Name: synthesis and characterization of amphiphilic gold nanoparticles
Uploaded: 2019-07-02T13:00:00
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Z.P.G. und F.S. danken dem Schweizerischen Nationalfonds und insbesondere NCCR 'Molecular Systems Engineering'. Z.L. und F.S. danken der Unterstützung des Stipendiums der Abteilung II des Schweizerischen Nationalfonds. Alle Autoren danken Quy Ong für fruchtbare Diskussionen und für das Korrekturlesen des Manuskripts.

1. Synthese von 11-Mercapto-1-undecanesulfonat (MUS)
HINWEIS: Dieses Protokoll kann in jedem gewünschten Maßstab verwendet werden. Hier wird eine 10 g Produktskala beschrieben.
<ol><li>Natrium undec-10-Enesulfonat
	<ol>
<li>11-bromo-1-undecene (25 ml, 111.975 mmol), Natriumsulfit (28,75 g, 227,92 mmol) und Benzyltriethylammoniumbromid (10 mg) zu einer Mischung aus 200 ml Methanol (MeOH) und 450 ml deionisiertem (DI) Wasser (4:9 v/v MeOH:H2O Verhältnis) in einem...

<ol>
	<li>Verma, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+surface+properties+on+nanoparticle-cell+interactions.">Effect of surface properties on nanoparticle-cell interactions.</a> Small. 6 (1), 12-21 (2010).</li><li>Yeh, Y. -. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanoparticles:+preparation,+properties,+and+applications+in+bionanotechnology.">Gold nanoparticles: preparation, properties, and applications in bionanotechnology.</a> Nanoscale. 4 (6), 1871-1880 (2012).</li><li>Mirza, A. Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+novel+drug+delivery+system+of+gold+nanorods+with+doxorubicin+and+study+of+drug+release+by+single+molecule+spectroscopy.">A novel drug delivery system of gold nanorods with doxorubicin and study of drug release by single molecule spectroscopy.</a> Journal of Drug Targeting. 23 (1), 52-58 (2015).</li><li>Mirza, A. Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+and+characterization+of+doxorubicin+functionalized+PSS+coated+gold+nanorod.">Fabrication and characterization of doxorubicin functionalized PSS coated gold nanorod.</a> Arabian Journal of Chemistry. , (2014).</li><li>Nel, A. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Understanding+biophysicochemical+interactions+at+the+nano-bio+interface.">Understanding biophysicochemical interactions at the nano-bio interface.</a> Nature Materials. 8 (7), 543-557 (2009).</li><li>Yeo, E. L. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protein+Corona+around+Gold+Nanorods+as+a+Drug+Carrier+for+Multimodal+Cancer+Therapy.">Protein Corona around Gold Nanorods as a Drug Carrier for Multimodal Cancer Therapy.</a> ACS Biomaterials Science and Engineering. 3 (6), 1039-1050 (2017).</li><li>Lin, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+membranes+open+&amp;#34;doors&amp;#34;+for+cationic+nanoparticles/+biomolecules:+Insights+into+uptake+kinetics.">Cell membranes open &amp;#34;doors&amp;#34; for cationic nanoparticles/ biomolecules: Insights into uptake kinetics.</a> ACS Nano. 7 (12), 10799-10808 (2013).</li><li>Saha, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regulation+of+Macrophage+Recognition+through+the+Interplay+of+Nanoparticle+Surface+Functionality+and+Protein+Corona.">Regulation of Macrophage Recognition through the Interplay of Nanoparticle Surface Functionality and Protein Corona.</a> ACS Nano. 10 (4), 4421-4430 (2016).</li><li>Moyano, D. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication+of+corona-free+nanoparticles+with+tunable+hydrophobicity.">Fabrication of corona-free nanoparticles with tunable hydrophobicity.</a> ACS Nano. 8 (7), 6748-6755 (2014).</li><li>Pengo, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gold+nanoparticles+with+patterned+surface+monolayers+for+nanomedicine:+current+perspectives.">Gold nanoparticles with patterned surface monolayers for nanomedicine: current perspectives.</a> European Biophysics Journal. 46 (8), 749-771 (2017).</li><li>Kuna, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+nanometre-scale+structure+on+interfacial+energy.">The effect of nanometre-scale structure on interfacial energy.