هجين متعدد الوظائف الحديد<sub> 2</sub> O<sub> 3</sub> -Au النانوية لالتدفئة Plasmonic كفاءة
Summary
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.
Abstract
إحدى الطرق الأكثر استخداما على نطاق واسع لتصنيع جزيئات الذهب nanospherical الغروية ينطوي على خفض حمض chloroauric (HAuCl 4) إلى الذهب محايد الاتحاد الافريقي (0) من خلال الحد من وكلاء، مثل سترات الصوديوم أو بوروهيدريد الصوديوم. تمديد هذه الطريقة لتزيين أكسيد الحديد أو النانوية مماثلة مع جزيئات الذهب لخلق هجين متعدد الوظائف الحديد 2 يا 3 -Au النانوية واضح ومباشر. هذا النهج غلة سيطرة جيدة على أبعاد جسيمات متناهية الصغر الاتحاد الافريقي وتحميلها على الحديد 2 يا 3. بالإضافة إلى ذلك، فإن حجم الاتحاد الافريقي المعادن، والشكل، والتحميل يمكن بسهولة ضبطها عن طريق تغيير المعلمات التجريبية (على سبيل المثال، تركيزات المواد المتفاعلة، الاختزال، السطحي، وما إلى ذلك). ميزة هذا الإجراء هي أن رد الفعل الذي يمكن القيام به في الهواء أو الماء، و، من حيث المبدأ، هو قابل للتصعيد. استخدام هذا الانضباطي البصري الحديد 2 يا 3 -Au النانوية لhypertherدراسات ميا هو خيارا جذابا لأنها تستفيد من التدفئة plasmonic من جزيئات الذهب ضبطها لتمتص الضوء بقوة في المنطقة VIS-الجرد الوطني. بالإضافة إلى آثاره plasmonic، يوفر النانو الاتحاد الافريقي سطح فريدة من نوعها للكيمياء مثيرة للاهتمام والحفز. والحديد 2 يا 3 مواد توفر وظائف إضافية بسبب خاصية المغناطيسية لها. على سبيل المثال، حقل مغناطيسي خارجي يمكن استخدامها لجمع وإعادة تدوير الهجين الحديد 2 يا 3 -Au النانوية بعد تجربة الحفازة، أو بدلا من ذلك، والحديد المغناطيسي 2 O 3 يمكن استخدامها لدراسات ارتفاع الحرارة من خلال الحث الحراري المغناطيسي. التجربة ضوئي؛ ضوحراري المبينة في هذا التقرير يقيس التغير في درجة الحرارة بالجملة وحل جسيمات متناهية الصغر فقدان كتلة وظائف من الوقت باستخدام الأشعة تحت الحمراء الحرارية والتوازن، على التوالي. سهولة إعداد العينات واستخدام المعدات المتاحة بسهولة هي مزايا واضحة لهذه التقنية. والتحذير هو الفي هذه القياسات ضوئي؛ ضوحراري تقييم درجة حرارة المحلول بكميات كبيرة، وليس على سطح جسيمات متناهية الصغر حيث transduced الحرارة ودرجة الحرارة من المرجح أن يكون أعلى من ذلك.
Introduction
ابتداء من استخدامها في زجاج مزدوج اللون القديم، غالبا ما أسهمت 1 جزيئات الذهب (AuNPs) لتطوير تكنولوجيات جديدة. 2،3 المزيد من الأمثلة الحديثة لهذه التقنيات تشمل الأجهزة والجسيمات الحجب التي يمكن أن كلا كشف وعلاج السرطان. 