溶媒極性の異なる化学還元法による様々なサイズの金ナノ粒子の合成

はじめに

金ナノ粒子（GNP）は、医学療法[1]、薬物送達[2]、化学センシング[3、4]、触媒作用[5]、電子[6]など、科学および工学アプリケーションの多くの分野で潜在的な候補として認識されています。サイズと形状に依存する表面プラズモン共鳴（SPR）[7]、有機種との親和性、およびGNPの高い電気伝導特性[8]によるアプリケーション。 GNPの需要が指数関数的に増加していることを考えると、制御可能なサイズと形態を持つ単分散ナノ粒子を合成することに、はるかに多くの注意が払われています。さまざまな反応物、安定剤またはリガンド[9]、温度、pH、濃度などの反応条件[4]、および分散媒体（さまざまな種類の溶媒など）を組み込むことにより、GNPの特性を制御するための多くの設計原則が提案されています。 [10]。

GNPの化学合成において、Turkevich法は他の方法と比較して有望な方法です。 Turkevich法では、Au ³⁺ イオンは、水性媒体中でクエン酸[11]、アスコルビン酸[12]、タンニン酸[13]などの穏やかな還元剤によって還元されます。このプロセスでは、比較的小さなサイズで生体適合性のあるGNPが生成されます。ただし、この方法の主な欠点は、高度に制御可能なプロセスプロトコル（温度、濃度、およびpH）であり、望ましいサイズの単分散粒子を生成するには厳密に従わなければなりません。さらに、純粋な水性媒体では、有機薬物分子によるGNPの標識と、異なるリガンドによる表面修飾は、水への有機成分の溶解性と疎水性が低いために困難です[14]。したがって、溶媒の特性を大幅に制御する反応媒体を最適化することにより、Turkevich法のこれらの制限を克服することに注意が払われます。

溶媒は、コロイド合成プロセスにおけるナノ粒子の成長と集合に重要な役割を果たします。ナノ粒子表面と溶媒分子間の相互作用、または溶媒分子とリガンド分子間の相互作用は、最終的な粒子サイズと形態に大きく影響します[15、16]。一般に、受動配位子またはキャッピング剤がない場合、粒子の成長を制御する電気二重層の強度は、主に溶媒分子の性質によって支配されます。分散媒の極性指数が高い場合、ナノ粒子表面に大量の荷電イオンが吸着し、コロイド粒子の周囲に強い電気二重層が形成されます[17]。その結果、粒子のゼータ電位が上昇し、粒子同士が反発して凝集するのを防ぎます。ただし、ナノ粒子の周囲の表面電荷は溶媒の極性によって操作でき、粒子間の相互作用はサイズと形状を最適化する前に制御されます[18]。たとえば、Song et al 。 異なる極性の有機溶媒で1〜6nmの範囲のチオールキャップGNPを生成しました[19]。溶媒の異なる極性でGNPのサイズを最適化するための研究はほとんど提案されていませんが、最終粒子のサイズは狭い範囲（20 nm未満）の間にあり、治療やドラッグデリバリーなどのGNPの主要なアプリケーションを完全に満たすことはできません。 。

一方、反応媒体中にリガンドが存在する場合、溶媒分子とリガンド間の相互作用は、ナノ粒子の成長と集合にかなりの影響を及ぼします。同様の研究は、コロイド溶液中の非水媒体溶媒和有機リガンド分子がナノ粒子をさらなる成長と凝集から大いに保護することを示しています[20、21]。ただし、高濃度、高分子量、長さの長いリガンドなどの特定の状況では、コロイド状ナノ粒子の凝集または高成長を引き起こす可能性があります。特に、溶媒の異なる極性でのリガンド分子の異なる膨潤および伸長速度は、コロイド合成におけるナノ粒子の成長および集合を容易に誘発します[22]。ただし、この悪影響は、制御可能なサイズのナノ粒子を成長させるためのツールとして利用できます。ナノ粒子の成長に溶媒が直接関与するだけでなく、溶媒を使用してリガンドの特性を制御するという概念により、さまざまなサイズスケールのGNPを合成できる可能性があります。

前述の提案を考慮して、この研究では、反応媒体の極性指数をツールとして使用して、リガンドまたは安定剤と表面電荷を制御することにより、GNPのサイズと形態を最適化する方法を提案します。本研究では、還元剤としてL-アスコルビン酸、安定剤としてPVPを用いた化学還元法によりGNPを合成しました。水分子と比較して、エタノール（この研究で選択された極性有機溶媒）の極性指数は低くなっています。したがって、反応媒体の極性指数は、エタノールを水にさまざまな体積比で添加することによって操作されました。従来のTurkevich法とは異なり、この提案された手法を使用して、最小限のプロトコルで単一のステップで、幅広い好ましいサイズのGNPを備えたGNPを合成することが期待されます。

