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Engineering

Multifunktions-Hybrid Fe<sub> 2</sub> O<sub> 3</sub> -Au Nanopartikel für effiziente Plasmonische Heizung

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

Eines der am häufigsten verwendeten Methoden zur kolloidalen Goldpartikel nanosphärische Herstellung umfaßt die Reduktion von Chlorgoldsäure (HAuCl 4) in Neutralstellung Gold Au (0) durch Mittel, wie Natriumcitrat oder Natriumborhydrid reduzieren. Die Erweiterung dieser Methode Eisenoxid oder ähnliche Nanopartikel mit Gold-Nanopartikeln zu dekorieren multifunktionale Hybrid-Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel ist unkompliziert zu erstellen. Dieser Ansatz liefert recht gute Kontrolle über Au-Nanopartikel-Dimensionen und Laden auf Fe 2 O 3. Zusätzlich kann das Metall Au Größe, Form und Laden leicht durch Ändern experimentellen Parameter (zB Reaktantenkonzentrationen, Reduktionsmittel, Tenside, etc.) eingestellt werden. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Reaktion in Luft oder Wasser durchgeführt werden kann, und im Prinzip ist zugänglich Scaling-up. Die Verwendung solcher optisch abstimmbaren Fe 2 O 3 -Au-Nanopartikeln für hyperthermia Studien ist eine attraktive Option, da es auf plasmonischer Erhitzen von Goldnanopartikeln tiert abgestimmt Licht zu absorbieren stark im VIS-NIR-Bereich. Zusätzlich zu seinen Wirkungen plasmonischer stellt nanoskaligen Au eine einzigartige Oberfläche für interessante Chemie und Katalyse. Das Fe 2 O 3 -Material bietet zusätzliche Funktionalität aufgrund seiner magnetischen Eigenschaft. Zum Beispiel könnte ein externes Magnetfeld verwendet werden, um das Hybrid-Fe 2 O 3 -Au-Nanopartikel nach einem katalytischen Versuch zu sammeln und zu recyceln, oder alternativ kann die magnetische Fe 2 O 3 kann für Hyperthermie Untersuchungen durch magnetische Induktion Wärme verwendet werden. Das photothermische Experiment in diesem Bericht beschriebenen Maßnahmen Masse Temperaturänderung und Nanopartikellösung Masseverlust als Funktion der Zeit Infrarot-Thermoelementen und ein Gleichgewicht sind. Die einfache Probenvorbereitung und die Verwendung von leicht verfügbaren Geräte sind deutliche Vorteile dieser Technik. Ein Nachteil ist, thbei diesen photothermische Messungen beurteilen die Schüttlösungstemperatur und nicht die Oberfläche des Nanopartikels, wo die Wärme transduziert wird und die Temperatur ist wahrscheinlich höher sein.

Introduction

Beginnend mit ihrer Verwendung in der alten zweifarbigem Glas, ein Gold-Nanopartikel (AuNPs) haben oft auf die Entwicklung neuer Technologien beigetragen. 2,3 Modernere Beispiele dieser Technologien Tarnmodule und Partikel enthalten, die beide und Behandlung von Krebs erkennen kann. 4,5 AuNPs haben viele bemerkenswerte Eigenschaften, aber die bemerkenswertesten unter diesen ist die Präsenz von lokalisierten Oberflächenplasmonenresonanzen (LSPRs), die als einfallende elektromagnetische Strahlung resonant Laufwerke freien Elektronen in kollektive Schwingungen, die Schaffung intensiv und sehr beschränkt elektromagnetische Felder. 6 Eine faszinierende Aspekt auftreten von LSPRs ist, dass sie abstimmbar sind. Das heißt, dass die Resonanzenergie durch Modifizieren der Form und Größe der AuNPs eingestellt werden oder indem der Brechungsindex der äußeren Umgebung ändert. Eine weitere Eigenschaft von AuNPs und Gold im Allgemeinen ist, dass sie relativ teuer sind. Während dies Gold attraktiver aus einem machenLuxus Standpunkt, für technische Anwendungen, das ist ein Nachteil und können ein Hindernis für den allgemeinen Gebrauch sein. Zwei mögliche Lösungen für dieses Problem suchen weniger teure Alternative Materialien, die ähnliche Eigenschaften wie Gold aufweisen, oder der Suche nach einem Weg, um Gold zu kombinieren mit einem anderen Material ein Verbundmaterial mit ähnlichen Eigenschaften zu schaffen, sondern kleinere Mengen des Edelmetalls. Die letztere Lösung ist vielleicht interessant, da es die Möglichkeit ermöglicht mit den physikalisch-chemischen Eigenschaften von zwei oder mehr Materialien ein multifunktionales Hybrid Nanostruktur zu schaffen. 7