4،5 AuNPs لديها العديد من الخصائص الرائعة، ولكن أبرزها بين هذه هو وجود مترجم الرنين مأكل السطح (LSPRs)، والتي تحدث عندما الحادث الإشعاع الكهرومغناطيسي محركات resonantly مجانا الإلكترونات إلى التذبذبات الجماعية، وخلق مجالات الكهرومغناطيسية الشديدة وتقتصر إلى حد كبير. 6 ومن الجوانب فضول من LSPRs هي أنها الانضباطي. وهذا يعني أن الطاقة الرنين يمكن تعديلها عن طريق تعديل شكل وحجم AuNPs أو عن طريق تغيير معامل الانكسار للبيئة المحيطة. خاصية أخرى من AuNPs، والذهب بشكل عام، هو أنها غالية الثمن نسبيا. في حين أن هذا قد يجعل الذهب أكثر جاذبية منوجهة نظر ترفا، لالتطبيقات التكنولوجية، وهذا هو العيب ويمكن أن يكون عقبة أمام استخدام العام. اثنين من الحلول الممكنة لهذه المشكلة يبحثون عن مواد بديلة أقل تكلفة أن يحمل خصائص مشابهة مثل الذهب، أو إيجاد طريقة لدمج الذهب مع مواد أخرى لإنشاء المواد المركبة ذات خصائص مماثلة ولكن كميات صغيرة من المعدن النفيس. الحل الأخير هو ربما أكثر إثارة للاهتمام لأنها تسمح لإمكانية إنشاء البنية النانوية المختلطة متعددة الوظائف مع الخصائص الفيزيائية من اثنين أو أكثر من المواد 7
الحديد (III) أكسيد، الحديد 2 يا 3، هو مرشح ممتاز لعنصر واحد من هذا الخليط لأنه متاح على نطاق واسع، وغير مكلفة، وغير سامة. وعلاوة على ذلك، فإن المرحلة maghemite، γ الحديد 2 يا 3، هي ferrimagnetic، والمرحلة الهيماتيت، α الحديد 2 يا 3، هي المغناطيسية ضعيفة. وهكذا، فإن الجمع بينالذهب مع الحديد 2 يا 3 يحتمل أن تسفر النانوية التي تظهر خصائص plasmonic وأيضا التفاعل مع المجالات المغناطيسية الخارجية، ولكن بشكل ملحوظ أقل تكلفة من الذهب الخالص. مثل هذه البنية النانوية الهجينة يمكن أن تجد مثيرة للاهتمام تطبيقات العالم الحقيقي. على سبيل المثال، فقد أثبتت النانوية الحديد 2 يا 3 -Au مفيدة لكلا تشخيص السرطان والعلاج عن طريق التصوير بالرنين المغناطيسي والعلاج ضوئي؛ ضوحراري. 8 في هذه الحالة، الحديد 2 يا 3 وظائف وكيلا التصوير بالرنين المغناطيسي النقيض من ذلك، في حين أن الجزء الاتحاد الافريقي تحويل محليا الحادث ضوء للحرارة من خلال تبديد الطاقة الكهرومغناطيسية الممتصة خلال LSPR. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت الحديد 2 يا 3 -Au النانوية تعزيز plasmonic من التحويل التحفيزي من ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون 2 تحت إضاءة الضوء المرئي، ويمكن أن تستخدم هذه الهياكل أيضا ضوئي؛ ضوحراري تحويل الطاقة الشمسية. 9،10
ثييصف الصورة تقرير تركيب الحديد 2 يا 3 -Au النانوية باستخدام أسلوب الكيميائي الرطب بسيط. ويتكون هيكل هجين من الحديد 2 يا 3 الأساسية التي زينت مع AuNPs أصغر. الأهم من ذلك، الحصول على الحديد 2 يا 3 -Au النانوية تحتفظ كل من الخصائص المغناطيسية وplasmonic من المواد المكونة، مما يخلق الجسيمات متعددة الوظائف التي يمكن أن تكون مفيدة لمجموعة متنوعة من التطبيقات. من أجل توضيح التطبيقات plasmonic من هذه الجسيمات النانوية الهجينة، وصفت أيضا توصيف ضوئي؛ ضوحراري من الجسيمات النانوية باستخدام نظام التدفئة الليزر. تظهر القياسات ضوئي؛ ضوحراري أن الهجين الحديد 2 يا 3 -Au النانوية قادرة على تسخين المحاليل المائية بكفاءة كما AuNPs النقي، حتى مع وجود تركيز أقل بكثير من المعادن النبيلة. هذه النتائج تعد تصديقا لطريقة استخدام مركب أو هجين المواد اللازمة لخفض التكاليف وتحقيق قدر أكبر من الوظيفيهذ.
