BAGGRUNDSLÆSNING TIL EKSPERIMENT C: I dette eksperiment syntetiserer du og undersøger en plasmonisk kolorimetrisk nanosensor fremstillet af guld nanopartikler. Her følger baggrundsinformation til eksperimentet så du får mest ud af det. Hvad ved du allerede om guld? KOLORIMETRISKE GULD NANOSENSORER Tænk på guld som du kender det. Guld (Au, atomnummer 79) er det mest let bearbejdelige af dem alle; det kan slås ud til en meget tynd plade af materiale og rulles og bøjes som ønsket. Dette har været kendt og gjort i århundreder. Farven af rent guld er metalliske guld ( gylden ). Du har sikkert set eller hørt om rødt guld eller hvid guld, men disse er ikke fremstillet af rent guld; det er legeringer af guld, og de indeholder andre metaller så som kobber og sølv. Hvad med gulds reaktivitet? Guld er meget stabilt og ikke toksisk, og pga. dette er det vidt udbredt i smykker og i tandlægearbejde, fordi det er luft-inert og ikke påvirkes af de fleste kemikalier. Guld er også en god leder af varme og elektricitet (som skyldes af de ledende elektroner er frie til at flytte sig rundt om kernen); det er korrosionsbestandigt så det bruges til elektriske kontakter og andre elektroniske applikationer. Guld har også utallige andre brugsområder: f.eks. kan tynde lag af guld (så tyndt at det bliver transparent) bruges på vinduerne af store bygninger til at forøge mængden af sollys der reflekteres. Derfor er der brug for mindre Figur 1. Approksimerede farver af Ag-Au-Cu legeringer. (Figurophav: Wiki commons, Creative commons Attribution ShareAlike 3.0) air condition i sommermåderne til at holde indeklimaet koldt. I dette eksperiment undersøger vi nanopartikler af guld (eller nano-guld ). Side 1 af 7
Er nano-guld anderledes fra guld som vi normalt kender det? Ja det er! Egenskaberne af nano-guld er meget anderledes, og det har alt at gøre med størrelsen på nanopartiklerne. Når guld nanopartiklerne er i et opløsningsmiddel, så som vand, danner de en kolloid. En kolloid er forskellig fra en opløsning. En opløsning er en kemisk mikstur hvor en substans er jævnt fordelt i en anden (så som en opløsning af et salt); en kolloid er en anden type af kemisk mikstur: partiklerne af den fordelte substans er kun fordelt i miksturen, men ikke helt opløst i den. Dette sker fordi partiklerne i kolloiden er større end i en opløsning. En kolloiden er sammensat af partikler i størrelsesordenen 10-100nm. Guld-kolloider kan have mange forskellige farver, rangerende fra det rubin-røde, til lilla, til blå. Disse er ikke legeringer, de er fremstillet af rene guld nanopartikler! En karakteristisk egenskab er kolloider er, at de spreder lys. Kolloider eksisterer i naturen og kan findes i form af emulsioner (så som mælk), geler (gelatine), aerosoler (tåge), og mange andre former. Selv creme er en kolloid! Hvor er nanopartiklerne i disse materialer? F.eks. er mælk en emulsion af makromolekyler (kasein miceller og liposomer) i vand. Kasein miceller og liposomer er en type af naturlige nanomaterialer. En simpel måde at undersøge om en mikstur er en opløsning eller en kolloid er at lyse igennem miksturen med en laserstråle: Lyset bliver da kun spredt på kolloiden. For at være synlig skal kolloiden være relativt transparent. F.eks. er mælk en naturlig kolloid, men er uigennemsigtig. Så for at foretage denne test skal du fortynde mælken. ADVARSEL: lys aldrig en laser stråle mod øjnene eller kig lige ind i strålen! Hvad bestemmer farven af guld kolloiderne? Metal nanopartikler, deriblandt guld nanopartikler, har optiske egenskaber som er meget anderledes fra egenskaber af bulk ( makro ) materialet. Dette skyldes en effekt der kaldes lokaliseret overflade plasmon resonans (LSPR). I et konventionelt metal er elektronerne frie til at bevæge sig rundt i alle retninger. Når en lysstråle (en elektromagnetisk strålingskilde) rammer materialer, vil energien absorberes af de ledende elektroner, som starter med at oscillere og genererer derved en plasmon. I et bulk materiale spredes plasmonen som varme når elektronerne bevæger sig rundt, og ingen effekt ses da. Ledende elektroner i en metal nanopartikel er ikke så frie til at bevæge sig, de er begrænset rumligt. Når lys rammer en metal nanopartikel skabes en plasmon også af de overflade ledende elektroner, men denne gang er elektronerne begrænset rumligt i deres bevægelse. Der skabes en lokaliseret plasmon. Plasmonen oscillerer periodisk i et begrænset rum. Når frekvensen på denne oscillation er den samme som frekvensen af lyset som generer denne (dvs. det indkomne lys), siges det, at plasmonen er i resonans med det indkomne lys. Pga. dette kaldes effekten lokaliseret overflade plasmon resonans Side 2 af 7
