JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Multifunctionele Hybrid Fe<sub> 2</sub> O<sub> 3</sub> Gewerkt -de Au nanopartikels voor Efficient Plasmonische Verwarming

Published: February 20, 2016
doi:
10.3791/53598
, ,
1National Security Directorate,Savannah River National Laboratory, 2Analytical Development Directorate,Savannah River National Laboratory

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

Een van de meest gebruikte methoden voor het vervaardigen van colloïdale goud nanospherical deeltjes betreft de vermindering chlorogoudzuur (HAuCl 4) in de neutrale goud Au (0) van reductiemiddelen, zoals natriumcitraat of natriumboorhydride. De uitbreiding van deze methode om ijzeroxide of dergelijke nanodeeltjes versieren met gouden nanodeeltjes multifunctionele hybride Fe maken 2 O 3 gewerkt -de Au nanodeeltjes is eenvoudig. Deze aanpak levert vrij goede controle over Au nanodeeltjes afmetingen en het laden op Fe 2 O 3. Bovendien kan het metaal Au grootte, vorm en lading gemakkelijk worden afgestemd door veranderen experimentele parameters (bijv reactantconcentraties, reductiemiddelen, surfactanten, enz.). Een voordeel van deze werkwijze is dat de reactie kan worden uitgevoerd in lucht of water, en in beginsel vatbaar is voor schaalvergroting. Het gebruik van dergelijke optisch afstembare Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes hyperthermia studies is een aantrekkelijke optie als het speelt in op plasmonische verhitting van goud nanodeeltjes afgestemd op het licht sterk absorberen in de regio VIS-NIR. Naast de plasmon effecten nanoschaal Au een unieke oppervlakte om interessante chemie en katalyse. Het Fe 2 O 3 materiaal biedt extra functionaliteit door de magnetische eigenschap. Bijvoorbeeld, kan een extern magnetisch veld worden gebruikt voor het verzamelen en recycleren hybride Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes na een katalytische proef, of als alternatief, kan de magnetische Fe 2 O 3 worden gebruikt voor hyperthermie studies door middel van magnetische inductie warmte. De fotothermische experiment in dit rapport beschreven meet bulk temperatuurverandering en nanodeeltjes oplossing massaverlies als functie van de tijd met behulp van infrarood thermokoppels en een balans, respectievelijk. Het gemak van monstervoorbereiding en het gebruik van gemakkelijk beschikbare materialen zijn duidelijke voordelen van deze techniek. Een nadeel is thdeze fotothermische metingen beoordeelt de bulkoplossing temperatuur en het oppervlak van het nanodeeltje waar de warmte wordt getransduceerd en de temperatuur waarschijnlijk hoger.

Introduction

Beginnend met de door de oude dichroic glas, hebben 1 gouden nanodeeltjes (AuNPs) vaak bijgedragen aan de ontwikkeling van nieuwe technologieën. 2,3 modernere voorbeelden van deze technologieën omvatten verhul apparaten en deeltjes die zowel kan detecteren en behandeling van kanker. 4,5 AuNPs vele opmerkelijke eigenschappen, maar de meest opvallende hiervan is de aanwezigheid van gelokaliseerde oppervlakte plasmon resonantie (LSPRs), die, wanneer invallende elektromagnetische straling resonant drives vrije elektronen optreden in collectieve oscillaties creëren intense en zeer beperkt elektromagnetische velden. 6 Een intrigerend aspect van LSPRs is dat ze afstembare. Dat wil zeggen, de resonantie energieoverbrenging kan worden aangepast door aanpassing van de vorm en grootte van de AuNPs of door de brekingsindex van het omringende omgeving. Een andere eigenschap van AuNPs en goud in het algemeen, is dat zij relatief duur. Hoewel dit goud aantrekkelijker uit zou kunnen makenluxe oogpunt voor technologische toepassingen, is dit een nadeel en een belemmering voor algemeen gebruik zijn. Twee mogelijke oplossingen voor dit probleem te zoeken naar minder dure alternatieve materialen die soortgelijke eigenschappen vertonen als goud of vinden van een manier om goud te combineren met een ander materiaal om een ​​composietmateriaal met soortgelijke eigenschappen, maar kleinere hoeveelheden van het edelmetaal te maken. De laatste oplossing is misschien interessant omdat het voorziet in de mogelijkheid om een multifunctionele hybride nanostructuur met de fysisch-chemische eigenschappen van twee of meer materialen. 7

