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Cytodiagnostics社 金ナノ粒子・金コロイドの基礎と応用

記事ID : 14350
研究用

金ナノ粒子の特性(粒径・形状・凝集)1. 金ナノ粒子の特性・性質


金ナノ粒子(金コロイド)は、その特徴的な光学特性から、生物学や工学的分野(例えば、バイオイメージングやフォトニクス)において広く応用されています。

金ナノ粒子の光学的特性は、金ナノ粒子表面の電子と光の相互作用によって生じます。光の特定の波長(周波数)では、表面プラズモン共鳴(SPR:surface plasmon resonance)(図1)と呼ばれる金ナノ粒子表面上の電子の集団振動現象が起こり、光の強い減光(extinction of light:吸収および散乱)を生じます。発生する光の波長や周波数は、金ナノ粒子のサイズ、形状、表面の修飾および凝集状態に強く依存します。

金ナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴の原理
図1.金ナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴(LSPR:localized surface plasmon resonance)の原理。
特定波長の入射光と表面電子の集団振動によって生じる。

表面プラズモン共鳴(SPR:surface plasmon resonance)に影響する要素

1.金ナノ粒子のサイズ

表面プラズモン共鳴に対する、金ナノ粒子のサイズが及ぼす影響について 図2 に示します。

Cytodiagnostics(サイトダイアグノスティクス/CTD)社 の 20nm 金ナノ粒子と 100nm 球状金ナノ粒子を比較すると、吸収ピーク(λmax)がそれぞれ 520nm から 570nm に増大します。また、100nm 以上のサイズの粒子は、短軸方向と長軸方向の両方の表面プラズモン共鳴が存在するため、600nm 以上のに及ぶ広いピークを示します。一方、約 2nm 未満の粒径の金ナノ粒子は、表面プラズモン共鳴を示しません。金ナノ粒子がサイズ依存的に異なる減光(extinction)を示す性質は、マルチプレックス化に利用されます。

金ナノ粒子サイズと表面プラズモン共鳴
図2.金ナノ粒子サイズに依存する表面プラズモン共鳴。
金ナノ粒子のサイズが大きくなるにつれて、吸収極大のレッドシフトを生じる。

 

2.金ナノ粒子の形状

金ナノ粒子の形状は、その光学的特性を決定する主要な要因です。異なる形状の金ナノ粒子を合成することによって表面プラズモン共鳴を容易に調整することができ、吸収極大を 500nm 付近から近赤外のスペクトル方向にシフトさせることが可能です。

一例として、Cytodiagnostics 社 の「金コロイド(球状)」は515-570nm が吸収極大である一方、「金ナノロッド(桿状)」や「金ナノアーチン(別名:金ナノスター)(スパイク状)」といった不規則な形状を持つ粒子は、近赤外領域に吸収極大を有します(図3)。同等の粒子サイズにおいて、球状粒子と不規則な形状の粒子で吸収特性に差を生じるのは、表面電子層の異方的(不均一)な分布に起因します。

金ナノ粒子の形状に依存する局在表面プラズモン共鳴
図3.
上図:金ナノ粒子の形状に依存する局在表面プラズモン共鳴
(A:球状金ナノ粒子 B:スパイク状金ナノアーチン/金ナノスター)。
下図:3つの異なるアスペクト比を有する金ナノロッドの吸光度スペクトル。
長軸方向と短軸方向の両方の表面プラズモン共鳴によって2つの吸収ピークが存在する。

 

スパイク状の表面形状を持つ「金ナノアーチン」(別名:金ナノスター)の近赤外光は、生体組織で高い透過性を示し、バックグラウンドが低いため、球状粒子に対して in vivo ベースのアプリケーションに有用です。また、不規則な形状の粒子表面上で電磁場が増強されるため、表面増強ラマン分光(SERS:Surface-Enhanced Raman Spectroscopy)で高いシグナルを与えます。
一方、球状の金ナノ粒子は、イムノドットブロット(図4参照)法やラテラルフロー法に適しています。

金属ナノ粒子を用いたイムノドットブロットアッセイ
図4.3種類の金属-タンパク質複合体を用いたイムノドットブロットアッセイ。
金属の種類(金または銀)と形状(球状またはスパイク状)で色が異なる。

 