effekt (LSPR). Konsekvensen af LSPR effekten er, at der er et forøget elektromagnetisk felt tæt på overfladen/partiklen. Energien af LSPR en er følsom overfor den dielektriske funktion af materialet, det omkringliggende medium og størrelsen og formen af nanopartiklerne. Dette betyder, at hvis en ligand, så som et protein, hæfter sig til overfladen af metal nanopartiklen vil dens LSPR energi ændres. På samme måde er LSPR effekten følsom overfor andre variationer, så som afstanden mellem nanopartiklerne, som kan ændres i tilstedeværelsen af en tensid eller ioner. LSPR effekten er ikke kun observeret på metal nanopartikler, men også i nano-ringe, huller i metalfilm og andre nanostrukturer. En af konsekvenserne af LSPR effekten i metal nanopartikler er, at de har en meget stærkt synlig adsorption pga. de resonante sammenhængende oscillationer af plasmonerne. Som et resultat heraf kan metal nanopartikler af guld eller sølv udvise farver som de ikke har i deres bulk form. Det være sig rød, lille eller orange, alt afhængig af nanopartiklernes form, størrelse og omkringliggende medium. Figur 2. Formationen af plasmoner i et bulk metal (top) og i nanopartikler (bund). (Figurophav: D. Sutherland, inano, Aarhus Universitet, Creative commons Attribution ShareAlike 3.0) I dette eksperiment vil du se at nano-guld ikke er gylden i farve, men rubin-rød! Figur 3. Transmissions elektron mikroskopibillede og UV/VIS spektra af guld nanopartikelkolloider med forskellige geometrier: (top) kugler, (midt) tikanter og (bund) stænger. (Figurophav: Genprintet fra: Borja Sepúlveda et al., LSPRbased Nanobiosensors, Nano Today (2009), 4 (3), 244-251, med tilladelse fra Elsevier. Side 3 af 7
Figur 4. Farveafhængighed pga. guldstørrelsen. (Figurophav: L. Filipponi, inano, Aarhus Universitet, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0). Håndværkere I middelalderen brugte det! Uden at vide det har håndværkere brugt nano-guld igennem historien. De smukke plettede glasvinduer fremstillet igennem middelalderen, og synlige I utallige kirker, er fremstillet af et kompositglas og nano-størrelses metal partikler. De rubin-røde glas der ofte ses er et miks af glas med ultrafint (nanostørrelses) guld pulver. Har nano-guld andre egenskaber fra bulk guld? Ja, det har. Nano-guld er ekstremt reaktivt og bliver nu undersøgt som en ny katalysator. Det er vist, at nano-guld er en ekstrem effektiv katalysator i adskillige forureningskontrolstudier. F.eks. har en virksomhed annonceret at have fremstillet en oxidationskatalysator med nano-guld som kan reducere diesel hydrocarbon udslippene med 40 % mere end nuværende kommercielt tilgængelige katalysatorer. Taget i betragtning af, at der er over 14 millioner let-diesel køretøjer på verdensplan, og 2 millioner tung-diesel køretøjer kan indflydelsen af nanoteknologien her være enorm. Hvad er applikationen af nano-guld i medicin? Guld bliver nu undersøgt til brug i mange nanomedicinske applikationer. Her fokuserer vi på en: brugen som en kolorimetrisk biosensor. Generelt talt er en sensor et apparat der er i stand til at genkende en eller flere specifikke kemiske specier i en mikstur og signalere dets tilstedeværelse igennem nogle kemiske ændringer. En transducer konverterer det kemiske signal ind i et kvantificerbart signal med en defineret sensitivitet. En biosensor er et apparat der er i stand til at detektere et specifikt biomolekyle, så som et antistof, et stykke DNA osv. Tilstedeværelsen af disse specifikke biomolekyler indikerer tilstedeværelsen af en speciel type virus eller bakterie som er ansvarligt for en specifik sygdom. Et område forskningen er meget fokuseret på er udviklingen af fremtidige minituriaserede biosensorer som læger kan bruge i deres klinikker for at diagnosticere om patienten har en speciel sygdom. Det kaldes point-of-care -diagnosticering. Nanomaterialer har de fleste af deres atomer på overfladen og har derfor et stor overfladeareal (ift. deres volumen) tilstede til detektion. Derudover, som vi ser i dette eksperiment, har nanomaterialer særegne optiske egenskaber som gør deres brug fordelagtigt. Pga. dette og andre grunde er nanomaterialer meget brugbare til at fremstille minituriaserede biosensorer. Side 4 af 7
