Nanoparticules d'or : propriétés physiques

Diamètre, superficie et volume

Les nanoparticules ont des propriétés uniques en raison de leur petite taille. Toutes les nanoparticules, quels que soient leurs constituants chimiques, ont des rapports surface/volume extrêmement élevés (voir le tableau suivant). Ainsi, bon nombre des propriétés physiques des nanoparticules, telles que la solubilité et la stabilité, sont dominées par la nature de la surface des nanoparticules.

Diamètre de la nanosphère (nm) Surface (nm2) Volume (nm3) Rapport Surface : Volume
10 314 523 0.60
20 1260 4190 0.30
30 2830 14100 0.20
40 5030 33500 0.15
50 7850 65500 0.12
60 11300 113000 0.10
70 15400 180000 0.09
80 20100 268000 0.08
90 25400 382000 0.07
100 31400 523600 0.06

À titre de comparaison, une balle de baseball de taille réglementaire a un diamètre de 73 000 000 nm et une superficie de 16 800 000 000 000 000 nm.2, et un volume de 204 000 000 000 000 000 000 000 nm3. Le rapport surface/volume est de 0,00000008, soit un facteur de 7 500 000 inférieur aux nanoparticules de 10 nm.

Bien que des rapports surface/volume élevés soient importants pour des applications telles que la catalyse, les propriétés réelles de l’or sont différentes à l’échelle nanométrique. Par exemple, la résonance plasmonique des nanoparticules d’or sphériques confère à la particule sa capacité exceptionnelle à diffuser la lumière visible.

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Forme et Cristallinité

Les nanoparticules d'or peuvent être produites avec différentes tailles et formes selon la méthode de fabrication. Les formes généralement anisotropes sont formées en présence d'un polymère stabilisant qui se lie préférentiellement à une face cristalline et entraîne une croissance cristalline plus rapide que les autres. La taille des domaines cristallins au sein d'une nanoparticule dépend de la méthode de fabrication. Chez nanoComposix, nous avons développé des méthodes pour minimiser la taille des domaines cristallins au sein de nos nanoparticules sphériques afin de réduire la variation de leurs propriétés spectrales.


TEM image of 7 nm BioPure gold nanospheres.TEM image of 100 nm BioPure gold nanospheres.TEM image of gold nanorods fabricated at nanoComposix.

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Surface de nanoparticule

L’une des questions les plus fréquemment posées est « Qu’y a-t-il à la surface de vos nanoparticules ? » En solution, les molécules s'associent à la surface des nanoparticules et ces molécules liées à la surface établissent une double couche de charge qui empêche l'agrégation des nanoparticules. Les nanoparticules d'or NanoXact et Biopure sont coiffées d'agents de coiffage citrate, acide tannique ou PVP. Le citrate s'associe faiblement à la surface des nanoparticules et est souvent utilisé car l'agent de coiffage faiblement lié offre une stabilité à long terme et est facilement déplacé par une gamme d'autres molécules, notamment des thiols, des amines, des polymères, des anticorps et des protéines.

L'acide tannique est un ligand de coiffage multidenté qui peut être déplacé par de nombreuses molécules contenant des thiols. L'acide tannique est souvent utilisé comme agent de coiffage dans les applications où des concentrations élevées de particules sont requises.

La polyvinylpyrollidone (PVP) est un polymère qui se lie fortement à la surface des nanoparticules d'or. Il offre une plus grande stabilité que les agents de coiffage citrate ou acide tannique, mais est plus difficile à déplacer.

