We describe the synthesis and properties of multifunctional Fe2O3-Au nanoparticles produced by a wet chemical approach and investigate their photothermal properties using laser irradiation. The composite Fe2O3-Au nanoparticles retain the properties of both materials, creating a multifunctional structure with excellent magnetic and plasmonic properties.
Одним из наиболее широко используемых способов изготовления коллоидных частиц золота nanospherical включает восстановление тетрахлороаурат (HAuCl 4) к нейтральной золота Au (0) восстанавливающими агентами, такими как цитрат натрия или боргидрид натрия. Распространение этого метода для украшения оксид железа или аналогичные наночастицы с наночастицами золота, чтобы создать многофункциональный гибрид Fe 2 O 3 -Au наночастицы проста. Такой подход позволяет получить достаточно хороший контроль над размерами наночастиц Au и погрузки на Fe 2 O 3. Кроме того, размер Au металла, форма, и загрузка может быть легко настроена путем изменения параметров эксперимента (например, концентрации реагентов восстановителей, поверхностно-активные и т.д.). Преимущество этой процедуры состоит в том, что реакция может быть сделано в воздухе или воде, и, в принципе, поддается расширению. Использование таких оптически настраиваемых Fe 2 O 3 -AU наночастицы для hypertherИсследования МВД является привлекательным вариантом, так как для своей выгоды плазмонного нагрева наночастиц золота настроены поглощать свет сильно в VIS-NIR области. В дополнение к своим плазмонных эффектов, наноразмерных Au предоставляет уникальную поверхность для интересных химических и катализа. Fe 2 O 3 материал обеспечивает дополнительную функциональность благодаря своему магнитному собственности. Например, внешнее магнитное поле может быть использовано для сбора и повторного использования гибрид Fe 2 O 3 -au наночастицы после каталитического эксперимента, или, альтернативно, магнитное Fe 2 O 3 может быть использован для гипертермии исследований с помощью магнитной индукции тепла. Фототермическая Эксперимент, описанный в этом отчете измеряет объемную изменение температуры и потери массы наночастиц решение, как функции времени, с помощью инфракрасных сенсоров и баланс, соответственно. Легкость пробоподготовки и использование легко доступного оборудования явные преимущества этого метода. Предостережение является йна этих фототермических измерений оценить температуру объеме раствора, а не на поверхности наночастицы, где трансдуцированную тепло, и температура может быть выше.
Начиная с их использованием в древнем дихроичным стеклом, 1 наночастицы золота (AuNPs) часто способствовали развитию новых технологий. 2,3 Более современные примеры этих технологий включают маскировки устройства и частицы, которые могут как выявлению и лечению рака. 4,5 AuNPs обладают многими замечательными свойствами, но наиболее заметным среди них является наличие локализованных поверхностных плазмонов резонансов (LSPRs), которые возникают, когда падающая электромагнитная радиация резонансно диски свободных электронов в коллективных колебаний, создавая интенсивные и очень замкнутые электромагнитные поля. 6 интригующий аспект из LSPRs том, что они можно настраивать. То есть, энергия резонанса можно регулировать путем изменения формы и размера AuNPs или путем изменения показателя преломления окружающей среды. Еще одно свойство AuNPs, и золото в общем, в том, что они являются относительно дорогими. Хотя это может сделать золото более привлекательным сроскошный позиция, для технологических применений, это является недостатком и может быть препятствием для общего пользования. Два потенциальных решений этой проблемы ищут менее дорогие альтернативные материалы, которые обладают сходными свойствами, как золото, или найти способ объединить золото с другим материалом, чтобы создать композитный материал с аналогичными свойствами, но меньшим количеством драгоценного металла. Последнее решение, возможно, более интересно, как это допускает возможность создания многофункционального гибридную наноструктуры с физико-химическими свойствами двух или более материалов. 7
Железо (III) оксид, Fe 2 O 3, является отличным кандидатом для одного компонента такой смеси, так как это широко доступны, недороги, и нетоксичными. Кроме того, магемит фаза, γ-Fe 2 O 3, является ферримагнитная, а фаза гематита, α-Fe 2 O 3, слабо ферромагнитного. Таким образом, комбинациязолото с Fe 2 O 3 может потенциально привести к наночастицы, которые проявляют плазмонных свойства, а также взаимодействовать с внешними магнитными полями, пока значительно дешевле, чем чистого золота. Такой гибридный наноструктуры может найти интересные реальных приложениях. Например, наночастицы Fe 2 O 3 -AU оказались полезными как для диагностики и лечения рака через магнитно-резонансной томографии и фототермической терапии. 8 В этом случае, Fe 2 O 3 функционирует как МРТ контрастного вещества, в то время как часть Au локально преобразует инцидента свет, чтобы нагреть через рассеивание электромагнитной энергии, поглощаемой при LSPR. Кроме того, наночастицы Fe 2 O 3 -au продемонстрировали плазмонного усиления каталитической конверсии СО в СО2 при видимым освещением, и такие структуры могут быть также использованы для фототермической преобразования солнечной энергии. 9,10
Тхиs Отчет описывает синтез Fe 2 O 3 -AU наночастицы, используя простой мокрой химический метод. Гибрид структура состоит из 2 O 3 ядра Fe, украшенный с меньшими AuNPs. Важно отметить, что полученные Fe 2 O 3 -AU наночастицы сохраняют обе магнитные и плазмонных свойства составных материалов, что создает многофункциональный частицу, которая могла бы быть полезной для различных приложений. Для того чтобы проиллюстрировать плазмонных применений этих гибридных наночастиц, фототермическая характеристика наночастиц с использованием лазерной системы отопления также описано. Измерения показали, что фототермические гибрида наночастицы Fe 2 O 3 -au способны нагревать водные растворы также эффективно, как чистых AuNPs, даже со значительно меньшей концентрацией благородного металла. Эти результаты подтверждают метод использования композитных или гибридные материалы, чтобы уменьшить затраты и достичь большего functionalitу.