Ijzer (III) oxide, Fe 2 O 3, is een uitstekende kandidaat voor een component van een dergelijk mengsel omdat ze overal verkrijgbaar, goedkoop en niet-toxisch. Bovendien is de maghemiet fase γ-Fe 2 O 3, is ferrimagnetische en het hematiet fase α-Fe 2 O 3, is zwak ferromagnetisch. Dus de combinatie vangoud met Fe 2 O 3 zou kunnen opleveren nanodeeltjes plasmon eigenschappen vertonen en ook interactie met externe magneetvelden, maar aanzienlijk minder duur dan puur goud. Zo'n hybride nanostructuur kon interessante echte wereld toepassingen te vinden. Bijvoorbeeld, Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes nuttig voor zowel kankerdiagnose en behandeling door middel van magnetische resonantie en fotothermische therapie. 8 In dit geval bewezen, Fe 2 O 3 functioneert als een MRI-contrastmiddel, terwijl de Au gedeelte plaatselijk converteert incident licht door warmteafvoer van elektromagnetische energie geabsorbeerd tijdens LSPR. Daarnaast zijn Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes aangetoond plasmonische versterking van de katalytische omzetting van CO in CO 2 onder zichtbaar licht, en dergelijke structuren kunnen ook worden gebruikt voor fotothermische omzetting van zonne-energie. 9,10

This rapport beschrijft de synthese van Fe 2 O 3 gewerkt -de Au nanodeeltjes met behulp van een eenvoudige natte chemische methode. De hybride constructie bestaat uit een Fe 2 O 3 kern die is versierd met kleinere AuNPs. Belangrijk is dat de verkregen Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes behouden zowel magnetische en plasmon eigenschappen van de samenstellende materialen, die een multifunctioneel deeltjes die bruikbaar zijn voor verschillende toepassingen kunnen worden gemaakt. Om de plasmonische toepassingen van deze hybride nanopartikels te illustreren wordt fotothermische karakterisering van de nanodeeltjes met een laser verwarmingssysteem beschreven. De fotothermische metingen tonen aan dat de hybride Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes kunnen waterige oplossingen warmte efficiënt als zuivere AuNPs, zelfs met een significant kleinere concentratie van het edelmetaal. Deze resultaten bevestigen de methode van het gebruik van composiet of hybride materialen om de kosten te verlagen en een grotere functionalit bereikeny.

