNRs back into the solution. Large AuNPs conjugated with biotin, cysteine, citrate, and glucose were not toxic in human leukemia cells (K562) for concentrations up to 0.25 M. Also, citrate capped gold nanospheres (AuNSs) have been proven to be compatible with human blood and did not cause platelet aggregation or an immune response. However, citrate capped gold nanoparticles sizes 8 37 nm were found to be lethally toxic for mice, causing shorter lifespans, severe sickness, loss of appetite and weight, hair discoloration, and damage to the liver, spleen, and lungs; gold nanoparticles accumulated in the spleen and liver after traveling a section of the immune system. There are mixed views for polyethylene glycol (PEG) modified AuNPs. These AuNPs were found to be toxic in mouse liver by injection, causing cell death and minor inflammation. However, AuNPs conjugated with PEG copolymers showed negligible toxicity towards human colon cells (Caco 2). AuNP toxicity also depends on the overall charge of the ligands. In certain doses, AuNSs that have positively charged ligands are toxic in monkey kidney cells (Cos 1), human red blood cells, and E. coli because of the AuNSs interaction with the negatively charged cell membrane; AuNSs with negatively charged ligands have been found to be nontoxic in these species. Corneal haze in rabbits have been healed in vivo by using polyethylemnimine capped gold nanoparticles that were transfected with a gene that promotes wound healing and inhibits corneal fibrosis.

Нанобөлшектердің көлеміне байланысты токсикалық әсері

Кейбір жүйелердегі уыттылық нанобөлшектің мөлшеріне де байланысты болуы мүмкін. 1,4 нм өлшемді алтын нанобөлшектері (AuNSs) адам терісі рагы жасушаларында (SK Mel 28), адам жатыр мойны рагы жасушаларында (HeLa), егешқұйрық фибробласт жасушаларында (L929) және егешқұйрық макрофагтарында (J774A.1) уытты екені анықталды, ал 0,8, 1,2 және 1,8 нм өлшемді алтын нанобөлшектері алты есе аз уытты болды, ал 15 нм алтын нанобөлшектері уытты емес еді. Әртүрлі өлшемдегі алтын нанобөлшектері (AuNPs) қанда, мида жиналады.

Синтез

Әдетте, алтын нанобөлшектері сұйықтықта ("сұйық химиялық әдістер") хлороалтын қышқылының тотығуын төмендету арқылы өндіріледі. Бөлшектердің бірігіп қалмауы үшін тұрақтандырғыш заттар қосылады. Цитрат – редукциялаушы агент ретінде де, коллоидты тұрақтандырғыш ретінде де әрекет етеді. Оларды әртүрлі органикалық лигандтармен функционалдау арқылы, кеңейтілген функционалды мүмкіндіктерге ие органикалық-аңорганикалық гибридтер жасауға болады. Бұл әдіс 1970 жылдары Г. Френс тарапынан жетілдірілді. Ол диаметрі шамамен 10-20 нм болатын, бірқалыпты дөңгелек алтын нанобөлшектерін өндіреді. Ірі бөлшектерді де өндіруге болады, бірақ бұл монодисперсия мен пішіннің сапасын төмендетеді. Бұл әдісте ыстық хлороалтын қышқылы натрий цитратының ерітіндісімен өңделеді, нәтижесінде коллоидты алтын пайда болады. Түркевич реакциясы алтынның уақытша наносымдарының қалыптасуы арқылы жүреді. Осы алтын наносымдар реакциялық ерітіндінің рубин қызыл түске енуі алдындағы қараңғы түсіне жауап береді.

Қалқалау агенттері

Нанобөлшектерді синтездеу кезінде бөлшектердің өсуі мен агломерациясын тежеу үшін қаптаушы агент қолданылады. Химиялық зат бөлшектің шетіндегі реакциялық белсенділікті тоқтатады немесе азайтады. Жақсы қаптаушы агенттің жаңа түйіршіктерге (ядроларға) деген байланысы жоғары. Цитрат иондары немесе танин қышқылы редуктор және қаптаушы агент ретінде қызмет етеді. Аз мөлшерде натрий цитраты қолданса, бөлшектердің мөлшері үлкен болады.

