コロイド金

コロイド金は、ナノ粒子が可視光と相互作用するため、何世紀にもわたって芸術家によって使用されてきました。金ナノ粒子は光を吸収および散乱し^{[ 24 ]}、粒子のサイズ、形状、局所屈折率、および凝集状態に応じて、鮮やかな赤（小さな粒子）から青、黒、そして最終的には透明で無色（大きな粒子）まで、さまざまな色を生み出します。これらの色は、局所表面プラズモン共鳴（LSPR）と呼ばれる現象によって生じます。この現象では、ナノ粒子の表面にある伝導電子が入射光と共鳴して振動します。

コロイド金とその様々な誘導体は、生物学的電子顕微鏡における抗原の標識として長年広く用いられてきた。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}コロイド金粒子は、抗体、レクチン、スーパー抗原、グリカン、核酸^{[ 36 ]}、受容体など、多くの従来の生物学的プローブに結合させることができる。異なるサイズの粒子は電子顕微鏡写真で容易に識別できるため、同時多重標識実験が可能となる。^{[ 37 ]}

生物学的プローブに加えて、金ナノ粒子は、雲母、単結晶シリコン、原子的に平坦な金(III)などのさまざまな鉱物基板に転写され、原子間力顕微鏡(AFM)で観察することができる。^{[ 38 ]}

金ナノ粒子は、薬物の生体内分布を病変臓器、組織、または細胞に最適化し、薬物送達を改善および標的化するために使用できます。^{[ 39 ] [ 40 ]} ナノ粒子を介した薬物送達は、薬物分布が不十分な場合にのみ実行可能です。これらのケースには、不安定な（タンパク質、siRNA、DNA）の薬物標的化、困難な部位（脳、網膜、腫瘍、細胞内小器官）への送達、および深刻な副作用のある薬物（抗がん剤など）が含まれます。ナノ粒子の性能は、粒子のサイズと表面機能に依存します。また、薬物放出と粒子の崩壊は、システム（pHに敏感な生分解性ポリマーなど）によって異なる場合があります。最適なナノ薬物送達システムは、活性薬物が適切な時間と期間作用部位で利用可能であり、その濃度が最小有効濃度（MEC）より高く、最小毒性濃度（MTC）より低いことを保証する必要があります。^{[ 41 ]}

金ナノ粒子は、パクリタキセルなどの薬剤のキャリアとして研究されている。^{[ 42 ]}疎水性薬剤の投与には分子カプセル化が必要であり、ナノサイズの粒子は網内系を回避するのに特に効果的であることがわかっている。

がん研究において、コロイド金は腫瘍を標的とし、生体内でSERS（表面増強ラマン分光法）を用いて検出するために使用できる。これらの金ナノ粒子はラマンレポーターで囲まれており、量子ドットよりも200倍以上明るい光を発する。ナノ粒子をチオール修飾ポリエチレングリコールコートでカプセル化すると、ラマンレポーターが安定化することがわかった。これにより、生体内での適合性と循環が可能になる。腫瘍細胞を特異的に標的とするために、ポリエチレングリコール化された金粒子は、例えば上皮成長因子受容体に対する抗体（またはscFvなどの抗体断片）と結合される。上皮成長因子受容体は、特定のがん種の細胞で過剰発現することがある。SERSを使用すると、これらのポリエチレングリコール化された金ナノ粒子は腫瘍の位置を検出できる。^{[ 43 ]}

金ナノ粒子は腫瘍血管の漏出性により腫瘍内に蓄積し、マウスモデルにおける皮膚がん検出のための短パルスレーザーを用いた時間分解光トモグラフィーシステムにおいて、画像化を強化するための造影剤として使用できる。静脈内投与された球状金ナノ粒子は、反射光信号の時間プロファイルを広げ、周囲の正常組織と腫瘍とのコントラストを高めることがわかった。^{[ 44 ]}

金ナノ粒子は、最大限の治療効果を発揮するsiRNAオリゴヌクレオチドの細胞内送達媒体として有望であることが示されている。

金ナノ粒子は、細胞内ヌクレアーゼからの保護と選択的ターゲティングのための機能化の容易さにより、アンチセンスオリゴヌクレオチド（一本鎖および二本鎖DNA）の細胞内送達媒体としての可能性を示している。^{[ 45 ]}

