Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот та спосіб отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот

Реферат: Винахід належить до хімічних способів отримання металевих наночасток шляхом їх синтезу. Отриманий таким чином колоїдний розчин може бути застосований, зокрема, у медицині для створення біологічно активних препаратів. Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот містить наночастки золота та амінокислоту як стабілізатор наночасток у водному середовищі. UA 102589 C2 (12) UA 102589 C2 Мольна концентрація золота становить у межах 0,0001-0,002 моль/л при концентрації амінокислоти у межах 0,00005-0,0002 моль/л. Водний розчин має нейтральний водневий показник рН. Як амінокислоту-стабілізатор використовують лізин або аспаргін, або глютамін, або цитрулін. Розмір d наночасток золота становить 7-10 нм. Наночастки золота мають розподіл за розміром d до 30 нм. Максимальне значення макс максимуму смуги плазмоннорезонансного поглинання світла в електронних спектрах колоїдного розчину становить у межах 520-800 нм. У способі отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот здійснюють додають амінокислоту безпосередньо під час стадії формування колоїдного розчину методом хімічного синтезу до досягнення мольної концентрації золота у межах 0,0001-0,002 моль/л при концентрації амінокислоти у межах 0,00005-0,0002 моль/л, та з отриманням нейтрального водневого показника рН для водневого розчину, при цьому як відновник використовують боргідрид натрію NaBH4 та/або суміш аскорбінової кислоти та гідроксиду натрію у мольному співвідношенні 1:1. Отримані таким чином композити мають мінімальний розмір наночасток золота та вузький діапазон розподілу наночасток за розміром. UA 102589 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до хімічних способів отримання металевих наночасток шляхом їх синтезу з солей відповідних металів з використанням відновників та подальшою стабілізацією наночасток шляхом капсулювання у колоїдному розчині. Отриманий таким чином колоїдний розчин може бути застосований, зокрема, у медицині для створення біологічно активних препаратів. Відомо колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот, який містить наночастки золота та амінокислоту. В якості стабілізатора використовують крохмаль, агарозу, глюкозу або гуміарабік (заявка US 2007/0051202, опублікована 08.03.2007, МПК: В22F 9/24). Недоліком відомого розчину є наявність відносно крупних часток золота (10…22 нм) та відносно велике розподілення наночасток золота за розміром (3….30 нм). За прототип прийнято колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот, який містить наночастки золота та амінокислоту як стабілізатор наночасток у водному середовищі. В якості амінокислоти використовують лізин (Selvakannan P.R., Mandal S., Phadtare S., Pasricha R., and Sastry M. Capping of Gold Nanoparticles by the Amino Acid Lysine Renders Them Water-Dispersible // Langmuir19 (2003) 3545-3549). Недоліком прототипу є відносно невелика концентрація наночасток золота 0,0001 моль/л при концентрації лізину 0,0001 моль/л (0,002 мас. %). При цьому розчин має кислотний рН 3, який є фізіологічно ворожим та обмежує область застосування отриманого колоїдного розчину. Також відомо спосіб отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот, який містить стадію формування колоїдного розчину золота методом хімічного синтезу при відновленні сполук золота до металічного золота (публікація Selvakannan P.R., Mandal S., Phadtare S., Pasricha R., and Sastry M. Capping of Gold Nanoparticles by the Amino Acid Lysine Renders Them Water-Dispersible // Langmuir19 (2003) 3545-3549), який вибрано за прототип. Як амінокислоту