Коллоидное золото: история и свойства наночастиц

Введение

Суспензия наночастиц золота в жидкости

Коллоидное золото – это золь или коллоидная суспензия наночастиц золота в жидкости, обычно воде. Коллоид обычно окрашен в винно-красный цвет (для сферических частиц менее 100 нм) или сине-фиолетовый (для более крупных сферических частиц или наностержней). Благодаря своим оптическим, электронным и свойствам молекулярного распознавания, наночастицы золота являются объектом интенсивных исследований, с множеством потенциальных или перспективных применений в различных областях, включая электронную микроскопию, электронику, нанотехнологии, материаловедение и биомедицину. Свойства коллоидных наночастиц золота, а следовательно, и их потенциальные применения, сильно зависят от их размера и формы. Например, стержневидные частицы имеют как поперечный, так и продольный пик поглощения, а анизотропия формы влияет на их самоорганизацию.

История

Используемое с древних времен как метод окрашивания стекла, коллоидное золото применялось в чаше Ликурга IV века, меняющей цвет в зависимости от расположения источника света. В Средние века растворимое золото, раствор, содержащий золотую соль, пользовалось репутацией лекарственного средства от различных заболеваний. В 1618 году Франциск Антоний, философ и медик, опубликовал книгу под названием Panacea Aurea, sive tractatus duo de ipsius Auro Potabili (лат. Золотое зелье, или два трактата о питьевом золоте). В книге представлена информация о формировании коллоидного золота и его медицинском применении. Примерно через полвека английский ботаник Николас Калпеппер опубликовал в 1656 году книгу «Трактат об Аруме Потабиле», посвященную исключительно медицинскому применению коллоидного золота. В 1676 году немецкий химик Иоганн Кункель опубликовал книгу о производстве витражей. В своей книге «Ценные наблюдения или замечания о фиксированных и летучих солях Ауро и Аргенто Потабиле, Spiritu Mundi и тому подобном» Кункель предположил, что розовый цвет Арума Потабиле обусловлен мелкими частицами металлического золота, невидимыми человеческому глазу. В 1842 году Джон Гершель изобрел фотографический процесс, называемый хризотипом (от греческого χρῡσός, что означает «золото»), который использовал коллоидное золото для получения изображений на бумаге. Современная научная оценка коллоидного золота началась лишь с работ Майкла Фарадея в 1850-х годах. В 1856 году в подвальной лаборатории Королевского института Фарадей случайно создал рубиново-красный раствор, закрепляя кусочки золотой фольги на предметных стеклах для микроскопа. Поскольку Фарадей уже интересовался свойствами света и материи, он продолжил исследовать оптические свойства коллоидного золота. Он приготовил первый чистый образец коллоидного золота, который назвал «активированным золотом», в 1857 году, используя фосфор для восстановления раствора хлорида золота. Коллоидное золото, полученное Фарадеем 150 лет назад, до сих пор оптически активно. Долгое время состав «рубинового» золота оставался неясным. Несколько химиков подозревали, что это соединение золота и олова из-за способа его получения. Фарадей понял, что цвет обусловлен миниатюрным размером частиц золота. Он отметил свойства рассеивания света суспендированными микрочастицами золота, которое сейчас называется эффектом Тиндаля-Фарадея. Помимо Зигмонди, интерес к синтезу и свойствам коллоидного золота проявляли также Теодор Сведберг, изобретатель ультрацентрифуги, и Густав Ми, разработавший теорию рассеяния и поглощения сферическими частицами. С развитием различных аналитических технологий в XX веке исследования наночастиц золота ускорились. Передовые методы микроскопии, такие как атомно-силовая и электронная микроскопия, внесли наибольший вклад в исследования наночастиц. Благодаря сравнительно простому синтезу и высокой стабильности различные частицы золота изучались на предмет их практического применения. Различные типы наночастиц золота уже используются во многих отраслях промышленности, например, в электронике.

Оптические

Коллоидное золото использовалось художниками на протяжении веков благодаря взаимодействию наночастиц с видимым светом. Наночастицы золота поглощают и рассеивают свет, что приводит к появлению цветов от ярких красных (для меньших частиц) до синих, черных и, в конечном итоге, до прозрачных и бесцветных (для больших частиц), в зависимости от размера частиц, их формы, локального показателя преломления и состояния агрегации. Эти цвета возникают вследствие явления, называемого локализованным поверхностным плазмонным резонансом (LSPR), при котором электроны проводимости на поверхности наночастицы колеблются в резонансе с падающим светом.