Protocol

1. Nanomaterialen Synthesis Protocol Bereid een voorraadoplossing van Fe 2 O 3 van 25 mM. Let op: Alle voorraad oplossingen worden bereid met gedemineraliseerd water, tenzij anders vermeld. Neem een ​​25 ml erlenmeyer. Voeg 10 ml gedeïoniseerd (DI) water en een roerstaaf, en plaats deze op een verwarmings-blok. Voeg 100 ul van Fe 2 O 3 stockoplossing (25 mM) aan deze kolf. Verwarm de oplossing onder roeren gedurende ongeveer 5 minuten. Bereid 10 ml 1% natriumcitraat door het oplossen van 0,1 g natriumcitraat tot 10 ml water. Voeg 1 ml van de 1% natriumcitraat-oplossing aan de kolf 25 ml bevattende het Fe 2 O 3 oplossing. Breng de oplossing aan de kook (100 ° C). Voeg 250 gl 0,01 M chloorgoudzuur. Verhit de oplossing bij 100 ° C gedurende 10 minuten. Na enkele minuten (2-3 min), de oplossing rood / bruin indicating die Au nanodeeltjes geproduceerd. Verwijder de oplossing van het verwarmingsblok en laat het afkoelen bij kamertemperatuur (ongeveer 20 ° C) (1-2 uur). Zuiver de monsters door centrifugatie gedurende 7 minuten bij 4700 x g. Verwijder het supernatant van de monsters gecentrifugeerd. Opnieuw dispergeren de gecentrifugeerde nanodeeltjes in gedeïoniseerd water tot 10 ml. 2. Nanodeeltjes karakterisering SEM / EDX karakterisering: Plaats 1-2 ul van gecentrifugeerd nanodeeltjes op een koperen rooster en laat ze drogen gedurende 1 uur. Plaats het monster in een schone container en breng het naar de SEM / EDX voor de karakterisering. 11,12 UV-Vis karakterisering: Schakel de UV-Vis en laat deze opwarmen 10-15 min. Noteer een verwijzing DI-water spectrum. Plaats 1 ml waterige oplossing van de nanodeeltjes in een cuvette methacrylaaten noteer de UV-Vis spectra op golflengten λ = 300 – 1000 nm. Vermijd verzadiging van het signaal door het houden van de maximale absorptie minder dan ~ 1.2. Als de waargenomen maximale absorptie groter is, verminderen de piekhoogte van het monster te verdunnen of een kortere weglengte cuvet. Opmerking: Surface plasmon band van Au (λ ≈ 525 nm) moet gemakkelijk worden waargenomen. magnetische manipulatie Plaats 3 ml van de rood / bruine waterige monsters van magnetische / plasmonische nanostructuren in methacrylaat cuvettes. Plaats een commercieel gekocht magneet (~ 100 Gauss) in de nabijheid van het cuvette. Opmerking: Binnen een paar minuten, alle magnetische / plasmonische nanodeeltjes worden "toegevoegd" aan de methacrylaat cuvette kant waar de magneet werd geplaatst. Oplossing werd van bruin naar kleurloos aangeeft dat de nanodeeltjes hun magnetische eigenschappen behouden, ook na Au op Fe 2 werd afgezet </sub> O 3 oppervlak. Inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie analyse (ICP-MS). 13 Gebruik waterige monsters van nanodeeltjes oplossingen in deze analyse. Digest gezuiverd nanodeeltjes monsters in salpeterzuur om te vormen tot een ionische vorm voorafgaand aan massa-analyse-experimenten door al monsters in buizen met een eindvolume van 10 ml van 2% salpeterzuur. Toestaan ​​30 min voor de spijsvertering plaatsvindt. Maak een kalibratiecurve met bekende concentraties van analyten van belang (bijvoorbeeld, Au, Fe). Aar monsters met een interne standaardoplossing bevattende 10 ppb Rh en In en analyseren semi-kwantitatieve wijze van de ICP-MS volgens de instructies van de fabrikant. Deze techniek behelst de analyse van een NIST traceerbaar verscheidene elementen standaard (10 ppb en 100 ppb in Li, Mn, Fe, Co, Zr, Cd, Bi, en U). Vergelijk de vastgestelde intensiteiten voor de standaard met de intensities voor de andere monsters naar schatting concentraties opleveren voor geselecteerde elementen. Om rekening te houden voor plasma en instrument drifts, moeten alle monsters een minimum van 10 ppb concentratie voor In die werd aan alle monsters toegevoegd. Bepaal elementaire concentratie van de analyten van belang voor de bereide oplossingen door de volgende stappen: Voer een eerste kalibratie validatie monster van de multi-element standaard (10 