نانو ذرات طلا چیست؟ کاربرد و خواص نانو ذرات طلا

نانو ذرات طلا یا طلای کلوئیدی، سوسپانسیونی از ذرات طلای زیر میکرونی است که معمولا در آب پراکنده می ‌شوند. با تغییر اندازه ذرات، رنگ نانو ذرات طلا از قرمز به رنگ های دیگر از جمله قهوه ای، زرد و بنفش تغییر می کند. اگر محدوده اندازه زیر ۱۰۰ نانومتر باشد، نمونه را می توان نانوذرات یا نانو طلا نیز نامید.

ذرات طلا به دلیل خواص فیزیکی و نوری منحصر به‌ فردی که از خود نشان می دهند، مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته است. این ویژگی ها با توزیع اندازه ذرات تغییر می کنند. اکثر آزمایش ‌های آنالیز اندازه ذرات که بر روی نانو طلا انجام می‌ شود، توسط میکروسکوپ یا دستگاه پراکندگی نور پویا (DLS) انجام می‌ شود. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.

نانو ذرات طلا چیست

نانوذرات طلا خواص شیمیایی و فیزیکی منحصر به فردی از خود نشان می دهند که کاملا متفاوت از خواص طلای حجیم شده است. به عنوان مثال، ذرات طلا که ۲۰ نانومتر قطر دارند قرمز رنگ هستند، این ذرات در تعدادی از محصولات تشخیصی پزشکی مورد استفاده قرار می گیرند.

ذرات طلا غیر سمی هستند و به راحتی می توانند به مولکول های زیستی دیگر متصل شوند و همچنین خواص نوری منحصر به فردی از خود نشان می دهند. علاوه بر این، ذرات طلا اکنون به عنوان فعال کاتالیزوری برای طیف وسیعی از واکنش های تجاری مهم شناخته شده اند. بر اساس این ویژگی‌های منحصر به فرد، کاربردهای جدید و هیجان‌ انگیزی با استفاده از ذرات طلا در حال توسعه است که به نوبه خود مستلزم ساخت و عرضه طیف وسیعی از نانو مواد طلا است.

روش استفاده نانو ذرات طلا

نانو ذرات طلا در چند سال گذشته علاقه زیادی را در زمینه کاربردهای بیولوژیکی و پزشکی به خود جلب کرده است. در مقایسه با نقاط کوانتومی و سایر مواد، ذرات طلا در چندین کاربرد بیوتکنولوژی مانند کاوشگرهای حسی، دارو رسانی و تکنیک ‌های درمانی مورد بررسی و استفاده قرار گرفته ‌اند.

علاوه بر این، نانو ذرات طلا را می ‌توان با جذب نور نزدیک به IR برانگیخت. این عمل باعث می‌ شود این ذرات به عنوان عوامل کنتراست برای کاربردهای تشخیصی و نور درمانی مانند تصویربرداری لومینسانس دو فوتونی و تصویربرداری پراکنده نور کارایی داشته باشند. با تغییر اندازه ذرات، شیمی سطح یا حالت تجمع، خواص نوری و الکترونیکی نانو ذرات طلا می‌ تواند برای مصارف مختلف قابل تنظیم و قابل استفاده باشد.

نانو ذرات چیست

نانو ذرات موادی هستند که قطر آن ‌ها در مقیاس نانومتری، یعنی ۱۰ تا ۹ متر و بسیار کوچک تر است. نانو ذرات به دلایل مختلف برای محققان جالب هستند. آنها نسبت سطح به حجم زیادی دارند. به این معنی که سطح زیادی برای شرکت در فعل و انفعالات شیمیایی در اختیار مواد واکنش دهنده قرار می دهند.

این یک ویژگی عالی برای کاتالیزورها است. همچنین می‌ توان آن‌ ها را طوری طراحی کرد که به روش‌ های خاصی در کنار هم قرار گیرند تا ویژگی‌ های خاصی را ارائه دهند، به این حالت خود مونتاژی می‌ گویند. این ذرات در طیف وسیعی از کاربردها همچون تولید داروها، ساخت قطعات الکترونیک و ساخت مواد مختلف استفاده می شوند.

تاریخچه کاربرد نانو ذرات طلا

ذرات طلا از قرن چهارم برای رنگ آمیزی شیشه استفاده می شود. اگرچه بعید است که نانوساختار آنها در آن زمان شناخته شده باشد. تکنیک رنگ آمیزی شیشه را با این ذرات می توان در ساخت فنجان لیکورگوس رومی مشاهده کرد. شیشه این فنجان حاوی ذرات طلا است که هم نور را پراکنده و هم جذب می ‌کنند، بنابراین از زوایای مختلف رنگ این فنجان قرمز یا سبز به نظر می ‌رسد.