Влияние размера, формы, состава и окружающей среды

Как правило, длина волны поглощаемого света увеличивается с ростом размера наночастиц. Как частота поверхностного плазмонного резонанса, так и интенсивность рассеяния зависят от размера, формы, состава и окружения наночастиц. Это явление можно количественно оценить, используя теорию рассеяния Ми для сферических наночастиц. Наночастицы диаметром 30–100 нм легко обнаруживаются под микроскопом, а частицы размером 40 нм могут быть обнаружены даже невооруженным глазом при концентрации частиц 10−4 М и выше. Рассеяние от наночастицы 60 нм примерно в 105 раз сильнее, чем излучение от молекулы флуоресцеина.

Влияние местного индекса преломления

Изменения в воспринимаемом цвете раствора наночастиц золота также могут быть вызваны средой, в которой диспергированы коллоидные частицы золота. Оптические свойства наночастиц золота зависят от показателя преломления вблизи поверхности наночастицы, поэтому молекулы, непосредственно связанные с поверхностью наночастицы (то есть лиганды наночастиц), и растворитель, в котором они находятся, могут влиять на наблюдаемые оптические особенности.

Эффект агрегации

Когда наночастицы золота агрегируют, оптические свойства изменяются, так как меняются эффективный размер, форма и диэлектрическое окружение частиц.

Электронная микроскопия

Коллоидное золото и различные его производные давно являются одними из наиболее широко используемых меток для антигенов в биологической электронной микроскопии. Коллоидные частицы золота могут быть присоединены ко многим традиционным биологическим зондам, таким как антитела, лектины, суперантигены, гликоны, нуклеиновые кислоты и рецепторы. Частицы разных размеров легко различимы на электронных микрофотографиях, что позволяет проводить одновременную множественную маркировку. Помимо биологических зондов, наночастицы золота могут быть перенесены на различные минеральные подложки, такие как слюда, монокристаллический кремний и атомно гладкое золото(III), для наблюдения с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM).

Система доставки лекарств

Наночастицы золота могут быть использованы для оптимизации биораспределения лекарственных средств в пораженных органах, тканях или клетках с целью улучшения и целевой доставки препаратов. Доставка лекарств с помощью наночастиц целесообразна только в тех случаях, когда распределение лекарственного средства иным способом недостаточно эффективно. К таким случаям относятся: адресная доставка нестабильных препаратов (белков, siRNA, ДНК), доставка в труднодоступные места (мозг, сетчатка глаза, опухоли, внутриклеточные органеллы) и препараты, обладающие серьезными побочными эффектами (например, противоопухолевые средства). Эффективность наночастиц зависит от их размера и поверхностных свойств. Кроме того, высвобождение лекарственного средства и разрушение частиц могут варьироваться в зависимости от используемой системы (например, биоразлагаемые полимеры, чувствительные к pH). Оптимальная система доставки нанопрепаратов обеспечивает наличие активного вещества в месте действия в течение необходимого времени и продолжительности, при этом его концентрация должна превышать минимальную эффективную концентрацию (МЭК) и не достигать минимальной токсичной концентрации (МТК). Наночастицы золота исследуются в качестве носителей для таких препаратов, как паклитаксел. Для введения гидрофобных лекарственных средств требуется молекулярная инкапсуляция, и установлено, что наноразмерные частицы особенно эффективно избегают воздействия ретикулоэндотелиальной системы.

Обнаружение опухоли

В исследованиях рака коллоидное золото может использоваться для нацеливания на опухоли и их обнаружения с помощью SERS (спектроскопии Рамана с усилением поверхности) in vivo. Эти золотые наночастицы окружены рамановскими репортерами, которые обеспечивают светоизлучение более чем в 200 раз ярче, чем у квантовых точек. Было установлено, что рамановские репортеры стабилизируются при инкапсуляции наночастиц оболочкой полиэтиленгликоля, модифицированного тиолом. Это обеспечивает совместимость и циркуляцию in vivo. Для специфического нацеливания на опухолевые клетки полиэтиленгликолированные золотые частицы конъюгируют с антителом (или фрагментом антитела, таким как scFv) к, например, рецептору эпидермального фактора роста, который иногда сверхэкспрессируется в клетках определенных типов рака. Используя SERS, эти пегилированные золотые наночастицы могут затем определять местоположение опухоли. Золотые наночастицы накапливаются в опухолях из-за повышенной проницаемости опухолевых сосудов и могут использоваться в качестве контрастных агентов для улучшения визуализации в системе оптической томографии с временным разрешением, использующей короткоимпульсные лазеры для обнаружения рака кожи на моделях мышей. Обнаружено, что внутривенно вводимые сферические золотые наночастицы расширяют временной профиль отраженных оптических сигналов и усиливают контраст между окружающей нормальной тканью и опухолями.