Protocol
Representative Results
Discussion
استخدام جزيئات الذهب الانضباطي بصريا للدراسات ارتفاع الحرارة هو خيارا جذابا لأنها تستفيد من التدفئة plasmonic من جزيئات الذهب ضبطها لتمتص الضوء بقوة في المنطقة VIS-الجرد الوطني. تم فحص دراسات التدفئة plasmonic هو موضح هنا باستخدام مختبر إعداد ومتاحة تجاريا الحديد النانوية أكسيد الذهب المختلطة. إحدى الطرق الأكثر استخداما على نطاق واسع لتصنيع جزيئات الذهب nanospherical الغروية ينطوي على خفض حمض chloroauric (HAuCl 4) إلى الذهب محايد الاتحاد الافريقي (0) من خلال الحد من وكلاء، مثل سترات الصوديوم، بوروهيدريد الصوديوم، الخ 15،16 توليف جزيئات الذهب النانوية على أكسيد الحديد واضح ومباشر. واحد يمكن بسهولة التحكم في حجم الاتحاد الافريقي المعادن، والشكل، والتحميل عن طريق تغيير المعلمات التجريبية، على سبيل المثال، تركيزات المواد المتفاعلة، والحد من وكلاء، والسطحي، وما إلى ذلك 17 هذا النهج غلة السيطرة التامة على الاتحاد الافريقي nanoparticlأبعاد الإلكترونية وموحد تحميل جسيمات متناهية الصغر على الحديد 2 يا 3. المعادن الثمينة الأخرى كما يمكن بواسطة هذا الإجراء، بما في ذلك حج، وحزب العمال، والمشتريات إعداد 18 ميزة واضحة من هذا الإجراء هو أن الإجراء رد فعل يمكن القيام به في الهواء أو الماء، و، من حيث المبدأ، غير قابلة للتصعيد. استخدام المواد النانوية التجارية و / أو إجراءات كيميائية قابلة الرطب مثالية لتطبيقات العلاج على نطاق واسع أو التطبيقات البيولوجية لأن تكون هذه المواد متاحة بسهولة وأكثر اقتصادا من المواد والإجراءات تصنيعه حسب الطلب. التعديلات سطح هذه النانو المعدنية هي أيضا ذات أهمية في المجتمع العلمي. وهناك عدد من العضوية (السطحي، التجولات bifunctional، والبوليمرات، والأحماض الأمينية والبروتينات والحمض النووي) والمواد غير العضوية (السيليكا والمعادن الأخرى، وأكاسيد المعادن، الخ) 19 يمكن زيادة تحميل أو functionalized على هذه السطوح لخلق المواد بمركب متناهي في الصغر مع مختلف تصاميم، وهندستها،التراكيب وقدرات متعددة المهام، لاستهداف البيولوجي، تسليم المخدرات، الاستشعار عن بعد، والتصوير، والتطبيقات البيئية، الخ
بالإضافة إلى ذلك، تقنية ضوئي؛ ضوحراري الموصوفة هنا هي مناسبة تماما لوصف خصائص plasmonic من مواد مختلفة، مثل درجة الحرارة السائبة والقياسات الجماعية هي سهلة نسبيا لأداء باستخدام المعدات المتاحة بسهولة. سهولة إعداد العينات وقياس هو ميزة واضحة على تقنيات plasmonic / التطبيقات الأخرى. على سبيل المثال، تقنيات مثل سطح تعزيز التحليل الطيفي رامان وLSPR استشعار حساسة للغاية لإعداد كل من الركيزة والهدف، 20،21 مما يجعل التكرار والمقارنة بين عينات أكثر تحديا. عيب واحد من الممكن القياسات ضوئي؛ ضوحراري المذكورة أعلاه هو أن يتم قياس درجة الحرارة على نطاق وبالجملة وليس على سطح جسيمات متناهية الصغر حيث transduced الحرارة. هناك الحراريةتقنيات التناظر التي يمكن أن توفر هذه المعلومات درجة الحرارة المحلية، 22-24 ولكن هذه تحتاج إلى إعداد نموذج أكثر تعقيدا، مما يجعلها أكثر تحديا لتنفيذها. وأخيرا، فإن القياسات الموضحة هنا يمكن بسهولة جنبا إلى جنب مع تقنيات أخرى (على سبيل المثال، وتدهور ضوئي) 9 لتقييم آثار ضوئي؛ ضوحراري على العمليات المختلفة.
باختصار، لقد وصفنا تركيب الهجين الحديد 2 يا 3 -Au النانوية الحلول وتوصيف ضوئي؛ ضوحراري بهم. حتى مع وجود تركيز 20 × أصغر من الاتحاد الافريقي، هذه الجسيمات النانوية الحديد 2 يا 3 -Au قادرة على photothermally حلول مائي الحرارة بكفاءة كما AuNPs، مما يدل على مزايا المواد المختلطة. وعلاوة على ذلك، وهياكل هجينة تحتفظ خصائص كل المواد، وخلق بنية متعددة الوظائف مع الخصائص المغناطيسية وplasmonic. هذه الهياكل هي مثيرة للاهتمام التطبيقات الطبية الحيوية،يمكن تصوره 8 ولكن العديد من استخدامات إضافية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقدمت الدعم المالي لهذا العمل من قبل وزارة الطاقة DOE- مختبر إخراج بحوث والتنمية (LDRD) برنامج المبادرة الاستراتيجية. نشكر السيد هنري الجلسات، والسيد تشارلز Shick لتوفير الوقت والخبرة لمساعدة لنا تجاربنا.
