Template Gezielte Synthese von Plasmonic Gold-Nanoröhren mit einstellbaren IR Absorption

Solution-suspendierbare Gold-Nanoröhrchen mit kontrollierter Dimensionen können durch elektrochemische Abscheidung in porösen anodischen Aluminiumoxid (AAO) Membranen mit einem hydrophoben Polymer-Kern synthetisiert werden. Gold-Nanoröhren und Nanoröhrchen-Arrays versprechen für Anwendungen in plasmonischen Biosensorik, surface-enhanced Raman-Spektroskopie, photo-thermische Heizung, ionischen und molekularen Transport, Mikrofluidik, Katalyse und elektrochemische Sensorik.

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Synthese von lösungssuspendierbaren plasmonischen Goldnanoröhren mit einstellbaren Infrarotabsorptionen. Dies wird erreicht, indem zunächst unedle Metalle in den Poren von a A o-Membranen abgeschieden werden, die als Opfersubstrate dienen, um die Goldnanoröhren zu stützen. Der zweite Schritt besteht darin, einen hydrophoben Polymerkern zu elektropolymerisieren, der als Kern für die Ablagerung der Goldnanoröhre dient.

Als nächstes wird die Goldhülle um den hydrophoben Polymerkern herum elektrodisch abgeschieden. Der letzte Schritt besteht darin, die Basismetalle und die Membran des Opferpolymerkerns zu ätzen, wobei die Goldnanoröhren in Lösung freigesetzt werden. Goldnanoröhren weisen abstimmbare plasmonische Absorptionen im Infrarot auf, die in einer Vielzahl von Bereichen wie Biosensorik, Photovoltaik oder Optik eingesetzt werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber bestehenden Methoden wie Avan-Ersatzreaktionen und Galvanik besteht darin, dass wir in der Lage sind, nicht-poröse Lösungen, suspendierbare Goldnanoröhren mit starken Absorptionen im sichtbaren und infraroten Bereich zu synthetisieren.

Mit unserem Verfahren sind wir in der Lage, die Länge sowie den Innen- und Außendurchmesser der Nanoröhren zu kontrollieren und so die Infrarot-Absorption abzustimmen. Die Implikationen dieser Technik erstrecken sich auf die optische Biosensorik, da das plasmonische Absorptionsmittel gegenüber dem Brechungsindex, der die Nanostruktur umgibt, empfindlich ist. Kalte Nanoröhren können auch als Substrate für Mikrofluidik, dauerselektiven Transport, photothermische Therapie und Photovoltaikzellen verwendet werden.

Die Synthese und Untersuchung von Goldnanoröhren kann Aufschluss darüber geben, wie hohle Nanostrukturen die Brechungsindexempfindlichkeit von plasmonischen Biosensoren erhöhen können. Die visuelle Darstellung dieser Methode ist von entscheidender Bedeutung, da sie sehr multidisziplinär ist und maßgeschneiderte Geräte und eine Reihe von Techniken umfasst, die durch schriftliche Anweisungen nicht angemessen beschrieben werden. Um diesen Vorgang zu starten, befestigen Sie das Substrat der anodischen Aluminiumoxid-Membran mit der Oberseite nach oben auf einer Glasplatte mit beidseitigem Klebstoff.

Es ist wichtig, die Membranfläche in Kontakt mit dem Klebstoff zu minimieren, da sie die Poren verstopft. Legen Sie anschließend die Glasplatte in den Substrathalter eines Metallverdampfers. Schließen Sie die Kammer und evakuieren Sie die Kammer auf unter 1,0 E minus sechs Tor Verdampfen Sie mit einer Widerstandsquelle Silberpellets mit einer Geschwindigkeit von 0,8 Angström pro Sekunde auf das Substrat, bis eine Schichtdicke von 100 Nanometern erreicht ist.

Erhöhen Sie dann die Verdampfungsrate auf 1,5 Ångström pro Sekunde, bis eine endgültige Dicke von 250 Nanometern erreicht ist. Wenn Sie fertig sind, nehmen Sie die Probe aus dem Verdampfer. Befeuchten Sie ein Wattestäbchen mit Dichlormethan und lösen Sie damit den Klebstoff auf, um die Membran zu lösen.

Alle Schritte der Elektroabscheidung erfolgen in einer kundenspezifischen zweiteiligen elektrochemischen Teflonzelle, der Zelle, wie von Ban Holzer beschrieben. Etal ist so konzipiert, dass es die a a o Membranen in Kontakt mit einer leitfähigen Folie hält, die als Arbeitselektrode dient. Um mit der Kupfer- und Nickelabscheidung zu beginnen, reinigen Sie die Teflonzelle, indem Sie sie 10 Sekunden lang dreimal mit Aceton-Ethanol spülen.

Und schließlich 18,2 mega deionisiertes Wasser. Lassen Sie die Zelle an der Laborluft trocknen. Legen Sie dann die Membran mit der silbernen Seite nach unten auf ein Stück glatte Aluminiumfolie, die in die elektrochemische Teflonzelle gelegt wird, und versiegeln Sie den Arbeitsbereich der Elektrode mit einem Viton-O-Ring.