金ナノロッドは、生体内応用向けの光熱剤として研究されている。金ナノロッドは棒状の金ナノ粒子で、そのアスペクト比によって表面プラズモン共鳴（SPR）バンドが可視光から近赤外波長まで調整される。SPRにおける光の全消光は、吸収と散乱の両方から成り立っている。軸方向の直径が小さいナノロッド（約10  nm）では吸収が支配的であるのに対し、軸方向の直径が大きいナノロッド（>35  nm）では散乱が支配的になることがある。その結果、生体内研究では、吸収断面積が大きいことから、小径の金ナノロッドが近赤外光の光熱変換器として使用されている。^{[ 46 ]}近赤外光は人間の皮膚や組織を容易に透過するため、これらのナノロッドは癌やその他の標的のアブレーション成分として使用できる。ポリマーでコーティングされた金ナノロッドは、生体内で6時間以上の半減期、約72時間の体内滞留時間、肝臓以外の内臓への取り込みがほとんどまたは全くないことが観察されている。^{[ 47 ]}

前臨床研究において光熱剤としての金ナノロッドの成功は疑いようもないが、サイズが腎排泄閾値を超えているため、臨床使用の承認はまだ得られていない。^{[ 48 ] [ 49 ]} 2019年には、初の近赤外線吸収プラズモン超小型ナノ構造が報告され、(i)温熱療法に適した光熱変換、(ii)複数回の光熱療法の可能性、(iii)治療作用後の構成要素の腎排泄を共同で組み合わせている。 ^{[ 50 ]}

腫瘍への線量増加のために金やその他の重原子を含むナノ粒子を使用することに大きな関心が寄せられている。^{[ 51 ]}金ナノ粒子は近くの健康な組織よりも腫瘍に多く取り込まれるため、線量が選択的に増加する。この種の治療の生物学的有効性は、ナノ粒子の近くに放射線量が局所的に沈着することによるものと思われる。^{[ 52 ]}このメカニズムは重イオン療法で起こるものと同じである。

研究者らは硫化水素（H₂）を現場で検出するためのシンプルで安価な方法を開発した。₂空気中に存在するSは、金ナノ粒子（AuNP）の凝集防止に基づいている。Hを溶解する₂ S を弱アルカリ性緩衝溶液HS- が生成され、これが AuNP を安定化させ、赤色を維持することで、毒性レベルのH を₂ S. ^{[ 53 ]}

金ナノ粒子は、安定性、感度、選択性を向上させるためにバイオセンサーに組み込まれています。 ^{[ 54 ]}ナノ粒子は、サイズが小さい、表面積対体積比が高い、表面エネルギーが高いなどの特性により、広範囲の生体分子を固定化できます。特に金ナノ粒子は、「電子ワイヤー」として電子を輸送することもでき、電磁光に対する増幅効果により信号増幅器として機能します。^{[ 55 ] [ 56 ]}金ナノ粒子ベースのバイオセンサーの主な種類は、光学バイオセンサーと電気化学バイオセンサーです。

光バイオセンサー

金ナノ粒子は、局所屈折率の変化に応じて光センサーの感度を向上させます。金属表面の表面に他の物質が結合すると、表面プラズモン共鳴（光波と金属中の伝導電子との相互作用）の入射光の角度が変化します。^{[ 57 ] [ 58 ]}金は周囲の誘電率に非常に敏感であるため、^{[ 59 ] [ 60 ]}分析対象物の結合により金ナノ粒子のSPRが大きくシフトし、より高感度な検出が可能になります。金ナノ粒子はSPR信号を増幅することもできます。^{[ 61 ]}プラズモン波が金ナノ粒子を通過すると、波の電荷密度と金中の電子が相互作用し、より高いエネルギー応答が生じます。これは電子結合と呼ばれます。^{[ 54 ]}分析対象物とバイオレセプターの両方が金に結合すると、分析対象物の見かけの質量が増加し、信号が増幅されます。^{[ 54 ]} これらの特性は、Au NP がない場合よりも 1000 倍高い感度を持つ DNA センサーを構築するために使用されました。^{[ 62 ]}湿度センサーは、湿度の変化によって分子間の原子間隔を変化させることによっても構築されており、間隔の変化は Au NP の LSPR の変化も引き起こします。^{[ 63 ]}