Citrate
Acide tannique
JcJ

Il est important de se rappeler que la surface de la plupart des nanoparticules est dynamique et fortement influencée par l’environnement local. Différentes conditions affecteront la particule de différentes manières. Les environnements riches en sel effondreront la double couche et provoqueront l’agrégation des nanoparticules. Les protéines et autres biomolécules s’associeront souvent aux particules et les stabiliseront. Lorsque vous travaillez avec des nanoparticules, vous devez anticiper les changements de surface et planifier en conséquence. Par exemple, lorsque des nanoparticules doivent être fonctionnalisées avec des biomolécules, il est préférable d’exposer les particules à la biomolécule dans une solution pauvre en sel, puis d’ajouter du sel pour amener la solution à des conditions isotoniques. Cela permet à la protéine de se lier à la surface des particules et de stabiliser davantage la nanoparticule avant que le sel ne soit ajouté. Si les nanoparticules sont ajoutées directement à un tampon à haute teneur en sel, les particules peuvent s'agréger avant que la stabilisation des protéines puisse se produire.

Chez nanoComposix, nous avons de l'expérience dans la fabrication de particules avec des états de surface spécifiques, dans l'échange d'une surface contre une autre et dans la construction de plusieurs couches de molécules ou de coques de surface différentes sur divers noyaux de nanoparticules. Pour plus d'informations, veuillez visiter notre page Synthèse personnalisée .

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Stabilité des particules

Empêcher l’agrégation des nanoparticules peut s’avérer très difficile selon l’application. Les nanoparticules sont soit stabilisées en charge, soit stériquement stabilisées. Pour les particules à charge stabilisée, le potentiel zêta est une mesure de la stabilité de la particule. Généralement, les nanoparticules dont le potentiel zêta est supérieur à 20 mV ou inférieur à -20 mV ont une répulsion électrostatique suffisante pour rester stables en solution. Cependant, il est important de noter que les molécules liées à la surface des nanoparticules d'or NanoXact et BioPure de nanoComposix sont facilement déplacées et que le potentiel zêta est très sensible aux autres molécules ou contaminants en solution. Une pointe de pipette non lavée peut introduire suffisamment de matière pour déplacer les molécules stabilisantes liées ioniquement et déstabiliser les particules. Des solutions hautement acides ou basiques peuvent également augmenter le taux de dissolution des nanoparticules sous une forme ionique qui peut se redéposer sur les nanoparticules existantes en modifiant le diamètre moyen et la distribution de taille.

La stabilité des particules peut être suivie avec précision à l'aide de la spectroscopie UV-Visible ou de la microscopie à champ sombre (voir Propriétés optiques pour plus d'informations), ainsi que de la diffusion dynamique de la lumière.

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Chimie de surface et fonctionnalisation

Les nanoparticules d'or peuvent être fonctionnalisées avec une large gamme de matériaux. Les polymères tels que la polyvinylpyrrolidone (PVP) et l'acide tannique sont des agents de coiffage généralement utilisés pour stabiliser les nanoparticules d'or. Les nanoparticules d'or utilisées dans les applications biologiques sont généralement recouvertes de polyéthylène glycol (PEG), d'albumine sérique bovine (BSA) ou de nombreuses autres protéines, peptides et oligonucléotides. La liaison des molécules à une surface d’or peut être réalisée par physadsorption ou en tirant parti de liaisons thiol-or extrêmement stables. Les particules peuvent être fonctionnalisées avec des molécules qui « retournent » la charge de surface des nanoparticules d'or chargées négativement en une surface chargée positivement. Les particules peuvent également être fonctionnalisées pour fournir des groupes réactifs (par exemple, des surfaces à terminaison amine ou carboxy) pour une conjugaison ultérieure par le client. Coques diélectriques (par exemple, silice, oxyde d'aluminium et TiO2) avec une épaisseur précisément contrôlée peut être utilisé pour encapsuler les particules, modifier les propriétés optiques ou incorporer des colorants fluorescents. NanoComposix propose une large gamme de modifications personnalisées des surfaces des nanoparticules.