メソッド

資料

HAuCl ₄ ∙3H ₂ O（99％以上の微量金属ベース）、結晶性L-アスコルビン酸、ポリビニルピロリドン（PVP）K60、および水酸化ナトリウム（NaOH）ペレットは、Sigma-Aldrich（ミズーリ州、米国）から購入しました。エタノール（99.90％アッセイ）はJ-Kollin Chemicals（UK）から入手し、再蒸留水（ddH ₂ O）は研究室（化学工学部、UiTM、マレーシア）から入手しました。

金ナノ粒子（GNP）の準備

コロイド状GNPは、アスコルビン酸を組み込んだ修正Turkevichアプローチを使用して調製しました[23]。この方法では、還元剤としてL-アスコルビン酸を使用し、安定剤としてポリビニルピロリジン（PVP）を使用しました。還元剤溶液は、L-アスコルビン酸を無水エタノールまたはエタノールと水の二成分溶媒混合物の体積比20％、50％、および80％に溶解することによって調製しました。エタノールと水の二成分溶媒混合物に加えられた水の総量は、式（１）に従って決定された。 （1）。さらに、PVPをL-アスコルビン酸/エタノールと水溶媒の混合物に直接溶解し、低デシベル超音波処理下で最終濃度を1％（w / v）にしました。最後に、還元剤溶液のpHを、2 MNaOHを滴下して初期値から10.5に調整しました。

ここで、水の量は V _W 、塩化金の量は V _GC 、および反応混合物の総量はV _R 。

GNP形成反応混合物は、5 mM HAuCl ₄ を迅速に注入することによって調製されました。 水溶液から還元剤溶液へ。反応混合物の総量は、20mlのHAuCl ₄ に維持されました。 およびL-アスコルビン酸溶液。 HAuCl ₄ の初期濃度 最終反応混合物中のL-アスコルビン酸は、HAuCl ₄ のモル比でそれぞれ0.15mMと1.5mMに設定されました。 1:10のL-アスコルビン酸に。反応混合物を周囲温度で800rpmで30分間激しく撹拌し、得られたGNPコロイドをワットマン実験用濾紙を使用して濾過した後、4℃で保存して連続反応を回避しました。

特性評価と計測

UV-vis特性評価

各GNPサンプルのUV可視吸光スペクトルは、Agilent Cary 60 UV-Vis分光光度計を使用して周囲温度（25°C）で測定されました。得られたGNPの最大表面プラズモン共鳴（SPR）波長は、得られたUV-Visデータから決定され、粒子サイズが比較されました。

粒度分布とゼータ電位

Malvern Zetasizer nanoZS機器を使用して、GNPの平均粒子サイズ、サイズ分布、多分散度指数（PDI）、およびゼータ電位を測定しました。 PDI値は、式（1）を使用して動的光散乱（DLS）測定の強度粒子サイズ分布（PSD）グラフから計算されました。 （2）[24]：

混合溶媒の極性指数分析

反応媒体の極性は、水と有機溶媒の異なる体積比を混合することによって最適化されました。さらに、有機溶媒-水で得られた混合物の正味極性指数 P ′、式で与えることができます。 （3）[25]。

ここで、\（{p} _i ^ {\ prime} \）は溶媒 i の極性指数です。 、および∅ _i 溶媒の体積分率 i 混合物で。蒸留水と無水エタノールの極性指数は、それぞれ9.0と5.2でした。

透過型電子顕微鏡（TEM）と粒子サイズ分布

TEM測定の前にGNPサンプルを超音波処理しました。次に、超音波処理した懸濁液/コロイドの液滴を200メッシュのFormvar銅グリッドに滴下しました。グリッドは、イメージング用に200 kV FEI、Tecnai G2 20ツイン透過型電子顕微鏡に挿入した後、「シングルチルト」サンプルホルダーに配置されました。さらに、TEM画像からの粒子サイズとサイズ分布の定量分析は、ImageJ画像処理ソフトウェアを使用して分析されました。