Anschließend werden 3,0 Milliliter Kupferplattierungslösung auf die Teflonzelle gegeben. Verbinden Sie die Arbeitselektrode aus Aluminiumfolie, eine Platin-Gegenelektrode und die wässrige Referenzelektrode mit einem herkömmlichen Drei-Elektroden-Aufbau mit einem Potentialstat. Legen Sie ein Potential von minus 90 Millivolt gegenüber dem Silber-Silberchlorid-Redox-Paar für 15 Minuten nach der Kupferabscheidung an, die Membran erscheint violett.

Wenn Sie fertig sind, trennen und entfernen Sie die Referenz- und Hilfselektroden, während die zweiteilige Zelle und die a o Membran intakt bleiben. Spülen Sie die Zelle dann dreimal für jeweils 10 Sekunden mit 18,2 mega deionisiertem Wasser. Lassen Sie die Zelle 30 Minuten lang in fünf Millilitern 18,2 mega deionisiertem Wasser einweichen, um überschüssige Kupferplattierungslösung aus den Poren zu entfernen.

Leeren Sie anschließend die Zelle. Fügen Sie dann 3,0 Millimeter handelsübliche Vernickelungslösung hinzu und schließen Sie die Gegenreferenz und die Arbeitselektroden wieder an. Während der Nickelabscheidung wird ein Potential von minus 900 Millivolt gegen das Silber-Silberchlorid-Redox-Paar für 20 Minuten angelegt.

Die Vorlage wird langsam schwarz. Sobald die Nickelabscheidung abgeschlossen ist. Trennen und entfernen Sie die Referenz- und Hilfselektroden, wobei die zweiteilige Zelle und die Membranbaugruppe intakt bleiben.

Spülen Sie dann die Zelle dreimal à 10 Sekunden mit 18,2 mega deionisiertem Wasser, bevor Sie sie 30 Minuten im Wasser einweichen lassen. Um überschüssige Beschichtungslösung aus den Poren zu entfernen, lassen Sie die Zelle über Nacht gründlich an der Umgebungsluft des Labors trocknen. Übertragen Sie die intakte Teflonzellenbaugruppe in ein Handschuhfach mit inerter Atmosphäre, das mit externen Anschlüssen zu einem potenziellen Stat ausgestattet ist.

Als nächstes bereiten Sie eine Lösung von 30 Millimolaren drei Heyl Opin in 3,0 Millilitern 46% Bortrifluorid in Dylether vor und fügen Sie sie der elektrochemischen Teflonzelle hinzu. Verbinden Sie dann die Gegenelektrode, die Arbeitselektrode und die Silber-, Silbernitrat-Acetyl-Nitril-Referenzelektrode mit dem Potentialstat. Wenden Sie ein Potential von plus 1500 Millivolt gegenüber dem Silber-Silbernitrat-Redox an.

Paaren Sie für 10 Minuten. Ströme in der Größenordnung von 0,1 Milliampere nach 10 Minuten deuten auf eine erfolgreiche Abscheidung hin. Die Membran erscheint nach der Elektropolymerisation dunkel, violett und glänzend.

Wenn Sie fertig sind, trennen und entfernen Sie die Referenz- und Hilfselektroden, wobei die zweiteilige Zelle sowie die Membran und die Folie intakt bleiben. Spülen Sie anschließend die Zelle mit fünf Millilitern Acetylnitril in der Handschuhbox. Um überschüssiges Bortrifluorid zu entfernen, nehmen Sie die Zelle aus dem Handschuhfach und spülen Sie sie mit fünf Millilitern Ethanol aus.

Weichen Sie die Zelle dann 20 Minuten lang in frischem Ethanol ein. Spülen Sie die Zelle erneut mit fünf Millilitern 18,2 mega deionisiertem Wasser und weichen Sie sie 20 Minuten lang in frischem Wasser ein. Lassen Sie die Zelle an der Laborluft trocknen.

Beginnen Sie mit der Abscheidung der Goldschale, indem Sie der Teflonzelle 3,0 Milliliter handelsübliche Vergoldungslösung hinzufügen. Mischen Sie die Lösung vorsichtig mit einer Pipette für zwei Minuten, damit die Vergoldungslösung vollständig in die Poren eindringt und einen hydrophoben Kollaps des Polymerkerns induziert. Verbinden Sie dann die Arbeitselektrode, die Gegenelektrode und die wässrige Referenzelektrode mit einem Potentialstat und legen Sie negative 920 Millivolt gegen das Silber-Silberchlorid-Redox-Paar an.

Die Länge einer Goldnanoröhre wird durch die Abscheidezeit bestimmt. Ein Anfangsstrom von etwa 0,5 Milliampere deutet auf eine erfolgreiche Abscheidung hin. Spülen Sie die Zelle nach der Abscheidung unter einem Strahl von 18,2 mega deionisiertem Wasser ab und lassen Sie sie trocknen.

