โครงสร้างนาโนทอง: คุณสมบัติและแอปพลิเคชัน

Christian Schoen, Ph.D

President - Nanopartz, Inc.

นาโนโกลด์
ใช้งานได้กับนาโนโกลด์นาโนโน
ไอเรสโกลด์
ไมโครโกลด์
แพลตตินัมและแพลเลเดียมเคลือบโครงสร้างนาโนโกลด์

 

บทนำ

โครงสร้างนาโนทองคำได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางในการใช้งานที่หลากหลายเนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าและแสงที่น่าสนใจ อย่างไรก็ตามเมื่อไม่นานมานี้การใช้วัสดุเหล่านี้ได้ขยายออกไปนอกเหนือจากการใช้งานแบบดั้งเดิมเพื่อรวมฟังก์ชันที่น่าตื่นเต้นในอารีนาชีวการแพทย์การวินิจฉัยและตัวเร่งปฏิกิริยา

1. เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง: อนุภาคนาโนสีทองสามารถแทนที่ท่อนาโนคาร์บอนในหน้าจอสัมผัสที่ทันสมัย
2. การเร่งปฏิกิริยา: อนุภาคนาโนแพลตินัมและแพลเลเดียมสำหรับการใช้งานตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อลดโลหะโดยรวมที่ใช้มากกว่าหนึ่งพันครั้ง
3. ชีวการแพทย์: การรักษาด้วยการถ่ายภาพความร้อนด้วยแสงในร่างกายรวมถึงการดูดซึมยานาโนทองที่บรรจุด้วยยาเพื่อการบำบัดด้วยดีเอ็นเอ
4. ไบโอวินิจฉัย: ไบโอเซนเซอร์และการวิเคราะห์การไหลด้านข้างแบบหลายช่องทางสามารถพัฒนาขึ้นเพื่อการตรวจจับแบบหลายการวิเคราะห์เชิงปริมาณได้

นาโนสีทอง

ในช่วง 20 ปีที่ผ่านมาอนุภาคนาโนสีทองทรงกลมถูกนำมาใช้ในการวิจัยการรักษาโรคมะเร็งด้วยแสง อย่างไรก็ตามอนุภาคเหล่านี้ไม่ได้รับการปรับให้เหมาะสมเนื่องจากอนุภาคนาโนสีทองทรงกลมมีการดูดซับสูงสุดที่จำกัด (สูงสุด ~ 580 nm สำหรับอนุภาคขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 nm) ซึ่งอยู่ต่ำกว่าช่วงการส่งผ่าน 650 - 900 nm สำหรับวัตถุทางชีวภาพ (ผิวหนังเนื้อเยื่อและฮีโมโกลบิน) อนุภาคนาโนทองคำมีลักษณะคล้ายกับอนุภาคนาโนทองแต่มีความยาวเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการดูดซึมสูงสุดและลักษณะการกระเจิง (รูปที่ 1) ซึ่งช่วยให้สามารถปรับการดูดซับนาโนรอดจาก 550 nm เป็น 1400 nm ผ่านกระบวนการผลิตที่แตกต่างกันตามที่แสดงทางด้านขวาใน รูปที่ 1 การปรับแต่งนี้ส่งผลให้สามารถกระจายอนุภาคนาโนสีทองที่ความยาวคลื่นทั่วทั้งพื้นที่ที่มองเห็นได้และใกล้กับ IR ค่า plasmon resonance (SPR) คือการวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบนพื้นผิวที่เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ขนานกับอินเตอร์เฟซโลหะ/ตัวทำละลายและได้รับอิทธิพลอย่างมากจากวัสดุใดๆที่ดูดซับบนพื้นผิวโลหะหรือพื้นผิวของอนุภาคนาโนโลหะ ค่าการดูดซับที่แม่นยำมากสำหรับโครงสร้างนาโนโลหะสามารถทำได้โดยการวัดค่า SPR ในช่วงความยาวคลื่น (รูปที่ 1)

