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

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

Fe ההיברידי משולב<sub> 2</sub> O<sub> 3</sub> חלקיקי -Au עבור חימום יעיל Plasmonic

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

אחת השיטות המקובלות ביותר לייצור חלקיקים nanospherical זהב colloidal כרוכה הפחתה של חומצה chloroauric (HAuCl 4) לזהב נייטרלי Au (0) על ידי צמצום סוכנים, כגון נתרן ציטרט או borohydride נתרן. ההארכה בשיטה זו כדי לקשט תחמוצת ברזל או חלקיקים דומים עם חלקיקי זהב כדי ליצור כלאיים רב תכליתיים Fe 2 O 3 -Au חלקיקים הם פשוטים. גישה זו מניבה שליטה טובה למדי על ממדי nanoparticle Au וטעה על Fe 2 O 3. בנוסף, בגודל מתכת Au, צורה, והטעינה יכולים בקלות להיות מכוונים על ידי שינוי פרמטרים של ניסוי (למשל, ריכוזי מגיב, סוכני הפחתה, פעיל שטח, וכו '). היתרון של שיטה זו הוא בכך התגובה יכולה להיעשות אוויר או מים, וכן, באופן עקרוני, ניתנת בגמלון. השימוש מתכונן אופטי כגון חלקיקי Fe 2 O 3 -Au עבור hypertherמיה המחקרים היא אופציה אטרקטיבית כפי שהוא מנצל חימום plasmonic של חלקיקי זהב מכוון לקלוט אור חזק באזור VIS-NIR. בנוסף להשפעות plasmonic שלה, ננו Au מספק משטח ייחודי עבור כימיות וקטליזה מעניינים. חומר Fe 2 O 3 מספק פונקציונלי נוסף בגלל תכונה המגנטית שלו. לדוגמה, שדה מגנטי חיצוני יכול לשמש כדי לאסוף ולמחזר היברידית Fe 2 O 3 -Au חלקיקים לאחר ניסוי קטליטי, או לחילופין, ניתן להשתמש מגנטי Fe 2 O 3 ללימודי היפרתרמיה באמצעות אינדוקציה מגנטית. ניסוי photothermal המתוארים בדוח זה מודד שינוי טמפרטורה בתפזורת ואובדן מסת פתרון nanoparticle כפונקציה של הזמן באמצעות צמדים אינפרא אדום איזון, בהתאמה. ההקלות של הכנת מדגם השימוש בציוד זמין יתרונות ברורים של טכניקה זו. הערת אזהרה היא הב מדידות photothermal אלה להעריך את הטמפרטורה פתרון בתפזורת ולא את פני השטח של ננו-חלקיקים שבהם החום transduced והטמפרטורה עשויה להיות גבוהה יותר.

Introduction

החל השימוש בהם זכוכית dichroic העתיקה, 1 חלקיקי זהב (AuNPs) לעתים קרובות תרמו את הפיתוח של טכנולוגיות חדשות. 2,3 דוגמאות מודרניות יותר של טכנולוגיות אלה כוללים התקני וחלקיקים הסוואה ששני יכול לזהות ולטפל בסרטן. 4,5 יש AuNPs רבים מאפיינים מדהימים, אבל הבולט ביותר בקרב אלה הוא נוכחותם של תהודות plasmon המשטח מקומיים (LSPRs), אשר מתרחשים אלקטרונים כאשר האירוע אלקטרומגנטית קרינה עמוקה ומהדהד כוננים חופשיים לתוך תנודות קולקטיביות, יצירת שדות אינטנסיביים מאוד מוגבלים אלקטרומגנטית. 6 היבט מסקרן של LSPRs הוא שהם מתכוננים. כלומר, האנרגיה תהודה יכול להיות מותאם על ידי שינוי הצורה והגודל של AuNPs או על ידי שינוי מקדם השבירה של הסביבה הסביבה. מאפיין אחר של AuNPs, וזהב בכלל, הוא כי הם יחסית יקרים. אמנם זה אולי להפוך זהב אטרקטיבי יותר ממבחינת יוקרה, עבור יישומים טכנולוגיים, זהו חסרון ויכולה להיות מכשול לשימוש כללי. שני פתרונות אפשריים לבעיה זו מחפשים חומרים חלופיים פחות יקרים כי תערוכת תכונות דומות לאלו של זהב, או למצוא דרך לשלב זהב עם חומר אחר כדי ליצור חומר מרוכב עם תכונות דומות אבל כמויות קטנות יותר של המתכת יקרה. הפתרון האחרון הוא אולי יותר מעניין שכן הוא מאפשר את האפשרות של יצירת ננו-מבנה היברידי רב תכליתי עם מאפייני physicochemical של שתיים או יותר חומרים. 7