ppb en in 75 ppb Li, Mg, Fe, Co, Zr, Cd, Bi, en U). Voer de initiële ijking leeg van gedemineraliseerd water. Voer ICP-MS analyse van twee monster van belang. Object desondanks kalibratie validatie monster (10 ppb en in 75 ppb Li, Mg, Fe, Co, Zr, Cd, Bi, en U) van de multi-element standaard. Doorgaan kalibratie leeg van gedemineraliseerd water. Opmerking: Volgens de leverancier specificaties, de ICP-MS metingen een onzekerheid van 20%. Nanomateriaal laboratorium werk werd uitgevoerd onder afume capuchon. PPE (laboratoriumjas, schort, dunne mil nitril voor incidenteel contact, en bril) en gezichtsbescherming moet worden gebruikt als hood sjerp is boven de kin-niveau. Minimaal PPE nodig bij het werken met nanoschaal materialen; wegwerp laboratoriumjas, zal dunne mil nitril handschoenen voor incidenteel contact en een veiligheidsbril met zijschermen worden gedragen in het lab bij de omgang met nanomaterialen. dragende afval nanomateriaal mag niet in de reguliere prullenbak of in de afvoer worden gezet. 3. Laser Verwarming Experiment Schakel de laser voeding en evenwicht. Opmerking: De golflengte laser gebruikt in dit experiment (λ = 532 nm) wordt gekozen om de LSPR absorptiepiek zo dicht mogelijk te benaderen. Echter kan fotothermische effecten worden geïnduceerd met behulp van een golflengte die overlapt met de absorptie van de nanodeeltjes. Het verwarmen efficiency is gewoon groter wanneer verlicht op resonantie. Plaats de balans ramen, zodat ze do Blokkeer de laser pad of de infrarood (IR) thermokoppels blokkeren. De IR thermokoppels zijn non-contact temperatuursensoren en moet een duidelijke lijn van het zicht op de meting hebben oppervlak. Figuur 1 toont een schematische weergave van de experimentele opstelling. Verwijder de beschermkappen van de IR thermokoppels. Open het verzamelen van gegevens software en draaien, het benoemen van de meting, "warming-up." De aangepaste software verzamelt de balans en thermokoppel weerstand als functie van de tijd, en wanneer het programma draait logt deze waarden in een gegevensbestand. Run de meting gedurende ten minste 20 minuten om het systeem te warmen. Terwijl het systeem aan het opwarmen is, bereidt het monster door pipetteren de benodigde hoeveelheid (3 ml) van de gewenste oplossing in een methacrylaat cuvette. De hier gebruikte hoeveelheden zijn 3 ml oplossing voor standaard cuvetten en 1 ml voor semi-micro cuvettes. Pas het laservermogen tot het laagste insting die een nauwelijks zichtbare straal, die 1,5 A voor het lasersysteem hier gebruikt produceert. Controleer of dat de laserstraal plek is vrij en blijft in het brandpunt van de IR thermokoppel. Plaats het monster op de balansarm zodanig dat de zijde van de cuvette loodrecht op de IR meetbundel van het thermokoppel en de laserbundelstip raakt het centrum van de oplossing. Verminder het laservermogen tot de balk is niet meer zichtbaar, maar niet uitschakelen van de voeding. Na 20 min de warming-up is voltooid. Stop de meetprogramma en uitgang uit de software. Re-nul de balans. Open de dataverzameling softwareprogramma op lopen, en maak vervolgens een naam voor het gegevensbestand. Het experiment wordt uitgevoerd na het benoemen van het bestand en klik op 'Opslaan'. De exacte experimentele routine zal afhangen van de gewenste informatie, maar een model routine is hier voorzien. Start het verzamelen van gegevens. Na 120 seconden, zet de laser bevoegdheid gewenste instelling (1,2 W deze experimenten, die bij gefocusseerd in een ~ 20 urn plek overeenkomt met ~ 3,8 x 10 5 W / cm 2). Verzamel data voor nog eens 1.000 sec, pas dan laservermogen tot het minimum en schakel de laser voeding. Doorgaan met gegevens voor een andere 1.000 sec verzamelen voordat het stoppen van de meting. Na de experimentele routine is voltooid, exit uit het programma, zet alles uit, en re-cover alle apparatuur. Sla de experimentele gegevens in een ASCII-formaat en verder verwerkt en geanalyseerd met behulp van extra software.

