Размещено на http://www.allbest.ru/

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУР ЗОЛОТА, ИММОБИЛИЗОВАННЫХ НА КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИХ ПОВЕРХНОСТЯХ

02.00.04 - Физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата

химических наук

ПЕСТОВСКИЙ Юрий Сергеевич

Иваново 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова» (Химический факультет) и ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет».

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор Макаров Сергей Васильевич (ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный химико-технологический университет», заведующий кафедрой технологии пищевых продуктов и биотехнологии)

доктор химических наук, профессор Михайлов Олег Васильевич (ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», профессор кафедры аналитической химии, стандартизации и менеджмента качества)

Ведущая организация: ФГБУ науки «Институт химии растворов имени Г.А. Крестова РАН» (г. Иваново)

Защита состоится «20» июня 2012 г. в 10.00 на заседании диссертационного совета Д212.063.06 при Ивановском государственном химико-технологическом университете по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 7, ауд. Г-205.

Тел.: (4932) 32-54-33, факс: (4932) 32-54-33, e-mail: dissovet@isuct.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Информационном центре Ивановского государственного химико-технологического университета по адресу: 153000, г. Иваново, пр. Ф. Энгельса, 10.

Автореферат разослан «18» мая 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д212.063.06

e-mail: Egorova-D6@yandex.ru Егорова Е.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наночастицы и наноструктуры золота, иммобилизованные на твердых поверхностях, находят применение в различных областях науки и технологии.

Важнейшими свойствами наночастиц золота являются возможность локализации и усиления оптических полей, а также наличие собственных колебаний с частотами, лежащими в оптической области [1]. Эти свойства нашли применение для высокочувствительного определения биомолекул, основанного на зависимости спектра поглощения наночастиц от их молекулярного окружения, а также на эффекте гашения флуоресценции. Известно также, что наночастицы золота способны к реализации эффекта гигантского комбинационного рассеяния (ГКР). Спектроскопия ГКР обладает очень высокой чувствительностью и в ряде случаев позволяет обнаруживать одиночные молекулы. Кроме этого, конъюгаты наночастиц с антителами могут быть также использованы для визуализации объектов в живых тканях, что открывает перспективы их дальнейшего использования для направленной фототермической терапии. Визуализация может быть достигнута как с использованием оптических свойств наночастиц, так и методом спектроскопии ГКР.

Экспериментально показано, что золотые наноструктуры, состоящие из нескольких наночастиц (агрегаты наночастиц) могут концентрировать оптические поля в нанометровые области [2]. Данное свойство агрегатов используется для дополнительного усиления сигнала в спектре ГКР. Кроме того, плазмонные колебания, не сильно локализованные в зазорах между наночастицами, приводят к распространению энергии по всему агрегату. Это открывает возможности использования агрегатов наночастиц золота в оптоэлектронных устройствах.

Основным методом получения наночастиц и наноструктур золота является автометаллография, которая представляет собой увеличение металлических наночастиц в результате осаждения на их поверхность ионов металла из раствора. Так как описанные свойства наночастиц прямо зависят от их размера, задачей первостепенной важности является оптимизация режима проведения процесса с целью воспроизводимого получения наночастиц желаемой степени дисперсности. И хотя использование автометаллографии позволило достичь определенных успехов, для полного решения проблемы необходимы дальнейшие исследования кинетики и механизмов роста наночастиц. Процесс автометаллографии может быть использован и для получения агрегатов наночастиц, образование которых обычно инициируют повышением ионной силы раствора. Однако в этих условиях процесс протекает невоспроизводимо и приводит к образованию нестабильных агрегатов. Поэтому необходим поиск других условий получения агрегатов, а также исследование кинетики и механизма их формирования. наноструктура золото автометаллография агрегация

Цель работы. Анализ закономерностей формирования и физико-химических свойств наночастиц и наноструктур золота, получаемых методами автометаллографии и агрегации под действием полиэлектролитов. Исследование возможности практического использования наноструктур золота для анализа биологических объектов. Исследования проводились по следующим основным направлениям:

Разработка и оптимизация методики иммобилизации наночастиц золота на твердых кремнийсодержащих поверхностях (слюда, кремний, стекло). Выявление кинетических закономерностей и механизмов автометаллографии и ферментативной металлографии.