รูปที่ 1 ซ้าย: ภาพระยะยาวของอนุภาคนาโนสีทองทั่วไป (ขนาด 10 nm x 40 nm) (หมายเลขผลิตภัณฑ์ 716820 ขวา: สามารถปรับแต่งการดูดซับและการกระเจิงสูงสุดของอนุภาคนาโนรอดสีทอง (การสูญเสีย) ได้ทั่วสเปกตรัม IR ที่มองเห็นได้และใกล้กับที่แสดงบนพล็อตของ Surface Plasmon Resonance (SPR) ถึงความยาวคลื่น

นอกจากนี้ยังมีการใช้ Gold nanorods เพื่อปรับปรุงการถ่ายภาพในร่างกายโดยใช้ ทราย photoacoustic ออปติคที่ไม่ใช่เชิงเส้นที่มีประสิทธิภาพสูงเช่นการผสมคลื่นสี่คลื่น นักวิจัยที่ศูนย์ไมโครโฟโตนิกส์ที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Swinburne รัฐวิกตอเรียประเทศออสเตรเลียกำลังใช้วัสดุเหล่านี้เป็นโพลาไรเซอร์ (รูปที่ 2) และสามารถปรับปรุงความสามารถในการจัดเก็บดีวีดีได้มากกว่า 2,000 ครั้ง

รูปที่ 2 ภาพของนาโนสีทองที่ใช้เป็นวัสดุโพลาไรซ์

ทำหน้าที่เป็นนาโนทอง

ซิกม่า - อัลดริชวัสดุวิทยาศาสตร์ยังมีความหลากหลายของนาโนสีทองฟังก์ชันที่มีฟังก์ชั่นรวมทั้งเมธิล (716901), เอมีน (716871) และกลุ่มขั้วคาร์บอกซิล (716898) เอมีนและคาร์บอกซิลสิ้นสุด nanorods มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการควบคุมความหลากหลายของ biomolecules รวมทั้งโปรตีนแอนติบอดีและแม้กระทั่งดีเอ็นเอ

ในพื้นที่ที่มองเห็นได้สามารถใช้สำหรับการวิเคราะห์การไหลด้านข้างแบบหลายช่องทาง และในบริเวณใกล้กับ IR สามารถฉีดเข้าเส้นเลือดดำซึ่งสามารถรวมเป็นเนื้องอกได้ เมื่อเซลล์เหล่านี้มีความเข้มข้นรอบๆเซลล์ที่เป็นโรคแล้วเซลล์เหล่านี้สามารถถูกคลื่นที่อยู่ใกล้กับเลเซอร์อินฟราเรดอย่างต่อเนื่องเพื่อสร้างความร้อนสำหรับการรักษาโรคมะเร็งด้วยแสง ลักษณะการวินิจฉัยของโครงสร้างนาโนสีทอง (ยังเป็นเวกเตอร์การจัดส่งยา) สามารถใช้ร่วมกันเพื่อทำลายเซลล์มะเร็ง (การรักษา) โดยใช้เลเซอร์พัลซิ่ง การรวมกันของการวินิจฉัยที่ผสานกับการรักษานี้เรียกว่า theranostics (รูปที่ 3)

รูปที่ 3 ก) การรักษาด้วยการถ่ายภาพความร้อนด้วยโรคมะเร็งในหนูโดยใช้นาโนเรดสีทองและเลเซอร์ไดโอดภายนอกเพื่อให้ความร้อนและทำลายเซลล์มะเร็ง (โดยได้รับความอนุเคราะห์จาก Nanopartz, Inc.) ข) การเกิดเซลล์มะเร็งโดยใช้พัลส์ใกล้เลเซอร์อินฟราเรดและนาโนโกลด์ (ได้รับความอนุเคราะห์จาก Nanopartz, Inc.)

