Caracterización de Nanocristal distribución por tamaño utilizando espectroscopia Raman con un multi-partícula Phonon Confinamiento Modelo
22 de agosto de 2015
Demostramos cómo determinar la distribución del tamaño de los nanocristales semiconductores de manera cuantitativa mediante espectroscopia Raman que emplea un modelo de confinamiento de fonones de múltiples partículas analíticamente definido. Los resultados obtenidos están en excelente acuerdo con las otras técnicas de análisis de tamaño como microscopía electrónica de transmisión y la espectroscopia de fotoluminiscencia.
El objetivo general de este procedimiento es utilizar la espectroscopía Raman para determinar la distribución del tamaño de nanopartículas de forma rápida, confiable y no destructiva. Esto se logra primero adquiriendo el espectro Raman de las nanopartículas de interés. El segundo paso consiste en analizar los datos de la medición y localizar las subdistribuciones en ellos utilizando el modelo de confinamiento fonónico de múltiples partículas.
A continuación, se determinan el tamaño medio y el factor de anchura de las subdistribuciones a partir del modelo ajustado. El paso final consiste en utilizar los parámetros obtenidos para determinar la distribución de tamaño real de las nanopartículas de interés. En última instancia, se utiliza la espectroscopía Raman para demostrar que es posible determinar la distribución de tamaño de nanopartículas de forma rápida, confiable y no destructiva.
La principal ventaja de esta técnica frente a métodos existentes como la microscopía electrónica de transmisión y la difracción de rayos X es que la espectroscopía Raman proporciona resultados rápidos y confiables de manera no destructiva, y está disponible bajo demanda en la mayoría de los laboratorios. Comience sintetizando nanocristales de interés. Deposite los nanocristales de silicio sobre un sustrato de vidrio utilizando deposición química de vapor asistida por plasma.
Aquí, se sintetizan nanocristales de silicio con un tamaño aproximado de dos a 120 nanómetros y una distribución bimodal en los rangos de dos a 10 nanómetros y de 40 a 120 nanómetros. A continuación, encienda el láser del equipo de espectroscopia Raman y déjelo calentar durante aproximadamente 15 minutos para que la intensidad del láser se estabilice; asegúrese de que el láser y las luces activas estén apagados antes de abrir la puerta, con el fin de protegerse de la iluminación no deseada del láser en funcionamiento. A continuación, presione la puerta.
Saque y abra la puerta de la cámara de medición. Coloque la muestra sobre la platina del portamuestras. Seleccione el objetivo de 50 x y enfoque la superficie del polvo de nanocristales.
Luego cierre la puerta de la cámara de medición. A continuación, retire el obturador haciendo clic en el botón de expulsión del obturador. El indicador láser ahora debe parpadear en verde y el indicador activo debe parpadear en rojo en la imagen en vivo. Bien.
Ajuste el enfoque de la muestra utilizando el manipulador de rueda hasta observar el punto láser más pequeño en la imagen en vivo. Luego, desde la barra de herramientas de medición, seleccione la nueva opción de adquisición espectral. En la ventana emergente, establezca el rango de medición entre 150 y 700 centímetros inversos. Establezca el tiempo de medición en 30 segundos, el número total de adquisiciones en dos y el porcentaje de potencia del láser en 0,5 %, basado en un láser de 25 milivatios.
A continuación, inicie la medición haciendo clic en el botón de inicio de adquisición en la barra de menú. Una vez finalizada la medición, cierre el obturador haciendo clic en el botón de obturador cerrado, guarde los datos tanto en un archivo WXD como en un archivo TXT. El archivo de texto se utilizará para el análisis de los datos experimentales.
Observe que las luces del láser y del activo están apagadas. Luego presione el botón de liberación de la puerta y abra la puerta de la cámara de medición. A continuación, mida una referencia masiva del nanomaterial repitiendo este proceso.
Utilizando una muestra de referencia a partir de la posición del pico del material masivo, estime el desplazamiento relativo. Primero, abra los archivos de texto de las mediciones para la medición del nano cristal y la referencia del material masivo antes de graficar los datos. Suavice los datos utilizando interpolación cúbica con spline y normalice los datos a uno en sus posiciones de pico más altas.