Representative Results

Materiaalsamenstelling is een belangrijke overweging voor hybride materialen. Energie-dispersieve X-stralen analyse (EDX) en inductief gekoppeld plasma massaspectrometrie (ICP-MS) kan deze informatie verstrekken. EDX analyse geeft semikwantitatieve data (figuur 2), terwijl ICP-MS levert nauwkeurige, kwantitatieve informatie over de elementen plaats. Het blijkt dat de hybride Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes Fe en Au concentraties ρFe = 150 ppb en ρAu = 49 ppb. In vergelijking, zuivere Au nanodeeltjes, die worden gebruikt als controle voor fotothermische verwarming, veel hogere concentraties Au ρAu = 1100 ppb. SEM-analyse toont de morfologie van de Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes (figuur 3), waarin aggregaten afgeronde, onregelmatige deeltjes die lijken gefunctionaliseerd met kleine, heldere,en afgerond nanodeeltjes. De grotere nanodeeltjes worden geïdentificeerd als Fe 2 O 3, terwijl het kleinere, lichtere nanodeeltjes worden geïdentificeerd als Au. Dit type morfologie wordt vaak aangeduid als "ingericht" nanodeeltjes. 14 In dit geval is het oppervlak van het ondersteunende deeltjes, Fe 2 O 3, is versierd met kleine, geïsoleerde Au nanodeeltjes. Statistische analyse van de nanodeeltjes blijkt dat Fe 2 O 3 nanodeeltjes een gemiddelde diameter d = 40 ± 10 nm. Het functionaliseren Au nanodeeltjes hebben een breder scala van maten, met d = 20 ± 20 nm. Dynamic Light Scattering (DLS) metingen kunnen de aggregatiegedrag kwantificeren, en blijkt dat de hybride Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes een gemiddelde hydrodynamische straal van dh = 243 nm met bevolking bakken op dh = 61 nm (13%) en dh = 310 nm (87%). Bovendien wordt de zetapotentiaal gevonden om Ç = -16 mV, wat kan helpen om het te beperkenaggregatie gedrag. De UV-vis-NIR spectrum van de hybride Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes wordt getoond in figuur 4A. Een apart absorptiepiek waargenomen bij golflengte λ ≈ 520 nm, en wordt toegeschreven aan de wijze van LSPR Au nanodeeltjes functionaliseren van de Fe 2 O 3. De golflengte van de LSPR is met literatuurwaarden voor AuNPs met gelijke morfologie. 11,12 de plasmonische gedrag van de hybride structuren door AuNP formatie op het Fe 2 O 3 steunen. Dit kan direct worden gevolgd door in-situ UV-vis spectroscopie. Figuur 4B toont de UV-vis absorptiespectra van de reactantoplossing op verschillende momenten tijdens de reactie. Aanvankelijk is er een lichte toegankelijk lichtabsorptie toegeschreven aan de Fe 2 O 3 nanodeeltjes gedispergeerd in de oplossing. Naarmate de reactie verloopt, de abso rbance toeneemt en op 1,5 min, begint een piek te vormen, die beter wordt gedefinieerd als de reactie vordert. Deze piek resultaten van LSPR absorptie en komt overeen met de vorming van AuNPs en de depositie op de Fe 2 O 3 steunvlak. Het magnetische gedrag van de Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes wordt gemakkelijk waargenomen door manipulatie met een extern magnetisch veld. Aanvankelijk Fe 2 O 3 -de Au oplossing een bruinachtige kleur (Figuur 5B). Echter, nadat de oplossing in een extern magnetisch veld, de oplossing geleidelijk helder wordt gedurende enkele minuten als het geheel van de magnetische hybride nanodeeltjes door het veld (figuur 5C). De magnetische collectie is omkeerbaar en de multifunctionele nanodeeltjes kunnen opnieuw gedispergeerd worden door roeren van de oplossing, zoals getoond in Figuren 5D en 5E. 1 "> Fotothermisch verwarming metingen worden getoond in figuur 6A, die de bulk temperatuursverandering in bestraalde oplossing uitzet, AT, als functie van de tijd voor de hybride Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes AuNPs en zuiver gedeïoniseerd water (DI H 2 O). de Fe 2 O 3 -de Au en Au nanodeeltjes vertonen een bijna identieke temperatuurprofiel, met temperaturen verhogen met meer dan 40 ° C. het is duidelijk dat de plasmon absorptie van beide soorten nanodeeltjes kunnen licht zeer efficiënt transduceren in warmte, maar de Fe 2 O 3 -de Au doen met een aanzienlijk lagere concentratie van Au, zoals hierboven besproken. anderzijds, de DI H2O experiment vertoont geen verandering in temperatuur, hetgeen aantoont dat de temperatuurstijging in het nanodeeltje oplossingen uitsluitend als gevolg van het verdwijnen van de geabsorbeerde elektromagnetische energie in de nanodeeltjes. AT in figuur 6A beschrijft het grootste verandering temperature, en temperaturen in het bestraalde gebied en nabij de nanodeeltjes oppervlak kan veel hoger zijn. 13 De verandering in de massa van de oplossing, Δm, die voortkomt uit stoomopwekking is een indicator van deze hogere temperaturen. Figuur 6B uitzet Δm versus tijd de hybride Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes en DI H2O Δm voor het nanodeeltje oplossing is veel groter dan de achtergrond verdampingssnelheid, wat aangeeft voldoende hoge oppervlaktetemperaturen naar stoom bij een hoog tempo. Figuur 1. Schematische voorstelling van de laser verwarming setup. Een cuvette wordt op een microgram schaal geplaatst en verlicht door een laserstraal van bovenaf. Twee IR thermokoppels meten van de temperatuur van de cuvette en omgevingstemperatuur, respectievelijk. Alle metingen worden gesynchroniseerd en ingelogd in een data collectiop het programma. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2. Representatieve EDX spectrum van de hybride Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes. De abscis-as komt overeen met de energie en de ordinaat correspondeert met het aantal tellingen. Pieken zijn gelabeld met het overeenkomstige element. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3. SEM beeld van de hybride Fe 2 O 3 gewerkt -de Au nanodeeltjes. De larg eh, donkere gebieden zijn Fe 2 O 3 deeltjes, die zijn ingericht met kleinere helderder Au nanodeeltjes. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4. Optische eigenschappen. (A) UV-vis absorptie spectra van de hybride Fe 2 O 3 gewerkt -de Au nanodeeltjes, waarin de brede zichtbare licht absorptie van Fe 2 O 3 en de plasmonische piek toegeschreven aan de Au nanodeeltjes in de buurt van 530 nm. (B) De UV-vis absorptiespectra van de reactantoplossing op verschillende momenten tijdens de reactie, die de absorptie LSPR voortvloeien uit AuNP formatie in de oplossing en de Fe 2 O 3 nanodeeltjes..com / files / ftp_upload / 53598 / 53598fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een ​​grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 5. Magnetische Properties Foto's van Au-Fe 2 O 3 nanodeeltjes.; (A) gedispergeerd in waterige oplossing; (B) magnetische manipulatie (tijd = 0 sec); (C) magnetische manipulatie (tijd = 2 min); (D) magneet verwijderd; (E) Au-Fe 2 O 3 nanodeeltjes volgende magnetische manipulatie, waaruit blijkt dat ze kunnen worden gemakkelijk opnieuw verspreid in de waterige oplossing. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. <img alt="figuur 6" src="/files/ftp_upload/53598/53598fig6.jpg" /> Figuur 6. Fotothermische experimenten. Plots die de (A) verandering oplostemperatuur, AT, en (B) massaverlies Δm, als functie van de tijd. Onder laser verlichting, de nanodeeltjes (zwarte en rode curves) genereren omvangrijke AT en Δm waarden die aanzienlijk groter zijn dan die optreedt voor pure DI H 2 O onder identieke omstandigheden (blauwe curve) zijn. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken .

Discussion

Het gebruik van optisch afstembare gouden nanodeeltjes voor hyperthermie studies is een aantrekkelijke optie als het speelt in op plasmonische verhitting van goud nanodeeltjes afgestemd op het licht sterk absorberen in de regio VIS-NIR. De plasmonische verwarming studies die hier beschreven werden onderzocht door het gebruik van bereide laboratorium en in de handel verkrijgbaar ijzeroxide-goud hybride nanomaterialen. Een van de meest gebruikte methoden voor het vervaardigen van colloïdale goud nanospherical deeltjes betreft de vermindering chlorogoudzuur (HAuCl 4) in de neutrale goud Au (0) van reductiemiddelen, zoals natriumcitraat, natriumboorhydride, enz 15,16 De synthese van de gouden nanodeeltjes ijzeroxide nanodeeltjes is eenvoudig. Men kan gemakkelijk de Au metaal grootte, vorm en lading door het veranderen experimentele parameters, bijvoorbeeld reagentia concentraties reductiemiddelen, surfactanten, enz controle 17 Deze benadering levert goede controle over Au nanoparticle afmetingen en uniforme nanodeeltjes geladen op Fe 2 O 3. Andere edele metalen kunnen ook worden bereid volgens deze werkwijze, zoals Ag, Pt en Pd. 18 Een belangrijk voordeel van deze procedure is dat de reactiewerkwijze kan worden uitgevoerd in lucht of water, en in beginsel vatbaar is voor schaalvergroting. Met behulp van commerciële nanomaterialen en / of schaalbare natte chemische procedures is ideaal voor grootschalige behandeling toepassingen of biologische toepassingen, omdat deze materialen zijn direct beschikbaar en zuiniger dan op maat gesynthetiseerd materialen en procedures. Oppervlakte modificaties van deze metallische nanostructuren zijn ook van belang in de wetenschappelijke gemeenschap. Een aantal organische (surfactants, bifunctionele thiolen, polymeren, aminozuren, proteïnen, DNA) en anorganische materialen (silica, andere metalen, metaaloxiden, enz.) 19 kan verder worden geladen of gefunctionaliseerd op deze oppervlakken te nanocomposiet materialen met verschillende creëren ontwerpen, geometrieën,composities en multifunctionele mogelijkheden voor biologische targeting, drug delivery, sensing, imaging, milieu-toepassingen, etc.

Bovendien, het fotothermische techniek beschreven is goed geschikt voor de plasmonische eigenschappen van verschillende materialen te bekomen, bulk temperatuur en massa metingen relatief eenvoudig uit te voeren via algemeen beschikbare apparatuur. Het gemak van het monster voorbereiding en de meting is een duidelijk voordeel ten opzichte van andere technieken plasmonische / toepassingen. Bijvoorbeeld technieken zoals Raman-spectroscopie en LSPR sensing zijn zeer gevoelig voor de bereiding van zowel het substraat als het doel, die 20,21 herhaalbaarheid en vergelijking tussen monsters moeilijker maakt. Een mogelijk nadeel van de fotothermische metingen hierboven beschreven die temperatuur wordt gemeten aan de bulk schaal en niet op het oppervlak van het nanodeeltje waar de warmte wordt getransduceerd. Er zijn thermometrie technieken die deze lokale temperatuur informatie, 22-24 kunnen bieden, maar deze vereisen ingewikkelder monstervoorbereiding, waardoor ze moeilijker te implementeren. Tenslotte de hier beschreven metingen kunnen eenvoudig worden gecombineerd met andere technieken (bijvoorbeeld fotokatalytische afbraak) 9 te fotothermische effecten van verschillende processen van.