Генная терапия

Наночастицы золота продемонстрировали потенциал в качестве внутриклеточных средств доставки олигонуклеотидов siRNA для достижения максимального терапевтического эффекта. Наночастицы золота также демонстрируют потенциал в качестве внутриклеточных средств доставки антисенсовых олигонуклеотидов (одно- и двухцепочечной ДНК), обеспечивая защиту от внутриклеточных нуклеаз и упрощая функционализацию для селективного нацеливания.

Фототермические агенты

Наностержни золота исследуются в качестве фототермальных агентов для применений in vivo. Золотые наностержни – это наночастицы золота в форме стержней, соотношение сторон которых определяет положение полосы поверхностного плазмонного резонанса (SPR) в диапазоне от видимого до ближнего инфракрасного излучения. Полное затухание света в области SPR складывается из поглощения и рассеяния. Для наностержней с меньшим осевым диаметром (~10 нм) преобладает поглощение, тогда как для наностержней с большим осевым диаметром (>35 нм) может преобладать рассеяние. Следовательно, для исследований in vivo наностержни золота малого диаметра используются в качестве фототермических преобразователей ближнего инфракрасного излучения благодаря их высокому сечению поглощения. Поскольку ближнее инфракрасное излучение легко проникает через кожу и ткани человека, эти наностержни могут применяться в качестве компонентов для абляции раковых клеток и других целей. При покрытии полимерами, золотые наностержни демонстрируют циркуляцию in vivo с периодом полувыведения более 6 часов, временем пребывания в организме около 72 часов и незначительным или полным отсутствием поглощения в каких-либо внутренних органах, кроме печени. Несмотря на бесспорный успех золотых наностержней в качестве фототермальных агентов в доклинических исследованиях, они пока не получили одобрения для клинического применения из-за превышения размера порога почечной экскреции. В 2019 году была впервые представлена плазмонная ультрамалая наноархитектура, поглощающая NIR-излучение, которая сочетает в себе: (i) подходящее фототермическое преобразование для гипертермического лечения, (ii) возможность проведения многократных фототермических процедур и (iii) почечную экскрецию строительных блоков после терапевтического воздействия.

Усилитель дозы для лучевой терапии

Значительный интерес проявляется к использованию золота и других наночастиц, содержащих тяжелые атомы, для усиления дозы, доставляемой к опухолям. Поскольку золотые наночастицы накапливаются в опухолях в большей степени, чем в окружающих здоровых тканях, доза избирательно усиливается. Биологическая эффективность данного вида терапии, по всей видимости, связана с локальным отложением дозы излучения вблизи наночастиц. Этот механизм аналогичен тому, что наблюдается при терапии тяжелыми ионами.

Обнаружение токсичных газов

Исследователи разработали простые и недорогие методы для определения сероводорода H2S в воздухе непосредственно на месте, основанные на антиагрегации наночастиц золота (AuNPs). Растворение H2S в слабощелочном буферном растворе приводит к образованию ионов HS⁻, которые могут стабилизировать AuNPs и поддерживать их красный цвет, обеспечивая визуальное определение токсичных концентраций H2S.

Биосенсор на основе наночастиц золота

Наночастицы золота включаются в состав биосенсоров для повышения их стабильности, чувствительности и селективности. Свойства наночастиц, такие как малый размер, высокое отношение площади поверхности к объему и высокая поверхностная энергия, обеспечивают возможность иммобилизации широкого спектра биомолекул. Наночастицы золота, в частности, могут также действовать как "электронный провод" для переноса электронов, а их эффект усиления электромагнитного излучения позволяет использовать их в качестве усилителей сигнала. Основными типами биосенсоров на основе наночастиц золота являются оптические и электрохимические биосенсоры.