</a> Nature Materials. 8 (10), 837-842 (2009).</li><li>Verma, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-structure-regulated+cell-membrane+penetration+by+monolayer-protected+nanoparticles.">Surface-structure-regulated cell-membrane penetration by monolayer-protected nanoparticles.</a> Nature Materials. 7 (7), 588-595 (2008).</li><li>Van Lehn, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lipid+tail+protrusions+mediate+the+insertion+of+nanoparticles+into+model+cell+membranes.">Lipid tail protrusions mediate the insertion of nanoparticles into model cell membranes.</a> Nature Communications. 5, 4482-4493 (2014).</li><li>Cagno, V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Broad-spectrum+non-toxic+antiviral+nanoparticles+with+a+virucidal+inhibition+mechanism.">Broad-spectrum non-toxic antiviral nanoparticles with a virucidal inhibition mechanism.</a> Nature Materials. 17 (2), 195-203 (2018).</li><li>Uzun, O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Water-soluble+amphiphilic+gold+nanoparticles+with+structured+ligand+shells.">Water-soluble amphiphilic gold nanoparticles with structured ligand shells.</a> Chemical Communications. 2 (2), 196-198 (2008).</li><li>Huang, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Colloidal+stability+of+self-assembled+monolayer-coated+gold+nanoparticles:+The+effects+of+surface+compositional+and+structural+heterogeneity.">Colloidal stability of self-assembled monolayer-coated gold nanoparticles: The effects of surface compositional and structural heterogeneity.</a> Langmuir. 29 (37), 11560-11566 (2013).</li><li>Carney, R. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrical+method+to+quantify+nanoparticle+interaction+with+lipid+bilayers.">Electrical method to quantify nanoparticle interaction with lipid bilayers.</a> ACS Nano. 7 (2), 932-942 (2013).</li><li>Van Lehn, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+particle+diameter+and+surface+composition+on+the+spontaneous+fusion+of+monolayer-protected+gold+nanoparticles+with+lipid+bilayers.">Effect of particle diameter and surface composition on the spontaneous fusion of monolayer-protected gold nanoparticles with lipid bilayers.</a> Nano Letters. 13 (9), 4060-4067 (2013).</li><li>Huang, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+surface+compositional+and+structural+heterogeneity+on+nanoparticle-protein+interactions:+Different+protein+configurations.">Effects of surface compositional and structural heterogeneity on nanoparticle-protein interactions: Different protein configurations.</a> ACS Nano. 8 (6), 5402-5412 (2014).</li><li>Van Lehn, R. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Free+energy+change+for+insertion+of+charged,+monolayer-protected+nanoparticles+into+lipid+bilayers.">Free energy change for insertion of charged, monolayer-protected nanoparticles into lipid bilayers.</a> Soft Matter. 10 (4), 648-658 (2014).</li><li>Ong, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+Ligand+Shell+for+Mixed-Ligand+Coated+Gold+Nanoparticles.">Characterization of Ligand Shell for Mixed-Ligand Coated Gold Nanoparticles.</a> Accounts of Chemical Research. 50 (8), 1911-1919 (2017).</li><li>Marbella, L. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=NMR+techniques+for+noble+metal+nanoparticles.">NMR techniques for noble metal nanoparticles.</a> Chemistry of Materials. 27 (8), 2721-2739 (2015).</li><li>Templeton, A. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Reactivity+of+Monolayer-Protected+Gold+Cluster+Molecules+Steric+Effects.">Reactivity of Monolayer-Protected Gold Cluster Molecules Steric Effects.</a> Journal of American Chemical Society. 120 (8), 1906-1911 (1998).</li><li>Harkness, K. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+structural+mass+spectrometry+strategy+for+the+relative+quantitation+of+ligands+on+mixed+monolayer-protected+gold+nanoparticles.">A structural mass spectrometry strategy for the relative quantitation of ligands on mixed monolayer-protected gold nanoparticles.</a> Analytical Chemistry. 82 (22), 9268-9274 (2010).</li></ol>