Eisen (III) -oxid, Fe 2 O 3, ist ein ausgezeichneter Kandidat für eine Komponente eines solchen Gemisches, weil sie allgemein verfügbar, preiswert ist und nicht toxisch. Darüber hinaus ist die Maghemit Phase, γ-Fe 2 O 3, ist ferrimagnetischen und der Hämatit-Phase, α-Fe 2 O 3, ist schwach ferromagnetisch. Somit ist die Kombination vonGold mit Fe 2 O 3 könnte möglicherweise Nanopartikel ergeben, die plasmonischer Eigenschaften aufweisen und auch mit externen Magnetfeldern in Wechselwirkung treten, doch sind wesentlich kostengünstiger als reines Gold. Eine solche Hybridnanostruktur interessant realen Anwendungen gefunden. Beispielsweise Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel nützlich sowohl für die Krebsdiagnose und Behandlung durch Magnetresonanztomographie und photothermische Therapie bewährt. 8 in diesem Fall, Fe 2 O 3 als ein MRI-Kontrastmittel, während der Au Teil lokal einfall konvertiert Lichtabgabe von elektromagnetischer Energie während LSPR absorbiert Hitze durch. Zusätzlich haben Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel plasmonischer Verbesserung der katalytischen Umwandlung von CO in CO 2 unter sichtbarem Licht Beleuchtung gezeigt, und solche Strukturen auch für photothermische Umwandlung von Solarenergie genutzt werden kann. 9,10

ThiBericht beschreibt die Synthese von Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel eine einfache nasschemische Verfahren. Die Hybridstruktur besteht aus einem Fe 2 O 3 Kern, der mit kleineren AuNPs dekoriert ist. Wichtig ist, behält die erhaltene Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel sowohl magnetische als auch plasmonischer Eigenschaften der Bestandteilsmaterialien, die eine multifunktionelle Partikel erzeugt, die für eine Vielzahl von Anwendungen nützlich sein könnte. Um die plasmonischer Anwendungen dieser Hybrid-Nanopartikeln, photothermischen Charakterisierung der Nanopartikel unter Verwendung eines Lasers Heizsystem zu veranschaulichen, wird ebenfalls beschrieben. Die photothermische Messungen zeigen, daß die Hybrid-Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel wässrigen Lösungen so effizient wie reine AuNPs in Wärme in der Lage, auch mit einer wesentlich geringeren Konzentration des Edelmetalls. Diese Ergebnisse bestätigen die Methode der Verwendung von Verbund- oder Hybridmaterialien, Kosten zu senken und erzielen größere Functionality.