Les nanoparticules d'or NanoComposix Biopure et NanoXact sont proposées avec du citrate ou de l'acide tannique comme agent de coiffage. Les nanoparticules stabilisées au citrate ont une surface qui est facilement déplacée par d'autres biomolécules ou polymères et constituent l'agent de coiffage de choix lorsque la physadsorption doit être utilisée pour modifier davantage la surface des nanoparticules. L'acide tannique est un agent de coiffage multidenté et nécessite souvent la formation de liaisons thiol-or très stables pour déplacer l'acide tannique par d'autres molécules. Les nanoparticules enrobées d'acide tannique sont plus stables dans les solutions à force ionique plus élevée et ont une tolérance au pH plus large. Les nanoparticules d'or coiffées de citrate et de tannique sont stables pendant au moins 6 mois si elles sont conservées à 4°C à l'abri de la lumière. Pour plus d’informations, veuillez consulter la section fabrication de nanoparticules personnalisées de notre site Web.

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Mesurer la concentration de nanoparticules d'or

Différents fournisseurs commerciaux signalent la concentration en utilisant diverses méthodes. Lors de la recherche des nanoparticules à acheter et à utiliser, il est essentiel de pouvoir comparer les formulations de différents fournisseurs. Il existe différentes manières de déclarer les concentrations. Nous fournissons ici des tableaux convertissant nos formulations de nanoparticules d'or en d'autres unités de concentration couramment signalées.

Nanoparticules d'or Nanoxact

Taille
(nm)
Concentration de masse
(mg/ml)
Molarité atomique (Au)
(mmol/L)
Concentration de particules
(particules/mL)
En pourcentage en masse
(%)
Densité Optique Maximale
(cm-1)
Longueur d'onde de crête
(nm)
5 0.05 0.254 3.95 x 1013 0.005 0.80 520
7 0.05 0.254 1.44 x 1013 0.005 0.82 520
10 0.05 0.254 4.94 x 1012 0.005 0.82 520
12 0.05 0.254 2.86 x 1012 0.005 0.83 520
15 0.05 0.254 1.46 x 1012 0.005 0.83 520
17 0.05 0.254 1.01 x 1012 0.005 0.84 520
20 0.05 0.254 6.18 x 1011 0.005 0.85 520
30 0.05 0.254 1.83 x 1011 0.005 1.1 520
40 0.05 0.254 7.72 x 1010 0.005 1.1 520
50 0.05 0.254 3.95 x 1010 0.005 1.5 525
60 0.05 0.254 2.29 x 1010 0.005 1.6 530
70 0.05 0.254 1.44 x 1010 0.005 1.6 535
80 0.05 0.254 9.65 x 1009 0.005 1.6 545
90 0.05 0.254 6.75 x 1009 0.005 1.3 555
100 0.05 0.254 4.94 x 1009 0.005 1.0 555

Nanoparticules d'or BioPure

Taille
(nm)
Concentration de masse
(mg/ml)
Molarité atomique (Au)
(mmol/L)
Concentration de particules
(particules/mL)
En pourcentage en masse
(%)
Densité Optique Maximale
(cm-1)
Longueur d'onde de crête
(nm)
5 1.0 5.08 7.00 x 1014 0.1 16.0 520
7 1.0 5.08 2.88 x 1014 0.1 16.4 520
10 1.0 5.08 9.88 x 1013 0.1 16.4 520
12 1.0 5.08 5.72 x 1013 0.1 16.6 520
15 1.0 5.08 2.92 x 1013 0.1 16.6 520
17 1.0 5.08 2.02 x 1013 0.1 16.8 520
20 1.0 5.08 1.24 x 1013 0.1 16.9 520
30 1.0 5.08 3.66 x 1012 0.1 22.1 520
40 1.0 5.08 1.54 x 1012 0.1 22.6 520
50 1.0 5.08 7.90 x 1011 0.1 29.1 525
60 1.0 5.08 4.58 x 1011 0.1 31.8 530
70 1.0 5.08 2.88 x 1011 0.1 31.8 535
80 1.0 5.08 1.93 x 1011 0.1 31.5 545
90 1.0 5.08 1.36 x 1011 0.1 26.4 555
100 1.0 5.08 9.88 x 1010 0.1 20.1 555

Chez nanoComposix, la concentration massique est mesurée par spectroscopie ICP-MS et UV-Visible.

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