Оптический биосенсор

Наночастицы золота повышают чувствительность оптических датчиков к изменению локального показателя преломления. Угол падения света для поверхностного плазмонного резонанса – взаимодействия между световыми волнами и проводящими электронами в металле – изменяется при связывании других веществ с металлической поверхностью. Поскольку золото очень чувствительно к диэлектрической проницаемости окружающей среды, связывание аналита значительно сдвигает поверхностный плазмонный резонанс наночастиц золота, что обеспечивает более чувствительное детектирование. Наночастицы золота также способны усиливать сигнал поверхностного плазмонного резонанса. Когда плазмонная волна проходит через наночастицу золота, плотность заряда в волне и электроны в золоте взаимодействуют, что приводит к увеличению энергетического отклика, известного как электронное сочетание. Датчики влажности также создаются путем изменения межмолекулярного расстояния при изменении влажности, при этом изменение расстояния также приводит к изменению локализованного поверхностного плазмонного резонанса золотых наночастиц.

Электрохимический биосенсор

Электрохимический датчик преобразует биологическую информацию в электрические сигналы, которые могут быть зарегистрированы. Проводимость и биосовместимость Au NP позволяют им выступать в роли "электронного провода". Этого можно достичь двумя способами: присоединить Au NP либо к ферменту, либо к электроду. Монослойный электрод с глюкозооксидазой на основе GNP был создан с использованием этих двух методов. Au NP обеспечивают большую свободу в ориентации фермента и, следовательно, более чувствительное и стабильное обнаружение. Au NP также служат платформой для иммобилизации фермента. Большинство биомолекул денатурируют или теряют свою активность при взаимодействии с электродом. Более того, Au NP также катализируют биологические реакции. Наночастицы золота диаметром менее 2 нм показали каталитическую активность в отношении окисления стирола.

Иммунологический биосенсор

Наночастицы золота покрыты пептидами и гликанами для применения в иммунологических методах детекции. Возможность использования гликонаночастиц в ELISA оказалась неожиданной, однако метод демонстрирует высокую чувствительность и, следовательно, открывает перспективы для разработки специфических тестов для диагностической идентификации антител в сыворотке пациентов.

Тонкие пленки

Наночастицы золота, покрытые органическими лигандами, такими как молекулы алканетиола, могут самоорганизовываться в большие монослои (> см²). Частицы сначала получают в органическом растворителе, таком как хлороформ или толуол, а затем распределяют в монослои либо на поверхности жидкости, либо на твердой подложке. Такие межфазные тонкие пленки наночастиц тесно связаны с монослоями Лангмюра-Блоджетт, изготовленными из поверхностно-активных веществ. Механические свойства монослоев наночастиц были всесторонне изучены. Для 5-нм сфер, покрытых додеканетиолом, модуль Юнга монослоя составляет порядка ГПа. Механика этих мембран определяется сильными взаимодействиями между оболочками лигандов на соседних частицах. При разрушении пленки трещины образуются перпендикулярно направлению деформации при напряжении разрушения 11 ± 2,6 МПа, что сопоставимо с напряжением в сшитых полимерных пленках. Автономные мембраны наночастиц демонстрируют жесткость на изгиб порядка 10 эВ, что выше, чем предсказывается теоретически для пластин континуума той же толщины, из-за нелокальных микроструктурных ограничений, таких как нелокальная связь вращательных степеней свободы частиц. С другой стороны, сопротивление изгибу значительно снижается в монослоях наночастиц, поддерживаемых на границе раздела воздух/вода, возможно, из-за экранирования взаимодействий лигандов во влажной среде.

Химия поверхности

В различных типах синтеза коллоидного золота интерфейс наночастиц может проявлять широкий спектр свойств – от интерфейса, подобного самоорганизованному монослою, до неупорядоченной границы без повторяющихся структур. Помимо взаимодействия Au-лиганда, конъюгация интерфейсных лигандов с различными функциональными группами (от малых органических молекул до полимеров, ДНК и РНК) наделяет коллоидное золото его широким спектром возможностей.