I en guld kolloidal plasmonisk biosensor føler sensoren en ændring i aggregation blandt nanopartiklerne som danner kolloiden (Figur 5). Aggregeringen kan bestemme farveændringen på en kolloid. Absorbtionsspektroskopi kan bruges til at kvantificere biosensorens ændring. Pga. At dette kaldes sensoreren kolorimetrisk (fra ordet farve ). I tilfældet med guld kolloiden, som normalt er rubin-rød, kan aggregeringen gøre kolloiden blå. I nanomedicin bruges denne effekt f.eks. til genetisk screening hvor forskere søger efter en specifik gensekvens i en prøve. Gensekvensen kan være en indikation på tilstedeværelsen af en specifik patogen så som en virus. First identificeres basesekvensen i target DNA et. To typer af guld nanopartikler fremstilles en af dem har DNA konjugeret som binder til den ene ende af target DNA og den anden har DNA konjugeret til den som binder til den anden ende af target DNA. Nanopartiklerne spreder sig nu i vandet. Når target DNA tilføjes, binder den begge typer af nanopartikler sammen i et aggregat. Formationen af dette aggregat ændrer lyssprednings spektrummet af opløsningen, og giver en farveændring af opløsningen som let kan detekteres. Eksemplet er illustreret på figur 6. Andre teknikker bruger lås-og-nøgle mekanismen af antigen-antistof, eller enzymer der kan binde til specifikke biomolekyler. Basalt set kombineres det Side 5 af 7 Figur 5. Skematisk repræsentation af en kolloidal plasmonisk biosensor. Figur 6. En plasmonisk kolloidal nanosensor. (Figurophav: genprintet med tilladelse fra Jin et al., Journal of American Chemical Society (2003), 125 (6), 1643-54. Ophavsret 2003 American Chemical Society. generelle koncept biogenkendelse (som er fælles i alle biosensorer) med en særegen nano-effekt (faktummet at som aggregationen af guld nanopartikler ændres, ændres farven). I dette eksperiment vil du undersøge en kolloid guld nanosensor for at se, om den kan detektere en elektrolyt, så som et salt. Du vil foretage syntesen af kolloidalt guld startende med en opløsning af guldklorhydrat og en opløsning af natriumcitrat. Det er den simpleste reaktion til at syntetisere guld nanopartikler og generelt producere guld nanopartikler på 10-20nm i diameter. I reaktionen fungerer citrat som et svagt reduktionsmiddel (reducerer AuCl 4- til Au) og som et stabiliseringsmiddel. Et lag af citratanioner adsorberer rundt om hver nanopartikel og forhindrer disse i at aggregere: anionernes elektrostatiske
ladning holder nanopartiklerne separerede. I denne tilstand ser kolloiden rubin-rød ud pga. absorptionen af lys af de frie elektron oscillationer (overflade plasmonerne). I dette eksperiment er λ max omkring 520nm (grøn) og opløsningen ser rød ud. - Hvis anion laget fjernes vil nanopartiklerne starte med at danne et agglomerat. Denne effekt kan bruge til at påvise et særligt kemikalie. Hvis en stærk elektrolyt tilføres, f.eks. NaCl, vil ionerne af saltet skærme de negative ladninger på partiklerne og lade dem komme tæt på hinanden og aggregere i større og større klumper. Formationen af agglomerater reflekteres i en ændring i det optiske spektrum, der får opløsningen til at blive dybt blå. Hvis en høj koncentration af salt tilføres vil nanopartiklerne aggregere til et punkt hvor de udfælder, og opløsningen bliver da klar. Figur 7. Skematisk repræsentation af de optiske ændringer af kolloidal guld når en opløsning af salt tilsættes. (Figurophav: L. Filipponi, inano, Aarhus Universitet, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) Side 6 af 7
- Hvis en svag eller ikke-elektrolyt tilføres (f.eks. sukker), vil den elektrostatiske frastødning mellem guldet og citrationerne ikke ændres og opløsningen forbliver rød. Figur 8. Skematisk repræsentation af de optiske ændringer af kolloidal guld når en opløsning af sukker tilsættes. (Figurophav: L. Filipponi, inano, Aarhus Universitet, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0) - Hvis et stabiliseringsmiddel med høj molekylevægt tilføres, f.eks. et protein eller polyethylene glykol, vil det absorbere til overfladen af nanopartiklerne og derved inhibere aggregation selv ved høj salt koncentration. I denne øvelsen bruges æggehvide som en meget økonomisk kilde til protein (hovedsageligt ovoalbumin). Figur 9.. Skematisk repræsentation der viser at et protein coater guld nanopartiklerne og forhindrer dem fra at aggregere som salt tilsættes til kolloiden (Figurophav: L. Filipponi, inano, Aarhus Universitet, Creative Commons Attribution ShareAlike 3.0)... ANERKENDELSE Denne øvelse er delvist adapteret fra eksperimentet der rapporteres om i: Color my nanoworld, Journal of Chemical Education, Vol. 81(4), 2004 og fra eksperimentet Citrate synthesis of gold nanoparticles, University of Whisconsi- Madison, se: http://www.mrsec.wisc.edu/edetc/curriculum/index.html; En mere detaljeret forklaring af syntesen af kolloidal guld findes på: Keating et al., Journal of Chemical Education 1999, Vol. 76, No. 7 pp. 949-955. Side 7 af 7