アルカンチオール分子などの有機配位子で修飾された金ナノ粒子は、自己組織化によって大きな単分子膜（>cm²）を形成することができる^。これらの粒子は、まずクロロホルムやトルエンなどの有機溶媒中で調製され、その後、液体表面または固体基板上に単分子膜として展開される。このようなナノ粒子の界面薄膜は、界面活性剤から作られるラングミュア・ブロジェット単分子膜と密接な関係がある。

ナノ粒子単層の機械的特性は広範囲に研究されてきた。 ドデカンチオールでキャップされた5 nm球の場合、単層のヤング率はGPaオーダーである。^{[ 73 ]}膜の力学は、隣接する粒子上のリガンドシェル間の強い相互作用によって制御される。^{[ 74 ]}破断時には、膜は11の破断応力で歪みの方向に垂直に割れる。${\displaystyle \pm }$2.6 MPaで、架橋ポリマーフィルムのものと同程度である。^{[ 75 ]}自立型ナノ粒子膜は10のオーダーの曲げ剛性を示す。${\displaystyle ^{5}}$ eV は、粒子回転自由度の非局所的結合などの非局所的微細構造制約により、同じ厚さの連続板について理論的に予測される値よりも高い。^{[ 76 ]}一方、空気/水界面に支持されたナノ粒子単層では、湿潤環境におけるリガンド相互作用の遮蔽により、曲げ抵抗が大幅に減少することがわかっている。^{[ 77 ]}

ナノ粒子の初期合成後、コロイド金リガンドは、特定の用途向けに設計された新しいリガンドと交換されることが多い。たとえば、Turkevich スタイル (またはクエン酸還元) 法で製造された Au NP は、カルボキシル基と NP の表面との結合が比較的弱いため、リガンド交換反応によって容易に反応する。^{[ 79 ]}このリガンド交換により、DNA から RNA、タンパク質、ポリマー ( PEGなど) まで、多くの生体分子との結合が実現し、生体適合性と機能性が向上する。たとえば、リガンドは、吸着物と特定の酸素化反応の活性金表面との相互作用を媒介することで、触媒活性を高めることが示されている。^{[ 80 ]}リガンド交換は、コロイド粒子の相転移を促進するためにも使用できる。^{[ 78 ]} Brust型合成法で製造されたアルカンチオール固定NPでもリガンド交換は可能ですが、リガンド脱離速度を促進するにはより高い温度が必要です。^{[ 81 ] [ 82 ]}さらなる機能化のための別の方法は、リガンドを他の分子と結合させることによって達成されますが、この方法はAu NPのコロイド安定性を低下させる可能性があります。^{[ 83 ]}

多くの場合、金のさまざまな高温触媒用途と同様に、キャッピングリガンドを除去すると、より望ましい物理化学的特性が得られます。^{[ 84 ]}金ナノ粒子あたりの金原子数を比較的一定に保ちながらコロイド金からリガンドを除去することは、これらの裸のクラスターが凝集する傾向があるため困難です。リガンドの除去は、余分なキャッピングリガンドをすべて洗い流すだけで部分的に達成できますが、この方法はすべてのキャッピングリガンドを除去するのに効果的ではありません。多くの場合、リガンドの除去は、高温または光アブレーションの後に洗浄することで達成されます。あるいは、リガンドを電気化学的にエッチングすることもできます。^{[ 85 ]}