ทองนาโนเวย์

อนุภาคนาโนสีทองที่มีความยาว 30 nm ตามแนวแกนและความยาวสูงสุด 20 ไมครอนกำลังถูกค้นพบว่าใช้เป็นวัสดุทางเลือกหรือวัสดุเสริมสำหรับท่อนาโนคาร์บอน พวกมันเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าสูงโปร่งใสมากขึ้นและแตกต่างจากนาโนโทเรสเงินทนต่อการกัดกร่อนหรือการเกิดออกซิเดชัน Nanowires แสดงให้เห็นว่ามีประโยชน์ในการเปลี่ยนท่อนาโนคาร์บอนในจอแสดงผลแบบสัมผัสและขั้วไฟฟ้าโปร่งใส (รูปที่ 4) นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นถึงสัญญาเมื่อใช้เป็นไบโอเซนเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีความไวสูง

รูปที่ 4 ซ้าย: ภาพประกอบของอนุภาคนาโนทองคำ (หมายเลขผลิตภัณฑ์ 716944 และ 716952) บนโครงสร้างคาร์บอนนาโนหลอด ขวา: ภาพ SEM ของนาโนโนไอเรสทองที่สามารถใช้เป็นคาร์บอนนาโนหลอดแทนในการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์อินทรีย์

ไมโครโกลด์

ด้วยขนาดที่กว้างกว่าหลายร้อยนาโนเมตรและยาวถึง 1 ไมครอน Microgold จึงเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ที่สุดที่สามารถเรียกได้ว่าเป็นอนุภาคนาโน เนื่องจากขนาดอนุภาคนาโนควบคุมคุณสมบัติการดูดซับวัสดุที่ไม่ซ้ำกันนี้จึงมีคุณสมบัติทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์ Microgold (716960) เป็นอนุภาคทองคำตัวแรกที่สามารถมองเห็นได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แสงสีขาวโดยใช้เลนส์ธรรมดาที่ความไวของอนุภาคเดี่ยว (รูปที่ 5) นอกจากนี้ยังเป็นอนุภาคแรกที่รู้จักกันว่าด้วยการเคลือบโพลิเมอร์ที่เป็นกรรมสิทธิ์สามารถ endocytosed ลงใน cytosome ของเซลล์ (รูปที่ 5) นี่คือความสำคัญที่สำคัญในการรักษาเซลล์ที่หนึ่งต้องการหลีกเลี่ยงการดูดซึมโดย liposomes เซลล์

รูปที่ 5 ก) ไมโครโกลด์ (ผลิตภัณฑ์หมายเลข 716960) ใช้สำหรับการวัดอนุภาคเดียวในกล้องจุลทรรศน์แสง (ได้รับความอนุเคราะห์จากดร. Stephan Link, Rice University) b) Microgold ใช้สำหรับการดูดซึม cytosome ในเซลล์มะเร็งสำหรับการจัดส่งยา (ความเอื้อเฟื้อจากดร. Eugene Zubarev, Rice University)

แพลตตินั่มและแพลเลเดียมเคลือบทอง NanoStructures

ดังที่เราได้เห็นแล้วข้างต้นการลดขนาดของโครงสร้างทองคำให้กับนาโนสเกลช่วยเพิ่มพฤติกรรมจากการใช้งานทางไฟฟ้าและชีวการแพทย์ อย่างไรก็ตามในระดับพื้นฐานมากการลดขนาดยังเพิ่มพื้นที่ผิวอย่างมากซึ่งทำให้วัสดุนาโนน่าสนใจสำหรับใช้ในการเร่งปฏิกิริยา อนุภาคนาโนทองสามารถสังเคราะห์ได้อย่างน่าเชื่อถือเพื่อให้เป็น monodisperse, ดังนั้นพวกเขาจึงเป็นแพลตฟอร์มที่ดีในการสนับสนุนแพลตตินัม (716936) หรือแพลเลเดียม (716928) เคลือบสำหรับการเร่งปฏิกิริยา. เมื่ออนุภาคเป็น monodisperse, พื้นที่ผิวสมบูรณ์ของพวกเขาสามารถนำมาใช้ซึ่ง, ในกรณีนี้, ช่วยให้การเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น. ทั้งขนาดที่ลดลงและความน่าเบื่อสร้างพื้นที่ผิวที่มีมากกว่าอนุภาคนาโนแพลทินัมและแพลเลเดียมทั่วไปถึงสิบเท่าและมากกว่าวัสดุจำนวนมากหลายพันเท่า (รูปที่ 6) พื้นที่ผิวที่สูงขึ้นหมายถึงการเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพและมีประสิทธิภาพมากขึ้นซึ่งจะสร้างของเสียน้อยลงสำหรับกระบวนการที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม

