Teori. Size does matter. Nano-Science Center, Københavns Universitet, Formål

Transkript

1 Formål Vi skal i dette forsøg fokusere på at syntetisere guld-nanopartikler. Dette bliver gjort ved at reducere guld(iii) til neutrale guldatomer med natrium citrat. Efterfølgende skal vi se hvordan guld-nanopartikel opløsningen kan bruges som en detektor til at spore tilstedeværelsen af forskellige elektrolytter, heriblandt almindeligt bordsalt. Dette detekteres ved, at guld-nanopartikel opløsningen skifter farve. Derudover skal vi måle dette farveskift vha. absorptionsspektroskopi. Til sidst undersøger vi, hvordan proteiner kan beskytte guld-nanopartiklerne mod salt elektrolytterne. Teori De fysiske og kemiske egenskaber for ethvert materiale afhænger bl.a. af dets komposition, størrelse og udformning. På denne måde er det fx muligt at relatere farven af en opløsning af nanopartikler til deres størrelse og udformning. I videnskabelig tale kalder man også sådan en opløsning for en kolloid opløsning. En kolloid opløsning er en hybrid (gadekryds) mellem en almindelig opløsning fx en opløsning af KCl og en opslæmning (suspension). Et eksempel på en opslæmning kunne være det at hælde en skefuld sand i vand. Herved vil sandet hurtigt lægge sig på bunden, men vil let kunne hvirvles op igen ved rystning af glasset. Et eksempel på en kolloid opløsning er mælk. En kolloid opløsning er altså en jack of all trades på opløsningsmarkedet. Men hvilke fysiske og kemiske egenskaber afgør om en opløsning er en kolloid fremfor en ægte opløsning eller en opslæmning? Size does matter Størrelsen af partiklerne kan bruges som guideline til at identificere en kolloid opløsning. Typisk vil partiklernes størrelse være i størrelsesordnen 1 nm (nanometer) til 1 µm (mikrometer) og bundfælder ikke særlig let. Villigheden til at bundfælde kaldes også stabiliteten af en kolloid, og den kan variere fra få dage til måneder eller endda år. Den relativt store forskel i stabilitet kan forklares ved at betragte nanopartiklernes indbyrdes ladningsforhold. Idet nanopartiklerne består af de samme atomer, vil de alle bære den samme elektriske ladning - enten positiv eller negativ. Dette betyder, at nanopartiklerne fungerer som små magneter, og de frastøder derved hinanden, når de kommer tilpas tæt på hinanden. Denne effekt kaldes også den elektrostatiske frastødning. Netop denne effekt er vigtig, idet den er skyld i, at partiklerne forbliver i opløsningen da sammenklumpning af partiklerne herved forhindres. Dog er der også andre effekter i spil såsom Van der Waal kræfter, solvent (opløsningsmidlet), entropiske og sterisk kræfter. Kolloide partikler er så små, at de ikke kan filtreres med almindeligt filter papir. Dog er de store nok således, at de spreder det synlige lys. Til højre ses en illustration af 5 forskellige kolloide guld-nanopartikel opløsninger. Det ses tydeligt, at opløsninger har forskellig farve. Denne forskel skyldes, at størrelsen på guld-nanopartiklerne er forskellig, i videnskabelig tale kaldes dette fænomen aggregering (sammenklumpning) af nanopartiklerne. Guld-nanopartikler med en størrelse på omtrentligt 12 nm, vil Figur 1 - Guld nanopartikler med forskelig størrelse, skitserede ved de gule cirkler nedenunder hver kolloid opløsning. Forskellen i størrelse ses tydeligt ved farveskift af kolloiden. 1

2 observeres som røde og absorberer maksimalt synligt lys ved en bølgelængde omkring 518 nm. Formindskes partikelstørrelsen vil bølgelængden blive mindre, også kaldet en rødforskydning, og øges partikelstørrelsen vil bølgelængden blive højere - en blåforskydning. En dagligdags analog til dette kunne være følgende tankeeksperiment: slår man med en ske på en halvfyldt flaske vand frembringer dette en karakteristisk tone. Ændres mængden af vand vil dette også resultere i en ændring af tonen. Tonen afhænger nemlig af vand voluminet i flasken, ligesom at voluminet af en guld-nanopartikel også afhænger af, hvordan den vekselvirker med lyset og dermed også farven af den kolloide opløsning. Således fremstår et stykke stort guld i et smykke som gult, mens guldpartikler i nanoregimet typisk har mange forskellige farver afhængigt af størrelsen af nanopartiklerne. Miljøet omkring guld kolloiderne Miljøet omkring guld-nanopartiklerne spiller en essentiel rolle i kolloidens stabilitet og dermed levetid. Tilstedeværelsen af elektrolytter med modsat elektrisk ladning kan derfor have stor indflydelse på stabiliteten af en kolloid opløsning. Størrelsen af guldpartiklerne kan varieres ved tilsætning af en elektrolyt, fx NaCl. De positive Na + ioner (kationer) vil her tiltrækkes af de negativt ladede guldpartikler og danne et skjold rundt om partiklerne, hvilket sænker overfladepotentialet på guldpartiklerne. Dette fænomen kaldes afskærmnings- eller shielding effekten, og det er illustreret i figur 2. I takt med at guldpartiklerne bliver afskærmet af Na + tillader dette også, at guldpartiklerne kan komme tættere på hinanden, fordi de ikke frastøder hinanden mere. Når guldpartiklerne møder hinanden, danner de aggregater (klumper sammen). I takt med at guldpartiklerne klumper sig større, vil de til sidst blive så tunge, at de bundfældes. Figur 2- Skematisk illustration af afskærming effekten af en guld-nanopartikel. Positive kationer afskærmer guld partiklen, og som illustreret i grafen sænkees overfladepotentialet af guld partiklen derved. Dette princip er skitseret i figur 3. Figur 3 - Illustration af aggregring af guld-nanopartikler ved tilsættelse af positiv ladede kationer. 2