コロイド金ナノ粒子の表面にあるリガンドの正確な構造は、コロイド金粒子の特性に影響を与えます。コロイド金ナノ粒子の表面におけるキャッピングリガンドの結合コンフォメーションと表面パッキングは、ナノ粒子の表面に見られる高い曲率のため、バルク表面モデル吸着とは大きく異なる傾向があります。^{[ 78 ]}ナノスケールでのチオラート-金界面はよく研究されており、チオラートリガンドは、粒子の表面から金原子を引き剥がして、顕著なチイル-Au(0)特性を持つ「ステープル」モチーフを形成することが観察されています。^{[ 86 ] [ 87 ]}一方、クエン酸-金表面は、湾曲した金表面へのクエン酸の結合コンフォメーションが非常に多いため、比較的あまり研究されていません。2014年に行われた研究では、クエン酸の最も好ましい結合は2つのカルボン酸を含み、クエン酸の水酸基が3つの表面金属原子に結合することが明らかになりました。^{[ 88 ]}

AuNP自体は毒性が低いか無視できる程度であるように見え、文献によると毒性は粒子自体よりも配位子に大きく関係しているが、その合成には危険な化学物質が関わっている。強烈な試薬である水素化ホウ素ナトリウムは、金イオンを金金属に還元するために使用される。^{[ 91 ]}金イオンは通常、強力な酸である塩化金酸から得られる。^{[ 92 ]} AuNPの合成に使用される試薬の毒性が高く危険であるため、より「グリーン」な合成方法の必要性が生じた。

AuNP に関連するキャッピングリガンドの中には毒性のあるものもあれば、無毒なものもあります。金ナノロッド (AuNR) では、低濃度のCTABで安定化された AuNR に強い細胞毒性が関連付けられていることが示されていますが、毒性の原因は遊離 CTAB であると考えられています。^{[ 92 ] [ 93 ]}これらの AuNR をオーバーコートする修飾により、CTAB 分子が AuNR から溶液中に脱着するのを防ぐことで、ヒト結腸癌細胞 (HT-29) におけるこの毒性が軽減されます。^{[ 92 ]} リガンドの毒性は AuNP でも見られます。同じ濃度の HAuCl4 の 90% の毒性と比較すると_、カルボキシレート末端を持つ AuNP は無毒であることが示されています。^{[ 94 ]}ビオチン、システイン、クエン酸、グルコースと結合した大型 AuNP は、濃度が 0.25 M までであればヒト白血病細胞 ( K562 ) に対して毒性を示さなかった。 ^{[ 95 ]}また、クエン酸でキャップされた金ナノスフェア (AuNS) はヒトの血液と適合し、血小板凝集や免疫応答を引き起こさないことが証明されている。^{[ 96 ]}しかし、クエン酸でキャップされた金ナノ粒子のサイズ 8～37  nm はマウスに対して致死的な毒性を示し、寿命の短縮、重度の病気、食欲不振と体重減少、毛髪の変色、肝臓、脾臓、肺の損傷を引き起こした。金ナノ粒子は免疫系の一部を通過した後、脾臓と肝臓に蓄積した。^{[ 97 ]}ポリエチレングリコール(PEG) 修飾 AuNP については、様々な見解がある。これらのAuNPは、注射によりマウス肝臓に毒性を示し、細胞死と軽度の炎症を引き起こすことがわかった。^{[ 98 ]}しかし、PEG共重合体と結合したAuNPは、ヒト結腸細胞（Caco-2）に対してほとんど毒性を示さなかった。^{[ 99 ]} AuNPの毒性は、リガンドの全体的な電荷にも依存する。正電荷リガンドを持つAuNSは、特定の用量では、負電荷細胞膜との相互作用により、サル腎臓細胞（Cos-1）、ヒト赤血球、および大腸菌に対して毒性を示す。負電荷リガンドを持つAuNSは、これらの種に対して無毒であることがわかっている。^{[ 94 ]} 上記のin vivoおよびin vitro実験に加えて、他の同様の実験も行われている。トリメチルアンモニウムリガンド末端を持つアルキルチオレート-AuNPは、in vitroで哺乳類細胞膜を介したDNAの転座を媒介する。高レベルでは、これらの細胞にとって有害で​​ある。^{[ 100 ]}ウサギの角膜混濁は、創傷治癒を促進し角膜線維症を抑制する遺伝子を導入したポリエチレンイミンで覆われた金ナノ粒子を使用することで、生体内で治癒した。^{[ 101 ]}

