溶媒極性を用いた化学還元法における金ナノ粒子サイズの制御

概要

化学合成法で金ナノ粒子(GNP)のサイズを調整するには、複雑で厳格なプロトコルが必要です。本研究では、化学還元法におけるGNPサイズ調整のツールとして溶媒の極性に着目しました。反応媒質の極性指数を変化させた場合のGNP合成への影響を調査しました。極性溶媒としてエタノール、反応媒質としてエタノール-水混合液、還元剤としてL-アスコルビン酸、安定化剤としてポリビニルピロリドン(PVP)を用いてGNPを合成しました。エタノールと水の体積比を変えることで反応媒質の極性指数を調整しました。UV-Vis、動的光散乱(DLS)、透過型電子顕微鏡(TEM)による評価の結果、反応媒質の極性指数が低下する(約8.2から5.2)につれて、ナノ粒子の成長が徐々に増加し(水力学的直径約22から219 nm)、高極性指数ではより小さな球状ナノ粒子が、低極性指数ではより大きな異形状のGNPが生成されることが明らかになりました。これらの結果は、配位子または安定化剤でキャップされたGNPの成長、会合、凝集現象のメカニズムが溶媒分子の極性に強く依存することを示しています。提案手法では、反応媒質中の有機溶媒体積百分率を調整するだけで、さまざまな形態・サイズの広い範囲のGNPを合成できます。

はじめに

金ナノ粒子(GNP)は、サイズ・形状依存的な表面プラズモン共鳴(SPR)[7]、有機物質との親和性、高い電気伝導性[8]により、医療[1]、薬物送達[2]、化学センサー[3, 4]、触媒[5]、電子[6]用途など多くの分野で有望な候補とされています。GNP需要が指数関数的に増加する中、制御可能なサイズと形態を持つ単分散ナノ粒子の合成により多くの注目が集まっています。異なる反応物、安定化剤、配位子[9]、温度・pH・濃度などの反応条件[4]、分散媒質(溶媒の種類など)[10]を導入することでGNP特性を制御する設計原則が多数提案されています。

GNPの化学合成では、Turkevich法が他の手法に比べて有望です。Turkevich法では、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で水性媒質中でAu³⁺イオンを還元します。このプロセスでは、比較的小さく生体適合性の高いGNPが生成されます。しかし、この方法の主な欠点は、温度、濃度、pHなどの高度に制御されたプロセスプロトコルを厳守しなければ、望ましいサイズの単分散粒子が得られないことです。さらに、純水媒質では有機薬物分子によるGNP標識や異なる配位子による表面修飾が、有機成分の水への溶解性と疎水性が低いため困難です[14]。したがって、溶媒の特性を大きく制御する反応媒質を最適化することで、Turkevich法のこれらの限界を克服しようとする試みがなされています。

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会合に重要な役割を果たします。ナノ粒子表面と溶媒分子の相互作用、または溶媒分子と配位子分子の相互作用が、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、受動的配位子やキャッピング剤がない場合、コロイド粒子の成長を制御する電気二重層の強度は溶媒分子の性質によって支配されます。高極性指数の分散媒質では、大量の帯電イオンがナノ粒子表面に吸着し、コロイド粒子の周り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、粒子同士が反発し合って凝集が防止されます。しかし、ナノ粒子周りの表面電荷は溶媒極性で操作でき、粒子間相互作用を制御してサイズと形状を最適化できます[18]。例えば、Songらは異なる極性の有機溶媒で1-6 nm範囲のチオール修飾GNPを生成しました[19]。溶媒極性の違いによるGNPサイズ最適化に関する研究はいくつかありますが、最終粒子サイズは20 nm未満の小さな範囲に留まり、治療や薬物送達などのGNP主要用途を完全には満たせません。

