Gymnázium Jana Nerudy

Gymnázium Jana Nerudy Závěrečná práce studentského projektu Nová zlatá horečka - význam zlata v chemii, fotonice, elektronice a medicíně Evropský sociální fond Praha a EU Investujeme do vaší budoucnosti 2014 Eliška Mádrová 1 Veronika Panzo

Prohlášení Prohlašujeme, že jsme diplomovou práci vypracovaly samostatně a na základě literatury a pramenů uvedených ve zdrojích. V Praze dne 30. 5. 2014... Eliška Mádrová Veronika Panzo 2

OBSAH: Úvod Vývoj zlatých nanočástic Vlastnosti nanočástic Experiment Úvod Výroba nanočástic pomocí borohydridu Výroba nanočástic pomocí citrátu Měření Závěr Využití nanočástic v medicíně HIV Rakovina Vakcíny Antibakteriální látka Vliv koloidního zlata na lidské tělo Závěr 3

ÚVOD Vybraly jsme si jako téma naší práce Novou zlatou horečku, protože nás zajímalo, jaké jiné využití kromě toho, že je zlato už od pradávna považováno za symbol bohatství a používá se jako platidlo nebo se z něj vyrábějí šperky, zlato má. V naší práci se zaměříme na zlaté nanočástice, hlavně na jejich optické vlastnosti a jejich využití v lékařství. Stěžejní částí naší práce je experiment, a to výroba zlatých nanočástic dvěma způsoby - pomocí borohydridu a redukcí citrátem. Tyto roztoky poté podrobíme měření, pomocí kterého si dokážeme jejich optické vlastnosti. Poté se budeme zabývat využitím těchto vlastností v lékařství. 4

VÝVOJ: Historie nanočástic sahá do období nejvyspělejších starověkých civilizací. Vývoj zlatých nanočástic začal už ve starém Egyptě. Staří Egypťané věřili, že jejich bohové mají tělo ze zlata, proto měli ke zlatu neobyčejný vztah. Protože pro ně bylo zlato tak důležité, snažili se ho vytvořit z různých jiných látek pomocí kamene mudrců. Jako první se Egypťané pokusili vytvořit ze zlata elixír mládí nebo s jeho pomocí dosáhnout nesmrtelnosti. Tyto alchymistické experimenty, i když neúspěšné, daly základy k chemii, jakou známe dnes. V Římské říši se vyráběly poháry a jiné ozdobné předměty s vyobrazením Lykurga, což byl mytologický thrácký král, který byl oslepen, když se protivil bohu Dionýsovi. Poháry právě s tímto vyobrazením se vyznačují svými neobvyklými optickými vlastnostmi. Pokud pohár pozorujeme na světle, sklo je zbarvené do zelena. Díváme-li se na něj, když je zdroj světla umístěn dovnitř poháru, sklo je zbarvené do červena. Chemická analýza pohárů ukázala, že sklo se liší od klasického tím, že obsahuje malé množství zlata a stříbra ve formě nanokrystalů, což ukazuje na to, jak odlišné jsou optické vlastnosti zlatých nanočástic. Lykurgovy poháryvpravo osvětlený zevnitř, vlevo osvětlený zvenku V 19. Století byl slavným experimentálním fyzikem, který se zabýval hlavně elektromagnetismem, Michael Faraday. Jako první experimentoval se zlatými nanočásticemi, to znamená koloidním zlatem. Okolo roku 1847 Faraday objevil, že kovové nanočástice mají odlišné optické vlastnosti než kov ve větším množství. Dále pak Faraday zkoumal právě zlaté nanočástice tím, že se snažil velmi malé kousky zlata rozpustit v tekutině, což je reakce známá pod názvem koloidní suspenze. I když se Faradayovi nepovedlo vysvětlit, proč se změnou velikosti částic mění také barva, jeho experimenty jsou důležitou součástí výzkumů nanočástic. 5

Za zakladatele koloidní vědy je považován Thomas Graham, jelikož v roce 1861 jako první definoval koloidy, kdy je popisuje jako látku, která se dále nerozšíří přes membránu. Dále definoval krystaloidy, které se od koloidů liší tím, že membránou projdou. Ve 20. století se výzkum nanočástic značně posunul, hlavně díky přístupnosti mikroskopů a jiných přístrojů, které nám umožňují nanočástice vidět a zkoumat jejich vlastnosti. 6