Обмен лигандами/функционализация

После первоначального синтеза наночастиц лиганды коллоидного золота часто заменяются новыми лигандами, разработанными для конкретных применений. Например, Au NPs, полученные методом Туркевича (или цитратного восстановления), легко вступают в реакции обмена лигандами из-за относительно слабой связи между карбоксильными группами и поверхностью наночастиц. Этот обмен лигандами позволяет проводить конъюгацию с различными биомолекулами – от ДНК и РНК до белков и полимеров (например, ПЭГ) – для повышения биосовместимости и функциональности. Например, было показано, что лиганды усиливают каталитическую активность, опосредуя взаимодействие между адсорбирующимися веществами и активной поверхностью золота в специфических реакциях окисления. Обмен лигандами также может использоваться для облегчения фазового переноса коллоидных частиц. Альтернативный способ дальнейшей функционализации заключается в конъюгации лигандов с другими молекулами, однако этот метод может привести к потере коллоидной стабильности Au NPs.

Удаление лигандов

Во многих случаях, как и в различных высокотемпературных каталитических применениях золота, удаление каппирующих лигандов приводит к более желаемым физико-химическим свойствам. Удаление лигандов из коллоидного золота при сохранении относительно постоянного числа атомов Au в одной золотой наночастице (Au NP) может быть сложным из-за склонности этих обнаженных кластеров к агрегации. Удаление лигандов частично возможно путем простого удаления избыточных лигандов промывкой, однако этот метод не позволяет удалить все лиганды. Чаще удаление лигандов достигается под воздействием высокой температуры или световой абляции с последующей промывкой. Альтернативно, лиганды можно электрохимически удалить.

Структура поверхности и химическая среда

Точная структура лигандов на поверхности коллоидных золотых наночастиц влияет на свойства этих частиц. Конформации связывания и упаковка лигандов на поверхности коллоидных золотых наночастиц обычно значительно отличаются от адсорбции на плоской поверхности, что в основном обусловлено высокой кривизной поверхности наночастиц. Поверхность золота, стабилизированного цитратом, изучена относительно меньше из-за большого разнообразия конформаций связывания цитрата с изогнутой поверхностью золота. Исследование, проведенное в 2014 году, показало, что наиболее предпочтительное связывание цитрата происходит за счет двух карбоксильных групп, а гидроксильная группа цитрата координируется с тремя атомами металла на поверхности.

Здоровье и безопасность

Поскольку наночастицы золота (AuNPs) продолжают изучаться для адресной доставки лекарств человеку, необходимо учитывать их токсичность. В основном считается, что AuNPs биосовместимы, но необходимо определить концентрации, при которых они становятся токсичными, и попадают ли эти концентрации в диапазон используемых значений. Токсичность можно оценивать как in vitro, так и in vivo. Результаты исследований токсичности in vitro могут различаться в зависимости от типа среды для культивирования клеток с различным белковым составом, метода определения клеточной токсичности (состояние клеток, клеточный стресс, количество клеток, поглощенных клеткой), а также покрывающих лигандов в растворе. Оценки in vivo позволяют определить общее состояние здоровья организма (ненормальное поведение, потеря веса, средняя продолжительность жизни), а также тканеспецифическую токсичность (почки, печень, кровь), воспаление и окислительные процессы. Ионы золота обычно получают из хлороауратной кислоты – сильной кислоты. Модификации, покрывающие AuNR, снижают эту токсичность в клетках рака толстой кишки человека (HT 29), предотвращая десорбцию молекул CTAB с AuNR обратно в раствор. Крупные AuNPs, конъюгированные с биотином, цистеином, цитратом и глюкозой, не проявляли токсичности в отношении клеток лейкемии человека (K562) при концентрациях до 0,25 М. Кроме того, было показано, что золотые наносферы (AuNSs), стабилизированные цитратом, совместимы с человеческой кровью и не вызывают агрегации тромбоцитов или иммунного ответа. Однако цитратные наночастицы золота размером 8–37 нм оказались смертельно токсичными для мышей, вызывая сокращение продолжительности жизни, тяжелые заболевания, потерю аппетита и веса, изменение цвета шерсти и повреждение печени, селезенки и легких; наночастицы золота накапливались в селезенке и печени после прохождения через часть иммунной системы. Существуют различные точки зрения на AuNPs, модифицированные полиэтиленгликолем (PEG). Эти AuNPs оказались токсичными для печени мышей при инъекционном введении, вызывая гибель клеток и незначительное воспаление. Однако AuNPs, конъюгированные с сополимерами PEG, показали пренебрежимо малую токсичность в отношении клеток толстой кишки человека (Caco 2). Токсичность AuNP также зависит от общего заряда лигандов. В определенных дозах AuNSs с положительно заряженными лигандами токсичны для клеток почки обезьяны (Cos 1), эритроцитов человека и E. coli из-за взаимодействия AuNSs с отрицательно заряженной клеточной мембраной; AuNSs с отрицательно заряженными лигандами оказались нетоксичными для этих видов. Помутнение роговицы у кроликов было излечено in vivo с помощью наночастиц золота, покрытых полиэтиленином, трансфицированных геном, стимулирующим заживление ран и ингибирующим фиброз роговицы.