一方、反応媒質に配位子が存在する場合、溶媒分子と配位子の相互作用がナノ粒子の成長と会合に大きく影響します。類似の研究では、非水媒質がコロイド溶液中の有機配位子分子を溶媒和し、ナノ粒子の更なる成長と凝集をかなり防止することが示されています[20, 21]。しかし、高濃度、高分子量、長い配位子などの特定条件下では、コロイドナノ粒子の凝集や過度な成長を引き起こす可能性があります。特に、異なる極性の溶媒における配位子分子の異なる膨潤と伸長率が、コロイド合成におけるナノ粒子の成長と会合を容易に引き起こします[22]。しかし、この負の効果を逆手に取って、制御可能なサイズのナノ粒子を成長させるツールとして利用できます。溶媒のナノ粒子成長への直接的な関与以上に、溶媒を用いて配位子の特性を制御する概念により、幅広いサイズスケールのGNP合成が可能になるかもしれません。

以上の提案を考慮し、本研究では反応媒質の極性指数をツールとして配位子・安定化剤と表面電荷を制御し、GNPサイズと形態を最適化する手法を提案します。本研究では、還元剤としてL-アスコルビン酸、安定化剤としてPVPを用い、化学還元法でGNPを合成しました。水分子と比較して、本研究で選択した極性有機溶媒エタノールの極性指数は低いため、エタノールを水に様々な体積比で添加することで反応媒質の極性指数を操作しました。従来のTurkevich法とは異なり、この提案手法では最小限のプロトコルで単工程で幅広い好ましいサイズのGNP合成が期待できます。

方法

材料

HAuCl₄·3H₂O(≥99% trace metal basis)、結晶性L-アスコルビン酸、ポリビニルピロリドン(PVP)K60、水酸化ナトリウム(NaOH)ペレットをSigma-Aldrich(米国ミズーリ州)から購入しました。エタノール(99.90% assay)はJ-Kollin Chemicals(英国)から、二重蒸留水(ddH₂O)は研究室(マレーシアUiTM化学工学部)から入手しました。

金ナノ粒子(GNP)の調製

コロイドGNPは、アスコルビン酸を組み込んだ改良Turkevich法[23]で調製しました。この方法では、L-アスコルビン酸を還元剤、ポリビニルピロリジン(PVP)を安定化剤として使用しました。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-水二元溶媒混合物(体積比20%、50%、80%)に溶解して調製しました。エタノール-水二元溶媒混合物に添加する水の総量は式(1)に従って決定しました。さらに、PVPをL-アスコルビン酸/エタノール-水溶媒混合物に直接溶解し、最終濃度1%(w/v)になるよう低デシベル超音波処理下で行いました。最後に、2 M NaOHを滴下して還元剤溶液のpHを初期値から10.5に調整しました。

溶媒混合物中の水の体積百分率(%) = (V_w + V_GC) / V_R × 100 (1)

ここで、V_wは水の体積、V_GCは金塩化物の体積、V_Rは反応混合物の総体積です。

GNP形成反応混合物は、5 mM HAuCl₄水溶液を還元剤溶液に急速注入して調製しました。反応混合物の総体積はHAuCl₄とL-アスコルビン酸溶液で20 mLに維持しました。最終反応混合物中のHAuCl₄とL-アスコルビン酸の初期濃度をそれぞれ0.15 mMと1.5 mMに設定し、HAuCl₄対L-アスコルビン酸のモル比を1:10としました。反応混合物を800 rpmで30分間、室温で激しく攪拌し、得られたGNPコロイドをWhatman濾紙で濾過し、4℃で保存して連続反応を防止しました。

特性評価と装置

UV-Vis特性評価

各GNPサンプルのUV-Vis吸収スペクトルを、Agilent Cary 60 UV-Vis分光光度計を用いて室温(25℃)で測定しました。結果として得られたGNPの最大表面プラズモン共鳴(SPR)波長(λ_m)をUV-Visデータから決定し、粒子サイズを比較しました。

粒子径分布とゼータ電位

GNPの平均粒子径、粒径分布、ポリ分散性指数(PDI)、ゼータ電位をMalvern Zetasizer nanoZS装置で測定しました。PDI値は、動的光散乱(DLS)測定による強度粒径分布(PSD)グラフから式(2)[24]で算出しました。

PDI = (標準偏差 / 平均粒子径)² (2)