Protocol

1. Nanomaterialien Syntheseprotokoll Bereiten Sie eine Stammlösung von Fe 2 O 3 von 25 mm. Hinweis: Alle Stammlösungen werden VE-Wasser zubereitet werden, sofern nicht anders angegeben. Nehmen Sie einen 25-ml-Erlenmeyerkolben. In 10 ml deionisiertem (DI) Wasser und einen Rührstab, und legen Sie es auf einem Heizblock. 100 l Fe 2 O 3-Stammlösung (25 mM) zu diesem Kolben. Die Lösung wird während etwa 5 Minuten lang gerührt wurde. Herstellung von 10 ml 1% Natriumcitrat 0,1 g Natriumcitrat auf 10 ml Wasser gelöst. 1 ml der 1% igen Natriumcitrat-Lösung zu 25 ml Kolben, der das Fe 2 O 3 enthaltenden wäßrigen Lösung. Bringen Sie die Lösung zum Sieden (100 ° C). In 250 ul 0,01 M Chlorwasserstoffsäure. Weiterhin die Lösung bei 100 ° C für 10 min erwärmt wird. Nach einigen Minuten (2-3 min), wird die Lösung rot / braune indicating, die Au-Nanopartikel hergestellt werden. Entfernen Sie die Lösung aus dem Heizblock und lassen Sie es bei Raumtemperatur (ca. 20 ° C) (1-2 Stunden), um sich abzukühlen. Reinige den Proben durch Zentrifugation für 7 min bei 4700 × g. Entfernen Sie den Überstand der zentrifugierten Proben. Re-zerstreuen die zentrifugiert Nanopartikel in DI-Wasser, bis zu 10 ml. 2. Nanopartikel Charakterisierung SEM / EDX Charakterisierung: Zeigen 1-2 ul zentrifugiert Nanopartikel auf einem Kupfergitter und lassen es für 1 Stunde trocknen lassen. Zeigen Probe in einen sauberen Behälter und bringen Sie es zum REM / EDX zur Charakterisierung. 11,12 UV-Vis Charakterisierung: Schalten Sie die UV-Vis und lassen Sie es für 10-15 Minuten, um sich aufzuwärmen. Nehmen Sie einen Verweis DI-Wasser-Spektrum. Zeigen 1 ml der wässrigen Lösung der Nanopartikel in einem Methacrylat Küvetteund notieren Sie die UV-Vis-Spektren über Wellenlängen λ = 300 – 1000 nm. Vermeiden der Sättigung des Signals durch die maximale Absorption zu halten weniger als ~ 1.2. Wenn die beobachtete maximale Absorption größer ist, reduzieren Sie die Peakhöhe durch Verdünnen der Probe oder eine kürzere Weglänge Küvette verwenden. Hinweis: Die Oberflächenplasmonen Band von Au (λ ≈ 525 nm) werden leicht beobachtet. magnetische Manipulations Platz 3 ml der rot / braune wässrige Proben von magnetischen / plasmonischen Nanostrukturen in Methacrylat-Küvetten. Legen Sie eine im Handel erworben Magnet (~ 100 Gauß) in der Nähe des Küvetten. Hinweis: Innerhalb weniger Minuten alle magnetischen / plasmonischer Nanopartikel "angehängt", um die Methacrylat-Küvetten-Seite, wo der Magnet getätigt. Lösung wurde von braun bis farblos darauf hinweist, dass die Nanopartikel ihre magnetischen Eigenschaften bleiben auch nach Au auf Fe abgeschieden 2 </sub> O 3 Oberfläche. Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) -Analyse. 