Токсичность вследствие размера наночастиц

Токсичность в некоторых системах может также зависеть от размера наночастицы. Было обнаружено, что AuNS размером 1,4 нм токсичны для клеток рака кожи человека (SK Mel 28), клеток рака шейки матки человека (HeLa), клеток фибробластов мыши (L929) и макрофагов мыши (J774A.1), в то время как AuNS размером 0,8, 1,2 и 1,8 нм были менее токсичны в шесть раз, а AuNS размером 15 нм были нетоксичны. Различные по размеру AuNP накапливаются в крови и мозге.

Синтез

Как правило, наночастицы золота производятся в жидкости ("жидкие химические методы") путем восстановления хлораурата. Для предотвращения агрегации частиц добавляются стабилизирующие агенты. Цитрат выполняет роль как восстановителя, так и коллоидного стабилизатора. Их можно функционализировать различными органическими лигандами для создания органико-неорганических гибридов с улучшенными свойствами, метод был усовершенствован Г. Френсом в 1970-х годах. В результате получается умеренно монодисперсные сферические наночастицы золота диаметром около 10–20 нм. Можно получить частицы большего размера, но это происходит за счет монодисперсности и формы. В этом методе горячий раствор хлораурата обрабатывается раствором цитрата натрия, в результате чего образуется коллоидное золото. Реакция Туркевича протекает через образование временных золотых нанопроволок. Эти золотые нанопроволоки обуславливают темный цвет реакционного раствора до того, как он приобретает рубиново-красный оттенок.

Кэпинг агенты

Во время синтеза наночастиц используется стабилизатор для подавления роста и агрегации частиц. Он блокирует или снижает реакционную способность на поверхности частицы — хороший стабилизатор обладает высоким сродством к новым ядрам. Ионы цитрата или дубильная кислота выполняют функции как восстановителя, так и стабилизатора. Меньшее количество цитрата натрия приводит к образованию более крупных частиц.

Метод Бруста-Шиффрина

Этот метод был открыт Брустом и Шифрином в начале 1990-х годов и может использоваться для получения наночастиц золота в органических жидкостях, которые обычно не смешиваются с водой (например, толуол). Он включает в себя реакцию раствора хлорозолотой кислоты с раствором тетраоктиламмонийбромида (TOAB) в толуоле и боргидрида натрия, выполняющего роль антикоагулянта и восстановителя соответственно. В результате получаются наночастицы золота размером около 5–6 нм. NaBH4 является восстановителем, а TOAB выступает одновременно в роли катализатора фазового переноса и стабилизатора. TOAB не образует прочных связей с наночастицами золота, поэтому раствор будет постепенно агрегировать в течение примерно двух недель. Чтобы предотвратить это, можно добавить более сильный лиганд, например тиол (в частности, алкантиол), который будет прочно связываться с золотом, создавая практически стабильный раствор. Наночастицы золота, защищенные алкантиолом, можно осадить и затем повторно растворить. Тиолы являются более эффективными лигандами благодаря сильному сродству к серосодержащим связям с золотом, которые образуются при взаимодействии этих двух веществ. является часто используемым сильным лигандом для синтеза более мелких частиц. Часть катализатора фазового переноса может оставаться связанной с очищенными наночастицами, что может повлиять на физические свойства, такие как растворимость. Для удаления максимального количества этого агента необходимо дополнительно очистить наночастицы экстракцией Сокслета.