混合溶媒の極性指数分析

水と有機溶媒を異なる体積比で混合することで反応媒質の極性を最適化しました。有機溶媒-水混合物の正味極性指数P'は式(3)[25]で与えられます。

P' = Σ p'_i φ_i (3)

ここで、p'_iは溶媒iの極性指数、φ_iは混合物中の溶媒iの体積分率です。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)と粒子径分布

GNPサンプルをTEM測定前に超音波処理しました。超音波処理した懸濁液/コロイドの滴を200メッシュFormvar銅グリッドに滴下しました。グリッドを「シングルチルト」サンプルホルダーにセットし、200 kV FEI Tecnai G2 20 Twin透過型電子顕微鏡で撮影しました。また、TEM画像からの粒子径と粒径分布の定量解析はImageJ画像処理ソフトウェアで行いました。

結果と考察

図1は、エタノール-水溶媒混合物の異なる体積比で合成したコロイドGNPのUV-Visスペクトルを示します。通常、GNPの最大SPR吸収波長(λ_m)はサイズと形状依存的です[26, 27]。図1に示すように、合成されたコロイドGNPの最大λ_mは右方向(長波長側)にシフトし、これは水中のエタノール体積比増加に伴い合成GNPサイズが増加することを暗示しています。エタノール体積百分率20%と50%の反応混合物で合成されたコロイドGNPの最大λ_mは、吸収波長の短い領域(514 nmと520 nm)に現れ、エタノール体積百分率が低い条件で小さなGNPが生成されたことを示しています。一方、エタノール-水80%体積百分率または無水エタノールで合成されたGNPの最大λ_mは、より長い波長領域(575 nmと561 nm)にシフトしました。これらのシフトは、より大きなサイズのGNP形成と、グラフの広がり傾向がGNPの不均一な形状を示唆しています。

異なる極性指数を持つエタノール-水混合物の異なる体積百分率で合成されたGNPをDLSで定量評価し、得られたGNP粒径分布を図2に示します。また、生成GNPの平均粒子径、PDI値、エタノール-水混合物の極性指数を表1にまとめました。図2は、エタノール体積百分率の増加に伴いDLS粒径分布が増加することを示しています。無水エタノール、エタノール-水80%、50%、20%体積百分率の溶媒混合物中のGNP平均水力学的直径はそれぞれ154 ± 56.7、219 ± 84.9、28 ± 10.5、22 ± 4.6 nmでした(表1参照)。これらのDLS結果は、本研究のUV-Vis所見と同様で、高極性指数のエタノール-水混合物で小さな粒子が、低極性指数で大きな粒子が生成されることを示しています。

異なる体積百分率のエタノール-水溶媒混合物の計算極性指数値を表1に示します。二元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)体積百分率増加に伴い減少します。本研究のUV-VisとDLS結果から、反応媒質の高極性指数で小さなGNPが、低極性指数で大きなGNPが生成されることが明らかになりました。溶媒と配位子の両方がコロイドナノ粒子合成プロセスにおけるナノ粒子成長と会合の制御に重要な役割を果たすことはよく知られています。ナノ粒子形成中、溶媒分子と配位子分子は表面結合サイトを遮断することで粒子成長を制御・減速させます。しかし、溶媒混合物の異なる極性などの特定条件下では、溶媒分子と配位子分子がコロイド溶液中のナノ粒子成長と会合を促進することもあります。この記述に同意し、UV-VisとDLS結果は、PVPキャップGNPの成長と会合が二元溶媒混合物中のエタノール体積百分率増加に伴い増加することを示しています。これらの知見を検証するため、エタノール-水二元溶媒混合物中のPVPキャップGNP成長の対応するメカニズムを2段階(図3参照)で解釈できます。すなわち、溶媒による成長と配位子誘導成長です。