3.金ナノ粒子の凝集

金ナノ粒子の凝集状態は、その光学的特性に影響を与えます。凝集状態をモニターすることで、時間経過や塩を含有するバッファーの添加(高濃度の塩で粒子の凝集が生じます)に対する金ナノ粒子の安定性を評価することができます。図5で示すような凝集や粒子の近接による吸収極大のレッドシフトは、多くのアッセイで検出メカニズムとして利用されます。

15nm の金ナノ粒子の外観とUV-Visスペクトル
図5.15nm の金ナノ粒子の外観(左図)とUV-Visスペクトル(右図)。
(A:単分散粒子,B:NaCl の添加で強く凝集した粒子)

 

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Cytodiagnostics社 金ナノ粒子の物性と光学特性

Table I. 各粒径の Cytodiagnostics社 金ナノ粒子の光学特性と物性。
Diameter
(nm)
Peak SPR Wavelength (nm) NPS/ml Wt. Conc (mg/ml) Molar Ext (M-1cm-1) Size Dispersity (+/-nm) Particle Volume
(nm3)
Surface Area (nm2) Surface/ Volume
Ratio
Particle Mass (g) Molar Mass (g/mol) Molar Concentration
5 515-520 5.47E+13 6.94E-02 1.10E+07 <15% 6.54E+01 7.85E+01 1.200 1.27E-18 7.64E+05 9.08E-08
10 515-520 5.98E+12 6.07E-02 1.01E+08 <15% 5.24E+02 3.14E+02 0.600 1.02E-17 6.11E+06 9.93E-09
15 520 1.64E+12 5.61E-02 3.67E+08 <12% 1.77E+03 7.07E+02 0.400 3.43E-17 2.06E+07 2.72E-09
20 524 6.54E+11 5.31E-02 9.21E+08 <12% 4.19E+03 1.26E+03 0.300 8.12E-17 4.89E+07 1.09E-09
30 526 1.79E+11 4.91E-02 3.36E+09 <12% 1.41E+04 2.83E+03 0.200 2.74E-16 1.65E+08 2.98E-10
40 530 7.15E+10 4.65E-02 8.42E+09 <12% 3.35E+04 5.03E+03 0.150 6.50E-16 3.91E+08 1.19E-10
50 535 3.51E+10 4.45E-02 1.72E+10 <10% 6.54E+04 7.85E+03 0.120 1.27E-15 7.64E+08 5.83E-11
60 540 1.96E+10 4.30E-02 3.07E+10 <10% 1.13E+05 1.13E+04 0.100 2.19E-15 1.32E+09 3.25E-11
70 548 1.20E+10 4.17E-02 5.03E+10 <10% 1.80E+05 1.54E+04 0.086 3.48E-15 2.10E+09 1.99E-11
80 553 7.82E+09 4.06E-02 7.70E+10 <10% 2.68E+05 2.01E+04 0.075 5.20E-15 3.13E+09 1.30E-11
90 564 5.37E+09 3.97E-02 1.12E+11 <8% 3.82E+05 2.54E+04 0.067 7.40E-15 4.46E+09 8.92E-12
100 572 3.84E+09 3.89E-02 1.57E+11 <8% 5.24E+05 3.14E+04 0.060 1.02E-14 6.11E+09 6.37E-12
Diameter 
(nm)
NPS/ml Wt. Conc (mg/ml) Size Dispersity (+/-nm) Particle Volume 
(nm3)
Surface Area (nm2) Surface/ Volume Ratio Particle 
Mass (g)
Molar Mass (g/mol) Molar Concentration
150 3.60E+09 1.20E-01 <8% 1.77E+06 7.07E+04 0.040 3.43E-14 2.06E+10 5.98E-12
200 1.91E+09 1.55E-01 <8% 4.19E+06 1.26E+05 0.030 8.12E-14 4.89E+10 3.17E-12
250 7.08E+08 1.13E-01 <8% 8.18E+06 1.96E+05 0.024 1.59E-13 9.55E+10 1.18E-12
300 4.50E+08 1.24E-01 <8% 1.41E+07 2.83E+05 0.020 2.74E-13 1.65E+11 7.48E-13
400 1.88E+08 1.22E-01 <8% 3.35E+07 5.03E+05 0.015 6.50E-13 3.91E+11 3.12E-13
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