Использование наночастиц оптически настраиваемых золотых для исследований гипертермии является привлекательным вариантом, так как для своей выгоды плазмонного нагрева наночастиц золота настроены поглощать свет сильно в VIS-NIR области. Исследования плазмонных отопления, описанные здесь, были рассмотрены с помощью лабораторных подготовлены и коммерчески доступные железа оксид золота гибридные наноматериалы. Одним из наиболее широко используемых способов изготовления коллоидных частиц золота nanospherical включает восстановление тетрахлороаурат (HAuCl 4) к нейтральной золота Аи (0) по восстанавливающими агентами, такими как цитрат натрия, боргидрид натрия и т.п. 15,16 Синтез наночастицы золота на наночастицы оксида железа проста. Можно было легко контролировать размер Au металла, формы и загрузку путем изменения параметров эксперимента, например, концентрации реагентов, восстанавливающих агентов, поверхностно-активные и т.д. 17 Такой подход позволяет получить хороший контроль над Au nanoparticlРазмеры е и равномерное наночастиц погрузки на Fe 2 O 3. Другие благородные металлы могут быть также получены по этой методике, включая Ag, Pt, и Pd. 18 Явное преимущество этой процедуры состоит в том, что методика реакции может быть сделано в воздухе или воде, и, в принципе, поддается расширению. Использование коммерческих наноматериалов и / или масштабируемых мокрому химические процедуры идеально подходит для крупномасштабных приложений лечения или биологических приложений, поскольку эти материалы легко доступны и более экономичным, чем пользовательские синтезированных материалов и процедур. Поверхностные модификации этих металлических наноструктур также представляют интерес в научном сообществе. Ряд органических (ПАВ, бифункциональных тиолов, полимеров, аминокислоты, белки, ДНК) и неорганических материалов (двуокись кремния, другие металлы, оксиды металлов и т.д.) 19 может быть дополнительно загружаемых или функционализированных на этих поверхностей для создания нанокомпозитных материалов с различными конструкции, геометрии,Композиции и многофункциональные возможности, для биологического таргетинга, доставки лекарств, зондирование, визуализации, экологических применений и т.д.
Кроме того, методика фототермическая описано здесь хорошо подходит, чтобы охарактеризовать плазмонных свойства различных материалов, а температура массы и измерения массы могут быть сравнительно легко выполнить с помощью легко доступного оборудования. Простота пробоподготовки и измерения явное преимущество по сравнению с другими плазмонных методов / применений. Например, такие методы, как поверхности с повышенной спектроскопии комбинационного рассеяния и LSPR зондирования весьма чувствительны к подготовке как подложкой и мишенью, 20,21, что делает повторяемость и сопоставления между образцами более сложных. Одним из возможных недостатком измерений фототермических, описанных выше, которые температура измеряется от насыпной масштабе, а не на поверхности наночастицы, где трансдуцированную тепло. Есть термоМетоды метрия, которые могут предоставить эту локальную информацию о температуре, 22-24, но они требуют более сложной подготовки образца, что делает их более сложным для реализации. Наконец, измерения, описанные здесь легко могут быть объединены с другими методами (например, фотокаталитический ухудшение) 9, чтобы оценить фототермическая влияние на разных процессах.
Таким образом, мы описали синтез гибридных Fe 2 O 3 -Au наночастиц решения и их фототермическую характеристику. Даже с 20 × меньшей концентрацией Au, эти Fe 2 O 3 -au наночастицы способны photothermally водные растворы тепла также эффективно, как AuNPs, демонстрации преимуществ гибридных материалов. Кроме того, гибридные структуры сохраняют свойства обоих материалов, созданию многофункционального структуру с магнитными и плазмонных свойств. Такие структуры представляют интерес для биомедицинских применений,8, но много других аспектов использования можно представить.
The authors have nothing to disclose.
Финансовую поддержку этой работы была предоставлена Департаментом энергетики DOE- лаборатории, руководимой исследований и развития (LDRD) Стратегической программы Initiative. Мы благодарим г-н Генри сессий и г-на Чарльза Шик за предоставление свое время и опыт, чтобы помочь нам с нашими экспериментами.
Gold(III) chloride trihydrate | Sigma-Aldrich | 520918 | ≥99.9% trace metals basis |
Iron(III) oxide | Sigma-Aldrich | 544884 | nanopowder, <50 nm particle size (BET) |
Sodium citrate tribasic dihydrate | Sigma-Aldrich | S4641 | ACS reagent, ≥99.0% |
SEM | Hitachi | S8200 | |
TEM | Hitachi | H95000 | |
EDX | Oxford Instruments | SDD – X-Max | |
DLS | Brookhaven Instruments | NanoBrook Omni | |
ICP-MS | Agilent | 7500s | |
UV-Vis-NIR spectrometer | Tec5 MultiSpec | ||
Laser, λ = 532 nm | Del Mar Photonics | DMPV-532-1 | |
Microgram Balance | Mettler Toledo | XP205 | |
Infrared Thermocouples | Omega Engineering | OS801-HT |