Para tener una buena comparación de los desplazamientos relativos de los picos, grafique los datos del nanocristal de silicio y del silicio de referencia. Determine la posición del pico del silicio de referencia y estime la magnitud del desplazamiento, si existe, respecto a la posición real del pico de 521 centímetros inversos. Luego, guarde los datos del nanocristal de silicio procesado como un archivo TXT.
Luego, inicie el procedimiento de ajuste. Escriba la función de ajuste que se muestra aquí en un programa de análisis, como Mathematica. Asegúrese de que el intervalo para la asimetría esté entre 0,1 y 1,0, y que el intervalo del tamaño medio esté entre dos nanómetros y 20 nanómetros. Para el procedimiento de ajuste, primero importe los datos normalizados y corregidos como entrada para el modelo de ajuste no lineal.
Utilizando el comando de importación, presione Mayús y Entrar para realizar el procedimiento de ajuste. Después, inserte los valores obtenidos para el tamaño medio y la asimetría en la función de distribución genérica predefinida que se muestra aquí. Finalmente, resalte la ecuación de distribución de tamaños mostrada aquí y trace la distribución de tamaños desde dos hasta 15 nanómetros utilizando el comando de trazado como límites inferior y superior de la distribución.
Las partículas en la muestra mostrada aquí se midieron mediante microscopía electrónica de transmisión y se encontró que presentaban una distribución bimodal de tamaño de nanopartículas. Las nanopartículas pequeñas tenían entre dos y 10 nanómetros, y las nanopartículas grandes entre 40 y 120 nanómetros. El análisis del espectro de Raman revela que la distribución de tamaño de las partículas pequeñas está efectivamente en el rango de dos a 10 nanómetros.
Se encontró que la distribución era logarítmica normal con un tamaño medio de 4,2 nanómetros y una asimetría de 0,27. La espectroscopía Raman es un método ideal para medir la pequeña diferencia de tamaño de las nanopartículas de silicio formadas utilizando dos caudales diferentes de sane cuando el caudal aumentó de tres centímetros cúbicos estándar por segundo a 10, el diámetro medio de las partículas disminuyó y la asimetría aumentó ligeramente. Una vez dominada, esta técnica puede realizarse en solo unos minutos si se lleva a cabo correctamente.
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Descripción general
Este artículo demuestra un método para determinar la distribución de tamaños de nanocristales semiconductores utilizando espectroscopía Raman. El enfoque utiliza un modelo de confinamiento de fonones en múltiples partículas, produciendo resultados que coinciden estrechamente con otras técnicas de análisis de tamaño.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Nanotecnología
- Ciencia de materiales
- Espectroscopía
Antecedentes
- Comprender la distribución del tamaño de las nanopartículas es fundamental para diversas aplicaciones.
- La espectroscopía Raman ofrece un método no destructivo para el análisis.
- Los modelos de confinamiento de fonones en múltiples partículas mejoran la precisión de la determinación del tamaño.
- La comparación con otras técnicas valida los resultados.
Objetivo del estudio
- Proporcionar un método confiable para el análisis de la distribución del tamaño de nanopartículas.
- Mostrar la eficacia de la espectroscopía Raman en este contexto.
- Comparar los resultados con técnicas establecidas como la microscopía electrónica de transmisión.
Métodos Utilizados
- Adquisición de espectros Raman de nanopartículas.
- Análisis de datos para identificar subdistribuciones utilizando el modelo de confinamiento de fonones.
- Cálculo del tamaño medio y de los factores de anchura a partir del modelo ajustado.
- Determinación de la distribución real de tamaños basada en los parámetros obtenidos.
Resultados principales
- La espectroscopía Raman determina eficazmente la distribución del tamaño de nanopartículas.
- Los resultados son consistentes con los hallazgos de microscopía electrónica de transmisión.
- El método es rápido, confiable y no destructivo.
- Las subdistribuciones se identifican con precisión utilizando el modelo de confinamiento de fonones.
Conclusiones
- El estudio confirma la utilidad de la espectroscopía Raman para el análisis de nanopartículas.
- Los modelos de confinamiento de fonones en múltiples partículas mejoran la precisión de las mediciones.