Dieses Protokoll beschreibt zunächst die Synthese von MUS-Ligand und dann die Synthese und Charakterisierung von amphiphilen MUS:OT-Gold-Nanopartikeln. Die Synthese von MUS mit minimalem Salzgehalt ermöglicht eine bessere Zuverlässigkeit des stoichiometrischen Verhältnisses zwischen den Liganden während der Nanopartikelsynthese, die ein Schlüsselfaktor für die reproduzierbare Synthese von MUS:OT-Nanopartikeln mit einem Ziel hydrophoben ist. Inhalt (Abbildung 8). Die Verwendung von Met...

Die Ligandenschale aus Gold-Nanopartikeln kann so konstruiert werden, dass sie verschiedene Eigenschaften aufweist, die angewendet werden können, um Herausforderungen in der Biomedizin zu bewältigen1,2,3,4. Eine solche Vielseitigkeit ermöglicht die Kontrolle der intermolekularen Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Biomolekülen5,6,7. Hydrophobizität und Ladung spielen eine entscheidende Rolle, ebenso wie andere Oberflächenparameter, die beeinflussen, wie Nanopartikel mit Biomolekülen5,8,9interagieren. Um die Oberflächeneigenschaften der Nanopartikel zu optimieren, bietet die Wahl der Thiolatemoleküle, aus denen die Ligandenschale besteht, eine Vielzahl von Möglichkeiten, je nach den angestrebten Eigenschaften. Zum Beispiel wird eine Mischung aus Ligandenmolekülen mit hydrophoben und hydrophilen(z.B.geladenen) Endgruppen häufig verwendet, um amphiphile Nanopartikel10,11zu erzeugen.
Ein prominentes Beispiel für diese Art von Nanopartikeln wird durch eine Mischung aus OT und MUS (nachfolgend MUS:OT-Nanopartikel genannt) geschützt, die nachweislich viele relevante Eigenschaften besitzt12,13,14. Erstens ist die kolloidale Stabilität der Nanopartikel mit einer Ligandenschalenzusammensetzung von 66% MUS (nachfolgend 66:34 MUS:OT) hoch und erreicht bis zu 33% Gewicht in entionisiertem Wasser sowie in phosphatgepufferter Salzsäure (1x, 4 mM Phosphat, 150 mM NaCl)15. Darüber hinaus fallen diese Partikel nicht bei relativ niedrigen pH-Werten aus: So bleiben diese Nanopartikel bei pH 2,3 und bei Salzkonzentrationen von 1 M NaCl15monatelang kolloidal stabil. Das stoichiometrische Verhältnis zwischen den beiden Molekülen auf der Ligandenschale ist wichtig, da es die kolloidale Stabilität in Lösungen mit einer hohen Ionenstärkediktiert 16.
Es hat sich gezeigt, dass diese Teilchen die Zellmembran durchqueren, ohne sie über einen energieunabhängigen Weg1,12zu durchqueren. Die spontane Verschmelzung zwischen diesen Teilchen und Lipid-Doppelschichten liegt ihrer Diffusivität durch Zellmembranenzugrunde 17. Der Mechanismus hinter dieser Wechselwirkung ist die Minimierung des Kontakts zwischen einer hydrophoben lösungsmittelzugänglichen Oberfläche und Wassermolekülen bei der Fusion mit Lipid-Doppelschichten18. Im Vergleich zu All-MUS-Nanopartikeln (Nanopartikel, die nur den MUS-Ligand auf ihrer Schale haben) erhöht die höhere Hydrophobie bei gemischten MUS:OT-Nanopartikeln (z. B. bei einer MUS:OT-Zusammensetzung von 66:34) die Spannweite des Kerndurchmessers, der mit Lipid verschmelzen kann. Doppelschichten18. Verschiedene Selbstmontage-Organisationen der Ligandenschale korrelieren im Vergleich zu All-MUS-Partikeln19mit unterschiedlichen Bindungsmodi von 66:34 MUS:OT-Nanopartikeln mit verschiedenen Proteinen wie Albumin und Ubiquitin. Kürzlich wurde berichtet, dass 66:34 MUS:OT-Nanopartikel als antivirales Breitspektrum-Mittel verwendet werden können, das die Viren aufgrund multivalenter elektrostatischer Bindungen von MUS-Liganden und nichtlokalen Kopplungen von OT-Liganden an Kapsid irreversibel zerstört. Proteine14. In all diesen Fällen wurde festgestellt, dass der hydrophobe Gehalt sowie die Kerngröße der Nanopartikel bestimmen, wie diese Bio-Nano-Wechselwirkungen stattfinden. Diese vielfältigen Eigenschaften von MUS:OT-Nanopartikeln haben viele Computersimulationsstudien veranlasst, die darauf abzielten, die Mechanismen zu klären, die den Wechselwirkungen zwischen MUS:OT-Partikeln und verschiedenen biologischen Strukturen wie Lipid-Bilayern20zugrunde liegen.
Die Herstellung von MUS:OT-geschützten Au-Nanopartikeln stellt einige Herausforderungen dar. Erstens sind der geladene Ligand (MUS) und der hydrophobe Ligand (OT) nicht mischbar. Daher muss die Löslichkeit der Nanopartikel und der Liganden bei der Synthese sowie bei der Charakterisierung berücksichtigt werden. Darüber hinaus beeinflusst die Reinheit der MUS-Ligandmoleküle – insbesondere der Gehalt an anorganischer Salze im Ausgangsmaterial – die Qualität, Reproduzierbarkeit sowie die kurz- und langfristige kolloidale Stabilität der Nanopartikel.