ברזל (III) אוקסיד, Fe 2 O 3, היא מועמדת מצוינת עבור רכיב אחד של תערובת כזאת כי זה זמין נרחב, זול, ולא רעיל. יתר על כן, בשלב מגהמיט, γ-Fe 2 O 3, הוא ferrimagnetic, ואת השלב המטיט, α-Fe 2 O 3, הוא חלש פרומגנטי. לכן, שילוב שלזהב עם Fe 2 O 3 פוטנציאלי יכול להניב חלקיקים כי תערוכת תכונות plasmonic וגם אינטראקציה עם שדות מגנטיים חיצוניים, עדיין באופן משמעותי פחות יקר מאשר זהב טהור. כזה ננו-מבנה היברידי יכול למצוא יישומים בעולם האמיתי מעניין. לדוגמה, Fe 2 O 3 חלקיקים -Au הוכיחו שימושי הן לאבחון סרטן ולטיפול דרך תהודה מגנטית וטיפול photothermal. 8 במקרה זה, Fe 2 O 3 פונקציות כסוכן ניגוד MRI, ואילו החלק Au מקומית ממירה האירוע אור לחום באמצעות פיזור של אנרגיה אלקטרומגנטית נספג במהלך LSPR. בנוסף, Fe 2 O 3 חלקיקים -Au הוכיחו שיפור plasmonic ההמרה קטליטי של CO ל- CO 2 תחת תאורה האור הנראה, ומבנים כזה גם יוכל לשמש עבור המרת אנרגיית השמש photothermal. 9,10

תידו"ח של מתאר את הסינתזה של Fe 2 O 3 -Au חלקיקים בשיטה כימית רטובה פשוטה. המבנה ההיברידי מורכב גרעין Fe 2 O 3 מעוטר AuNPs הקטן. חשוב לציין כי השיג Fe 2 O 3 -Au חלקיקים לשמור הן תכונות מגנטיות plasmonic של החומרים המרכיבים אותה, היוצרת חלקיקים רב תכליתיים כי יכול להיות שימושי עבור מגוון רחב של יישומים. על מנת להמחיש את יישומי plasmonic של חלקיקים ההיברידיים אלה, אפיון photothermal של החלקיקים באמצעות מערכת חימום ליזר מתואר גם. מדידות photothermal להוכיח כי ההיברידי Fe 2 O 3 חלקיקי -Au מסוגלים לחמם תמיסות מימיות בצורה יעילה ככל AuNPs הטהור, אפילו עם ריכוז קטן יותר באופן משמעותי של המתכת אצילה. תוצאות אלו לאמת את השיטה של ​​שימוש בחומרים מרוכבים או ההיברידי לצמצם בעלויות ולהשיג functionalit יותרy.