Entfernen Sie die Membran von der Teflonzellenbaugruppe und lösen Sie Silber, Kupfer und Nickel mit einigen Tropfen konzentrierter Salpetersäure auf der silberbeschichteten Seite auf. Entfernen Sie dann die Säure und spülen Sie die Membranen dreimal für 10 Sekunden mit 18,2 mega deionisiertem Wasser, ätzen Sie dann den Polymerkern, indem Sie die Membran über Nacht in eine Lösung von drei bis eins Volumen aus Schwefelsäure und 30% Wasserstoffperoxid eintauchen. Nach diesem Schritt erscheint die Membran violett und durchscheinend.

Entfernen Sie am nächsten Tag die saure Lösung und spülen Sie die Membran unter einem Strahl von 18,2 mega deionisiertem Wasser ab. Brechen Sie dann die Membran in kleine Stücke und legen Sie sie in eine 3,0-Milliliter-Zentrifuge. Phiole. Geben Sie zwei Milliliter einer wässrigen 3,0-molaren Natriumhydroxidlösung in das Fläschchen und rühren Sie sie in einem beheizten Mischer, der bei 1000 U/min und 40 Grad Celsius arbeitet, drei Stunden lang oder bis sich die Membran aufgelöst hat.

Sobald es aufgelöst ist, zentrifugieren Sie die Mischung 10 Minuten lang bei der 21.000-fachen Schwerkraft. Entfernen Sie abschließend die überstehende Flüssigkeit und ersetzen Sie sie durch 18,2 mega deionisiertes Wasser. Wiederhole diesen Zyklus dreimal.

Das Fläschchen enthält nun Goldnanoröhren, die von Sohn zu Sohn sanft aufgehängt und suspendiert werden können. Die Lösung wird violett angezeigt. Um die optischen Spektren der Goldnanoröhren zu messen, zentrifugieren Sie sie 10 Minuten lang in Lösung bei der 21.000-fachen Schwerkraft.

Entfernen Sie dann die überstehende Flüssigkeit und ersetzen Sie sie durch D zwei O. Wiederholen Sie diesen Vorgang dreimal. Als nächstes beschallen Sie die Mischung 30 Sekunden lang, bis die Lösung klar wird, und geben Sie die Lösung in einen Ein-Milliliter-Quarz-Vete. Erhalten Sie die Extinktionsspektren von 200 bis 2000 Nanometern in einem Spektralphotometer, das im Doppelstrahl arbeitet.

Modus zwei Absorptionen sind vorhanden, die den transversalen und longitudinalen Plasminmoden entsprechen. Messen Sie anschließend die Festkörperspektren, indem Sie die intakte Membran auf einen Objektträger legen und mit D zwei O benetzen, um die Transparenz zu erhöhen. Montieren Sie dann den Objektträger auf einen Dünnschicht-Probenhalter und setzen Sie ihn in ein Spektralphotometer ein, das für den UV- bis sichtbaren Bereich geeignet ist und im Dual-Beam-Modus arbeitet.

Erhalten Sie ein Extinktionsspektrum von 200 Nanometern bis 1.300 Nanometern mit einem Objektträger als Referenz. Die hier gezeigte Messung der Extinktionsspektren von 500 bis 800 Nanometern spiegelt den Durchmesser von 55 Nanometern der gebildeten Goldnanoröhren wider. Die Länge kann je nach Ablagerungszeit variiert werden, und hier werden drei verschiedene Versuche gezeigt.

Die Zeit-Scanning- und die Transmissionselektronenmikroskopie, die jeweils eine andere Abscheidung darstellt, können auch verwendet werden, um die physikalischen Eigenschaften der Goldnanoröhren zu messen. Hier ist ein Rasterelektronenmikroskop-Bild des Querschnitts einer Goldnanoröhre zu sehen, das mit einer 55-Nanometer-PO-Template-Transmission hergestellt wurde. Die Elektronenmikroskopie liefert eine ähnlich hohe Auflösung bei der Messung physikalischer Abmessungen wie Durchmesser und Länge verschiedener Goldnanoröhren.

In dieser Grafik wurden 100 Nanoröhren für sieben verschiedene Abscheidungszeiten gemessen. Daraus ergab sich eine lineare Korrelation von Abscheidezeit und -dauer. Nach diesem Verfahren können die Goldnanoröhren mit Analyten wie DNA oder anderen Biomolekülen funktionalisiert werden, und ihr Nutzen als Biosensoren kann untersucht werden, indem die durch Analytbindungsereignisse induzierte Verschiebung der Plasmaresonanz gemessen wird.

Diese Technik wird es Forschern auf dem Gebiet der Plasmen und Nanotechnologie ermöglichen, weiter zu erforschen, wie die Form die optischen Eigenschaften beeinflussen kann. Goldnanoröhren können auch als Brechungsindexsensoren fungieren, die molekulare Bindungsereignisse genauer erkennen können. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man Metalle und Polymere in den Poren von anodischen Aluminiumoxidmembranen abscheidet, sowohl Komposit- als auch Einkomponenten-Nanoröhren synthetisiert und ihre optischen Eigenschaften misst.