13 Verwenden wässrige Proben von Nanopartikel-Lösungen in dieser Analyse. Digest gereinigt Nanopartikel Proben in Salpetersäure sie eine ionische Form vor der Massenanalyse Experimente zu transformieren, indem alle Proben in Röhrchen mit einem Endvolumen von 10 ml 2% iger Salpetersäure zu übertragen. Lassen Sie 30 Minuten für die Verdauung stattfindet. Erstellen einer Eichkurve mit bekannten Konzentrationen von Analyten von Interesse (zB Au, Fe). Spike-Proben mit einer internen Standardlösung 10 ppb Rh und In enthält, und in der semi-quantitative Modus des ICP-MS nach den Anweisungen des Herstellers analysiert. Diese Technik beinhaltet die Analyse einer NIST-Mehrelementstandard (10 ppb und 100 ppb In Li, Mn, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, und U). Vergleichen Sie die bestimmt Intensitäten für die serienmäßig mit dem intensities für die anderen Proben für ausgewählte Elemente ungefähre Konzentrationen zu ergeben. Zur Berücksichtigung Plasma und Instrument Verwehungen, sollten alle Proben für ein Minimum von 10 ppb Konzentration haben, dass alle Proben aufgenommen. Bestimmen elementaren Konzentration der Analyten von Interesse für die hergestellten Lösungen mit den folgenden Schritten: Durchführen einer ersten Kalibrierung Validierung Probe des Mehrelementstandard (10 ppb und 75 ppb In Li, Mg, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, und U). Führen anfänglichen Kalibrierung leer VE-Wasser. Führen ICP-MS-Analyse auf zwei Probe von Interesse. Weiter Kalibrierung Validierung Probendurchführen (10 ppb und 75 ppb In Li, Mg, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, und U) des Multielement-Standard. Weiter Kalibrierung leer VE-Wasser. Hinweis: Gemäß den Herstellerangaben, die ICP-MS-Messungen eine Unsicherheit von 20% aufweisen. Nanomaterial Laborarbeit wurde unter af durchgeführtume Kapuze. PSA (Kittel, Schürze, dünne mil Nitril Handschuhe für zufälligen Kontakt und Schutzbrille) und ein Gesichtsschutz sollte verwendet werden, wenn Haube Schärpe über Kinnhöhe ist. Mindest PPE erforderlich, wenn mit nanoskaligen Materialien arbeiten; Einweg-Kittel, dünn mil Nitril Handschuhe für zufälligen Kontakt und Schutzbrille mit Seitenschutz wird im Labor getragen werden, wenn Umgang mit Nanomaterialien. Nanomaterial Lager Abfälle dürfen nicht in normalen Hausmüll oder den Bach runter gesetzt werden. 3. Laser-Heizung Experiment Schalten Sie den Laser Stromversorgung und Balance. Hinweis: Die Laserwellenlänge in diesem Experiment verwendet (λ = 532 nm) wird gewählt, um die LSPR Absorptionsspitze so eng wie möglich anzupassen. photothermische Effekte können jedoch induziert werden, unter Verwendung einer beliebigen Wellenlänge, die mit der Absorption der Nanopartikel überlappt. Die Wärmeleistung ist nur größer, wenn auf Resonanz beleuchtet. Positionieren Sie die Balance Fenster, so dass sie do die Laser Weg nicht versperren oder die Infrarot (IR) Thermoelemente blockieren. Die IR-Thermoelemente berührungslosen Temperatursonden sind und eine freie Sicht auf die Messfläche haben muss. Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Entfernen Sie die Schutzabdeckungen von den IR-Thermoelemente. Öffnen Sie die Datenerfassungs-Software-Programm und führen, um die Messung zu nennen, "Warm-up." Die kundenspezifische Software-Programm sammelt die Balance und Thermoelement Widerstandswerte als Funktion der Zeit, und wenn das Programm ausgeführt wird protokolliert er diese Werte in eine Datendatei. Führen Sie die Messung für mindestens 20 Minuten, damit das System, um sich aufzuwärmen. Während das System aufgewärmt wird, bereiten durch Pipettieren die entsprechende Menge (3 ml) der gewünschten Lösung in ein Methacrylat-Küvette mit der Probe. Die Mengen werden dabei 3 ml Lösung für Küvetten Standard und 1 ml für Halbmikroküvetten. Stellen Sie die Laserleistung auf den niedrigsten settIng, die einen kaum sichtbaren Strahl erzeugt, der 1,5 A für das Lasersystem wird hier verwendet. Vergewissern Sie sich, dass der Laserstrahlfleck frei ist und bleibt im Brennpunkt des IR-Thermoelement. Platzieren der Probe auf dem Waagebalken so dass die Seite der Küvette ist senkrecht zu der IR Messstrahl von dem Thermoelement und dem Laserstrahlfleck trifft auf das Zentrum der Lösung. Reduzieren Sie die Laserleistung, bis der Strahl nicht mehr sichtbar ist, aber nicht ausschalten die Stromversorgung. Nach 20 Minuten ist die Aufwärmphase abgeschlossen. Stoppen Sie den Messprogramm und Ausfahrt aus der Software. RE-ZERO um das Gleichgewicht. Öffnen Sie die Datenerfassung Software auf Ausführen und geben Sie einen Namen für die Datei erstellen. Das Experiment wird ausgeführt, nachdem die Datei zu benennen und auf "Speichern". Die genauen experimentellen Routine wird, hängt von der gewünschten Information, sondern ein Modell Routine wird hier zur Verfügung gestellt. Starten Sie die Datenerfassung. Nach 120 Sekunden, schalten Sie die l bisaser Leistung gewünschte Einstellung (1,2 W für diese Versuche, die, wenn sie in eine ~ 20 um Fleck fokussiert entspricht ~ 3,8 × 10 5 W / cm 2). Sammeln von Daten für einen weiteren 1.000 sec, dann Laserleistung auf den Mindestwert einzustellen und Laserstromversorgung abschalten. Weiter zu den Daten für einen weiteren 1.000 Sek sammeln, bevor die Messung zu stoppen. Nach dem experimentellen Routine abgeschlossen ist, Ausfahrt aus dem Programm, schalten Sie alle Geräte aus, und re-cover alle Geräte. Speichern Sie die experimentellen Daten im ASCII-Format und weiteren Verarbeitung und Analyse zusätzlicher Software.