Protocol

1. פרוטוקול סינתזת ננו כן פתרון מניות של Fe 2 O 3 של 25 מ"מ. הערה: כל פתרונות מניות מוכנות באמצעות מים ללא יונים אלא אם נאמר אחרת. קחו בקבוק חרוטי 25 מ"ל. הוסף 10 מ"ל deionized (DI) מים ומערבבים בר, ומניחים אותו על בלוק חימום. הוספת 100 μl של Fe 2 O 3 פתרון המניות (25 מ"מ) כדי הבקבוק הזה. מחמם את הפתרון תוך ערבוב כ -5 דקות. הכן 10 מ"ל נתרן ציטרט 1% על ידי המסת 0.1 גרם של נתרן ציטרט ל 10 מ"ל מים. הוסף 1 מ"ל של הפתרון נתרן ציטרט 1% אל הבקבוק 25 מ"ל המכיל את בתמיסה מימית Fe 2 O 3. תביא הפתרון לרתיחה (100 מעלות צלזיוס). הוסף 250 μl של חומצה 0.01 M chloroauric. המשך חימום הפתרון ב 100 מעלות צלזיוס למשך 10 דקות. לאחר מספר דקות (2-3 דקות), הפתרון הופך אינדיקה אדום / חוםטינג כי חלקיקי Au שיופקו. הסר את הפתרון מגוש החימום ולאפשר לו להתקרר ב RT (כ -20 ° C) (1-2 שעות). לטהר את הדגימות על ידי צנטריפוגה במשך 7 דקות ב 4,700 גרם ×. הסר את supernatant מן דגימות centrifuged. Re-לפזר את חלקיקי centrifuged במים DI, עד 10 מ"ל. 2. אפיון חלקיקים אפיון SEM / EDX: מניחים 1-2 μl של חלקיקים centrifuged על רשת נחושת ולאפשר לו להתייבש במשך שעה 1. מניחים מדגם במיכל נקי ולקחת אותו אל SEM / EDX לאפיון. 11,12 אפיון UV-Vis: הפעל את UV-Vis ולאפשר לו להתחמם במשך 10-15 דקות. קלט ספקטרום מים די התייחסות. מקום 1 מיליליטר של התמיסה המימית של ננו-החלקיקים בתוך קובט methacrylateולהקליט את UV-Vis הספקטרום מעל λ אורכי גל = 300 – 1,000 ננומטר. הימנע הרוויה של האות על ידי שמירה על ספיגת מקסימלית פחותה מ ~ 1.2. אם את הספיגה ביותר שנמדד גדול, להפחית את גובה השיא על ידי דילול המדגם או באמצעות קובט אורך דרך קצרה. הערה: להקת plasmon Surface של Au (λ ≈ 525 ננומטר) יש לשים לב בקלות. מניפולציה מגנטית מניח 3 מיליליטר של דגימות האדומות / חום מהימית של ננו המגנטי / plasmonic ב cuvettes methacrylate. מקום מגנט לרכוש מסחרי (~ 100 גאוס) בקרבת מקומו של קובט. הערה: בתוך דקות, כל החלקיקים המגנטיים / plasmonic הם "מחוברים" אל צד קובט methacrylate שם הונחו המגנט. פתרון החליף חום צבע המציין כי החלקיקים שומרים על תכונותיהם המגנטיות שלהם גם לאחר Au הופקד על Fe 2 </sub> O 3 משטח. מצמידים אינדוקטיבי פלזמה ספקטרומטריית מסה (ICP-MS) ניתוח. 