Разработка и оптимизация методики воспроизводимого получения агрегатов золотых наночастиц. Выявление кинетических закономерностей и механизмов формирования наноструктурированных поверхностей за счет агрегации наночастиц полиэлектролитами в процессе иммобилизации.

Разработка и оптимизация методики иммобилизации красителя на поверхность золотых наночастиц. Анализ возможности увеличения интенсивности спектральной линии красителя с использованием наноструктур золота.

Научная новизна работы. При выполнении работы были получены следующие новые данные и результаты:

Проведено исследование кинетики автометаллографии при восстановлении золотохлористоводородной кислоты пероксидом водорода. Показано, что процесс описывается кинетической схемой автокатализа. Выяснены условия, обеспечивающие протекание процесса в кинетическом и диффузионном режимах. Установлена линейная зависимость скорости автометаллографии в растворе от концентрации H₂O₂. Установлена зависимость поверхностной концентрации наночастиц и наноагрегатов от концентрации наночастиц в исходном растворе, используемом для электростатической иммобилизации.

Проведено исследование кинетики ферментативной металлографии с использованием системы глюкозооксидаза-глюкоза в качестве источника H₂O₂. Показано, что, в отличие от автометаллографии, данный процесс приводит к асинхронному росту наночастиц и позволяет получать наноструктуры, одновременно содержащие наночастицы различного размера.

Впервые исследованы кинетические закономерности агрегации золотых наночастиц полиэлектролитами. Установлено, что данный процесс приводит к формированию агрегатов, устойчивых в растворе.

Установлено, что наноструктуры золота (агрегаты наночастиц, видоизмененные автометаллографией) способствуют увеличению интенсивности сигнала в спектре ГКР. Обнаружено, что интенсивность спектральной линии зависит от противоиона, вводимого в раствор полиэлектролита. Продемонстрирована применимость данного эффекта в иммуноанализе.

Практическая значимость работы. Полученные результаты могут быть использованы при разработке и оптимизации методов получения золотых наночастиц и наноструктур, при анализе механизмов процесса автометаллографии, а также для повышения чувствительности анализа, проводимого с использованием спектрофотометрии и спектроскопии ГКР.

Личный вклад автора. Все экспериментальные и расчетные результаты получены лично автором. Автором также были разработаны алгоритмы, позволяющие автоматизировать проводимые вычисления.

Апробация работы. Основные положения и выводы диссертационной работы докладывались на международной конференции “Биокатализ-2009” (Архангельск, 2009), IV международной конференции “Современные достижения бионаноскопии” (Москва, 2010), V международной конференции “Современные достижения бионаноскопии” (Москва, 2011), IV Конгрессе с международным участием “Опухоли головы и шеи” (Иркутск, 2011), II Международной школе “Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и наномедицина” (Московская область, 2011). Всего сделано 7 докладов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 статьи в ведущих рецензируемых журналах и 7 тезисов докладов на конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов и списка использованных литературных источников. Общий объем диссертации составляет 152 страницы, включая 49 рисунков и 6 таблиц. Список использованных источников содержит 158 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования, сформулированы цели и основные задачи работы.

В первой главе проведен обзор литературных данных по теме исследований. Рассмотрены варианты и кинетические модели автометаллографии при использовании различных восстановителей. Проведен анализ работ по механизмам роста наночастиц золота при восстановлении золотохлористоводородной кислоты пероксидом водорода. Обобщены данные по разновидностям ферментативной металлографии. Рассмотрены вопросы практических приложений наночастиц и наноструктур золота.