第1段階では、単量体の核形成後、GNP成長は溶媒分子によって支配されました。コロイド溶液中で、高極性溶媒分子はナノ粒子表面に高い表面電荷を分布させ、強い電気二重層を形成して粒子の更なる成長を防止します。一方、低極性指数溶媒分子は粒子周りに弱い電気二重層を形成し、より高い成長や凝集をもたらします[28]。表面電荷と反応媒質極性指数の相関は、ポアソンの式(式4)[29]で説明できます。

ε ε₀ d²ψ(x)/dx² = -ρ(x) (4)

ここで、ρは電荷密度、ψは電気ポテンシャル、εは真空の誘電率、ε₀は誘電定数、xは粒子表面からの距離です。

式(4)によれば、ナノ粒子表面の電荷密度(ρ)は、極性指数によって支配される周囲の誘電定数(ε₀)に比例します。本研究では、対応する溶媒の極性指数値は水 > エタノールの順で並べられます。したがって、水の体積百分率が高い分散媒質は、高極性によりGNP表面により高い表面電荷を提供できます。また、アスコルビン酸は金属塩に電子を供与して金ナノ粒子を形成する還元剤として作用します。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く、水分子とより多くの水素結合を形成します。また、高い溶解度はAu⁰単量体の速やかな核形成につながる自由電子移動を促進し、GNPの緩やかな成長を導きます[30]。これらの事実により、GNP成長率はエタノール-水溶媒混合物の極性指数値に反比例します。

第2段階では、GNPの成長と会合が主に配位子分子(PVP)によって支配されると仮定しました(図3b参照)。コロイド溶液中に配位子分子が存在する場合、配位子はナノ粒子表面に吸着または共有結合し、粒子表面と溶媒の界面エネルギーを制御したり、類似の配位子被覆粒子間に斥力を生じさせたりして、ナノ粒子の更なる成長と会合を防止します[28]。しかし、吸着配位子分子が高濃度、長いポリマー鎖、高分子量を持つ場合、コロイド溶液中にテイル、トレイン、ループを形成します。図3bに示すように、これらの突出した配位子鎖のテイル、トレイン、ループがナノ粒子を架橋し、コロイド中で凝集を誘発します[31]。このナノ粒子の架橋凝集は、ナノ粒子の二次種子媒介成長を促進し、粒子が容易に成長する可能性があります。本研究では、コロイド溶液中のGNP安定化に1%(w/v)のPVPを使用しました。PVPは両親媒性分子で、親水性ヘッド(C=OとN種で構成)と強く疎水性な炭化水素バックボーン鎖を持ちます。極性有機溶媒では、有機分子がPVPのカルボキシル基とバックボーン炭化水素テイルの両方に高い親和性を持ちます(図4a)。一方、水性媒質では水分子が水素結合でPVPのカルボキシルヘッドのみと結合し、疎水性テイルは懸濁液中で独立して残ります(図4b)。したがって、PVP分子は純水性媒質よりも有機溶媒でより高度に溶媒和・膨潤します[21]。証拠として、Guettariらは異なる体積百分率のエタノール-水溶媒混合物中でのPVPポリマーの振る舞いを調査しました。この研究の実験結果とポリマーとの有効溶媒相互作用(ESIP)モデリングにより、PVP分子の水力学的半径とポリマー-ポリマー相互作用がエタノールモル分率増加に伴い増加することが確認されました[32]。エタノール体積比増加に伴うPVP分子の球状サイズ増大が、GNPの架橋を強化し、高成長や会合をもたらします。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、GNPの異なる形状の会合または凝集を形成し、エタノール高体積比で高成長を導くと結論付けられました[33, 34, 35]。

さらに、エタノール-水溶媒混合物の様々な極性指数における配位子分子のナノ粒子成長と会合への影響を、生成GNPのゼータ電位で分析しました。エタノール-水の異なる体積比で合成されたPVP安定化GNPのゼータ電位値を図5に示します。得られた結果は、PVP安定化GNPのゼータ電位値がエタノール体積百分率増加に伴い減少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滑り面を置換し、ゼータ電位値を変化させます。ゼータ電位値の変化は界面表面電荷と吸着ポリマー量に依存します[22]。類似研究では、完全にPVPキャップされたGNPのゼータ電位値は約-6 mVと報告されています[23, 36]。また、この負のゼータ電位値は、GNP表面へのPVP吸着量減少に伴い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最低ゼータ電位値(-5.53 mV)は、合成GNPがPVP分子で完全に囲まれていることを示しています。一方、エタノール体積比増加に伴いゼータ電位値が減少することは、有機溶媒(エタノール)の高体積比でPVPが高度に吸着することを暗示しています。