Hier wird eine detaillierte Synthese und Charakterisierung dieser Klasse von amphiphilen Gold-Nanopartikeln skizziert, die durch eine Mischung aus MUS und OT geschützt sind. Ein Protokoll zur Synthese des negativ geladenen MUS-Ligands soll die Reinheit und damit die Reproduzierbarkeit verschiedener Nanopartikelsynthesen gewährleisten. Dann wird das Verfahren zur Erzeugung dieser Nanopartikel, basierend auf einer gemeinsamen einphasigen Synthese, gefolgt von einer gründlichen Reinigung, ausführlich berichtet. Verschiedene notwendige Charakterisierungstechniken21, wie TEM, UV-Vis, TGA und NMR, wurden kombiniert, um alle notwendigen Parameter für weitere biologische Experimente zu erhalten.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>11-bromo-1-undecene</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>467642-25 ml</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Sulfite</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S0505-250 g</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benzyltriethyl-ammonium bromide</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>147125-25 g</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol</td>
			<td>VWR</td>
			<td>BDH1135-2.5 LP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DI water</td>
			<td>Millipore</td>
			<td>ZRXQ003WW</td>
			<td>Deionized water</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1 L round bottom flask</td>
			<td>DURAN</td>
			<td>24 170 56</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diethyl ether</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>1.00930 EMD Millipore</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Stirring bar</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>Z329207,</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dow Corning High Vacuum Grease</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>Z273554 ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filtering flask</td>
			<td>DURAN</td>
			<td>20 201 63</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Filtering Buchner Funnel</td>
			<td>FisherSci</td>
			<td>11707335</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol &#62;99.8%, ACS, Reagent</td>
			<td>VWR</td>
			<td>2081.321DP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Deuterium dioxide</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>151882 ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thioacetic acid 96%</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>T30805 ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon black</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>05105-1KG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Celite</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>D3877 SIGMA-ALDRICH</td>
			<td>Filtration medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Condenser</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>Z531154</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrochloric acid, ACS reagent 37%</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>320331 SIGMA-ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Hydroxide, BioXtra, pellets (anhydrous)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S8045 SIGMA-ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Centrifuge tubes</td>
			<td>VWR</td>
			<td>525-0155P</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>250 mL round bottom flask</td>
			<td>DURAN</td>
			<td>24 170 37</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>500 mL round bottom flask</td>
			<td>DURAN</td>
			<td>24 170 46</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nitric acid, fACS reagent 70%</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>438073 SIGMA-ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gold(III) chloride trihydrate &#62;99.9% trace metal basis</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>520918 ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1-octanethiol &#62;98.5%</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>471836 ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Borohydride purum p.a.&#62;96%</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>71320 ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Separatory funnel</td>
			<td>SIgma Aldrich</td>
			<td>Z330655 SIGMA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Funnel</td>
			<td>DURAN</td>
			<td>21 351 46</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2V folded filtering papers</td>
			<td>Whatman</td>
			<td>1202-150</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Amicon filters</td>
			<td>Merck</td>
			<td>UFC903024</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iodine, ACS reagent, &#62;99.8%, solid</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>207772 SIGMA-ALDRICH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 mm NMR-Tubes, Type 5HP (high precision)</td>
			<td>Armar</td>
			<td>32210.503</td>
			<td>Length 178 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Methanol-d4 99.8 atom%D</td>
			<td>Armar</td>
			<td>16400.2035</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TGA crucible</td>
			<td>Thepro</td>
			<td>9095-9270.45</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>400 mesh carbon supported copper grid</td>
			<td>Electron Microscopy Science</td>
			<td>CF400-Cu</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>quartz cuvette</td>
			<td>Hellma Analytics</td>
			<td>100-1-40</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