Результаты анализа литературных данных могут быть обобщены в виде следующих положений:

Наночастицы золота, иммобилизованные на твердых поверхностях, обладают уникальными квантовомеханическими свойствами и нашли применение для высокочувствительного определения биомолекул. Для получения наночастиц золота используется автометаллография с применением различных восстановителей, в том числе H₂O₂. Отличительными особенностями H₂O₂ являются отсутствие зародышеобразования и возможность ферментативной генерации. Тем не менее, кинетика и механизмы роста золотых наночастиц при восстановлении золотохлористоводородной кислоты H₂O₂ изучены недостаточно. Это обстоятельство существенно ограничивает применимость автометаллографии для получения наночастиц с требуемыми характеристиками.

Агрегаты наночастиц золота представляют собой наноструктуры с уникальными оптическими свойствами, отсутствующими у изолированных наночастиц. Однако закономерности процесса агрегации практически не изучались, поэтому формирование наноструктур чаще всего проводится в условиях, далеких от оптимальных. Действие автометаллографии на агрегаты золотых наночастиц также не изучалось, поэтому оптические свойства получаемых таким способом объектов не известны.

На основании вышесказанного была сформулирована цель диссертационной работы.

Во второй главе приведены описание лабораторной установки для получения наноструктур золота, сведения об использованных реагентах и материалах, методики эксперимента. Также описаны методы исследования наночастиц и наноструктур и методики обработки полученных данных.

Исследования проводили по следующей схеме: 1) ковалентная модификация поверхности подложек аминогруппами или обработка полиэлектролитами; 2) иммобилизация золотых наночастиц на поверхности за счет электростатического взаимодействия наночастиц с поверхностью образцов; 3) проведение автометаллографии или ферментативной металлографии с использованием H₂O₂ в качестве восстановителя. На каждом этапе исследований контроль поверхности образцов проводили методами атомно-силовой микроскопии (АСМ), электронной микроскопии и спектрофотометрии (Табл. 1). При исследовании возможностей практического приложения наноструктур золота для высокочувствительного анализа биомолекул использовалась спектроскопия гигантского комбинационного рассеяния (ГКР).

Методы контроля, оборудование и измеряемые параметры

Таблица 1

Для модификации аминогруппами образцы слюды, стекла или кремния выдерживали под слоем аминопропилтриэтоксисилана (АПТЭС) без растворителя в течение 2 часов, затем поверхность промывали деионизованной водой (18.2 МОм·см) в течение 15 мин. В случае обработки раствором полиэлектролита поверхность выдерживали с ним в течение 10 мин. В случае полианионов использовалось послойное нанесение полиэлектролитов. Использовалась также выдержка поверхности с раствором, содержащим одновременно поликатион и золотые наночастицы, в течение 30 мин. Для исследования были выбраны следующие концентрации полиэлектролитов: 7.91 мг/мл хлорида полидиметилдиаллиламмония в присутствии 20 мM NaI и без него, 125 мг/мл полиэтиленимина, 67.6 мг/мл поли-(2-акриламидо-2-метил-1-пропансульфокислоты), 2.5 мг/мл полианетолсульфоната натрия.

Для иммобилизации золотых наночастиц модифицированные аминогруппами или обработанные полиэлектролитами образцы выдерживали с раствором наночастиц размером 10 нм (1.14Ч10¹² частиц/мл) в течение 30 мин. Для образцов, исследуемых методом спектроскопии ГКР, иммобилизация проводилась в течение 1 часа.

Автометаллографию проводили в 0.01 M натрий-фосфатном буферном растворе (pH 7.2), содержащем 2Ч10^-3 M ПАВ (хлорида цетилтриметиламмония), H₂O₂ и 2Ч10^-4 M HAuCl₄. При больших концентрациях HAuCl₄ происходит высаливание NaAuCl₄. Концентрацию H₂O₂ варьировали в диапазоне 2Ч10^-6-2Ч10^-2 M.

Ферментативную металлографию проводили в 0.01 M натрий-фосфатном буферном растворе (pH 6 и pH 6.5), содержащем 2Ч10^-3 M ПАВ, 2Ч10^-4 M HAuCl₄, глюкозу и глюкозооксидазу. Концентрацию глюкозы варьировали в диапазоне 2Ч10^-6 M-0.1 M, концентрацию глюкозооксидазы - в интервале 94-141 мкг/мл.