Samengevat, hebben we de synthese van hybride Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes oplossingen en de fotothermische karakterisering beschreven. Zelfs met een 20 x concentratie van kleiner Au, deze Fe 2 O 3 -de Au nanodeeltjes kunnen warmte waterige oplossingen zo efficiënt als photothermally AuNPs, waaruit de voordelen van hybride materialen. Bovendien is de hybride structuren behouden de eigenschappen van beide materialen ontstaat een multifunctionele structuur met magnetische en plasmon eigenschappen. Dergelijke structuren zijn interessant voor biomedische toepassingen,8 maar veel extra toepassingen kunnen worden beoogd.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De financiële ondersteuning van dit werk werd geleverd door Department of Energy DOE- Laboratory Geregisseerd Research & Development (LDRD) Strategic Initiative Program. We danken de heer Henry Sessions, en de heer Charles Shick voor het verstrekken van hun tijd en expertise om ons te helpen met onze experimenten.

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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. 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).
  2. Ozbay, E. Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. Science. 311 (5758), 189-193 (2006).
  3. Murphy, C. J., et al. Anisotropic metal nanoparticles: synthesis, assembly, and optical applications. J. Phys. Chem. B. 109 (29), 13857-13870 (2005).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Maier, S. A. . Plasmonics: fundamentals and applications: fundamentals and applications. , (2007).
  7. Bigall, N. C., Parak, W. J., Dorfs, D. Fluorescent magnetic and plasmonic-Hybrid multifunctional colloidal nano objects. Nano Today. 7 (4), 282-296 (2012).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Neumann, O., et al. Solar vapor generation enabled by nanoparticles. Acs Nano. 7 (1), 42-49 (2012).
  11. Szirmae, A., Fisher, R. . Techniques of Electron Microscopy, Diffraction, and Microprobe Analysis. 372, (1963).
  12. Goldstein, J., et al. . Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis: a text for biologists, materials scientists, and geologists. , (2012).
  13. 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).
  14. Georgakilas, V., et al. Decorating carbon nanotubes with metal or semiconductor nanoparticles. J. Mater. Chem. 17 (26), 2679-2694 (2007).
  15. 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).
  16. 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).
  17. Hunyadi Murph, S. E., et al. . ACS Symp. Ser. , 127-163 (2011).
  18. Murph, S., Murphy, C. J., Leach, A., Gall, K. A Possible Oriented Attachment Growth Mechanism for Silver Nanowire Formation. Cryst Growth Des. , (2015).
  19. Hunyadi Murph, S. E., Heroux, K., Turick, C., Thomas, D. . Applications of Nanomaterials. Vol. 4 Nanomaterials and Nanostructures, (2012).
  20. Murphy, C. J., et al. Chemical sensing and imaging with metallic nanorods. Chem. Comm. (5), 544-557 (2008).
  21. 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).
  22. Jaque, D., Vetrone, F. Luminescence nanothermometry. Nanoscale. 4 (15), 4301-4326 (2012).
  23. Ebrahimi, S., Akhlaghi, Y., Kompany-Zareh, M., Rinnan, &. #. 1. 9. 7. ;. Nucleic acid based fluorescent nanothermometers. ACS Nano. 8 (10), 10372-10382 (2014).
  24. 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).

Tags

Fe2O3-Au NanoparticlesPlasmonic HeatingPhotothermalBiomedical ImagingAnalytic ProcessingMagnetic SensingIron OxideGold NanoparticlesWet Chemical SynthesisSodium CitrateChloroauric AcidCentrifugationCharacterizationLaserIR Thermocouples

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Murph, S. E. H., Larsen, G. K., Lascola, R. J. Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating. J. Vis. Exp. (108), e53598, doi:10.3791/53598 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image