異なる極性指数のエタノール-水溶媒混合物で合成されたGNPのTEM画像を図6に示します。図6(a)と(b)は、エタノール-水溶媒混合物20%と50%体積百分率で、それぞれ9.7 nmと13.9 nmのほぼ球状ナノ粒子が生成されたことを示しています。一方、図6(c)はエタノール-水混合物80%体積百分率でのGNP典型像を示し、TEM画像から不規則形状[37]とより大きなサイズ(約53.1 nm)のGNPが形成され、コロイド溶液中で凝集していることがわかります。同様に、無水エタノールでも平均径37.2 nmの比較的大きく不規則形状のGNPが生成されました。これらの結果は、反応媒質の低極性指数値が粒子成長と、低極性指数エタノール-溶媒混合物中で高度に伸長したPVPポリマー鎖による会合をもたらし、大きな粒子が形成されるという、本研究のUV-VisとDLS結果と一致します。

エタノール-水80%体積百分率でのGNPサイズが、無水エタノールでのGNPサイズより大きいことは注目に値します。

図7(a)と(d)は、エタノール-水80%体積比と無水エタノールでのGNP TEM画像を比較しています。GNPは80%エタノール体積比でクラスターとして凝集し(図7a-c)、直線的に配列していました(図7a, b)。一方、無水エタノールではGNPは凝集が少ない離散粒子として存在しました(図7d)。80%エタノール-水組成が、水とエタノール分子のPVPポリマー鎖とナノ粒子表面への非対称的相互作用により、GNP一次粒子の表面エネルギーを急速に増加させたと仮定されます。したがって、粒子は配向性付着メカニズムによって凝集し、この表面エネルギーを最小化するためにより大きなナノクラスターを形成しました[38, 39]。さらに、80%エタノール-水でのGNP直線配列は、水とエタノール分子のPVPポリマー鎖への非対称的相互作用の結果生じた粒子の双極子-双極子相互作用に起因すると考えられます[40]。また、DLSで得られたGNP平均水力学的直径がTEM画像から計算したサイズより大きいことが観察されました。本研究では、GNPを過量のPVPポリマー溶液で合成しました。したがって、DLS法は粒子径だけでなく、伸長したポリマーテイル、トレイン、ループを含むキャッピングポリマー層も測定しました。さらに、DLSは個々の粒子ではなくフロックのサイズを測定する可能性があります(例: 80%エタノール-水GNPサンプル)。したがって、DLSで測定されたGNP平均サイズはTEMより大きくなりました。

結論

本研究では、有機溶媒の極性を変数として用いたサイズ選択的GNP合成について議論しました。L-アスコルビン酸中でエタノールとエタノール-水混合物中でPVPキャップGNPを合成することで、溶媒極性のGNP成長への影響を調査しました。UV-VisスペクトルとDLS測定により、粒子サイズが溶媒極性指数低下に伴い増加することを確認しました。これらの結果に基づき、化学還元プロセス中のGNP成長は2段階で制御されました。まず、溶媒分子がナノ粒子周りに強い二重層を形成することで粒子成長を制御します。次に、安定化剤または配位子分子が第2段階でGNPの会合と安定性を制御します。しかし、両段階でGNP成長は反応媒質の極性指数低下に伴い増加しました。懸濁GNPの最終色とTEM画像は、生成GNPの形態を暗示しています。特筆すべきは、溶媒混合物の高極性で球状GNPが、低極性指数環境で不規則形状GNPが生成されたことです。この研究は、溶媒極性指数依存的な粒子成長と会合を利用して、単工程で様々なサイズと形状のGNPを合成する新しいアプローチを提示しました。