Для иммобилизации красителя к раствору золотых наночастиц добавляли в 2 раза больший объем насыщенного водного раствора 5,5?-дитиобис(2-нитробензойной кислоты). Реакцию проводили в защищенном от света месте в течение 7 часов. Затем наночастицы отделяли центрифугированием при 13000 об/мин в течение 10 мин и ресуспендировали в воде.

Все описанные операции и реакции проводили при комнатной температуре.

В третьей главе представлены результаты исследований кинетики формирования и физико-химических свойств наночастиц и наноструктур золота, иммобилизованных на твердых поверхностях.

Схема модификации поверхностей слюды, стекла и полированного кремния аминогруппами представлена на рис. 1. Наличие аминогрупп на модифицированной поверхности подтверждалось флуоресценцией под действием оптического излучения ( = 488 нм) после проведения качественной реакции с изотиоцианатом флуоресцеина. Сравнение площади молекулы аминопропилтриэтоксисилана (менее 25 Е²) и площади элементарной ячейки слюды (50 Е²) показывает, что каждая молекула АПТЭС взаимодействует с поверхностью слюды только одной этоксигруппой, остальные две гидролизуются.

Иммобилизация наночастиц золота на модифицированных поверхностях проводилась за счет их электростатического связывания с поверхностью. Было найдено, что зависимость поверхностной концентрации изолированных наночастиц и агрегатов (n) от концентрации наночастиц в прекурсоре описывается кривой с насыщением (рис. 2), при этом наибольшее значение поверхностной концентрации достигается через 30 мин. Это может быть связано с обратимостью процесса иммобилизации и накоплением продуктов гидролиза АПТЭС, дестабилизирующих наночастицы. Распределение объектов по высоте (h) является воспроизводимым с максимумом при 8±2 нм (рис. 3(а)). Спектрофотометрическое исследование поверхностей слюды и стекла с иммобилизованными наночастицами показало, что основной вклад в оптическую плотность (D) вносят агрегаты. Уменьшение концентрации наночастиц в прекурсоре (7.7Ч10№№-1.54Ч10№№ частиц/мл) или времени обработки поверхности (30-10 мин) приводит к смещению максимума поглощения с 629 нм до 560 нм и 529 нм, соответственно. Это свидетельствует о снижении количества агрегировавших наночастиц.

Согласно данным электронной микроскопии, рассмотренные способы модификации поверхности и иммобилизации на них наночастиц золота применимы и для кремниевых образцов. Иммобилизация в данном случае также сопровождается частичной агрегацией наночастиц.

Рис. 1 Схема модификации поверхности стекла аминогруппами

Рис. 2 Зависимость количества одиночных наночастиц (черные точки) и агрегатов (белые точки) от концентрации наночастиц в прекурсоре. Область сканирования - 9 мкмІ

Автометаллография наночастиц золота, иммобилизованных на поверхностях слюды, стекла или кремния, проводилась при восстановлении HAuCl₄ пероксидом водорода:

AuCl₄? + H₂O₂ Au + 4Cl? + O₂^ + 3H⁺

Термодинамические расчеты показали, что данная реакция может протекать при сколь угодно низких концентрациях H₂O₂.

Было найдено, что автометаллография приводит к смещению максимума распределения иммобилизованных наночастиц золота по высоте в область больших высот (рис. 3). С увеличением концентрации H₂O₂ в интервале 2Ч10^_6-?2Ч10^-2 M высота наночастиц также увеличивается (рис. 4), а их количество остается постоянным. По нашему мнению, причиной данного эффекта является отсутствие зародышеобразования.

Кинетические кривые автометаллографии (рис. 5) выходят на насыщение, при этом длительность квазистационарного участка кинетических кривых уменьшается с ростом концентрации H₂O₂. Это может быть связано с достижением наночастицами критического размера V h³/6, при котором становится существенным вклад сопропорционирования золота. Величина скорости процесса, соответствующая квазистационарному участку кинетической кривой, составляет 298.5 нмі/мин для концентрации H₂O₂ 5Ч10^-5 M и 6640.2 нмі/мин для концентрации H₂O₂ 2Ч10^-2 M.