結果と考察

図1は、エタノールと水溶媒の混合物のさまざまな体積比で合成されたコロイド状GNPのUV-Visスペクトルを示しています。通常、最大SPR吸収波長（λ _m ）のGNPは、サイズと形状に依存します[26、27]。図1に示すように、最大​​λ _m 合成されたコロイド状GNPの右へのシフトは、合成されたGNPのサイズが、水中のエタノールの体積比の増加とともに増加したことを意味します。最大λ _m 20％および50％の体積パーセントのエタノールを含む反応混合物で合成されたコロイド状GNPの割合は、吸収波長の短い領域（514nmおよび520nm）に現れます。これは、小さなサイズのGNPが低体積パーセントのエタノールで生成されたことを意味します。さらに、最大λ _m エタノールで合成されたGNPの、体積パーセントが80％の水、または絶対エタノールがそれぞれ575nmと561nmの高波長領域にシフトしました。これらのシフトは、GNPの不均一な形状を意味する、グラフのより大きなサイズと幅広い傾向の形成を示しています。

エタノールと水の二成分溶媒混合物の20％、50％、80％、100％の体積パーセントにおけるGNPのUV-Visスペクトル

異なる極性指数を持つエタノール対水混合物の異なる体積パーセントで合成されたGNPをDLSを使用して定量化し、得られたGNPのサイズ分布を図2に示します。さらに、平均粒子サイズ、GNPのPDI値、および極性生成されたGNPのエタノール-水混合物のインデックスを表1にまとめています。図2は、エタノールの体積パーセントの増加に伴ってDLSサイズ分布が増加することを示しています。無水エタノール、80％、50％、および20％エタノール対水体積パーセントを含む溶媒混合物中のGNPの平均流体力学的直径は、それぞれ154±56.7、219±84.9、28±10.5、および22±4.6 nmでした（表を参照）。 1）。これらのDLSの結果は、エタノールと水の混合物の高い極性指数で小さな粒子が生成された、またはその逆であるというこの研究のUV-Visの結果と類似しています。

エタノールと水の二成分溶媒混合物の20％、50％、80％、および100％の体積パーセントにおけるGNP粒子のDLSサイズ分布の傾向

エタノールと水溶媒の混合物のさまざまな体積パーセントの計算された極性指数値を表1に示します。二成分溶媒混合物の極性指数は、溶媒混合物中のエタノール（有機溶媒）の体積パーセントの増加とともに減少します。ここで、この研究のUV-VisおよびDLSの結果は、小さいサイズのGNPが反応媒体の高い極性指数で生成されたのに対し、大きいサイズのGNPは反応媒体の低い極性指数で生成されたことを示しています。溶媒とリガンドの両方が、コロイド状ナノ粒子合成プロセスにおけるナノ粒子の成長と集合を制御する上で重要な役割を果たすことがよく研究されています。ナノ粒子の形成中、溶媒分子とリガンド分子は、表面結合部位をブロックすることにより、粒子の成長を制御および減速します。ただし、溶媒混合物の極性が異なるなどの特定の条件では、溶媒分子とリガンド分子もコロイド溶液中でのナノ粒子の成長と集合を引き起こす可能性があります。この声明と一致して、UV-VisおよびDLSの結果は、PVPでキャップされたGNPの成長と集合が、二成分溶媒混合物中のエタノールの体積分率の増加とともに増加したことを示しています。これらの発見を検証するために、エタノールと水の二成分溶媒混合物におけるPVPキャップGNPの成長の対応するメカニズムは、溶媒による成長とリガンドによる成長の2つの段階で解釈できます（図3を参照）。

GNPの成長が（ a によって支配される長いポリマー鎖リガンド分子の存在下でのコロイド溶液中のGNPの成長段階 ）溶媒分子および（ b ）リガンド分子

最初の段階では、モノマーの核形成後、GNPの成長は溶媒分子によって支配されていました。コロイド溶液では、高極性溶媒分子がナノ粒子表面に高い表面電荷を分配し、粒子がそれ以上成長するのを防ぐ強力な電気二重層を構築しますが、低極性指数溶媒分子は粒子の周りに弱い電気二重層を形成し、より高い成長をもたらします。集約[28]。表面電荷と反応の極性指数の相関関係は、式（1）で与えられるポアソン方程式を使用して説明できます。 （4）[29]。

ここで、ρ は電荷密度、ψ は電位、ε は真空の誘電率、ε _o は誘電率であり、 x は粒子表面間の距離です。

式によると。 （4）、ナノ粒子表面の電荷密度（ρ ）は誘電率（ε）に比例します _o ）媒体の極性指数によって支配される周囲の。この研究では、対応する溶媒の極性指数値は、水>エタノールのように並べ替えることができます。したがって、水の体積パーセントが高い分散媒体は、極性が高いため、GNP表面により高い表面電荷を提供できます。さらに、アスコルビン酸は還元剤として作用し、電子を金属塩に供与して金ナノ粒子を形成します。アスコルビン酸は、無水エタノールよりも純水への溶解度が高いため、水分子との水素結合の確立が促進されます。また、溶解度が高いほど、Au ⁰ の高速核形成のためのより多くの自由電子移動が促進される可能性があります。 GNPの成長を遅らせるモノマー[30]。これらの事実により、GNPの成長速度は、エタノールと水溶媒の混合物の極性指数値に反比例しました。