نانو ذرات طلا معمولا به صورت کلوئیدی در یک سیال معلق می ‌شوند که این سیال اغلب آب است. کلوئید سیستمی است که در آن دو فاز وجود دارد که یک فاز به صورت قطرات ریز روی ذرات دیگری پراکنده می شود. نانو ذرات طلا که می ‌توانند در آب معلق شوند، معمولا با احیای نمک طلا (III) توسط سیترات تری سدیم، در روشی که در دهه ۱۹۵۰ توسط شیمیدان جان تورکوویچ آغاز شد، ساخته می‌ شوند.

ذرات در محلول تثبیت می شوند، زیرا توسط آنیون های سیترات احاطه شده اند و بنابراین به صورت الکترواستاتیک یکدیگر را دفع می کنند. رنگ محلول نانو ذرات طلا به اندازه نانو ذرات بستگی دارد. ذرات طلا را می ‌توان با میکروسکوپ الکترونی و میکروسکوپ نوری تصویربرداری کرد زیرا این ذرات نور را به خوبی پراکنده می ‌کنند.

کاربرد نانوذرات فلزی

نانوذرات فلزی به دلیل دارا بودن خواص ویژه نوری، الکتریکی و مغناطیسی کاربرد گسترده ای در فعالیت‌های تحقیقاتی و صنعتی دارند و اخیرا بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. کاربردهای نانوذرات فلزی بیشتر در زمینه رساناهای الکتریکی و حرارتی است. این ترکیبات در تولید سنسورها و آشکارسازهای نوری و همچنین مواد سوپرپارامغناطیس و نانوکاتالیزورها کاربرد گسترده ای دارند.

نانو ذرات طلا

طلا عنصری است که در جواهرات، سکه ها، دندانپزشکی و وسایل الکترونیکی استفاده می شود. حتی در برخی داروها از طلا استفاده می شود. طلای حجیم شده از آنجایی که خورده یا کدر نمی شود، یک ماده بی اثر در نظر گرفته می شود. مانند تمام فلزات، طلا رسانایی الکتریکی و حرارتی خوبی دارد. توانایی طلا برای مقاومت در برابر خوردگی و همچنین رسانایی الکتریکی بالا، آن را برای ایجاد تماس در دستگاه های الکترونیکی بسیار مفید می کند.

طلا در طول قرن ها بدون اثرات مضر برای بیماران در درمان های مختلف پزشکی مورد استفاده قرار گرفته است. بنابراین طبیعی است که محققان به جای استفاده از عناصری مانند پلاتین که در شرایط خاص سمی هستند، به دنبال نانو ذرات طلا برای کاربردهای پزشکی باشند. تبدیل طلا به نانو ذرات به محققان این امکان را می دهد تا از طلا در اندازه های بسیار کوچک استفاده کنند و قابلیت های جدید این ذرات را کشف کنند.

انواع اشکال نانو ذرات طلا

به نظر می رسد که دو نوع شکل ذرات طلا وجود دارد که در تبدیل نور به گرما کارآمدتر هستند. این دو نوع عبارتند از:

نانو میله‌ های طلا

قطر این استوانه ‌های جامد طلا به ۱۰ نانومتر می‌ رسد. با استفاده از نانو میله های طلا با ترکیبات مختلف قطر و طول، محققان می توانند طول موج نوری را که نانو میله جذب می کند، تغییر دهند.

نانو کره ‌های طلا بر روی یک هسته سیلیسی

با استفاده از نانو کره‌هایی با تغییر در ضخامت پوشش طلا و قطر هسته سیلیس، محققان می ‌توانند طول موج نوری که نانو کره جذب می ‌کند را تغییر دهند.

محققان از نانو میله ها یا نانو کره ها برای توسعه روش هایی برای درمان حرارتی موضعی مناطق مختلف بدن بیمار استفاده می کنند. این روش درمان، هایپرترمی نامیده می شود.

خواص نوری و الکترونیکی نانو ذرات طلا

خواص نوری ذرات طلا به اندازه و ابعاد فیزیکی این ذرات بستگی دارد. میدان‌ های الکتریکی نوسانی پرتو نوری که در نزدیکی یک نانو ذره کلوئیدی منتشر می‌ شوند با الکترون ‌های آزاد برهمکنش می‌ کنند و باعث ایجاد نوسان هماهنگ بار الکترونی می‌ شوند که با فرکانس نور مرئی رزونانس دارند.

این نوسانات تشدید به عنوان پلاسمون های سطحی شناخته می شوند. همانطور که اندازه ذرات به سمت حد توده افزایش می ‌یابد، طول موج ‌های تشدید پلاسمون سطحی به سمت بخش طیف IR حرکت می ‌کنند و بیشتر طول موج ‌های مرئی را منعکس می کند و به نانو ذرات رنگ شفاف می‌ دهد. رزونانس پلاسمون سطحی را می توان با تغییر اندازه یا شکل نانو ذرات تنظیم کرد که منجر به ایجاد ذرات با خواص نوری مناسب برای کاربردهای مختلف می شود.