Рис. 3 Вид распределения объектов по высоте для образца с иммобилизованными золотыми наночастицами (а) до и (б) после проведения автометаллографии в течение 30 мин при 5Ч10^-5 M H₂O₂. Данные получены методом АСМ

Зависимость скорости автометаллографии от концентрации H₂O₂ близка к прямой пропорциональности, что косвенно свидетельствует о протекании процесса по первому кинетическому порядку по концентрации пероксида водорода. Величина кажущейся константы скорости процесса составляет 3.3Ч10і с^-1. Установлено также, что кинетические кривые автометаллографии хорошо аппроксимируются уравнением автокатализа (рис. 5).

Рис. 4 Зависимость положения максимума распределения иммобилизованных золотых наночастиц по высоте от концентрации пероксида водорода после проведения автометаллографии в течение 10 мин

Рис. 5 Зависимость объема наночастиц от времени проведения автометаллографии: 1 - 5·10^-5 M, 2 - 6·10^_4 M, 3 - 2·10?І M H₂O₂. Точки - эксперимент, линии - расчет по уравнению автокатализа

Эксперименты с использованием слюды с модифицированной поверхностью, но без иммобилизованных наночастиц показали, что объекты высотой от 8 нм и более в ходе автометаллографии не возникают. Это свидетельствует об отсутствии зародышеобразования и подтверждает автокаталитический характер процесса. Полидисперсность золотых наночастиц в ходе автометаллографии также не изменяется, что указывает на кинетический режим процесса.

Эксперименты показали, что величина D и положение максимума поглощения наночастиц золота зависят от их размера (рис. 6). Ярко выраженный, воспроизводимый и близкий к линейному характер зависимости D=f(V) позволяет получать кинетические кривые автометаллографии спектрофотометрически при = const (рис. 7). Эти кривые имеют хорошее качественное и количественное согласие с аналогичными зависимостями, полученными с использованием АСМ. Наличие начального нестационарного участка длительностью до 240 с может быть связано с обменом адсорбированных на поверхности наночастиц цитрат-ионов на тетрахлороаурат-ионы. Отметим также, что при 2Ч10^-5 M H₂O₂ скорость роста величины D зависит от скорости перемешивания раствора, что является признаком протекания процесса в диффузионном режиме. Однако при более высоких концентрациях H₂O₂ или в отсутствие ПАВ такая зависимость не обнаруживается.

Рис. 6 Спектр поглощения золотых наночастиц диаметром 10 нм при восстановлении HAuCl₄ 2Ч10?І M H₂O₂. Цифры над кривыми - время процесса, мин

Рис. 7 Зависимость оптической плотности раствора золотых наночастиц диаметром 5 нм при 540 нм от времени проведения автометаллографии при 5Ч10^-5 M H₂O₂

Было найдено также, что в отсутствие золотых наночастиц оптическая плотность раствора не зависит от времени проведения автометаллографии. При этом, даже в присутствии образцов с иммобилизованными золотыми наночастицами, после проведения автометаллографии максимум в спектре поглощения раствора в области 300-940 нм не обнаруживается. Эти данные свидетельствуют об отсутствии зародышеобразования. Исследования образцов кремния методом электронной микроскопии показали, что автометаллография приводит не только к увеличению наночастиц, но и к приобретению ими неправильной формы, что связано с возникновением золотых нанокластеров на их поверхности. Автометаллография также приводит к видоизменению агрегатов.

Поскольку в ходе автометаллографии на рост наночастиц расходуется не более 25% добавленной HAuCl₄, насыщение на кинетических кривых (рис. 5 и 7) не связано с исчерпанием реагентов. Кроме этого, в отсутствие H₂O₂ при одновременном присутствии всех остальных необходимых для автометаллографии реагентов и наночастиц размером 2 нм оптическая плотность раствора падает с течением времени. Максимальная скорость этого падения линейно зависит от концентрации наночастиц в растворе, что свидетельствует о протекании процесса по первому кинетическому порядку. Следовательно, в системе протекает реакция сопропорционирования золота:

2Au + AuCl₄? + 2Cl? 3AuCl₂?

