多功能杂化 Fe₂O₃-Au 纳米颗粒用于高效等离激元加热

本研究的总体目标是探究通过湿化学方法制备的一类新型多功能氧化铁-金纳米颗粒的特性，并展示其如何通过等离子体效应高效地将光转化为热。降低工业应用中贵金属纳米颗粒相关成本的一种方法是开发更廉价的替代品，使其在成本仅为原有材料一小部分的同时，具备相同的性能。例如，氧化铁-金纳米颗粒在光热加热水溶液方面的效率可与纯金纳米颗粒相当，同时保留后者原有的特性。

由于其低成本和独特的性质，我们的纳米颗粒可应用于AnaLight光热调控、生物医学成像与传感、分析处理以及磁感应等领域。开始此实验前，需在去离子水中配制浓度为25毫摩尔的氧化铁储备液。向一个25毫升锥形瓶中加入10毫升去离子水和一个搅拌子。

将烧瓶置于加热块上后，加入100 µL氧化铁储备溶液，并在搅拌条件下加热混合物约五分钟。接着，通过将0.1 g柠檬酸钠溶解于10 mL水中，配制10 mL的1%柠檬酸钠溶液。取1 mL该1%柠檬酸钠溶液加入含有氧化铁溶液的烧瓶中。

将溶液加热至 100 摄氏度后，向烧瓶中加入 250 µL 的 0.01 M 氯金酸溶液。继续在 100 摄氏度下加热 10 分钟。随后，将溶液从加热模块上取下，静置 1 至 2 小时，使其冷却至室温。

随后，将样品在 4,700 × g 条件下离心 7 分钟以进行纯化。离心结束后，移除样品中的上清液。然后，将纳米颗粒重新分散于最多 1 毫升的去离子水中。

为了表征纳米颗粒，将三毫升红棕色水溶液置于甲基丙烯酸酯比色皿中。将一块市售磁铁靠近比色皿。此时，打开激光电源并进行平衡。

调整天平窗口的位置，确保其不会阻碍激光光路或遮挡红外热电偶。移除红外热电偶的保护盖后，打开数据采集软件程序，点击“运行”，并为此次测量命名，例如“预热”。系统预热的同时，在通风橱内用移液器将适量的目标溶液加入甲基丙烯酸酯比色皿中。调节激光功率至能够产生微弱可见光束的最低设置。

检查确保激光光斑无遮挡，并保持在红外热电偶的焦点位置。随后，将样品放置在天平臂上，使比色皿的一侧与热电偶的红外测量光束垂直，且激光光斑照射到溶液中心。降低激光功率，直至光束不可见为止。

完成预热后，停止测量程序并退出软件。重新校准天平并打开数据采集软件程序后，点击“运行”，并为数据文件创建一个名称。通过点击“保存”开始数据采集。

在采集数据120秒后，将激光功率调至所需设定值。再持续采集1000秒数据后，将激光功率调至最低设定并关闭激光电源。实验完成后，退出程序。

关闭所有设备并回收全部仪器后，将实验数据以 ascii 格式保存，以便进一步处理。扫描电镜（SEM）分析揭示了氧化铁-金纳米颗粒的形貌，显示为团聚的、形状不规则的圆形氧化铁颗粒，其表面结合有更小、更亮且呈圆形的金纳米颗粒。在杂化纳米颗粒的紫外-可见-近红外（UV-Vis-NIR）光谱中，于 520 纳米处观察到一个明显的吸收峰，该峰归属于金纳米颗粒的局域表面等离子体共振（LSPR）模式，表明金纳米颗粒已成功修饰在氧化铁表面。

反应溶液的紫外-可见吸收光谱显示出初始时对可见光有轻微吸收，这归因于溶液中分散的氧化铁纳米颗粒。随着反应进行，在1.5分钟时出现一个吸收峰，对应于金纳米颗粒的形成及其在氧化铁表面的沉积。氧化铁-金复合纳米颗粒与纯金纳米颗粒的光热加热测量结果显示几乎相同的温度变化曲线，温度升高超过40摄氏度。

去离子水实验未显示任何变化，这表明纳米颗粒溶液的温度升高完全源于纳米颗粒对吸收的电磁能量的耗散。纳米颗粒溶液的质量变化远高于背景蒸发速率，表明其表面温度足够高，能够以显著速率产生蒸汽。一旦掌握，若操作得当，该技术可在两小时内完成。

进行该实验操作时，必须使用洁净的实验玻璃器皿，以确保结果具有可重复性。完成该步骤后，可进一步采用电子显微镜、紫外-可见光谱（UV-Vis）和动态光散射（DLS）等方法，以检测是否发生激光诱导损伤。操作开放式激光束时应采取适当的安全防护措施，例如以最低激光功率进行系统校准，检查并屏蔽杂散反射光，在不使用时及时关闭激光器，以及在必要时佩戴合适的激光防护眼镜。

观看本视频后，您应能充分理解如何大规模、低成本地制备纳米颗粒，以及如何在实际应用中实现无线、按需的靶向加热。