Бруст-Шифрин әдісі

Бұл әдісті Бруст пен Шифрин 1990-шы жылдардың басында тапты және оны алтын нанобөлшектерін сумен араласпайтын органикалық сұйықтықтарда (толуол сияқты) өндіру үшін қолдануға болады. Ол хлораурик қышқылының толуолдағы тетраоктиламоний бромды (TOAB) ерітіндісімен және натрий борогидридімен, тиісінше антикоагулянт және тотығуға қарсы агент ретінде әрекеттесуін қамтиды. Мұнда алтын нанобөлшектерінің мөлшері шамамен 5–6 нм болады. NaBH4 – тотығуға қарсы агент, ал TOAB – фазалық ауыстыру катализаторы және тұрақтандырушы агент. TOAB алтын нанобөлшектеріне тым берік байланыспайды, сондықтан ерітінді шамамен екі апта ішінде біртіндеп жиналып қалады. Бұған жол бермеу үшін тиол (әсіресе алканетиолдар) сияқты күшті байланыстырушы зат қосуға болады, ол алтынмен байланысып, дерлік тұрақты ерітінді жасайды. Алканетиолмен қорғалған алтын нанобөлшектерін тұндырып, қайта ерітуге болады. Тиолдар жақсы байланыстырушы агенттер, себебі екі зат бір-бірімен әрекеттескенде пайда болатын алтын-күкірт байланыстарына жоғары сәйкестік танытады. Кішкентай бөлшектерді синтездеу үшін жиі қолданылатын күшті байланыстырушы зат. Фазалық ауыстыру агентінің бір бөлігі тазартылған нанобөлшектерге байланып қалуы мүмкін, бұл ерігіштік сияқты физикалық қасиеттерге әсер етуі мүмкін. Осы агенттің мүмкіндігінше көп бөлігін жою үшін нанобөлшектерді сокслет экстракциясы арқылы одан әрі тазарту қажет.

Перро әдісі

2009 жылы Перро мен Чан ашқан бұл тәсіл 15 нм алтын нанобөлшектердің тұқымын қамтитын сулы ерітіндіде HAuCl4-ті азайту үшін гидрохинон қолданады. Бұл тұқымға негізделген синтез әдісі фотосуреттемелік пленка дамыту кезінде қолданылатын әдіске ұқсас, онда пленкадағы күміс түйіршіктері олардың бетіне тотыққан күміс қосылуы арқылы өседі. Сол сияқты, алтын нанобөлшектері гидрохинонмен бірге иондық алтынның олардың бетінде тотығуын катализдеуге қабілетті. Цитрат сияқты тұрақтандырғыш заттың болуы алтын атомдарының бөлшектерге бақыланатын түрде орналасуына және өсуіне әкеледі. Әдетте, нанобөлшектердің тұқымдары цитрат әдісімен жасалады. Гидрохинон әдісі Френс әдісін толықтырады, суда дерлік монодисперсті "жалаңаш" алтын нанобөлшектерді жасайды. "Тәтті аймақта" NaBH4 және NaOH иондарының HAuCl4 және HCl иондарына қатынасын реттеу және қыздыру арқылы тотығу стехиометриясын дәл бақылау 3–6 нм аралығында диаметрді қайталанатын түрде өзгертуге мүмкіндік береді. Сулы бөлшектер ерітіндідегі артық иондардың жоғары зарядына байланысты коллоидтық тұрақтылыққа ие. Бұл бөлшектерді әртүрлі гидрофильді функционалдық қаптамалармен жабуға немесе полярлы емес еріткіштерде қолдану үшін гидрофобты лигандтармен араластыруға болады. Полярлы емес еріткіштерде нанобөлшектер жоғары зарядталған күйде қалады және сұйық тамшыларында өздігінен жиналып, монодисперсті нанобөлшектердің 2D моноқабатты пленкаларын құрайды.