特定のシステムにおける毒性は、ナノ粒子のサイズにも依存する可能性がある。1.4  nm サイズの AuNS は、ヒト皮膚がん細胞 (SK-Mel-28)、ヒト子宮頸がん細胞 ( HeLa )、マウス線維芽細胞 (L929)、およびマウスマクロファージ(J774A.1) に対して毒性があることがわかったが、0.8、1.2、および 1.8  nm サイズの AuNS は 6 分の 1 の毒性しかなく、15  nm AuNS は無毒であった。^{[ 94 ]}生体内研究では、注射後に AuNP が蓄積するという証拠がいくつかあるが、これはサイズに大きく依存する。1.8  nm AuNP はラットの肺にほぼ完全に捕捉されることがわかった。^{[ 102 ]}さまざまなサイズの AuNP が血液、脳、胃、膵臓、腎臓、肝臓、および脾臓に蓄積することがわかった。^{[ 103 ] [ 104 ]}

生分解性超小型ナノ構造のバイオセーフティとバイオキネティクスの調査により、金ナノ粒子は腎臓経路を介して排出されることで、生体内での金属蓄積を回避できることが実証されています。 ^{[ 105 ] [ 106 ]}

このシンプルな方法は、1951 年に J. Turkevich らによって開拓され^{[ 107 ] [ 108 ]}、1970 年代に G. Frens によって改良されました^{[ 109 ] [ 110 ]} 。この方法では、直径約 10～20 nmの適度に単分散な球状金ナノ粒子が生成されます。より大きな粒子を生成することもできますが、その代償として単分散性と形状が損なわれます。この方法では、熱した塩化金酸をクエン酸ナトリウム溶液で処理して、コロイド金を生成します。Turkevich 反応は、一時的な金ナノワイヤーの形成を介して進行します。これらの金ナノワイヤーは、反応溶液がルビーレッドになる前に暗い外観になる原因です^{[ 111 ]。} 

ナノ粒子合成では、粒子の成長と凝集を抑制するためにキャッピング剤が使用されます。この化学物質は粒子の周辺での反応性を遮断または低下させます。優れたキャッピング剤は新しい核に対して高い親和性を持っています。^{[ 112 ]}クエン酸イオンまたはタンニン酸は、還元剤とキャッピング剤の両方として機能します。^{[ 113 ] [ 114 ]}クエン酸ナトリウムが少ないと、より大きな粒子が得られます。

この方法は1990年代初頭にBrustとSchiffrinによって発見され^{[ 115 ]} 、通常は水と混和しない有機液体（トルエンなど）中で金ナノ粒子を生成するために使用できます。これは、トルエン中の塩化金酸溶液とテトラオクチルアンモニウムブロミド（TOAB）溶液、および抗凝固剤と還元剤としての水素化ホウ素ナトリウムとの反応を伴います。

ここでは、金ナノ粒子は約5～6  nmになります。^{[ 116 ]} NaBH4_は還元剤であり、TOABは相間移動触媒と安定化剤の両方です。

TOABは金ナノ粒子に特に強く結合しないため、溶液は約2週間かけて徐々に凝集します。これを防ぐには、チオール（特にアルカンチオール）のようなより強力な結合剤を添加すると、金に結合してほぼ永久的な溶液が得られます。^{[ 117 ] [ 118 ]}アルカンチオールで保護された金ナノ粒子は沈殿させてから再溶解することができます。チオールは、2つの物質が互いに反応するときに形成される金-硫黄結合に対して強い親和性があるため、より優れた結合剤です。^{[ 119 ]}テトラドデカンチオールは、より小さな粒子を合成するためによく使用される強力な結合剤です。^{[ 120 ]}相間移動剤の一部は精製されたナノ粒子に結合したまま残っている可能性があり、これは溶解度 などの物理的特性に影響を与える可能性があります。この薬剤をできるだけ多く除去するために、ナノ粒子はソックスレー抽出によってさらに精製する必要があります。