13 השתמש בדגימות מימיות של פתרונות ננו-חלקיקים בניתוח זה. תקציר מטוהר דגימות nanoparticle חומצה חנקתית להפוך אותם לטופס יוני לפני ניסויי ניתוח מסה על ידי העברה כל דגימות צינורות עם נפח הסופי של 10 מיליליטר של 2% חומצה חנקתית. אפשר 30 דקות לעיכול להתקיים. צור עקומת כיול עם ריכוזים ידועים של analytes של עניין (למשל, Au, Fe). דגימות ספייק עם פתרון פנימי סטנדרטי המכיל 10 ppb Rh ו ב ולנתח במצב וכמותיות של ICP-MS פי הוראות היצרן. טכניקה זו כרוכה בניתוח תקן רב אלמנט עקיבות NIST (10 ppb פנימה 100 ppb Li, Mn, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, ו- U). השוואת העוצמות שנקבעו בתקן עם intensities עבור דוגמאות אחרות להניב ריכוזי המשוער לאלמנטים נבחרים. כדי להסביר את נסחפת פלזמה מכשיר, כל הדגימות צריך מינימום של ריכוז 10 ppb עבור באותו התווסף כל הדגימות. קביעת ריכוז יסודות של analytes של אינטרסים עבור הפתרונים המוכנים ידי ביצוע השלבים הבאים: בצעו מדגם אימות כיול לראשונה של התקן רב אלמנט (10 ppb ב ו -75 ppb Li, Mg, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, ו- U). בצע ריק כיול ראשוני של מים ללא יונים. ביצוע ניתוח ICP-MS על שני מדגם של עניין. המשך ביצוע מדגם אימות כיול (10 ppb ב ו -75 ppb Li, Mg, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, ו- U) של התקן רב אלמנט. המשך כיול ריק של מים ללא יונים. הערה: על פי מפרטי ספק, את מידות ICP-MS יש ודאות של 20%. העבודה במעבדה nanomaterial בוצעה תחת afמכסה מנוע ume. PPE (חלוק מעבדה, סינר, כפפות ניטריל mil דקות למגע מקרי, ומשקפים) ואת מגן הפנים אמורה לשמש אם אבנט מכסה מנוע הוא מעל פני סנטר. מינימום PPE נדרש כאשר עובדים עם חומרים ננומטריים; חלוק מעבדה חד פעמי, כפפות ניטריל mil דקות משקפי קשר ובטיחות מקריים עם מגינים בצד תהיינה משוחקות במעבדה בעת טיפול ננו. פסולת נושאות nanomaterial לא תהיה להכניס אשפה רגילה או ירדו לטמיון. 