synthesis and characterization of amphiphilic gold nanoparticles

Gold-Nanopartikel, die mit einer Mischung aus 1-Oktanethiol (OT) und 11-Mercapto-1-undecane-Sulfonsäure (MUS) bedeckt sind, wurden aufgrund ihrer Wechselwirkungen mit Zellmembranen, Lipid-Doppelschichten und Viren ausgiebig untersucht. Die hydrophilen Liganden machen diese Partikel in wässrigen Lösungen kolloidstabil und die Kombination mit hydrophoben Liganden erzeugt ein amphiphiles Teilchen, das mit hydrophoben Medikamenten beladen werden kann, mit den Lipidmembranen verschflüssigt wird und unspezifischen Proteinadsorption. Viele dieser Eigenschaften hängen von der Größe der Nanopartikel und der Zusammensetzung der Ligandenschale ab. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, eine reproduzierbare synthetische Methode und zuverlässige Charakterisierungstechniken zu haben, die die Bestimmung der Nanopartikeleigenschaften und der Ligandenschalenzusammensetzung ermöglichen. Hier wird eine einphasige chemische Reduktion, gefolgt von einer gründlichen Reinigung zur Synthese dieser Nanopartikel mit Durchmessern unter 5 nm, vorgestellt. Das Verhältnis zwischen den beiden Liganden auf der Oberfläche des Nanopartikels kann durch ihr stöchiometrisches Verhältnis, das während der Synthese verwendet wird, abgestimmt werden. Wir zeigen, wie verschiedene Routinetechniken wie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Kernspinresonanz (NMR), thermogravimetrische Analyse (TGA) und ultraviolett-sichtbare (UV-Vis) Spektrometrie umfassend zu die physikalisch-chemischen Parameter der Nanopartikel charakterisieren.