این پدیده زمانی که نمک اضافی به محلول طلا اضافه می شود، نیز دیده می شود. در اثر این عمل بار سطحی ذرات طلا خنثی می شود و باعث تجمع نانو ذرات طلا می شود. در نتیجه رنگ محلول از قرمز به آبی تغییر می کند. این اصلاح سطح، نانو ذرات طلا را قادر می سازد تا به طور گسترده در کاربردهای شیمیایی، بیولوژیکی، مهندسی و پزشکی استفاده شوند.

ویژگی های نانو ذرات طلا

 

تشدید پلاسمون سطحی (SPR)

هنگامی که نانو طلا در معرض طول موج خاصی از نور قرار می ‌گیرند، میدان الکترومغناطیسی نوسانی نور باعث ایجاد یک نوسان منسجم جمعی از الکترون ‌های آزاد می ‌شود. این عمل باعث جدایی بار نسبت به شبکه یونی می ‌شود و یک نوسان دو قطبی در امتداد جهت نور ایجاد می ‌کند. میدان الکتریکی نور در یک فرکانس خاص به حداکثر می رسد که رزونانس پلاسمون سطحی (SPR) نامیده می شود.

وابسته به اندازه ذرات طلا، رزونانس پلاسمون سطحی خواص تشعشعی مانند جذب و پراکندگی را افزایش می دهد و کاربردهای متعددی را برای کاربردهای بیولوژیکی و پزشکی این ذرات ارائه می دهد.

خواص الکتروشیمیایی

خواص الکتریکی ذرات طلا در چند سال گذشته به شدت مورد مطالعه قرار گرفته است. انتقال الکترون به سطوح انرژی گسسته چندین اتم محدود نمی شود بلکه به عنوان یک سطح انرژی پیوسته ظاهر می شود. خاصیت الکتریکی ذرات طلا تنها به اندازه و محیط اطراف آنها بستگی دارد که برای بسیاری از کاربردها مانند حسگرهای زیستی الکتریکی و تراشه‌ های الکترونیکی استفاده شده است.

کاربرد نانو ذرات طلا

نانو ذرات در داروسازی و تحویل ژن

ذرات طلا که با عوامل درمانی ترکیب شده‌ اند، فارماکوکینتیک (Pharmacokinetics) داروی  را بهبود می‌ بخشند و ویژگی‌ های رهایی کنترل ‌شده یا پایدار را ارائه می دهند. این عوامل ذرات طلا را به ابزاری جذاب برای دارو رسانی و تحویل ژن تبدیل می ‌کند. نسبت بزرگ و زیاد سطح به حجم در ذرات طلا، سطح آنها را قادر می سازد تا با صدها مولکول از جمله مواد درمانی، عوامل هدف و پلیمرهای ضد رسوب پوشانده شوند.

 پروب یا کاوشگر (Probes)

این ذرات نور را پراکنده می کنند و می توانند مجموعه ای از رنگ های زیبا و جذاب را در زیر میکروسکوپ های میدان تاریک یا دارک فیلد تولید کنند. رنگ ‌های پراکنده شده توسط ذرات طلا در حال حاضر برای کاربردهای تصویر برداری بیولوژیکی استفاده می‌ شوند. همچنین، نانو ذرات طلا نسبتا متراکم هستند و به ‌عنوان کاوشگر برای میکروسکوپ الکترونی عبوری مفید خواهند بود.

مطالعات مختلف ثابت کرده‌ است که نانو ذرات طلا بر اساس تصویربرداری لومینسانس دو فوتونی، تصویربرداری پراکنده نور و کاربردهای پراکندگی رامان در سطح پیشرفته، کاوشگرهای موثری برای تصویر برداری سرطان هستند.

 حسگرها

به طور معمول، سنجش زیستی نانو ذرات طلا بر اساس برهمکنش پیوند متقاطع با یک مولکول گیرنده بر روی نانو ذرات یا برهمکنش بین نانو ذرات حاوی گیرنده‌ ها با افزودن لیگاند انجام می ‌شود. از این نانو ذرات می‌ تواند برای تشخیص پروتئین‌ ها، آلاینده‌ها و سایر مولکول‌ های بدون برچسب استفاده کرد.

از این ذرات در ساخت انواع حسگرها استفاده می شود. به عنوان مثال، یک حسگر رنگ سنجی مبتنی بر نانو ذرات طلا می‌ تواند تشخیص دهد که آیا مواد غذایی برای مصرف مناسب هستند یا خیر. روش‌ های دیگر، مانند طیف ‌سنجی رامان تقویت ‌شده سطحی، از ذرات طلا به ‌عنوان زیرلایه ‌ای برای اندازه ‌گیری انرژی‌ های ارتعاشی پیوندهای شیمیایی استفاده می‌ کنند.