3 Eksperiment 1 Syntese af guld nanopartikler I dette eksperiment syntetiseres en kolloid opløsning af guld-nanopartikler. Udgangsstoffet er hydrogentetrachloroaurat(iii) (HAuCl 4 ), som reduceres til metalliske guld-nanopartikler vha. af reduktionsmidlet natriumcitrat (Na 3 C 6 H 5 O 7 ). Overskud af citrat anionen vil binde sig til guldpartikeloverfladen, hvilket resulterer i en overordnet negativ ladning af guldpartiklerne. 1. Afvej 10 mg HAuCl 4 i en vejebåd og overfør det til den koniske kolbe. Husk at lægge en magnet i den koniske kolbe. 2. Tilsæt 95 ml milli-q vand til den koniske kolbe, og opløs alt HAuCl 4 under omrøring. Varm opløsningen til lige under kogepunktet. Hvis vandet fordamper, kan der gradvist tilsættes vand således, at opløsningens voluminet forbliver det samme. 3. Efter opvarmning af opløsningen tilsættes 0,5 g natriumcitrat opløst i 5 ml milli-q vand. Lad opløsningen stå i min. Den skulle gerne blive rød. Fjern opløsningen fra varmepladen og lad den afkøle. 4. Lys evt. med en laser-pointer på opløsningen. Iagtag hvordan de små guld nanopartikler reflekterer lyset fra laser strålen. Denne opløsning er netop en kolloid opløsning af guld partikler med en diameter på omtrentligt 12 nm. 3

4 Eksperiment 2 Nanopartikel sensorer I dette eksperiment undersøger vi, hvordan guld-nanopartikel kan bruges som et simpelt sensorsystem til at påvise tilstedeværelsen af elektrolytter. I dette forsøg anvendes NaCl som elektrolyt, idet de positive Na+ kationer vil binde sig til guldpartiklernes overflade og dermed bringe dem tættere på hinanden (aggregere). Dette iagttages i et absorptionsspektrum (og på selve opløsningen) som et farveskift fra rød til blå. 1. Inden forsøget startes, skal du beregne hvor stor en mængde NaCl, der skal afvejes for at lave en 1M NaCl opløsning og en 1M sukrose opløsning. 2. Klargør nogle reagensglas. Tilsæt 3 ml af guldopløsningen til hvert reagensglas, som blev syntetiseret i eksperiment 1, og fortynd ved at tilsætte 3 ml milli-q vand. 3. Med en pipette dryppes 5-10 dråber af NaCl opløsningen til det første reagensglas (glas 1). Noter dine observationer. Sammenlign evt. den oprindelige guldopløsning. Skifter opløsningen farve? Forsøg at beskrive dine observationer. 4. På samme måde tilsættes 5-10 dråber af sukrose opløsningen til det næste reagensglas (glas 2). Noter og forklar dine observationer. 5. Hvis tiden tillader det, kan du evt. afprøve ovenstående eksperiment med en dagligdags opløsning, fx eddike eller en sportsdrik. Kan du forudsige om opløsningen vil skifte farve eller ej baseret på de iagttagelser du har gjort dig indtil nu? 4

5 Eksperiment 3 Bio beskyttende overfladebelægning I det sidste eksperiment undersøges hvorledes kolloide guld-nanopartikelopløsninger kan stabiliseres ved adsorption (påklistring) af store molekyler med høje molekylære masser. Eksempler på sådanne molekyler kan være polyethylen glycol (PEG) eller protein A, se figur 4. Disse molekyler inhiberer (forhindrer), at guldpartiklerne klumper sammen selv ved meget høje saltkoncentrationer, idet de afskærmer guldpartiklerne fra salt ionerne. Den ideelle mængde af adsorband svarer til den mængde, der skal til for at belægge alle guldpartiklerne, og det er det, der skal undersøges i dette eksperiment. Figur 4- Til venstre ses Protein A og til højre polyethylene glycol (PEG). 1. Klargør 4 reagensglas. Tilsæt til hvert af de 4 reagensglas ml af den allerede forberedte 17nM guldopløsning (spørg vejlederen hvis du ikke kan finde den). Navngiv reagensglassene 1, 2, 3 og Til reagensglas 1 tilsættes protein A stamopløsning A. Dette svarer til at tilsætte en protein A koncentration på 2.5 µg/ml. 3. Til reagensglas 2 tilsættes protein A stamopløsning B. Dette svarer til at tilsætte en protein A koncentration på 5.0 µg/ml. 4. Til reagensglas 3 tilsættes protein A stamopløsning C. Dette svarer til at tilsætte en protein A koncentration på 10.0 µg/ml. 5. Til reagensglas 4 tilsættes protein A stamopløsning D. Dette svarer til at tilsætte en protein A koncentration på 20.0 µg/ml. 6. Tilsæt nu, under kraftig magnetomrøring, ml 1.5M NaCl til reagensglas 1. Optag absorptionsspektrummet ca. 5 minutter efter tilsætning. Koordiner med laboratorievejlederen. Efter at have optaget absorptionsspektret gentages forsøget med reagensglas 2, 3 og 4. Noter observationerne. 5

6 6