Materials
| 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 |
References
- Barber, D., Freestone, I. An investigation of the origin of the colour of the Lycurgus Cup by analytical transmission electron microscopy. Archaeometry. 32 (1), 33-45 (1990).
- Ozbay, E. Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. Science. 311 (5758), 189-193 (2006).
- Murphy, C. J., et al. Anisotropic metal nanoparticles: synthesis, assembly, and optical applications. J. Phys. Chem. B. 109 (29), 13857-13870 (2005).
- Luo, Y. L., Shiao, Y. S., Huang, Y. F. Release of photoactivatable drugs from plasmonic nanoparticles for targeted cancer therapy. ACS Nano. 5 (10), 7796-7804 (2011).
- Murph, S. E. H., et al. Manganese-gold nanoparticles as an MRI positive contrast agent in mesenchymal stem cell labeling. J. Nanopart. Res. 14 (4), 1-13 (2012).
- Maier, S. A. . Plasmonics: fundamentals and applications: fundamentals and applications. , (2007).
- Bigall, N. C., Parak, W. J., Dorfs, D. Fluorescent magnetic and plasmonic-Hybrid multifunctional colloidal nano objects. Nano Today. 7 (4), 282-296 (2012).
- Larson, T. A., Bankson, J., Aaron, J., Sokolov, K. Hybrid plasmonic magnetic nanoparticles as molecular specific agents for MRI/optical imaging and photothermal therapy of cancer cells. Nanotechnology. 18 (32), 325101 (2007).
- Hung, W. H., Aykol, M., Valley, D., Hou, W., Cronin, S. B. Plasmon resonant enhancement of carbon monoxide catalysis. Nano Lett. 10 (4), 1314-1318 (2010).
- Neumann, O., et al. Solar vapor generation enabled by nanoparticles. Acs Nano. 7 (1), 42-49 (2012).
- Szirmae, A., Fisher, R. . Techniques of Electron Microscopy, Diffraction, and Microprobe Analysis. 372, (1963).
- Goldstein, J., et al. . Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis: a text for biologists, materials scientists, and geologists. , (2012).
- Kennedy, J. F., Xu, L. Practical guide to ICP-MS, Robert Thomas. Marcel Dekker, INC, New York, USA (2004). Carbohydr. Polym. 62 (4), 393 (2005).
- Georgakilas, V., et al. Decorating carbon nanotubes with metal or semiconductor nanoparticles. J. Mater. Chem. 17 (26), 2679-2694 (2007).
- Murph, S. E. H., et al. Tuning of size and shape of Au-Pt nanocatalysts for direct methanol fuel cells. J. Nanopart. Res. 13 (12), 6347-6364 (2011).
- Unrine, J. M., et al. Evidence for bioavailability of Au nanoparticles from soil and biodistribution within earthworms (Eisenia fetida). Environ. Sci. Technol. 44 (21), 8308-8313 (2010).
- Hunyadi Murph, S. E., et al. . ACS Symp. Ser. , 127-163 (2011).
- Murph, S., Murphy, C. J., Leach, A., Gall, K. A Possible Oriented Attachment Growth Mechanism for Silver Nanowire Formation. Cryst Growth Des. , (2015).
- Hunyadi Murph, S. E., Heroux, K., Turick, C., Thomas, D. . Applications of Nanomaterials. Vol. 4 Nanomaterials and Nanostructures, (2012).
- Murphy, C. J., et al. Chemical sensing and imaging with metallic nanorods. Chem. Comm. (5), 544-557 (2008).
- Shanmukh, S., et al. Rapid and sensitive detection of respiratory virus molecular signatures using a silver nanorod array SERS substrate. Nano Lett. 6 (11), 2630-2636 (2006).
- Jaque, D., Vetrone, F. Luminescence nanothermometry. Nanoscale. 4 (15), 4301-4326 (2012).
- Ebrahimi, S., Akhlaghi, Y., Kompany-Zareh, M., Rinnan, &. #. 1. 9. 7. ;. Nucleic acid based fluorescent nanothermometers. ACS Nano. 8 (10), 10372-10382 (2014).
- Dias, J. T., et al. DNA as a molecular local thermal probe for the analysis of magnetic hyperthermia. Angew. Chem. 125 (44), 11740-11743 (2013).