При этом насыщение кинетических кривых автометаллографии объясняется переходом системы в состояние динамического равновесия, когда рост и растворение наночастиц уравновешивают друг друга. Величина константы скорости сопропорционирования, определенной из наклона зависимостей логарифма оптической плотности от времени, составляет 5.0Ч10і с^-1.

Рис. 8 Схема ферментативной металлографии

Особым вариантом метода автометаллографии является метод ферментативной металлографии. В основе этого метода лежит ферментативная генерация H₂O₂ одновременно с восстановлением HAuCl₄. Для генерации пероксида водорода была исследована система глюкозооксидаза-глюкоза (рис. 8). Было найдено, что ферментативная металлография приводит к появлению дополнительного максимума распределения иммобилизованных на поверхности слюды наночастиц по высоте в области 17±1 нм (рис. 9), который, вероятно, соответствует наночастицам, адсорбировавшим повышенное количество фермента.

Кинетические кривые ферментативной металлографии (рис. 10) являются линейными, без насыщения при больших временах процесса. Это может быть связано с наличием на поверхности наночастиц адсорбированного фермента, генерирующего H₂O₂, что препятствует сопропорционированию золота. Величина скорости процесса для 94 мкг/мл глюкозооксидазы составляет 22.4 нм³/мин, что заметно ниже по сравнению со скоростью автометаллографии при той же эффективной концентрации пероксида водорода (~10^_4 M). По нашему мнению, это связано с медленной генерацией H₂O₂ в ферментативной реакции. Кажущееся отсутствие начального нестационарного участка также связано с низкой скоростью роста наночастиц, протекающего медленнее, чем обмен ионов на их поверхности. Зависимость скорости ферментативной металлографии от концентрации глюкозы близка к линейной, что косвенно свидетельствует о протекании реакции по первому кинетическому порядку по концентрации глюкозы. Величина кажущейся константы скорости процесса составляет 2.74Ч10³ c?№.

Рис. 9 Распределение объектов по высоте после 30 мин ферментативной металлографии при 0.1 M глюкозы. Область сканирования - 10 мкмІ

Рис. 10 Зависимость оптической плотности (л = 520 нм) раствора наночастиц размером 10 нм от времени при ферментативной металлографии в присутствии 0.01 M глюкозы, 141 мкг/мл (пунктир) и 92 мкг/мл глюкозооксидазы (сплошная линия)

Существует и другой вариант ферментативной металлографии, связанный с ускорением автометаллографии пероксидазой хрена. В случае восстановления серебра для этого необходима модуляция пероксидазной активности ЭДТА при pH 6. В случае золота данный комплексон участвует в побочных реакциях, в том числе восстанавливает золотохлористоводородную кислоту без участия H₂O₂. Однако ускорение восстановления HAuCl₄ пероксидом водорода в присутствии пероксидазы достигается и в отсутствие ЭДТА.

Еще одним способом создания наноструктур является агрегация наночастиц полиэлектролитами, связанная с взаимодействием положительных зарядов поликатиона и адсорбированных на поверхности наночастиц цитрат-ионов. Были использованы следующие полиэлектролиты: хитозан, полиэтиленимин, хлорид поли-п-винилбензилпиридина, бромид поли-4-винилбензилпиридина, хлорид полидиметилдиаллиламмония. С повышением концентрации полиэлектролита максимум поглощения прекурсора смещается в длинноволновую область (рис. 11). Во всех рассмотренных случаях были получены устойчивые растворы агрегатов с воспроизводимыми характеристиками. Кинетические закономерности образования агрегатов соответствуют обычно наблюдаемым для процессов первого порядка по концентрации наночастиц.

Наиболее высокая поверхностная концентрация изолированных наночастиц и агрегатов, получаемых в процессе иммобилизации наночастиц на обработанные полиэлектролитами поверхности, достигается при использовании хлорида полидиметилдиаллиламмония в случае последовательных стадий взаимодействия поверхности с полиэлектролитом и прекурсором (рис. 12).