3. ניסוי חימום לייזר הפעל את אספקת החשמל לייזר ואיזון. הערה: אורך גל לייזר השתמשו בניסוי הזה (λ = 532 ננומטר) נבחר כדי להתאים את שיא ספיגת LSPR ככל האפשר. עם זאת, השפעות photothermal יכולות להיגרם באורכי גל שונים שחופף את הספיגה של החלקיקים. יעילות החימום הוא רק יותר כאשר מואר על תהודה. מקם את חלונות איזון ולכן הם דo לא לחסום את נתיב לייזר או לחסום את צמדים אינפרא אדום (IR). צמדי IR הם בדיקות טמפרטורה ללא מגע, חייבים להיות קו ראייה ישיר אל מדידת שטח. איור 1 מציג סכמה של הגדרת ניסוי. הסר את כיסויי המגן מן צמדי IR. פתח את תוכנת איסוף נתונים ולהפעיל בהזכירה את המדידה, "חימום". תכנית התוכנה המותאמת אישית אוספת את ערכי איזון התנגדות תרמי כפונקציה של זמן, וכאשר התכנית פועלת הם רושם ערכים אלה לתוך קובץ נתונים. הפעל את המדידה לפחות 20 דקות כדי לאפשר למערכת כדי להתחמם. כאשר המערכת מתחממת, להכין את המדגם על ידי pipetting את הכמות המתאימה (3 מ"ל) של הפתרון הרצוי לתוך קובט methacrylate. הסכומים כאן הם השתמשו 3 מ"ל של תמיסת עבור cuvettes רגיל, 1 מ"ל cuvettes למחצה מיקרו. התאם את עוצמת הלייזר אל מרצפות הנמוך ביותרing שמייצר קרן גלוי בקושי, המהווה 1.5 עבור מערכת הלייזר משמש כאן. בדוק כדי לוודא כי מקום קרן הליזר אינו חסום ונשאר בנקודת המוקד של תרמי IR. מניחים את המדגם על הזרוע איזון כזה שהצד של קובט הוא בניצב הקורה המדידה IR של תרמי ואת המקום קרן הלייזר פוגעת במרכז הפתרון. מנמיכים את כוח לייזר עד הקורה כבר אינו נראה לעין, אך לא לכבות את אספקת החשמל. לאחר 20 דקות החימום הושלם. לעצור את תוכנית המדידה יציאה של התוכנה. Re-אפס האיזון. פתח את תוכנת איסוף נתונים, לחץ על הפעלה, ולאחר מכן ליצור שם עבור קובץ נתונים. הניסוי יפעל לאחר שיום את הקובץ ולחיצה על "שמור". שגרת הניסיון מדויקת תלויה את המידע מבוקש, אך שגרת מודל מסופקת כאן. הפעל את איסוף הנתונים. אחרי 120 שניות, להפוך את laser הכוח ההגדרה הרצויה (1.2 W לניסויים אלה, אשר כאשר ממוקד לתוך ~ 20 מיקרומטר נקודה ונקודה כזו תואם עם ~ 3.8 × 10 5 W / 2 ס"מ). איסוף נתונים עבור עוד 1,000 שניות, ולאחר מכן להתאים כוח לייזר להגדרה מינימום ולכבות אספקת החשמל לייזר. ממשיך לאסוף נתונים עבור עוד 1,000 שניות לפני הפסקת המדידה. לאחר שגרת ניסיוני תושלם, יציאה של התוכנית, לכבות כל נורה, מחדש כיסוי כל הציוד. שמור את נתוני הניסוי בפורמט ASCII ותהליך נוסף ולנתח שימוש בתוכנות נוספות.