використовують лізин. Відповідно до прототипу, безпосередньо синтез наночасток здійснюють при відсутності амінокислоти, а амінокислоту додають до попередньо сформованих наночасток, що призводить до їх укрупнення та агрегації у ланцюжкові структури. Про зазначені структурні перетворення свідчить розширення та зсув у довгохвильову область смуги плазмонного резонансу у спектрах поглинання колоїдів, при цьому розчин втрачає оптичну прозорість та стабільність (див. криву 2 на фіг. 1А у публікації). В прототипі в одному з варіантів синтезу для отримання більш концентрованих розчинів золота використовують метод трансферу порошку композиту золото/лізин у розчин. При цьому повне перетворення агрегатів у окремі наночастки золота досягається лише у кислому середовищі при рН 3 (див. криву 1 на фіг. 1В у публікації). При отриманні колоїдного розчину у нейтральному або лужному середовищі відповідно до прототипу утворюються ланцюжки або агрегати наночасток (див. криву 2 та 3 на фіг. 1В та криву 3 на фіг. 1А у публікації), що не дозволяє отримати окремі наночастки золота з мінімальним розміром та вузьким діапазоном розподілом розміру наночасток золота. Окрім цього, у прототипі застосовують боргідрид натрію NaBH4 як відновник (для перетворення АuIII у Аu0), який є біологічно токсичним та не дозволяє отримати колоїдний розчин з відносно малим розміром часток, вузьким їх розподілом за розміром і достатньо високою агрегаційною стабільністю. В основу винаходу поставлена задача розробки способу хімічного синтезу композитного колоїдного розчину з наночастками золота у присутності амінокислоти, в якому як амінокислоти можливе використання, окрім лізину, таких амінокислот, як аспарагін, глютамін або цитрулін. При цьому розчин має бути нетоксичним, з фізіологічним рН (рН 5…6), мати мінімально можливий розмір наночасток золота та вузький діапазон розподілу наночасток золота за розміром. Поставлена задача досягається тим, що у колоїдному розчині наночасток золота та амінокислот, який містить наночастки золота та амінокислоту як стабілізатор наночасток у водному середовищі, відповідно до винаходу, мольна концентрація золота становить у межах 0,0001…0,002 моль/л при концентрації амінокислоти у межах 0,00005…0,0002 моль/л, при цьому водний розчин має нейтральний водневий показник рН. Як амінокислоту-стабілізатор можуть використовувати лізин або аспаргін, або глютамін, або цитрулін. Розмір d наночасток золота може становити 7…10 нм. Наночастки золота можуть мати розподіл за розміром d до 30 нм. Максимальне значення λмакс максимуму смуги плазмонно-резонансного поглинання світла в електронних спектрах колоїдного розчину може становити у межах 520…800 нм. Це відповідає 1 UA 102589 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 розміру наночасток золота у оптимальних умовах 7…10 нм та відсутності значної агрегації наночасток. Також поставлена задача досягається тим, що у способі отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот, який містить стадію формування колоїдного розчину золота методом хімічного синтезу при відновленні сполук золота до металічного золота, відповідно до винаходу, додають амінокислоту безпосередньо на стадії формування колоїдного розчину методом хімічного синтезу, при цьому як відновник використовують боргідрид натрію NaBH4 та/або суміш аскорбінової кислоти та гідроксиду натрію у мольному співвідношенні 1:1. Винахідниками шляхом численних дослідів винайдено, що додавання амінокислоти під час здійснення хімічного синтезу наночасток золота дозволяє досягти та зберегти відносно малий розмір наночасток золота (7…10 нм), стабілізувати їх розподіл за розміром та запобігти об'єднанню їх у агрегати, що