Die Reaktionsschritte zur Synthese von MUS sind in Abbildung 1dargestellt. Die 1H NMR-Spektren des Produkts jedes Schritts sind in Abbildung 2dargestellt. Der Synthese-Workflow der binären MUS:OT-amphiphilen Gold-Nanopartikel ist in Abbildung 3beschrieben. Nach der Synthese bestand die Aufarbeitung der Nanopartikel darin, die Partikel mehrmals mit Ethanol und DI-Wasser zu waschen. Vor jed...

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Synthesis and Characterization of Amphiphilic Gold Nanoparticles

Amphiphile Gold-Nanopartikel können in vielen biologischen Anwendungen eingesetzt werden. Ein Protokoll zur Synthese von Gold-Nanopartikeln, die durch eine binäre Mischung von Liganden beschichtet sind, und eine detaillierte Charakterisierung dieser Partikel werden vorgestellt.

Synthese und Charakterisierung von amphiphilen Gold-Nanopartikeln

Gold nanoparticles covered with a mixture of 1-octanethiol (OT) and 11-mercapto-1-undecane sulfonic acid (MUS) have been extensively studied because of ...

Dieses Protokoll befasst sich mit der Batch-to-Batch-Reproduzierbarkeit von Sulfonat- und amphiphilen Gold-Nanopartikeln, die unser Labor in Experimenten mit Zellen, Viren und Proteinen verwendet. Diese Technik befasst sich mit den anorganischen Verunreinigungen, die dieser Art der Synthese gemeinsam sind. Außerdem werden nach jedem Schritt Kontrollmechanismen eingeführt, um die Reproduzierbarkeit von amphiphilen Gold-Nanopartikeln zu gewährleisten.Diese Technik ist mühsam und erfordert Geduld. Der Schwierigkeitsgrad hängt von der Skalierung ab, also beginnen Sie in einem kleinen Maßstab, und machen Sie sich mit jedem Instrument und Schritt vertraut, bevor Sie hochskalieren. Zuerst 11-Brom-1-Undecen, Natriumsulfit und Benzyltriethylammoniumbromid zu 200 Milliliter Methanol und 450 Milliliter entionisiertem Wasser in einem einen Liter runden Bodenkolben hinzufügen.Reflux das Reaktionsgemisch bei 102 Grad Celsius für 48 Stunden, bis die Lösung farblos wird. Nach dem Aufarbeiten das isolierte weiße Pulver in 400 Milliliter Methanol in einem runden Bodenkolben aussetzen. Filtern Sie mit einem Filterkolben und Borosilikatfilter die Lösung, um die methanolunlöslichen anorganischen Nebenprodukte zu entfernen.Als nächstes etwa 30 Gramm Natrium undec-10-Enesulfonat in 500 Milliliter Methanol in einem ein Liter runden Bodenkolben auflösen. 2,6-mal mehr Thioessigsäure in die Lösung geben und über Nacht vor einer 250-Watt-UV-Lampe rühren. Sobald die Reaktion abgeschlossen ist, verdampfen Sie das Methanol vollständig.Trocknen Sie das Pulver unter Vakuum, und dispergieren Sie es dann in der Ethylether. Filtern Sie das Gemisch und waschen Sie das feste Produkt mit dem Diethylether, um überschüssige Thioessigsäure zu entfernen, bis keine farbigen Substanzen mehr im Überstand des Diethylethers erscheinen. Nach dem Trocknen des Festkörpers unter Hochvakuum in Methanol auflösen und eine gelbe bis orange Lösung ergeben.Als nächstes fügen Sie drei Gramm Ruß in die Lösung und mischen Sie kräftig. Filtern Sie dann die Mischung durch Celite und decken 2/3 eines geriffelten Filterpapiers ab. Um MUS zu synthetisieren, kombinieren Sie etwa 400 Milliliter einer molaren Salzsäure und 35 Gramm Natrium 11-Acetylthio-undecanesulfonat in einem einen