VLASTNOSTI NANOČÁSTIC: Nanočástice mají spoustu fyzikálních vlastností, které jsou odlišné od vlastností krystalů. Několik těchto vlastností už známe, jiné stále čekají, až je někdo objeví. Mezi známé vlastnosti nanočástic patří například: 1. Nanočástice mají nižší bod tání nebo teplotu fázové přeměny. Velký povrch nanočástic k objemu je důležitou vlastností v mnoha reakcích (separační metody, katalýza apod.) 2. Jejich mechanická vlastnost je, že nanočástice mohou dosáhnout teoretické pevnosti, která je vyšší než u jednotlivých krystalů. 3. Elektrická vodivost nanočástic klesá. Čím menší je nanočástice, tím menší je její vodivost. Může však být zesílena při lepší organizaci v nanostruktuře, např. v polymerních vláknech. 4. Díky velké povrchové energii se mění magnetické vlastnosti nanočástic. 5. Nanočástice mají schopnost samočištění. 6. Optické vlastnosti nanočástic jsou jiné než u krystalů. Jejich absorpční pík se posunuje ke krátkým vlnovým délkám. Barva kovových nanočástic pak záleží na jejich velikosti a tvaru. 7

EXPERIMENT ÚVOD: Nyní se budeme zaobírat naším experimentem. Skládá se ze dvou částí. Z výroby zlatých nanočástic a poté z měření jejich optických vlastností pomocí UV/VIS spektroskopie. Tento experiment jsme prováděly hlavně proto, abychom vyzkoušely různé metody, jakými se dají zlaté nanočástice připravit a abychom porovnaly rozdíly mezi vyrobenými nanočásticemi. Měřením jsme poté zjišťovaly, jestli se nanočástice vytvořily, jaký je jejich systém a jak se liší. 8

EXPERIMENT 1: příprava Au nanočástic redukcí borohydridem Pomůcky: Látky: NaBH 4 Postup: magnetické míchadlo, baňka, stojan, parafilm, odměrný válec, analytické váhy, kádinka, lžička, injekční stříkačka, loděnka, hnízdo, automatická pipeta NaAuCl 4 H 2 O Připravíme si 75ml roztoku NaBH 4 o koncentraci c=2x10-3 mol/l. Parafilmem zavíčkovanou baňku s roztokem postavíme na magnetické míchadlo a začneme intenzivně chladit. Připravíme si 25ml roztoku NaAuCl 4 o koncentraci c=5x10-3 mol/l a pomocí injekční stříkačky ho přidáváme k roztoku NaBH 4 konstantní rychlostí 5ml/min. Směs necháme 1 hodinu míchat za stálého chlazení. 8AuCl - 4 + 3BH 4 - + 9H 2 0 8Au + 3B(OH) 3 + 21H + + 32Cl - Závěr: Na konci experimentu má roztok tmavě vínové zabarvení. (snímek borohydridových nanočástic z transmisního elektronového mikroskopu) 9

EXPERIMENT 2: příprava Au nanočástic redukcí citrátem Pomůcky: Látky: NaAuCl 4 Postup: dvouhrdlá baňka, vařič, zpětný chladič, stojan, injekční stříkačka, kádinka, parafilm, automatická pipeta, kádinka, lžička, loděnka, analytické váhy Na 3 C 6 H 5 O 7 (citronan sodný) Do 250 ml dvouhrdlé baňky, se zpětným chladičem, nalijeme 100 ml vody a v olejové lázni přivedeme k varu. Poté přidáme 1ml 1% roztoku NaAuCl 4 a 2,5ml 1 % roztoku citronanu sodného. Vaříme 10 min a poté necháme vychladnout na pokojovou teplotu. ( - OOCCH 2 ) 2 C(OH)COO - ( - OOCCH 2 ) 2 C= O + CO 2 + H + + 2e - AuCl 3 + 2e - AuCl + 2Cl - 3 AuCl 2Au 0 +AuCl 3 Závěr: Po vychladnutí má roztok světle růžové zabarvení. (snímek citrátových nanočástic z transmisního elektronového mikroskopu) 10

MĚŘENÍ: mol/l. Oba roztoky rozředíme pyridoxinem tak, abychom získali koncentrace roztoku od 10-3 - 10-8 (rozředěné citrátové roztoky) (rozředěné borohydridové roztoky) 11