خواص نوری طلا

نانو ذرات طلا به عنوان فتوکاتالیست در تعدادی از واکنش ‌های شیمیایی استفاده می ‌شوند. به دلیل خاصیت رزونانس پلاسمون سطحی منحصر به فرد، سطح این ذرات نانو را می توان برای اکسیداسیون انتخابی یا کاهش واکنش در موارد خاص مورد استفاده قرار داد.

به طور معمول، نانو ذرات طلا به عنوان فوتوکاتالیست با ترکیب دی اکسید تیتانیوم تولید می شوند که می تواند در صنایع شیمیایی مفید باشد. همچنین این نانو ذرات برای کاربردهای پیل سوختی در حال توسعه هستند. این فناوری ها در صنعت خودرو و نمایشگر بسیار مفید خواهند بود.

نانو ذرات طلا در درمان سرطان

نانو ذرات طلا به عنوان ماده حاجب در تشخیص بیماری های قلبی، سرطان ها و عوامل عفونی استفاده می شود. به عنوان مثال، توموگرافی کامپیوتری اشعه ایکس (CT) یک ابزار تصویربرداری تشخیصی رایج برای تشخیص ذرات طلا در داخل بدن است. نانو ذرات طلا همچنین هنگام عمل به عنوان مواد مورد استفاده برای تصویربرداری NIR، شدت سیگنال و پایداری خوبی از خود نشان می‌ دهند.

نانو ذرات طلا متداول ‌ترین نانو ذرات مورد استفاده برای سنجش جریان جانبی هستند. با توجه به خواص نوری این ذرات، تشخیص با چشم غیر مسلح با حساسیت عالی قابل دستیابی است. این سنجش همچنین می تواند برای اجرا در حالت غیر رقابتی و رقابتی نیز سازگار شود.

کاربرد نانو ذرات طلا در پزشکی

نانو ذرات طلا می توانند نور را در نتیجه رزونانس پلاسمون سطحی (SPR) به شدت جذب کنند. نور جذب شده می تواند به طور موثری توسط فرآیندهای سریع به گرما تبدیل شود. این عمل ذرات طلا را به ابزاری مفید برای درمان فتوترمال سرطان یا سایر بیماری ها تبدیل می کند.

این ذرات نانو با جذب نزدیک به پرتو مادون قرمز، هنگامی که توسط نور در طول موج ‌های ۷۰۰ تا ۸۰۰ نانومتر برانگیخته می‌ شوند، گرما تولید می ‌کنند. این مسئله نانو ذرات را قادر می ‌سازد تا تومورهای هدف را از بین ببرند. زمانی که نور به توموری حاوی ذرات طلا اعمال می‌ شود، ذرات به سرعت گرم می ‌شوند و سلول ‌های تومور را در یک روش درمانی که به عنوان درمان هایپرترمی نیز شناخته می ‌شود، می ‌کشند.

کاربرد نانو ذرات طلا و نقره

نانو ذرات فلزی از قبیل طلا و نقره دارای خصوصیات فیزیکی و شیمیایی بی ‌نظیری هستند. این ترکیبات به دلیل خواص ضد میکروبی در داروسازی، پزشکی، زیست‌ شناسی استفاده می شود. این ذرات نانو حتی الکترونیک و اپتیک استفاده می شوند. نانو ذرات طلا به‌عنوان نانوکاتالیست در حذف آلاینده ­ها و نابودی سلول ­های سرطانی نیز مورد استفاده قرار می گیرند.

طرز تهیه کلوئید طلا

طلای کلوئیدی توسط فارادی ۱۵۰ سال پیش تولید شد و به ذرات طلای معلق شبیه بود. ترکیب و خواص طلای کلوئیدی آن را برای کاربرد در زمینه های مختلف به یک ابزار مناسب تبدیل کرده است که هم اکنون نیز مورد استفاده قرار می گیرد.

سخن آخر

نانو طلاها مواد همه کاره برای طیف وسیعی از کاربردها با خواص الکترونیکی و فیزیکی هستند. علاوه بر این، شیمی سطح آنها به راحتی قابل تغییر است. این ویژگی ‌ها نانو ذرات طلا را به یکی از پر کاربردترین نانومواد ها برای تحقیقات آکادمیک و جزء جدایی ‌ناپذیر در تجهیزات پزشکی و محصولات صنعتی در سراسر جهان تبدیل کرده است. عرضه گسترده نانو ذرات طلا که برای جامعه تحقیقاتی جهانی بسیار ضروری است، به افزایش پذیرش این ذرات در کاربردهای فناوری پیشرفته بسیار کمک می کند.