Liter runden Bodenkolben.Reflux die Mischung bei 102 Grad Celsius für 12 Stunden, um die Thioacetat-Gruppe zu spalten und ein Thiol zu erhalten. Am nächsten Tag das Produkt in einen zwei Liter runden Bodenkolben überführen. Um die Lösung sauer zu halten und die Kristallisation von anorganischen Salzen zu verhindern, fügen Sie 200 Milliliter eines Mol-Natriumhydroxids und 400 Milliliter entionisiertes Wasser in den Kolben, um ein endgültiges Volumen von einem Liter zu geben.Bewahren Sie die klare Lösung über Nacht bei vier Grad Celsius auf, um das Produkt als feine Feststoffe zu kristallisieren, die bei Nässe zähflüssig sind. Am nächsten Tag dekant den klaren Überstand. Dann das Produkt in 50 Milliliter Zentrifugenrohre und Zentrifuge für fünf Minuten bei 4000 mal g übertragen.Nach der Zentrifugation dekant den Überstand in einen weiteren runden Bodenkolben. Die weißen Pellets in Zentrifugenrohre geben und unter Hochvakuum trocknen, um methanollöslichen MUS in etwa 30% Ausbeute zu erhalten. Wiegen Sie 177,2 Milligramm Gold(III)chlorid-Trihydrat in einer kleinen Glasdurchstechflasche.Danach 87 Milligramm MUS in 10 Milliliter Methanol, in einer 20 Milliliter Glasdurchstechflasche auflösen. Beschallen Sie die Lösung in einem Ultraschallbad, bis kein festes Material sichtbar ist, um eine vollständige Auflösung zu gewährleisten. Fügen Sie 26 Mikroliter 1-Octanethiol in die Methanollösung und rühren Sie sie, um die Liganden zu mischen.Fügen Sie 500 Milligramm Natriumborohydrid zu 100 Milliliter Ethanol in einem 250 Milliliter runden Bodenkolben hinzu. Rühren Sie kräftig, bis die Lösung klar ist. Das Goldsalz in 100 Milliliter Ethanol in einem 500 Milliliter runden Bodenkolben auflösen und bei 800 U/min rühren, bis sich das Goldsalz vollständig auflöst.Als nächstes fügen Sie die Ligandenlösung in das Reaktionsgemisch ein. Warten Sie 15 Minuten auf die Bildung des Goldthololatkomplexes, der durch einen Farbwechsel von transluzentem Gelb zu trübem Gelb angezeigt wird. Fügen Sie die zuvor vorbereitete Natriumborohydridlösung tropfenweise mit einem Trenntrichter in das Reaktionsgemisch ein.Passen Sie die Intervallzeit der Tropfen so an, dass die Zugabe von Natriumborohydrid etwa eine Stunde dauert. Sobald die Natriumborohydrid-Zugabe vollständig ist, entfernen Sie den Zusatztrichter und lassen Sie das Reaktionsgemisch für eine weitere Stunde rühren. Entfernen Sie dann die magnetische Rührstange mit einem Magneten, der auf der Außenseite des runden Bodenkolbens platziert ist.Lagern Sie das Reaktionsgemisch über Nacht bei vier Grad Celsius, um die Nanopartikel auszustoßen. Nach der Dekantierung des überstehenden Ethanols den restlichen Niederschlag sendemittel für drei Minuten bei 4000 mal g auf 50 Milliliter Zentrifugenrohre und Zentrifuge übertragen. Nach der Zentrifugation den Überstand dekantieren.Die Nanopartikel durch Wirbel wieder mit Ethanol dispergieren. Dann zentrieren Sie die Proben wieder. Trocknen Sie die Nanopartikel unter Vakuum, um das Restethanol zu entfernen.Um die Nanopartikel von freien hydrophilen Liganden zu reinigen, lösen Sie die Ausscheidungen in 15 Milliliter entionisiertem Wasser auf und übertragen Sie die Lösungen auf Zentrifugenrohre mit Filtrationsmembranen von 30 Kilodalton Cutoff-Molekulargewicht. Konzentrieren