第2段階では、GNPの成長と集合は主にリガンド分子（PVP）によって支配されているという仮説が立てられました（図3（b）を参照）。コロイド溶液中にリガンド分子が存在する場合、リガンドはナノ粒子表面に吸着または共有結合し、粒子表面と溶媒の間の界面エネルギーを制御するか、類似のリガンドでコーティングされたものの間に反発力を生み出すことにより、ナノ粒子がさらに成長および集合するのを防ぎます粒子[28]。ただし、吸着されたリガンド分子が高濃度、長いポリマー鎖、または高分子量を持っている場合、それらはコロイド溶液にテール、トレイン、およびループを形成します。図3（b）に示すように、リガンド鎖のこれらの突出したテール、トレイン、およびループは、ナノ粒子を橋渡しし、コロイドの凝集を誘発します[31]。ナノ粒子におけるこの架橋凝集は、ナノ粒子における二次シード媒介成長を促進する可能性があり、それによって粒子を容易に成長させることができる。この研究では、コロイド溶液中のGNPを安定化するために1％（w / v）のPVPが使用されました。 PVPは、親水性のヘッド（C =OおよびN種で構成される）と疎水性の高い炭化水素のバックチェーンを持つ両親媒性分子です。極性有機溶媒では、有機分子は、図4（a）に示すように、PVPのカルボキシル基とバックボーン炭化水素テールの両方と大きな親和性を持っています。ただし、単に水性媒体では、水分子は水素結合を介してPVPのカルボキシルヘッドとのみ結合でき、図4（b）に示すように、疎水性テールは独立して懸濁液に残ります。したがって、PVP分子は、純粋な水性媒体よりも高い程度で有機溶媒中で溶媒和および膨潤します[21]。証拠として、Guettari等。エタノールと水溶媒の混合物の体積パーセントが異なる場合のPVPポリマーの挙動を調査しました。この研究の効果的な溶媒相互作用とポリマー（ESIP）モデリングの実験結果は、PVP分子の流体力学的半径とポリマー-ポリマー相互作用がエタノールのモル分率の増加とともに増加することを確認しています[32]。エタノールのより高い体積分率におけるPVP分子のこの増加する球形サイズは、GNPの架橋を強化し、高い成長または集合をもたらします。したがって、高度に伸長した1％（w / v）のPVP鎖が粒子を凝集させ、異なる形状のGNPの集合または凝集を形成し、エタノールの高い体積比で高い成長をもたらすと結論付けられました[33,34,35]。 。

（ a ）エタノール分子とPVP分子間の相互作用および（ b ）H ₂ 間の相互作用 O分子とPVP分子

さらに、エタノール-水溶媒混合物の極性指数を変化させた場合のナノ粒子の成長と集合に対するリガンド分子の影響を、得られたGNPのゼータ電位によって分析しました。エタノールと水の体積比を変えて合成したGNPのゼータ電位値を図5に示します。得られた結果は、エタノールの体積分率が高くなると、PVP安定化GNPのゼータ電位値が低下することを示しています。一般に、ポリマーは粒子の電気二重層のすべり面を変位させ、ゼータ電位値を変化させる可能性があります。ゼータ電位の値の変化は、界面の表面電荷と吸着されたポリマーの量に依存します[22]。同様の研究により、完全にPVPでキャップされたGNPのゼータ電位値は約-6 mVであることがわかりました[23、36]。さらに、この負のゼータ電位値は、GNP表面への吸着量PVPが減少するにつれて増加する可能性があります[22]。したがって、無水エタノールで得られたゼータ電位の最低値（-5.53 mV）は、合成されたGNPがPVP分子に完全に囲まれていることを示しています。一方、ゼータ電位値はエタノールの体積比の増加とともに減少しました。これは、PVPが有機溶媒（エタノール）の体積比が高い場合に高度に吸着したことを意味します。