Systémy nanočástic byly charakterizovány UV/VIS spektroskopií, kdy bylo zjišťováno maximum tzv. plasmonové resonance, což je jeden z hlavních parametrů jakýchkoli nano-systémů. Z tohoto parametru lze usoudit, zda byly nanočástice připraveny správně a je možné je použít pro studium/analýzu různých látek (v našem případě pyridoxinu). Tabulka absorpčních maxim: Koncentrace pyridoxinu [mol.l -1 ] Citrátové borohydridové 10-3 515 539 10-4 516 527 10-5 516 527 10-6 515 529 10-7 515 528 10-8 515 529 0 514 532 Z uvedených maxim vyplývá, že borohydridové a citrátové systémy se mezi sebou liší. Dále, že modifikace pyridoxinem nezměnila u citrátových nanočástic absorpční maximum, tzn., že systém si zachoval své vlastnosti, především velikost částic. Zatímco u borohydridových došlo ke změně systému. (Ing. Marcela Dendisová) Závěr: Z našeho měření vyplývá, že borohydridovým nanočásticím se změnil systém po modifikaci pyridoxinem, to znamená, že jejich absorpční maximum se liší u odlišných koncentrací, z toho vyplívá, že nanočástice mají různé velikosti. Citrátové nanočástice měly skoro stejné hodnoty absorpčního maxima, to znamená, že všechny mají stejnou velikost a modifikace pyridoxinem je neovlivnila. Takže vlastnosti nanočástic záleží na jejich přípravě. 12

(graf, absorpční hodnoty experiment 1) (graf, absorpční hodnoty experiment 2) 13

LÉČBA NEMOCÍ Zlaté nanočástice se díky svým jedinečným optickým vlastnostem mohou používat v oblasti lékařství. HIV Zlato je důležitou součástí v boji proti HIV, protože se s jeho pomocí HIV diagnostikuje. Zlaté nanočástice pomáhá lékařům měřit počet bílých krvinek v krvi, a tím určit závažnost nemoci, což je nesmírně důležité v následné léčbě. Tento systém diagnostikování má výhodu v tom, že se může používat i v náročnějších klimatických podmínkách, jelikož zlato déle vydrží v různorodých podmínkách a snadno se skladuje. RAKOVINA Také jako v případě HIV se zlaté nanočástice využívají jako nástroj pro diagnostikování rakoviny. Zlatým nanočásticím se modifikuje povrch tak, že mají náboj, což jim umožňuje přichytit se na specifické proteiny, které jsou zasažené rakovinou. Pokud jsou tyto proteiny přítomny v krvi, tak se na ně zlaté nanočástice připojí a vytvoří se útvar. Roztok krve se potom měří pomocí speciálního zařízení, které je velmi citlivé na přítomnost různých částic, takže pokud se prokáže, že se nanočástice se napojily na karcinogenní buňky, pacientovi je doporučena další léčba. Zlaté nanočástice napojené na karcinogenní buňky různého typu 14

Zlaté nanočástice mohou být také využity k léčbě rakoviny, jelikož dokáží přesměrovat absorbované světlo laseru na teplo a nádor tím zničit, což se používá ve fototermální léčbě rakoviny. Zlato je také užitečné tím, že má silnou plazmovou rezonanci, díky čemuž lékaři mohou určit velikost a tvar karcinogenní buňky a jiné její vlastnosti, které mohou být důležité při pozdější léčbě. Zlaté nanočástice se také využívají při léčbě nádorů, které nejsou snadno operovatelné, kvůli jejich umístění, protože zlato umožňuje transport léčivých látek přímo k nádoru, a zanechává tak zdravé buňky nedotčené, což u většiny léků používaných na léčbu rakoviny není běžné. Transport léčiv přímo do postiženého místa Všechny tyto metody jsou však pouze ve stádiu výzkumu a vědci pořádně neví, proč se takto zlaté nanočástice chovají a zda existují nějaké vedlejší účinky. Každopádně máme v tomto ohledu ještě spoustu neznámých. 15