Representative Results

הרכב חומר הוא שיקול חשוב עבור חומרים היברידיים. ניתוח נפיץ רנטגן אנרגיה (EDX) ו אינדוקטיבי ספקטרומטריית מסת הפלזמה המצמידה (ICP-MS) יכולים לספק מידע זה. ניתוח EDX מספק נתונים וכמותיות (איור 2) תוך ICP-MS מספקת מידע מדוייק, מידע כמותי לגבי אלמנטים של עניין. הוא מצא כי החלקיקים ההיברידיים Fe 2 O 3 -Au יש פה ו- Au ריכוזי ρFe = 150 ppb ו ρAu = 49 ppb. לשם השוואה, חלקיקי Au טהורים, אשר משמשים כביקורת לחימום photothermal, יש הרבה ריכוזי Au גבוהים של ρAu = 1,100 ppb. ניתוח SEM חושף את המורפולוגיה של חלקיקי Fe 2 O 3 -Au (איור 3), מראה אגרגטים של חלקיקים מעוגלים, לא סדירים המופיעים פונקציונלי עם קטן, בהיר,מעוגל חלקיקים. החלקיקים הגדולים מזוהים Fe 2 O 3, ואילו הקטנים, החלקיקים בהירים מזוהים Au. סוג של מורפולוגיה זה הוא המכונה לעתים קרובות כמו חלקיקים "מעוצבים". 14 במקרה זה, את פני השטח של החלקיקים מהשען, Fe 2 O 3, מעוטר קטן, חלקיקי Au מבודדים. ניתוח סטטיסטי של חלקיקים מגלה כי Fe 2 O 3 יש חלקיקים בקוטר ממוצע של d = 40 ± 10 ננומטר. חלקיקי Au functionalizing יש מגוון רחב יותר של גדלים, עם d = 20 ± 20 ננומטר. Dynamic Light פיזור (DLS) מדידות יכולות לכמת את התנהגות הצבירה, והוא נמצא כי היברידי Fe 2 O 3 חלקיקים -Au יש רדיוס הידרודינמית ממוצע של DH = 243 ננומטר עם פחי אוכלוסיית DH = 61 ננומטר (13%) ו DH = 310 ננומטר (87%). בנוסף, פוטנציאל זטה נמצא ζ = -16 mV, אשר עשוי לעזור כדי להגביל אתהתנהגות צבירה. ספקטרום UV-VIS-NIR של היברידי Fe 2 O 3 חלקיקי -Au מוצג באיור 4 א. פסגה ספיגה מובהקת הוא ציין ננומטר אורך גל λ ≈ 520, ומיוחס במצב LSPR של חלקיקי Au functionalizing הא"ז 2 O 3. אורך הגל של LSPR עולה בקנה אחד עם ערכי ספרות עבור AuNPs עם מורפולוגיות דומות. 11,12 התנהגות plasmonic של מבנים ההיברידיים הם עקב היווצרות AuNP על תומך Fe 2 O 3. זה ניתן לצפות ישירות על ידי in-situ ספקטרוסקופיה UV-VIS. איור 4B מראה את UV-VIS ספיגת ספקטרום של הפתרון מגיב בזמנים שונים במהלך התגובה. בתחילה, יש כמה ספיגת האור הנראה קלה המיוחס החלקיקים Fe 2 O 3 התפזרו הפתרון. ככל שמתקדם התגובה, abso עליות rbance, ו ב 1.5 דקות, שיא מתחילה להיווצר, אשר מוגדר על טוב כמו התגובה ממשיך. תוצאות השיא זה מן ספיגת LSPR ומתאימה עם הקמתה של AuNPs בתצהיר שלהם על פני שטח תמיכת Fe 2 O 3. התנהגות המגנטי של חלקיקים Fe 2 O 3 -Au הוא ציין בקלות באמצעות מניפולציה עם שדה מגנטי חיצוני. בתחילה, פתרון Fe 2 O 3 -Au יש צבע חום (איור 5). עם זאת, לאחר הצבת פתרון שדה המגנטי החיצוני, הפתרון בהדרגה הופך ברור על פני כמה דקות כמו המכלול של החלקיקים ההיברידיים המגנטיים נאסף על ידי השדה (איור 5 ג). האוסף המגנטי הוא הפיך, ואת החלקיקים הרבים התכליתיים ניתנים מחדש פוזרו על ידי התססת הפתרון, כפי שמוצג 5D דמויות 5E. 1 "> מדידות חימום photothermal מוצגות באיור 6A, אשר מגרש את השינוי בטמפרטורה בתפזורת בתמיסה מוקרנת, ΔT, כפונקציה של זמן עבור היברידית Fe 2 O 3 חלקיקי -Au, AuNPs, ומי deionized