エタノールと水の二成分溶媒混合物の20％、50％、80％、100％の体積パーセントにおけるPVP安定化GNPのゼータ電位値

エタノールと水溶媒の混合物の極性指数が異なる合成GNPのTEM画像を図6に示します。図6（a）および（b）は、ほぼ球状のナノ粒子の9.7nmおよび13.9nmが20％および50で生成されたことを示しています。それぞれ、エタノールと水溶媒の混合物の体積パーセント。一方、図6（c）は、エタノールと水の混合物の体積パーセントが80％のGNPの典型的な画像を示しています。 TEM画像は、GNPの不規則な形状[37]とより大きなサイズ（約53.1 nm）がエタノール溶液の80％の体積パーセントで形成され、これらの粒子がコロイド溶液に凝集したことを示しています。同様に、GNPの比較的大きく不規則な形状の37.2 nmの平均直径は、無水エタノールでも生成されました。これらの結果は、この研究の以前のUV-VisおよびDLSの結果に準拠しています。この結果では、反応媒体の極性指数の値が低いために粒子のサイズが大きくなり、その結果、粒子の成長と高度に拡張されたPVPによるアセンブリが発生しました。エタノール-溶媒混合物の低極性指数のポリマー鎖。

（ a を含む水に対するエタノールのさまざまな体積分率で生成されたGNP懸濁液の色、TEM画像、およびサイズ分布 ）20％、（ b ）50％、（ c ）80％、および（ d ）100％エタノール

水に対するエタノールの体積パーセントの80％でのGNPのサイズは、絶対エタノールでのGNPのサイズよりも大きいことを通知する価値があります。

図7（a）および（d）は、エタノールと水および無水エタノールの体積比がそれぞれ80％のGNPのTEM画像を比較しています。 GNPはクラスターとして凝集し（図7（a–c））、エタノールの体積比が80％で直線的に整列しました（図7（a）および（b））。凝集（図7d）。水とエタノール分子とPVPポリマー鎖およびナノ粒子表面との非対称相互作用により、水に対する80％エタノールの組成がGNP一次粒子の表面エネルギーを急速に増加させると仮定しました。したがって、配向付着メカニズムによって凝集した粒子は、この表面エネルギーを最小限に抑えるために、より大きなサイズのナノクラスターを形成しました[38、39]。さらに、水およびエタノール分子とPVPポリマー鎖との非対称相互作用によって生じた粒子の双極子-双極子相互作用に起因する、80％エタノール中のGNPの水への線形整列[40]。さらに、DLSを使用して得られたGNPの平均流体力学的直径は、TEM画像から計算されたサイズよりも大きいことが観察されました。この研究では、GNPは過剰量のPVPポリマー溶液で合成されました。したがって、DLS技術では、粒子の直径だけでなく、細長いポリマーテール、トレイン、およびループを備えたキャッピングポリマー層も測定しました。さらに、DLSは、個々の粒子の代わりにフロックのサイズを測定する場合があります（たとえば、80％エタノールから水へのGNPサンプル）。その結果、DLSを使用して測定されたGNPの平均サイズは、TEMを使用した場合よりも大きくなりました。

GNPのTEM画像（ a ）、（ b ）および（ c ）エタノールの体積パーセントが80％の凝集粒子（ d ）100％エタノール中の個別の粒子

結論

この研究では、変数として有機溶媒の極性を使用したサイズ選択的GNPの合成について説明しました。 GNP成長における溶媒極性の影響は、エタノールおよびL-アスコルビン酸中のエタノール-水混合物中でPVPキャップ付きGNPを合成することによって調査されました。 UV-visスペクトルとDLS測定により、溶媒の極性指数が減少するにつれて粒子サイズが増加することが確認されました。これらの結果に基づいて、GNPの成長は化学還元プロセス中に2段階で制御されました。粒子の成長は、ナノ粒子の周りに強力な二重層を形成することにより、最初は溶媒分子によって制御されていました。次に、GNPの組み立てと安定性は、第2段階の安定剤またはリガンド分子によって制御されます。ただし、GNPの成長は、両方の段階で反応媒体の極性指数が低下するにつれて増加します。中断されたGNPとTEM画像の最終的な色は、生成されたGNPの形態を暗示しています。特に、溶媒混合物の極性が高いと、球形のGNPが生じ、極性指数が低い環境では、GNPの形状が不規則になります。この調査では、溶媒極性指数に依存する粒子の成長と集合を利用して、さまざまなサイズと形状のGNPを1つのステップで合成する新しいアプローチに取り組みました。

データと資料の可用性

この調査中に生成または分析されたすべてのデータは、この調査に含まれます。実験作業中に取得および分析された生のデータセットは、合理的な要求に応じて対応する作成者から入手できます。

略語

GNP：

金ナノ粒子

NP：

ナノ粒子

PVP：

ポリビニルピロリドン

TEM：

透過型電子顕微鏡

DLS：

動的光散乱

PDI：

多分散度指数