Рис. 11 Спектры поглощения раствора наночастиц размером 10 нм в отсутствие (жирная линия) и в присутствии 1.58 (пунктир) и 7.91 мг/мл хлорида полидиметилдиаллиламмония (сплошные линии) после (сверху вниз) 5; 10.5; 16; 21; 26.5; 32 мин выдержки

Рис. 12 Агрегаты золотых наночастиц, сформировавшиеся в процессе иммобилизации наночастиц на обработанную хлоридом полидиметилдиаллиламмония поверхность полированного кремния

В четвертой главе рассмотрены вопросы практического применения золотых наноструктур, среди которых особое внимание уделено спектроскопии ГКР. Идея использования наноструктур золота в спектроскопии ГКР состоит в следующем. На поверхность наночастиц иммобилизуют краситель:

На поверхности подложки создают наноструктуры. Когда наночастицы с иммобилизованным красителем связываются с такой поверхностью, в ее спектре ГКР появляются линии красителя, интенсивность которых зависит от количества связавшихся с ней наночастиц. Исследование зависимости интенсивности сигнала от условий иммобилизации красителя показало, что наиболее высокая интенсивность достигается при минимальной ионной силе раствора.

Исследование способности различных золотых наноструктур к усилению сигнала в спектре ГКР красителя показало, что автометаллография многократно увеличивает эту способность (рис. 13). При использовании заранее полученных наночастиц размером 45 нм, что близко к оптимальному размеру, наблюдается существенно меньшее усиление сигнала (рис. 13). Следовательно, основной вклад вносит приобретение наноструктурами новых квантовомеханических свойств в результате изменения их формы. Дополнительное усиление достигается при введении KI в используемый для обработки поверхности раствор полиэлектролита (рис. 13, б), что, вероятно, влияет на конформацию полиэлектролита и, следовательно, на структуру агрегатов. Действительно, на поверхности таких образцов, прошедших автометаллографию, присутствуют агрегаты ветвистой формы, отсутствующие на поверхности остальных образцов.

Рис. 13 Интенсивность сигнала образцов, представляющих собой поверхность алюминия, последовательно обработанную растворами: 10.98 мг/мл хлорида полидиметилдиаллиламмония в присутствии 20 мM KCl (a) или KI (б); золотых наночастиц размером 10 нм или 45 нм; раствором полиэлектролита того же состава; золотых наночастиц размером 45 нм с иммобилизованным красителем. Правый столбец соответствует случаю, когда наночастицы размером 10 нм после иммобилизации подверглись автометаллографии

Для исследования применимости золотых наноструктур в иммуноанализе был использован конъюгат золотых наночастиц с красителем, антителами к приону и стабилизатором (полиэтиленгликолем). На мембрану оказалось достаточным наносить 200 мкл раствора приона с концентрацией 50 нг/мл, на поверхность алюминия - 90 мкл.

Успешное определение приона в описанных случаях связано не только с усилением сигнала наночастицами, входящими в состав конъюгата, но и с формированием золотых наноструктур на олигомерах приона. Изучение кинетики олигомеризации приона методом атомно-силовой микроскопии показало, что данный процесс описывается автокаталитической схемой с константой скорости 2.15·10^-6 сут?№. Период полупревращения составил 48 сут.

Основные результаты и выводы

Установлено, что иммобилизация золотых наночастиц на модифицированные аминогруппами кремнийсодержащие поверхности сопровождается агрегацией, но позволяет получать поверхности с воспроизводимым распределением наночастиц по высоте. Найдено, что зависимость поверхностной концентрации наночастиц и агрегатов от продолжительности иммобилизации описывается кривой с насыщением.

Показано, что автометаллография с использованием пероксида водорода в качестве восстановителя не сопровождается зародышеобразованием. Найдено, что рост иммобилизованных золотых наночастиц в процессе автометаллографии протекает в кинетическом режиме. Показано, что кроме роста наночастиц происходит их растворение в результате сопропорционирования золота, приводящее к выходу кинетических кривых на насыщение в результате установления динамического равновесия.