รูปที่ 6 ภาพโครงสร้างนาโนทองเคลือบแพลตินัม (ซ้าย) และโครงสร้างนาโนทองเคลือบแพลเลเดียม (ขวา) แถบสเกลมีขนาด 50 nm

สรุป

แอปพลิเคชันและประเภทของอนุภาคนาโนทองคำได้ขยายตัวอย่างมากจากการตอบสนองการรวมกลุ่มที่ใช้ในการวิเคราะห์การไหลด้านข้าง (เช่นในการทดสอบการตั้งครรภ์) ขณะนี้คุณสมบัติอนุภาคนาโนเดียวของพวกเขาถูกนำมาใช้ในการประยุกต์ใช้ชีวการแพทย์วัสดุแสงและอุตสาหกรรม วัสดุเหล่านี้ยังคงได้รับการวิจัยอย่างต่อเนื่องและการประยุกต์ใช้งานที่ใช้ความสามารถในการถ่ายภาพความร้อนที่เพิ่มขึ้นและการทำกิจกรรมพื้นผิวจะเริ่มเกิดขึ้นเท่านั้น

ข้อมูลอ้างอิง

1. Declerck V, Ribière P, Martinez J, Lamaty F. 2004. Sequentialaza-Baylis?Hillman/Ring Closing Metathesis/Aromatization as a Novel Route for the Synthesis of Substituted Pyrroles. J. Org. Chem.. 69(24):8372-8381. https://doi.org/10.1021/jo048519r

2. Schwartz O, Oron D. 2009. Background-Free Third Harmonic Imaging of Gold Nanorods. Nano Lett.. 9(12):4093-4097. https://doi.org/10.1021/nl902305w

3. Zijlstra P, Chon JWM, Gu M. 2009. Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods. Nature. 459(7245):410-413. https://doi.org/10.1038/nature08053

4. Venkataramasubramani M, Tang L. 2009. Development of Gold Nanorod Lateral Flow Test for Quantitative Multi-analyte Detection.199-202. https://doi.org/10.1007/978-3-642-01697-4_73

5. Fourkal E, Velchev I, Taffo A, Ma C, Khazak V, Skobeleva N. 2009. Photo-Thermal Cancer Therapy Using Gold Nanorods.761-763. https://doi.org/10.1007/978-3-642-03885-3_211

6. Lukianova-Hleb EY, Hanna EY, Hafner JH, Lapotko DO. 2010. Tunable plasmonic nanobubbles for cell theranostics. Nanotechnology. 21(8):085102. https://doi.org/10.1088/0957-4484/21/8/085102

7. Hu L, Kim HS, Lee J, Peumans P, Cui Y. 2010. Scalable Coating and Properties of Transparent, Flexible, Silver Nanowire Electrodes. ACS Nano. 4(5):2955-2963. https://doi.org/10.1021/nn1005232

8. Yogeswaran U, Chen S. A Review on the Electrochemical Sensors and Biosensors Composed of Nanowires as Sensing Material. Sensors. 8(1):290-313. https://doi.org/10.3390/s8010290

9. Liu Z, Searson PC. 2006. Single Nanoporous Gold Nanowire Sensors. J. Phys. Chem. B. 110(9):4318-4322. https://doi.org/10.1021/jp056940t