Representative Results

Materialzusammensetzung ist eine wichtige Überlegung für Hybridmaterialien. Energiedispersive Röntgenanalyse (EDX) und Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-MS) können diese Informationen bereitzustellen. EDX-Analyse bietet semi-quantitative Daten (Abbildung 2), während ICP-MS liefert genaue, quantitative Informationen über die Elemente von Interesse. Es wird festgestellt, dass der Hybrid-Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel Fe und Au Konzentrationen von ρFe = 150 ppb und ρAu = 49 ppb. Im Vergleich dazu reines Gold-Nanopartikeln, die als Kontrolle für die photothermische Heizung verwendet werden, haben viel höhere Au-Konzentrationen ρAu = 1.100 ppb. SEM-Analyse der Morphologie der Fe 2 O 3 -Au-Nanopartikel (Figur 3) zeigt, Aggregate von abgerundeten, unregelmäßigen Teilchen zeigt, die mit kleineren, hell funktionalisierten erscheinen,und abgerundeten Nanopartikeln. Die grßeren Nanopartikel werden als Fe 2 O 3 bezeichnet, während die kleineren, heller als Nanopartikel Au identifiziert. Diese Art der Morphologie wird oft als "verziert" Nanopartikel bezeichnet. 14. In diesem Fall ist die Oberfläche des Trägerpartikel, Fe 2 O 3, mit kleineren, isoliert Au Nanoteilchen geschmückt. Die statistische Analyse der Nanopartikel zeigt, dass Fe 2 O 3 Nanopartikel einen mittleren Durchmesser von d = 40 ± 10 nm. Die Funktionalisierung von Gold-Nanopartikeln haben eine breitere Palette von Größen, mit d = 20 ± 20 nm. Dynamic Light Scattering (DLS) Messungen kann das Aggregationsverhalten quantifizieren, und festgestellt, dass der Hybrid-Fe 2 O 3 -Au-Nanopartikel einen durchschnittlichen hydrodynamischen Radius von DH = 243 nm mit Bevölkerung Bins bei DH = 61 nm (13%) und dh = 310 nm (87%). Darüber hinaus wird das Zeta-Potential = -16 mV bis & zgr; gefunden, die die zu begrenzen könnte helfenAggregationsverhalten. Die UV-VIS-NIR-Spektrum des Hybrid Fe 2 O 3 -Au-Nanopartikel ist in 4A gezeigt. Ein deutlicher Absorptionspeak bei Wellenlängen λ ≈ 520 nm beobachtet, und ist mit dem LSPR Modus der Au-Nanopartikel Funktionalisieren des Fe 2 O 3 zurückzuführen. Die Wellenlänge des LSPR stimmt mit Literaturwerten für AuNPs mit ähnlichen Morphologien. 11,12 Der Plasmonen Verhalten der Hybridstrukturen ist aufgrund AuNP Bildung auf den Fe 2 O 3 unterstützt. Dies kann direkt durch UV-Vis-Spektroskopie in-situ beobachtet werden. 4B zeigt die UV-vis-Absorptionsspektren der Reaktionslösung zu verschiedenen Zeitpunkten während der Reaktion. Zunächst gibt es eine geringe Absorbanz sichtbaren Lichts auf die Fe 2 O 3 zurückzuführen Nanopartikel in der Lösung dispergiert. Im Verlauf der Reaktion, die abso rbance erhöht, und nach 1,5 min, beginnt eine Spitze zu bilden, die besser als die Reaktion auf geht definiert wird. Diese Spitze ergibt sich aus LSPR Absorption und entspricht der Bildung von AuNPs und ihre Abscheidung auf dem Fe 2 O 3 Auflagefläche. Das magnetische Verhalten der Fe 2 O 3 -Au-Nanopartikel wird leicht durch Manipulation mit einem externen Magnetfeld beobachtet. Zunächst weist die Fe 2 O 3 -Au Lösung eine bräunliche Farbe (5B). Nachdem jedoch die Lösung in einem äußeren Magnetfeld platziert, wird die Lösung nach und nach klar über mehrere Minuten als die Summe der magnetischen Hybrid Nanopartikeln durch das Feld (5C) gesammelt wird. Die magnetische Sammlung ist reversibel, und die multifunktionale Nanopartikel kann durch Rühren der Lösung redispergiert werden, wie in den 5D und 5E gezeigt. 