Найдено, что рост золотых наночастиц в процессе ферментативной металлографии приводит к качественному изменению их распределения по высоте. Показано, что кинетические кривые ферментативной металлографии выходят на насыщение.

Проведено исследование закономерностей процесса агрегации золотых наночастиц полиэлектролитами. Установлено, что агрегация золотых наночастиц под действием поликатионов позволяет воспроизводимо получать устойчивые растворы агрегатов. Найдено, что при иммобилизации золотых наночастиц на обработанные полиэлектролитами поверхности наиболее высокая поверхностная концентрация изолированных наночастиц и агрегатов достигается при использовании хлорида полидиметилдиаллиламмония. Показано, что при использовании послойного нанесения полиэлектролитов поверхностная концентрация наноструктур уменьшается.

Установлено, что автометаллография позволяет получить золотые наночастицы оптимального для ГКР размера. Получены золотые наноструктуры, обладающие способностью многократного усиления сигнала в спектре ГКР, которые также могут быть использованы для высокочувствительного спектрофотометрического определения адсорбированных веществ.

Список опубликованных работ

Пестовский, Ю.С. Исследование закономерностей роста золотых наночастиц, иммобилизованных на поверхности слюды, при восстановлении золотохлористоводородной кислоты пероксидом водорода / Ю.С. Пестовский, И.А. Будашов, И.Н. Курочкин // Российские нанотехнологии. 2011. Т. 6, №3-4. С. 46-50.

Пестовский, Ю.С. Кинетика и механизмы роста золотых наночастиц в процессе автометаллографии // Известия Вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55, Вып. 4. С. 68-71.

Пестовский, Ю.С. Использование агрегации золотых наночастиц полиэлектролитами для повышения интенсивности сигнала в спектре гигантского комбинационного рассеяния // Известия Вузов. Химия и хим. технология. 2012. Т. 55, Вып. 5. С. 122-125.

Пестовский, Ю.С. Исследование трансформации иммобилизованных золотых наночастиц в процессе автометаллографии методом атомно-силовой микроскопии / Ю.С. Пестовский, И.Н. Курочкин // Вестник МИТХТ. 2011. Т. VI, №1. С. 119.

Пестовский, Ю.С. Влияние поверхности образца и условий иммобилизации красителя на его спектр ГКР / Ю.С. Пестовский, И.А. Будашов // Вестник МИТХТ. 2012. Т. VII, №1. С. 103-104.

Пестовский, Ю.С. Исследование закономерностей роста золотых наночастиц, иммобилизованных на поверхности слюды, при восстановлении тетрахлорзолотой кислоты пероксидом водорода / Пестовский Ю.С., Будашов И.А., Курочкин И.Н. // Сборник тезисов IV международной конференции “Современные достижения бионаноскопии”. Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 15-18.6.2010. С. 55.

Пестовский, Ю.С. Получение золотых наночастиц для высокочувствительного иммуноанализа на основе ГКР / Пестовский Ю.С., Будашов И.А. // Сборник тезисов V международной конференции “Современные достижения бионаноскопии”. Москва, МГУ имени М.В. Ломоносова, 15-17.6.2011. С. 35.

Пестовский, Ю.С. Высокочувствительное определение прионового белка с использованием спектроскопии ГКР / Пестовский Ю.С., Будашов И.А. // Материалы II международной школы “Наноматериалы и нанотехнологии в живых системах. Безопасность и наномедицина”. Московская область, 19-24.9.2011. С. 92-93.

Пестовский, Ю.С. Получение конъюгата золотых наночастиц с красителем и антителами для иммуноанализа с использованием ГКР / Пестовский Ю.С., Будашов И.А. // Материалы IV Конгресса “Опухоли головы и шеи”. Байкал, 2-4.9.2011. С. 74-75.

Pestovsky, Y.S. The investigation of the growth mechanism of metal nanoparticles by gold enhancement / Pestovsky Y.S., Budashov I.A. // Abstracts. International conference “Biocatalysis-2009: Fundamentals & Applications”. Arkhangelsk, June, 24-26, 2009. P. 63-64.

Размещено на Allbest.ru