призводить до небажаного укрупнення наночасток та розширення їх розподілу за розміром. Цей ефект стабілізації досягається за рахунок того, що амінокислота адсорбується на поверхні наночасток золота безпосередньо у момент їх формування. Перелік графічних матеріалів Для пояснення суті винаходу нижче наведено приклад конкретного колоїдного розчину наночасток золота та амінокислот та спосіб його отримання. Приклад ілюструється наступними графічним зображеннями та таблицями: фіг. 1 - діаграма розподілу за розміром наночасток золота у колоїдному розчині, який містить лізин (дані одержано методом спектроскопії динамічного розсіювання світла); фіг. 2 - зображення електронного спектра поглинання колоїдних наночасток золота, які містять лізин; фіг. 3 - фото з фрагментом растрового електронного мікрозображення наночасток золота (режим "темного поля"). Наведений приклад конкретного виконання та графічні матеріали ніяким чином не обмежують обсяг домагань, викладений у формулі, а тільки пояснюють суть винаходу. Приклад здійснення Приклад концентрації компонентів колоїдного розчину наночасток золота та амінокислоти (тут і далі АК - амінокислота): -3 [Аu]=1*10 моль/л (197 мг/л). -4 -3 [АК]=5*10 -2*10 ваг. %. Спосіб № 1 отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот. Вихідні розчини для отримання колоїдного розчину наступні. Розчин № 1, тетрахлороаурат натрію [NaAuCl 4]=0,1 моль/л (0,199 г NaAuCl4×2H2O розчиняють у 10,00 мл дистильованої води); Розчин № 2, [АК]=0,1 ваг. % (0,01 г АК розчиняють у 10,00 мл дистильованої води); Розчин № 3, боргідрид натрію [NaBH4]=0,2 ваг. % (0,02 г NaBH4 розчиняють у 10,00 мл дистильованої води). Синтез колоїдного розчину наночасток золота та амінокислоти за способом № 1 здійснюють так. У колбу об'ємом 25 мл вносять 9,3 мл дистильованої води, потім 0,1 мл розчину № 2, потім 0,1 мл розчину № 1 і, нарешті, при інтенсивному перемішуванні на магнітній мішалці при 25 °C додають 0,2 мл розчину № 3 по краплях протягом 15 сек, потім додають додатково 0,3 мл розчину № 3. Загальний обсяг отриманого колоїду становить 10,00 мл. Таблиця 1 містить дані про залежність відповідних якостей колоїдного розчину отриманого відповідно до способу № 1 при змінюванні концентрації реагентів. Спосіб № 2 отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот. Вихідні розчини для отримання колоїдного розчину наступні. Розчин № 1, тетрахлороаурат натрію [NaAuCl4]=0,1 моль/л (0,199 г KаАuСІ4×2Н2О розчиняють у 10,00 мл дистильованої води); Розчин № 2, [АК]=0,1 ваг. % (0,01 г АК розчиняють у 10,00 мл дистильованої води); Розчин № 3, боргідрид натрію [NaBH4]=0,2 мас. % (0,02 г NaBH4 розчиняють у 10,00 мл дистильованої води); Розчин № 4, гідроксид натрію [NaOH]=1 моль/л (0,4 г гідроксиду натрію розчиняють у 10,00 мл дистильованої води); Розчин № 5, [Аскорбінова кислота]=0,1 моль/л (0,17 г аскорбінової кислоти розчиняють у 10,00 мл дистильованої води). Синтез колоїдного розчину наночасток золота та амінокислоти за способом № 2 здійснюють так. 2 UA 102589 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 У колбу об'ємом 25 мл вносять 9,25 мл дистильованої води, потім послідовно додають 0,1 мл розчину № 2, 0,1 мл розчину № 1 і 0,05 мл розчину № 4. Потім при інтенсивному перемішуванні вмісту колби на магнітній мішалці при 25 °C додають 0,05 мл розчину № 3, після чого протягом 0,5…3 хвилини додають 0,5 мл розчину № 5. Загальний обсяг отриманого колоїду становить 10,00 мл. Таблиця 2 містить дані про залежність відповідних якостей колоїдного розчину отриманого відповідно до способу № 2 при змінюванні концентрації реагентів. Спосіб № 3 отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот. Вихідні розчини