1 "> Photothermische Heizung Messungen sind in 6A gezeigt, die den Großtemperaturänderung in bestrahlte Lösung zeichnet, & Delta; T, als Funktion der Zeit für die Hybrid-Fe 2 O 3 -Au-Nanopartikel, AuNPs und reinem entionisiertem Wasser (DI H 2 O). Das Fe 2 O 3 -Au und Au-Nanopartikeln ein fast identisches Temperaturprofil aufweisen, mit Temperaturen von mehr als 40 ° C erhöht wird. Selbstverständlich ist die Plasmonen Absorption beider Nanopartikel-Typen sind in der Lage Licht in Wärme zu transduzieren sehr effizient, aber auch die Fe 2 O 3 -Au tun dies mit einem deutlich niedrigeren Konzentration von Au, wie oben beschrieben. auf der anderen Seite, die DI H 2 O Experiment zeigt, keine Veränderung in der Temperatur, die der Temperaturanstieg in der Nanopartikellösungen zeigt, dass allein ist aufgrund der Ableitung der absorbierten elektromagnetischen Energie in den Nanopartikeln. AT in 6A beschreibt den Groß Änderung Temperature und die Temperaturen in dem bestrahlten Bereich und in der Nähe der Nanopartikel-Oberflächen können viel höher sein. 13. Die Änderung in der Masse der Lösung, & Dgr; m, das von der Dampferzeugung entsteht, ist ein Indikator für diesen höheren Temperaturen. 6B & Dgr; m als Funktion der Zeit zeichnet für das Hybrid Fe 2 O 3 -Au Nanopartikeln und für DI H 2 O. & Delta; M für die Nanopartikellösung wesentlich größer ist als die Hintergrundverdampfungsrate, was darauf hinweist ausreichend hohe Oberflächentemperaturen Dampf mit einer signifikanten Rate zu erzeugen. Abbildung 1: Schematische Darstellung der Lasererwärmung Setup. Eine Küvette auf einem Mikrogramm Skala beleuchtet und durch einen Laserstrahl von oben platziert wird. Zwei IR-Thermoelemente messen die Temperatur der Küvetten und Umgebungs sind. Alle Messungen werden synchronisiert und in einem Daten collecti angemeldetauf Programm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 2. Repräsentative EDX-Spektrum des Hybrid Fe 2 O 3 -Au-Nanopartikel. Die Abszissenachse entspricht der Energie und die Ordinate entspricht der Anzahl von Zählungen. Peaks wurden mit dem entsprechenden Element markiert worden. Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 3. REM-Aufnahme des Hybrid Fe 2 O 3 -Au Nanopartikeln. Die larg äh, dunkleren Bereiche sind Fe 2 O 3 Teilchen, die mit kleiner heller Gold-Nanopartikeln dekoriert sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 4. Optische Eigenschaften. (A) UV-vis-Absorptionsspektren des Hybrid-Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel, die breite sichtbares Licht Absorption von Fe 2 O 3 und die Plasmonen Gipfel zu den Gold-Nanopartikeln in der Nähe von 530 nm zugeschrieben zeigt. (B) Die UV-vis-Absorptionsspektren der Reaktionslösung zu verschiedenen Zeitpunkten während der Reaktion, die LSPR Absorption zeigt von AuNP Bildung in der Lösung ergeben, und auf die Fe 2 O 3 -Nanopartikeln..com / files / ftp_upload / 53598 / 53598fig4large.jpg "target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 5. Magnetische Eigenschaften Fotografien von Au-Fe 2 O 3 Nanopartikel. (A) in einer wässrigen Lösung dispergiert ist; (B) magnetische Manipulation (Zeit = 0 s); (C) Magnetische Manipulation (Zeit = 2 min); (D) Magnet entfernt; (E) Au-Fe 2 O 3 Nanopartikel folgenden magnetischen Manipulation zeigt, dass sie leicht in der wässrigen Lösung redispergiert werden können. Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen. <img alt="Abbildung 6" src="/files/ftp_upload/53598/53598fig6.jpg" /> Abbildung 6. Photothermische Experimente. Stücke, welche die (A) Änderung der Lösungstemperatur, AT, und (B) Massenverlust, Dm, als Funktion der Zeit. Die Nanopartikel (schwarze und rote Kurven) erzeugen beträchtliche AT und Dm-Werte unter Laserbeleuchtung, die deutlich größer sind als die auftretenden reinen DI H 2 O unter identischen Bedingungen (blaue Kurve). Sind Bitte klicken Sie hier eine größere Version dieser Figur zu sehen .