טהורים (DI H 2 O). הא"ז 2 O 3 חלקיקי -Au ו- Au תערוכת פרופיל טמפרטורה כמעט זהה, עם טמפרטורות הגדלה ידי יותר מ -40 מעלות צלזיוס. אין ספק כי absorbances plasmonic של שני חלקיקי סוגים מסוגלים transduce אור לחום ביעילות רבה, אבל הא"ז 2 O 3 -Au לעשות זאת עם ריכוז נמוך יותר באופן משמעותי של Au, כפי שפורט לעיל. מצד שני, הניסוי DI H 2 O מראה שום שינוי בטמפרטורה, אשר מוכיח כי עליית הטמפרטורה ב פתרונות nanoparticle היא אך ורק בשל הפיזור של אנרגיה אלקטרומגנטית שקוע החלקיקים. ΔT באיור 6A מתאר את השינוי בכמות הגדולה הטמפרטורהדואר, וטמפרטורות באזור המוקרן וליד משטחי ננו-החלקיק יכולים להיות גבוה בהרבה. 13 שינוי המסה של הפתרון, Δm, העולה מן דור קיטור הוא רק סימן אחד של טמפרטורות גבוהות אלה. איור 6 מגרשי Δm לעומת זמן עבור ההיברידי Fe 2 O 3 חלקיקים -Au ועבור DI H 2 O. Δm לפתרון ננו-חלקיקים גדול הרבה יותר משיעור אידוי רקע, המציין בטמפרטורות משטח גבוה מספיק כדי לייצר קיטור בשיעור ניכר. איור 1. סכמטי של ההתקנה חימום לייזר. קובט מושם בסולם מיקרוגרם ושטופי קרן לייזר מלמעלה. שני IR צמדים למדוד את הטמפרטורה של קובט הסביבה, בהתאמה. כל המדידות מסונכרנים ומחובר בתוך collecti נתוניםעל התוכנית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. נציג איור 2. ספקטרום EDX של היברידי Fe 2 O 3 חלקיקי -Au. ציר abscissa מתכתב עם האנרגיה ואת הציר לתאם מתאים למספר של ספירות. פיקס סומן בתווית עם האלמנט המקביל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 3. תמונת SEM של היברידי Fe 2 O 3 -Au חלקיקים. Larg אה, אזורים כהים הם Fe 2 O 3 חלקיקים, אשר מעוטרים עם חלקיקי Au הבהיר קטנה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 4. תכונות אופטיות. (א) UV-VIS ספיגת ספקטרום של היברידית Fe 2 O 3 -Au חלקיקים, מראה את ספיגת האור הנראה רחב של Fe 2 O 3 ופסגת plasmonic המיוחס חלקיקים Au ליד 530 ננומטר. (ב) UV-VIS ספיגת ספקטרום של הפתרון מגיב בזמנים שונים במהלך התגובה, מראה את ספיגת LSPR הנובעים היווצרות AuNP בפתרון ועל חלקיקים Fe 2 O 3..com / קבצים / ftp_upload / 53,598 / 53598fig4large.jpg "target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. איור 5. תכונות מגנטיות תצלומים של Au-Fe 2 O 3 חלקיקים.; (א) מפוזר בתמיסה מימית; (ב) מניפולציה מגנטית (זמן = 0 שניות); (C) מניפולציה מגנטית (זמן = 2 דקות); (ד) מגנט הוסר; (E) Au-Fe 2 O 3 חלקיקים הבאים מניפולציה מגנטית, מראה כי הם יכולים להיות מחדש פיזור בקלות בתמיסה מימית. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו. <img alt="איור 6" src="/files/ftp_upload/53598/53598fig6.jpg" /> איור 6. ניסויי photothermal. מגרשים מראים את השינוי (א) בטמפרטורת פתרון, ΔT, ו- (ב) אובדן מסה, Δm, כפונקציה של הזמן. תחת תאורת ליזר, החלקיקים (שחור עקומות אדומות) ליצור ΔT למדי וערכי Δm שגודלם משמעותי מאלו המתרחשים עבור H DI הטהור 2 O בתנאים זהה (עקומה כחולה). נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו .

Discussion

השימוש בננו-חלקיקי זהב מתכונן אופטית ללימודי היפרתרמיה היא אופציה אטרקטיבית כפי שהוא מנצל חימום plasmonic של חלקיקי זהב מכוון לקלוט אור חזק באזור VIS-NIR. מחקרי חימום plasmonic המתואר כאן נבחנו באמצעות הכין מעבדה זמינה מסחרית ננו היברידית ברזל תחמוצת-זהב. אחת השיטות המקובלות ביותר לייצור חלקיקים nanospherical זהב colloidal כרוכה הפחתה של חומצה chloroauric (HAuCl 4) לזהב נייטרלי Au (0) על ידי סוכנים הפחתת, כגון נתרן ציטרט, borohydride נתרן, וכו '15,16 הסינתזה של חלקיקי הזהב על חלקיקי תחמוצת ברזל היא פשוטה. אפשר בקלות לשלוט על גודל מתכת Au, צורה, וטעו ידי שינוי פרמטרים של ניסוי, למשל, ריכוזי מגיבים, סוכני הפחתה, פעילות שטח, וכו '17 גישה זו מניב שליטה טובה על Au nanoparticlממדי דואר וטעינת ננו-חלקיקים אחידים על Fe 2 O 3. מתכות אצילות אחרות יכולות גם להיות מוכנה על ידי הליך זה, לרבות Ag, Pt, ו PD. 18 יתרון בולט של ההליך זה הוא כי נוהל התגובה יכול להיעשות אוויר או מים, וכן, באופן עקרוני, ניתן בגמלון. באמצעות ננו מסחרי ו / או נהלים כימיים מדרגים-רטובים הוא אידיאלי עבור יישומי טיפול בקנה המידה גדול או יישומים ביולוגיים כי חומרים אלה זמינים וחסכוניים יותר מאשר חומרים מסונתזים מותאם אישית ונהלים. שינויים משטח של ננו מתכתיים אלה הם גם עניין בקהילה המדעית. מספר אורגני (חומרים פעילי שטח, thiols bifunctional, פולימרים, חומצות אמינו, חלבונים, DNA) וחומרים אורגניים (סיליקה, מתכות אחרות, תחמוצות מתכת, וכו ') 19 ניתן לטעון נוסף או פונקציונליות גבי משטחים אלה כדי ליצור חומרים nanocomposite עם שונים עיצובים, גיאומטריות,קומפוזיציות ויכולות רב תכליתיות עבור מיקוד ביולוגי, אספקת סמים, חישה, הדמיה, יישומים סביבתיים, וכו '

בנוסף, טכניקת photothermal המתואר כאן הוא מתאים היטב לאפיין את תכונות plasmonic של חומרים שונים, כמו טמפרטורה בתפזורת מדידות מסה קלות יחסית לביצוע באמצעות ציוד זמין. ההקלות של הכנת מדגם ומדידה הן יתרון מובהק על פני שיטות / יישומים plasmonic אחרים. לדוגמא, טכניקות כגון ספקטרוסקופיית ראמאן משופרת שטח LSPR חישה רגישות מאוד בהכנה הוא המצע לבין היעד, 20,21 מה שהופך דירות והשוואה ברחבי דגימות מאתגרות יותר. חסרון אפשרי אחת מדידות photothermal שתוארו לעיל הוא כי טמפרטורה נמדדים על סולם בתפזורת ולא על פני שטח של ננו-החלקיקים שבם החום transduced. ישנם התרמומטריית טכניקות שיכול לספק מידע הטמפרטורה מקומית זו, 22-24 אבל אלה דורשים הכנת מדגם מסובך יותר, מה שהופך אותם יותר מאתגר ליישם. לבסוף, את המידות המתוארות כאן יכול בקלות להיות משולב עם טכניקות אחרות (למשל, שפלת photocatalytic) 9 להעריך שפעות photothermal על תהליכים שונים.

לסיכום, תארתי את הסינתזה של היברידי Fe 2 O 3 -Au חלקיקי פתרונות ואפיון photothermal שלהם. אפילו עם 20 × ריכוז קטן של Au, אלה Fe 2 O 3 חלקיקים -Au מסוגלים photothermally תמיסות מימיות חום בצורה יעילה ככל AuNPs, הממחיש את היתרונות של חומרים היברידיים. יתר על כן, המבנים ההיברידיים לשמר את המאפיינים של שני החומרים, יצירת מבנה רבה תכליתית עם תכונות מגנטיות plasmonic. מבנים כאלה הם מעניינים עבור יישומים ביו,יכול להיות שחזה 8 אבל יש שימושים רבים נוספים.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

התמיכה הכספית של עבודה זו סופק על ידי משרד האנרגיה DOE- מעבדה בימוי מחקר ופיתוח (LDRD) תוכנית יוזמה אסטרטגית. אנו מודים למר הנרי הפעלות, ומר צ'ארלס שיק למתן הזמן והניסיון שלהם כדי לסייע לנו עם הניסויים שלנו.

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