для отримання колоїдного розчину наступні. Розчин № 1, тетрахлороаурат натрію [NaAuCl4]=0,1 моль/л (0,199 г NaAuCl4×2H2O розчиняють у 10,00 мл дистильованої води); Розчин № 2, [АК]=0,1 ваг. % (0,01 г АК розчиняють у 10,00 мл дистильованої води); Розчин № 3, гідроксид натрію [NaOH]=1 моль/л (0,4 г гідроксиду натрію розчиняють у 10,00 мл дистильованої води); Розчин № 4, [Аскорбінова кислота]=0,1 моль/л (0,17 г аскорбінової кислоти розчиняють у 10,00 мл дистильованої води). У колбу об'ємом 25 мл вносять 9,3 мл дистильованої води, потім послідовно додають 0,1 мл розчину № 2, 0,1 мл розчину № 1 і 0,05 мл розчину № 3. Після цього при інтенсивному перемішуванні на магнітній мішалці при 25 °C додають 0,05 мл розчину № 4 і, не припиняючи перемішування, через 2…5 сек. додають 0,45 мл розчину № 4. Обсяг отриманого колоїдного розчину складає 10,00 мл. Таблиця 3 містить дані про залежність відповідних якостей колоїдного розчину отриманого відповідно до способу № 3 при змінюванні концентрації реагентів. У таблиці 1, 2, 3: λмакс - максимум полоси плазмонно-резонансного поглинання у електронних спектрах отриманих колоїдних розчинів, d - розмір наночасток золота. Варто зазначити, що способи № 2 і № 3 схожі. Вони мають в основі механізм створення на першому етапі високої концентрації первинних зародків кристалізації (шляхом внесення першої відносно невеликої порції відновника, NaBH 4 або аскорбінової кислоти). При наступному введенні основної маси відновника відбувається рівномірне зростання наночасток на заздалегідь сформованих центрах. Структурні характеристики отриманих наночасток продемонстровано на прикладі колоїдних розчинів, що містять лізин, колоїдні розчини з іншими амінокислотами, а саме аспарагін, глютамін, цитрулін, мають аналогічні характеристики. За даними спектроскопії динамічного розсіювання світла (фіг. 1), параметрів смуг плазмонно-резонансного поглинання у електронних спектрах (фіг. 2) і даними растрової електронної мікроскопії (фіг. 3) визначено розмір частинок, який складає у оптимальних умовах 5…10 нм, і виявлено відсутність значної агрегації наночастинок золота. Таким чином, відповідно до описаного способу, отримують композити окремих неагрегованих наночасток золото/амінокислота, зокрема з такими амінокислотами, як лізин, аспарагін, глютамін, цитрулін в одну стадію у нейтральному середовищі з рН 7. Отримані таким чином композити мають мінімальний розмір наночасток золота та вузький діапазон розподілу наночасток за розміром. Таблиця 1 Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот та спосіб отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот 200 200 200 200 200 0,001 0,001 0,001 0,001 0,001 [NaBH4], ваг. % 0,001 0,002 0,005 0,006 0,008 200 0,001 0,01 200 0,001 0,014 [Аu], мг/л [АК], ваг. % λмакс, нм Колір розчину d, нм 800 синій >100 650-800 фіолетово-синій 80-100 550 фіолетово-вишневий 50-80 540 вишневий 30 530 червоний 20 помаранчево520 10 червоний помаранчево520 10 червоний 3 Наявність агрегації + + UA 102589 C2 Продовження таблиці 1 200 0,0005 0,01 200 0,001 0,01 520 200 200 200 200 200 0,0015 0,002 0,003 0,005 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 530 540 550 550 570 40 0,0002 0,01 520 100 0,0005 0,01 520 200 0,001 0,01 520 400 1000 0,002 0,005 0,01 0,01 помаранчево10 червоний помаранчево10 червоний червоний 20 вишневий 30 фіолетово-вишневий 50-80 фіолетово-вишневий 50-80 фіолетовий 70-90 помаранчево10 червоний помаранчево10 червоний помаранчево10 червоний вишневий 30 фіолетово-синій 80-100 520 540 800 + Таблиця 2 Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот та спосіб отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот [Аu], мг/л 200 [АК], ваг. % 0,001 [NaOH], моль/л 0 200 0,001 0,002 200 0,001 0,005 200 0,001 0,01 200 0,001 0,001 200 0,001 0,002 200 0,001 0,005 200 0,001 0,01 200 0,001 0,005 200 200 0,0015 0,002 0,005 0,005 200 0,003 0,005 200 0,005 0,005 200 0,01 0,005 [Аскорбінова λмакс, Колір розчину кислота], моль/л нм 0,005 650-800 фіолетово-синій фіолетово0,005 550-600 вишневий помаранчево0,005 520 червоний помаранчево0,005 520 червоний 0,001 650-800 фіолетово-синій фіолетово0,002 550-600 вишневий помаранчево0,005 520 червоний помаранчево0,01 520 червоний помаранчево0,005 520 червоний 0,005 530 червоний 0,005 540 вишневий фіолетово0,005 550 вишневий фіолетово0,005 550 вишневий 0,005 570 фіолетовий 4 80-100 Наявність агрегації + 50-80 + 10 10 80-100 + 50-80 + 10 10 10 20 30 50-80 50-80 70-90 d, нм UA 102589 C2 Таблиця 3 Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот та спосіб отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот [Аu], мг/л 200 [АК], ваг. % 0,001 [NaOH], моль/л 0 200 0,001 0,002 200 0,001 0,005 200 0,001 0,01 200 0,001 0,001 200 0,001 0,002 200 0,001 0,005 200 0,001 0,01 200 0,001 0,005 200 200 0,0015 0,002 0,005 0,005 200 0,003 0,005 200 0,005 0,005 200 0,01 0,005 [Аскорбінова λмакс, Колір розчину кислота], моль/л нм 0.005 650-800 фіолетово-синій фіолетово0.005 550-600 вишневий помаранчево0.005 520 червоний помаранчево0.005 520 червоний 0.001 650-800 фіолетово-синій фіолетово0,002 550-600 вишневий помаранчево0,005 520 червоний помаранчево0,01 520 червоний помаранчево0,005 520 червоний 0,005 530 червоний 0,005 540 вишневий фіолетово0,005 550 вишневий фіолетово0,005 550 вишневий 0,005 570 фіолетовий 80-100 Наявність агрегації + 50-80 + 10 10 80-100 + 50-80 + 10 10 10 20 30 50-80 50-80 70-90 d, нм ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 20 25 1. Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот, який містить наночастки золота та амінокислоту як стабілізатор наночасток у водному середовищі, який відрізняється тим, що мольна концентрація золота становить у межах 0,000-0,002 моль/л при концентрації амінокислоти у межах 0,00005-0,0002 моль/л, при цьому водний розчин має нейтральний водневий показник рН. 2. Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот за п. 1, який відрізняється тим, що як амінокислоту-стабілізатор використовують лізин або аспарагін, або глютамін, або цитрулін. 3. Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот за п. 1, який відрізняється тим, що розмір d наночасток золота становить 7-10 нм. 4. Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот за п. 1, який відрізняється тим, що наночастки золота мають розподіл за розміром d до 30 нм. 5. Колоїдний розчин наночасток золота та амінокислот за п. 1, який відрізняється тим, що максимальне значення макс максимуму смуги плазмонно-резонансного поглинання світла в електронних спектрах колоїдного розчину становить у межах 520-800 нм. 6. Спосіб отримання наночасток золота у колоїдних розчинах у присутності амінокислот, який містить стадію формування колоїдного розчину золота методом хімічного синтезу при відновленні сполук золота до металічного золота, який відрізняється тим, що додають амінокислоту безпосередньо під час стадії формування колоїдного розчину методом хімічного синтезу до досягнення мольної концентрації золота у межах 0,0001-0,002 моль/л при концентрації амінокислоти у межах 0,00005-0,0002 моль/л, та з отриманням нейтрального водневого показника рН для водневого розчину, при цьому як відновник використовують боргідрид натрію NaBH4 та/або суміш аскорбінової кислоти та гідроксиду натрію у мольному співвідношенні 1:1. 5 UA 102589 C2 6 UA 102589 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7