Метод Перро

Этот подход, открытый Перро и Чан в 2009 году, использует гидрохинон для восстановления HAuCl4 в водном растворе, содержащем наночастицы золота размером 15 нм, используемые в качестве зародышей. Этот метод синтеза на основе зародышей аналогичен используемому в фотопроявке, где зерна серебра в пленке растут за счет присоединения восстановленного серебра к их поверхности. Аналогично, наночастицы золота могут совместно с гидрохиноном катализировать восстановление ионов золота на своей поверхности. Присутствие стабилизатора, такого как цитрат, обеспечивает контролируемое осаждение атомов золота на частицы и их рост. Обычно зародыши наночастиц получают с помощью цитратного метода. Метод с использованием гидрохинона дополняет метод Френса и позволяет получать почти монодисперсные "голые" наночастицы золота в воде. Точное регулирование стехиометрии восстановления путем изменения соотношения ионов NaBH4 и NaOH к ионам HAuCl4 и HCl в "оптимальном диапазоне", а также нагревание, обеспечивает воспроизводимую настройку диаметра в пределах 3–6 нм. Водные частицы коллоидно стабильны благодаря высокому заряду, обусловленному избытком ионов в растворе. Эти частицы можно покрывать различными гидрофильными функциональными группами или смешивать с гидрофобными лигандами для применения в неполярных растворителях. В неполярных растворителях наночастицы остаются сильно заряженными и самоорганизуются на жидких каплях, формируя двухмерные монослойные пленки монодисперсных наночастиц.

Нанотехнологические исследования

Bacillus licheniformis может использоваться в синтезе золотых нанокубов размером от 10 до 100 нанометров. Наночастицы золота обычно синтезируются при высоких температурах в органических растворителях или с применением токсичных реагентов. Бактерии производят их в гораздо более щадящих условиях.

Метод Navarro et al.

Для частиц размером более 30 нм поддержание контроля над размером частиц и низкой полидисперсностью сферических наночастиц золота остается сложной задачей. Чтобы обеспечить максимальный контроль над структурой наночастиц, Наварро и его коллеги использовали модифицированную методику Туркевича-Френса, применяя ацетилацетонат натрия в качестве восстановителя и цитрат натрия в качестве стабилизатора.

Сонолиз

Другой метод экспериментального получения золотых частиц – сонолиз. Первый метод такого типа был изобретен Байгентом и Мюллером. Эта работа положила начало использованию ультразвука для обеспечения энергией протекающих процессов и позволила создать золотые частицы диаметром менее 10 нм. В другом методе, использующем ультразвук, при реакции водного раствора HAuCl4 с глюкозой, в качестве восстановителей выступают гидроксильные радикалы и радикалы пиролиза сахара (образующиеся в межфазной области между схлопывающимися кавитациями и основной массой воды), а получаемая морфология представляет собой наноленты шириной 30–50 нм и длиной в несколько микрометров. Эти ленты очень гибкие и могут изгибаться под углами более 90°. Когда глюкозу заменяют циклодекстрином (олигомером глюкозы), образуются только сферические золотые частицы, что указывает на то, что глюкоза играет ключевую роль в определении ленточной морфологии.

Метод с блочным сополимером

Экономичная, экологически безопасная и быстрая методология синтеза наночастиц золота с использованием блок-сополимера была разработана Сакай и др. В данной методологии синтеза блок-сополимер выполняет двойную роль – восстановителя и стабилизатора. Формирование наночастиц золота состоит из трех основных этапов: восстановление ионов золотой соли блок-сополимерами в растворе и образование кластеров золота, адсорбция блок-сополимеров на золотых кластерах и дальнейшее восстановление ионов золотой соли на поверхности этих кластеров для ступенчатого роста частиц золота и, наконец, стабилизация их блок-сополимерами. Однако этот метод обычно характеризуется ограниченным выходом (концентрацией наночастиц), который не повышается при увеличении концентрации золотой соли. Рэй и др. усовершенствовали этот метод синтеза, многократно увеличив выход наночастиц при комнатной температуре.

Синтез конъюгированных наночастиц антибиотиков

Функционализированные антибиотиками металлические наночастицы широко изучаются как средство борьбы с бактериальными штаммами, устойчивыми к множеству лекарств. Например, золотые наночастицы, модифицированные канамицином (Kan AuPs), показали антибактериальную активность широкого спектра, зависящую от дозы, в отношении как грамположительных, так и грамотрицательных бактериальных штаммов по сравнению с канамицином, используемым отдельно.