VAKCÍNY Od roku 2006 se v Británii začalo vyvíjet nové zařízení, které doručí vakcínu skrz kůži bez jejího porušení. To je možné jenom díky tomu, že zlaté nanočástice jsou tak malé, že mohou pronikat mezerami mezi buňkami v pokožce, a tím nenarušit kůži. Tato metoda, která je zatím ve výzkumném procesu, zaznamenala však již pozitivní odezvy. ANTIMIKROBIÁLNÍ LÁTKA Zlato se také používá ve směsi se stříbrem k vytvoření antimikrobiálních látek. Stříbro, které je nejpoužívanější látkou, postupně ztrácí svojí efektivitu, ale přidáním zlatých nanočástic se jeho antimikrobiální účinky prodlouží, jelikož zlato je stabilnější a velmi odolné vůči korozy. 16

Vliv koloidního zlata na lidské tělo: Některé účinky zlata na lidské tělo jsou známy již delší dobu, jiné jsou objevovány postupem času. Omlazující účinky zlata byly objeveny již za časů čínských císařů, kteří si nechávali na obličej pravidelně pokládat tenké pláty zlata, aby neměli vrásky a aby jejich plet' byla čistá a pružná. V polovině 19. století se pak v USA začalo používat koloidní zlato na léčení alkoholiků. Toto použití dosáhlo nečekaných výsledků a bylo zjištěno, že by údajně mělo pomáhat i při léčení závislostí na lécích, tabáku či drogách. Zlato se ve své koloidní formě dá také využít jako nenávykové antidepresivum či jako lék na impotenci, migrény a epilepsii. Několikrát bylo po užití zaznamenáno zvýšené IQ, a to díky vysoké elektrické vodivosti. V roce 1935 bylo také zjištěno, že by koloidní zlato mohlo pomoct při léčbě rakoviny. Padesáti pacientům, u kterých již nebyla možná operace, bylo aplikováno koloidní zlato a dvanáct z nich se tak úplně uzdravilo. Proto jsou také dodnes prováděny experimenty, bylo totiž zjištěno, že nanočástice zlata jsou schopny zničit buňky zasažené rakovinou a přitom nenapadnout zdravé buňky. Dále je koloidní zlato schopné zlepšit sexuální aktivitu, zmírnit bolest a zlepšit obranyschopnost těla. Zlepšuje tok energie a regeneruje bílé a červené krvinky a krevní destičky. Koloidní zlato má také vliv na psychiku a intelekt. Uklidňuje, zmírňuje napětí a povzbuzuje kreativitu. Zlato také pomáhá transportu kyslíku i do horních vrstev pokožky, a navíc podporuje lymfatická systém a krevní oběh a pomáhá tak vylučování toxických látek z těla. 17

ZÁVĚR: Cílem této práce bylo seznámit se s jiným využitím zlata, než bylo doposud zvykem, a zjistit k čemu jsou užitečné jeho výjimečné vlastnosti. Vytvořily jsme koloidní zlato dvěma způsoby, pomocí citrátu a pomocí borohydridu. Změřily jsme jejich odlišné absorpční vlastnosti a zjistily jsme, že se liší jejich velikost, barva a celkově jejich systém. Nejzajímavějším poznatkem pro nás bylo, že se zlato dá použít v medicíně, a to i třeba k léčbě rakoviny, kdy se navázáním na zlato daří dopravit lék přesně k poškozeným buňkám, a nedochází tak k drastickému zásahu do lidského organismu a tudíž jeho oslabení. Můžeme tedy doufat, že se v blízké době podaří zdokonalit tuto metodu, což by výrazně pomohlo v léčení těchto i jiných závažných nemocí. 18

Poděkování: Rády bychom poděkovaly paní profesorce Parobkové za její cenné rady a vedení při vytváření práce. Dále panu Prof. Dr. RNDr. Matějkovi a paní Ing. Dendisové z VŠCHT za pomoc při experimentu. 19

Zdroje: newundersol.blogspot.com sternitech.com wikipedia.org researchgate.org strath.ac.uk pubs.acs.org cds.cern.ch mladazena.maminka.cz cz.superglossary.com gold.org Sharma gold review 2009- Vivek Sharma, Kyoungweon Park, Mohan Srinivasarao Jiří Janoušek- bakalářská práce VŠCHT 2012 Hana Kořenková- diplomová práce 2009 P. Řezanka- Příprava nanočástic zlata a stříbra Au nanoparticles target cancer 2007- Prashant K. Jain, Ivan H. El-Sayed, Mostafa A. El-Sayed 20