- Las aplicaciones futuras podrían ampliarse a diversos nanomateriales.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El análisis preciso de la distribución del tamaño de nanocristales es esencial para optimizar las propiedades dependientes del tamaño en materiales semiconductores utilizados en aplicaciones de entrega de fármacos, imágenes y biosensores. La espectroscopía Raman con un modelo de confinamiento de fonones en múltiples partículas proporciona un método rápido, no destructivo y confiable para la estimación cuantitativa de la distribución de tamaños, permitiendo una retroalimentación rápida en los flujos de trabajo de síntesis y formulación de nanomateriales. Este enfoque brinda confianza predictiva en el desarrollo temprano de nanomedicina al reducir la dependencia de técnicas más lentas y destructivas como el MET.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar los efectos de confinamiento cuántico dependientes del tamaño en nanocristales semiconductores para el desarrollo de biomarcadores o sensores.
- Valor operativo: Proporciona retroalimentación rápida sobre la distribución de tamaños sin destrucción de la muestra, lo que favorece el diseño iterativo de sondas basadas en nanocristales.
Desarrollo de Pruebas y Cribado
- Valor científico: Permite la separación y la estimación de la relación volumétrica de distribuciones de tamaños mixtos, fundamental para la estandarización de ensayos mediante poblaciones heterogéneas de nanocristales.
- Valor operativo: Proporciona parámetros cuantitativos de tamaño a partir de espectros Raman que se correlacionan con salidas ópticas o electrónicas funcionales en campañas de cribado.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Apoya la modelización de sistemas relevantes para enfermedades al permitir la preparación de nanocristales con tamaño ajustado y perfiles de distribución validados.
- Valor operativo: Garantiza la continuidad desde el descubrimiento hasta la validación preclínica mediante la caracterización reproducible y no destructiva del tamaño en múltiples etapas.
Integración de la Línea de Proceso y Flujo de Trabajo
El método se integra en la continuidad del descubrimiento de nanomedicina, desde la síntesis inicial de nanopartículas hasta la evaluación preclínica, ofreciendo una capacidad reutilizable para la correlación de propiedades dependientes del tamaño.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre interacciones biológicas dependientes del tamaño al proporcionar datos precisos de distribución de tamaño para bibliotecas funcionales de nanocristales.
- Selección: Permite la preparación de ensayos mediante la separación y cuantificación estandarizadas del tamaño de nanocristales, mejorando la reproducibilidad en formatos de alto rendimiento.
- Análisis: Genera valores promedio de tamaño y factores de anchura a partir de modelos ajustados de confinamiento de fonones, facilitando comparaciones cuantitativas entre diferentes condiciones de síntesis.
- Investigación Traductiva: Relaciona los parámetros de síntesis con resultados preclínicos mediante el control de la distribución de tamaño, un factor clave en la biodistribución y eliminación de nanocristales.
- Reutilización Empresarial: Establece la espectroscopía Raman como una técnica de plataforma para el control de calidad rutinario de nanocristales en diversos proyectos y equipos.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en la atribución de propiedades dependientes del tamaño, reduciendo la ambigüedad mecanicista en el rendimiento de los nanocristales.
- Valor operativo: Normalización y reproducibilidad de las mediciones de distribución de tamaños entre laboratorios y lotes.
- Valor estratégico: Mejora en las decisiones de avance o interrupción en el desarrollo de nanocristales mediante la validación rápida y fiable del tamaño.
- Impacto en la cartera: Priorización ajustada al riesgo de formulaciones de nanocristales basada en perfiles verificados de distribución de tamaño.
Consideraciones de Implementación
- Experiencia en espectroscopía Raman y modelado de confinamiento de fonones para un ajuste e interpretación precisos de los datos.
- Acceso a espectrómetros Raman con estabilidad láser adecuada y rango espectral (150–700 cm⁻¹) para el análisis de nanocristales.
- Normalización entre equipos de protocolos de referencia para la normalización de materiales masivos y la estimación de desplazamientos de picos.
- Consideraciones de adaptación para diferentes materiales de nanocristales más allá del silicio, que requieren recalibración del modelo para propiedades fonónicas específicas del material.
- Límite práctico: la precisión del modelo depende de una relación señal-ruido adecuada y del aislamiento correcto de los efectos de confinamiento fonónico dependientes del tamaño frente a otras contribuciones espectrales.