Discussion

Die Verwendung von optisch abstimmbaren Goldnanopartikel für Hyperthermie Studien ist eine attraktive Option, da es auf plasmonischer Erhitzen von Goldnanopartikeln tiert abgestimmt Licht zu absorbieren stark im VIS-NIR-Bereich. Eigenschaften der Plasmonen Heizung Studien hier beschrieben wurden unter Verwendung vorbereitet Labor untersucht und Eisenoxid-Gold-Hybrid-Nanomaterialien im Handel erhältlich. Eines der am häufigsten verwendeten Methoden zur kolloidalen Goldpartikel nanosphärische Herstellung umfaßt die Reduktion von Chlorgoldsäure (HAuCl 4) in Neutralstellung Gold Au (0) durch Reduktionsmittel, wie Natriumcitrat, Natriumborhydrid etc. 15,16 Die Synthese von die Gold-Nanopartikel auf Eisenoxid-Nanopartikel ist unkompliziert. Man könnte leicht die Au-Metall Größe steuern, Form und Belastung durch experimentelle Parameter zu ändern, beispielsweise Reaktionspartner Konzentrationen, Reduktionsmittel, Tenside, usw. 17. Dieser Ansatz liefert eine gute Kontrolle über Au nanoparticle Abmessungen und einheitliche Nanopartikel Verladung auf Fe 2 O 3. Andere Edelmetalle können auch durch dieses Verfahren, einschließlich Ag, Pt und Pd. 18 Ein deutlicher Vorteil dieses Verfahrens hergestellt werden, ist, dass die Reaktionsführung in Luft oder Wasser durchgeführt werden kann, und im Prinzip ist zugänglich Scaling-up. Mit kommerziellen Nanomaterialien und / oder skalierbaren-nasschemischen Verfahren ist ideal für großflächige Behandlung Anwendungen oder biologische Anwendungen, da diese Materialien leicht verfügbar und kostengünstiger als individuelle synthetisierten Materialien und Verfahren sind. Oberflächenmodifikationen dieser metallischen Nanostrukturen sind ebenfalls von Interesse in der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Eine Reihe von organischen (Tenside, bifunktionale Thiole Polymeren, Aminosäuren, Proteine, DNA) und anorganische Stoffe (Silica, andere Metalle, Metalloxide, etc.) 19 kann weiter auf diesen Oberflächen geladen oder funktionalisiert werden Nanokompositmaterialien mit verschiedenen zu erstellen Designs, Geometrien,Kompositionen und multifunktionalen Fähigkeiten, für die biologische Targeting, Wirkstofftransport, Sensorik, Bildverarbeitung, umwelttechnische Anwendungen, usw.

Zusätzlich hier beschriebene photothermische Technik ist gut geeignet, um die Plasmonen Eigenschaften verschiedener Materialien zu charakterisieren, als Massetemperatur und Massemessungen relativ leicht unter Verwendung von leicht verfügbaren Geräten durchzuführen. Die einfache Probenvorbereitung und Messung ist ein deutlicher Vorteil gegenüber anderen plasmonischer Techniken / Anwendungen. Beispielsweise Techniken wie oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie und LSPR Erfassungs sind sehr empfindlich gegenüber der Herstellung von sowohl dem Substrat und dem Target, 20,21, die über Proben schwieriger Wiederholbarkeit und Vergleich macht. Ein möglicher Nachteil der photothermischen Messungen oben beschrieben ist die Temperatur, auf der Mengenwaage gemessen wird und nicht auf der Oberfläche des Nanopartikels, wo die Wärme transduziert wird. Thermo Es gibtmetry Techniken, die diese lokale Temperaturinformationen zur Verfügung stellen kann, 22-24, aber diese erfordern kompliziertere Probenvorbereitung, so dass sie schwieriger zu implementieren. Schließlich sind die hier beschriebenen Messungen leicht mit anderen Techniken kombiniert werden können (beispielsweise photokatalytischen Abbau) 9 bis photothermische Wirkungen auf verschiedene Prozesse zu bewerten.

Zusammenfassend haben wir über die Synthese von Hybrid beschrieben Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel Lösungen und deren photothermischen Charakterisierung. Selbst bei einem 20 × kleineren Konzentration von Au, diese Fe 2 O 3 -Au-Nanopartikel können Wärme wässrigen Lösungen so effizient wie AuNPs, demonstrieren die Vorteile der Hybridmaterialien photothermisch. Darüber hinaus behalten die Hybridstrukturen die Eigenschaften der beiden Materialien, ein multifunktionales Struktur mit magnetischen und plasmonischer Eigenschaften zu schaffen. Solche Strukturen sind für biomedizinische Anwendungen interessant,8, aber viele zusätzliche Anwendungen sind denkbar.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die finanzielle Unterstützung dieser Arbeit wurde vom Department of Energy DOE- Laboratory Directed Research & Development (LDRD) Strategic Initiative Programm zur Verfügung gestellt. Wir danken Herrn Henry Sessions, und Herr Charles Shick für ihre Zeit und Know-how die uns mit unseren Experimenten zu unterstützen.

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
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References

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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).
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