2009 年に Perrault と Chan によって発見されたこのアプローチ^{[ 121 ]}は、 15 nm の金ナノ粒子シードを含む水溶液中でHAuCl ₄を還元するためにヒドロキノンを使用します 。このシードベースの合成方法は、写真フィルム現像で使用される方法に似ています。写真フィルム現像では、フィルム内の銀粒子は、還元された銀が表面に付加されることによって成長します。同様に、金ナノ粒子はヒドロキノンと連携して、イオン性金の表面への還元を触媒することができます。クエン酸塩などの安定剤の存在により、粒子への金原子の制御された堆積と成長が実現します。通常、ナノ粒子シードはクエン酸塩法を使用して製造されます。ヒドロキノン法は、製造可能な単分散球状粒子のサイズ範囲を広げるため、Frens の方法^{[ 109 ] [ 110 ]}を補完します。Frens 法は 12〜20 nm の粒子に最適ですが 、ヒドロキノン法では少なくとも 30〜300  nm の粒子を製造できます。

2010 年に Martin と Eah によって発見されたこのシンプルな方法^{[ 122 ]}は、水中でほぼ単分散の「裸の」金ナノ粒子を生成します。NaBH ₄ -NaOH イオンと HAuCl ₄ -HCl イオンの比率を「スイート ゾーン」内で調整することによって還元化学量論を精密に制御し、加熱することで、3～6  nm の範囲で再現性のある直径調整が可能になります。水溶液中の粒子は、溶液中の過剰なイオンによる高い電荷のため、コロイド的に安定しています。これらの粒子は、さまざまな親水性機能でコーティングしたり、非極性溶媒での用途のために疎水性リガンドと混合したりできます。非極性溶媒中では、ナノ粒子は高い電荷を保持し、液滴上に自己組織化して、単分散ナノ粒子の 2 次元単層膜を形成します。

Bacillus licheniformis は、10～100 ナノメートルのサイズの金ナノキューブの合成に使用できます。^{[ 123 ]}金ナノ粒子は通常、有機溶媒中で高温で、または毒性のある試薬を使用して合成されます。細菌は、はるかに穏やかな条件下でそれらを生成します。

30 nm より大きい粒子の場合 、球状金ナノ粒子の低多分散性で粒子サイズを制御することは依然として困難です。NP 構造を最大限に制御するために、Navarro らは、還元剤としてアセチルアセトン酸ナトリウム、安定剤としてクエン酸ナトリウムを使用した改良型 Turkevitch-Frens 法を使用しました。 ^{[ 124 ]}

金粒子を実験的に生成するもう 1 つの方法は、超音波分解によるものです。この種の最初の方法は、Baigent と Müller によって発明されました。^{[ 125 ]}この研究は、関連するプロセスに必要なエネルギーを供給するために超音波を使用することを先駆的に行い、直径 10 nm 未満の金粒子の生成を可能にしました。超音波を使用する別の方法では、HAuCl ₄水溶液とグルコース の反応で、^{[ 126 ]}還元剤はヒドロキシルラジカルと糖の熱分解ラジカル(崩壊する空洞とバルク水の間の界面領域で形成) であり、得られる形態は幅 30～50 nm、長さが数マイクロメートルのナノリボンです。これらのリボンは非常に柔軟で、90° を超える角度で曲げることができます。グルコースをシクロデキストリン(グルコースオリゴマー)に置き換えると、球状の金粒子のみが得られるため、グルコースがリボンの形態に方向付けるのに不可欠であることが示唆されます。 

酒井ら^{[ 127 ]}は、ブロック共重合体を用いた金ナノ粒子の経済的で環境に優しく迅速な合成方法を開発した。この合成方法では、ブロック共重合体は還元剤と安定化剤の二重の役割を果たす。金ナノ粒子の形成は、溶液中のブロック共重合体による金塩イオンの還元と金クラスターの形成、金クラスターへのブロック共重合体の吸着、これらの金クラスターの表面での金塩イオンのさらなる還元による段階的な金粒子の成長、そして最後にブロック共重合体による安定化という3つの主要なステップから構成される。しかし、この方法は通常、収率（ナノ粒子濃度）が限られており、金塩濃度の増加に伴って増加しない。Rayら^{[ 128 ]}は、室温でナノ粒子の収率を何倍にも高めることで、この合成方法を改良した。