Нанотехнология зерттеулері

Bacillus licheniformis 10 және 100 нанометр аралығындағы алтын нанокубтарды синтездеу үшін қолданылуы мүмкін. Алтын нанобөлшектері әдетте жоғары температурада, органикалық еріткіштерде немесе уытты реагенттерді пайдалану арқылы синтезделеді. Ал бактериялар оларды анағұрлым қолайлы жағдайда шығарады.

Navarro және басқалар әдісі

30 нм-ден үлкен бөлшектер үшін, сфералық алтын нанобөлшектердің төмен полидисперсиясымен бөлшек мөлшерін бақылау әлі де қиындық тудырады. Нанобөлшектердің (НБ) құрылымын барынша бақылауға қол жеткізу үшін Наварро және оның әріптестері натрий ацетилацетонатын тотықтырғыш зат ретінде және натрий цитратын тұрақтандырғыш ретінде пайдаланатын өзгертілген Туркевич-Френс әдісін қолданды.

Сонолиз

Алтын бөлшектерін тәжірибелік жолмен өндірудің тағы бір әдісі – сонолиз. Осы типтегі әдісті алғаш рет Байгент пен Мюллер ойлап тапқан. Бұл жұмыс процестерге қажетті энергияны беру үшін ультрадыбысты қолдануды алғаш рет енгізді және 10 нм-ден кіші диаметрлі алтын бөлшектерін жасауға мүмкіндік берді. Ультрадыбыс қолданылатын тағы бір әдісте HAuCl4 сулы ерітіндісінің глюкозамен реакциясында, редукциялағыш заттар гидроксил радикалдары және қант пиролизі радикалдары (көпіршіктердің күйреуі мен судың көлемдік бөлігі арасындағы интерфейстік аймақта пайда болатын) болып табылады, ал алынған морфология – ені 30–50 нм және ұзындығы бірнеше микрометр болатын наноқұбыршалар. Бұл құбыршалар өте икемді және 90° тан артық бұрышпен иілуге қабілетті. Глюкозаны циклодекстринмен (глюкоза олигомері) ауыстырғанда, тек шар тәрізді алтын бөлшектері ғана алынады, бұл глюкозаның морфологияны құбыршаға бағыттауда маңызды рөл атқаратынын көрсетеді.

Блоктық сополимерлік әдіс

Сакай және авторлар тобы блок-кополимерді пайдалана отырып, алтын нанобөлшектерін экономикалық, экологиялық қауіпсіз және жылдам синтездеу әдістемесін жасады. Бұл синтездеу әдістемесінде блок-кополимер редукциялағыш агент және тұрақтандырғыш агент ретінде қос қызмет атқарады. Алтын нанобөлшектерінің қалыптасуы үш негізгі қадамнан тұрады: ерітіндіде блок-кополимерлермен алтын тұзы иондарын тотықтыру арқылы алтын кластерлерін жасау, алтын кластерлеріне блок-кополимерлерді адсорбциялау және алтын бөлшектерінің өсуі үшін осы алтын кластерлерінің бетінде алтын тұзы иондарын одан әрі тотықтыру, содан кейін блок-кополимерлермен тұрақтандыру. Бірақ бұл әдіс әдетте шектеулі өнімділікке (нанобөлшектердің концентрациясы) ие, ол алтын тұзының концентрациясы артқан сайын өспейді. Рей және авторлар тобы бұл синтездеу әдісін жақсартты, бұл қоршаған орта температурасында нанобөлшектердің өнімділігін бірнеше есе арттырды.

Антибиотикалық конъюгацияланған нанобөлшектерді синтездеу

Антибиотиктермен функционалдалған металл нанобөлшектер көп дәріге төзімді бактериялық штаммдарды емдеу тәсілі ретінде кеңінен зерттелді. Мысалы, канамицинмен қапталған алтын нанобөлшектер (Kan AuP) грамположительные және грамтеріс бактериялық штаммдарға қарсы, канамицинмен салыстырғанда, кең спектрлі, дозаға тәуелді антибактериялық активтілікті көрсетті.