Sie die Nanopartikellösungen durch Zentrifugation fünf Minuten lang auf 4000 mal g. Nach der Zentrifugation 15 Milliliter entionisiertes Wasser hinzufügen und Zentrifuge wieder konzentrieren.Um die Nanopartikel in ein überschaubares Pulver zu verwandeln, gefrieren Sie die verbleibende wässrige Lösung eineinfrieren. Um die Nanopartikel nach Ligandenverhältnis zu charakterisieren, bereiten Sie eine 150 Milligramm pro Milliliter Methanol-d4-Lösung aus Jod vor. Fügen Sie 600 Mikroliter der Lösung zu etwa fünf Milligramm Nanopartikel in eine Glasdurchstechflasche, um die Nanopartikel zu ätzen.Die Kappe der Durchstechflasche mit Paraffinfolie umwickeln und 20 Minuten lang in einem Ultraschallbad beschallen. Übertragen Sie dann die Lösung auf ein NMR-Rohr und erwerben Sie ein Proton-NMR-Spektrum mit 32 Scans. Die MUS-Synthese wird hier gezeigt.Die Proton-NMR-Spektren des Produkts jedes Schritts sind hier dargestellt. Der Synthese-Workflow der binären MUS Octanethiol amphiphilen Gold-Nanopartikel wird hier beschrieben. Vor der Charakterisierung wurde die Sauberkeit der Nanopartikel aus ungebundenen freien Liganden durch Proton NMR überwacht.Die Größenverteilung der Nanopartikel wurde durch TEM charakterisiert, das zeigt, dass der durchschnittliche Durchmesser 2,4 Nanometer beträgt und auf etwa 18,08 Nanometer Quadratquadrat der Oberfläche und 7,23 Nanometer Volumen pro Teilchen zeigt. Die lokalisierte Oberflächenplasma- und Resonanzabsorption wurde durch erfassungvon UV-Vis-Spektren gemessen. Repräsentative Proton-NMR-Spektren mit Spitzenzuweisungen und Integration zur Bestimmung des Ligandenverhältnisses in den jodgeätzten Nanopartikeln werden hier gezeigt.Das NMR-Spektrum der Nanopartikel zeigte, dass das Verhältnis von MUS zu Octanethiol 85 zu 15 beträgt. Die Oberflächenabdeckung der Nanopartikel wurde von Der TGA untersucht. Basierend auf TGA-Daten kann die Ligandendichte auf 4,8 Liganden pro Nanometer im Quadrat geschätzt werden.Die stoichiometrischen Verhältnisse zu den NMR-Verhältnissen von Octanethiol, die sich aus verschiedenen Synthesen ergeben, werden hier verglichen. Die wichtigsten Dinge, die in diesem Verfahren zu erinnern sind, auf der einen Seite, die Entfernung von anorganischen Verunreinigungen bei der Herstellung von MUS-Liganden, und auf der anderen Seite die Aufarbeitung der Nanopartikel. Dieses Verfahren ist für verschiedene Kombinationen von Liganden zugänglich, aber stellen Sie sicher, dass jede Charge immer einzeln charakterisiert wird.Eine Frage, die dieses Verfahren beantworten kann, ist zum Beispiel, inwieweit das Ligandenverhältnis der stoichiometrie entspricht, die auf der Oberfläche der Nanopartikel gefunden wurde. Die Skalierung der Ligandenproduktion und der Nachweis der Batch-to-Batch-Reproduzierbarkeit der Nanopartikel haben es uns ermöglicht, wichtige Fragen im Zusammenhang mit Biologie und Medizin anzugehen. Zum Beispiel haben wir die viruziden Eigenschaften dieser Nanopartikel festgestellt.Bitte arbeiten Sie bei der Verwendung der UV-Lampe sorgfältig und tragen Sie beim Umgang mit flüssigem Stickstoff immer Schutzhandschuhe. Befolgen Sie immer die Chemikaliensicherheitsvorschriften.

Research

JoVE Journal

Chemistry

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