Síntesis, caracterización y funcionalización de híbridos Au / CdS y Au / ZnS Core / Shell nanopartículas
2 de marzo de 2016
Se realiza la síntesis de nanopartículas de oro uniformes recubiertas con cubiertas semiconductoras de CdS o ZnS. El recubrimiento semiconductor se lleva a cabo depositando primero una capa de sulfuro de plata e intercambiando los cationes de plata por cationes de zinc o cadmio.
El objetivo general de este procedimiento es preparar nanopartículas de oro que se recubren con una capa semiconductora de banda prohibida ancha. El material de la carcasa puede ser cadmio o sulfuro de zinc, y el grosor debe ser ajustable. Esta técnica supera el gran desajuste de la red entre el núcleo y la cáscara mediante el uso de una técnica de intercambio catiónico de cuatro pasos para formar las cáscaras.
La principal ventaja de esta técnica es la capacidad de producir nanopartículas de núcleo de oro altamente monodispersas con un excelente control del espesor de la cáscara. Las nanopartículas producidas con esta técnica podrían utilizarse como elementos plasmónicos que se acoplan con absorbentes en sistemas optoelectrónicos, ya que la amplia capa de banda prohibida permite un ajuste preciso de las distancias de interacción. El ajuste de las interacciones de esta manera nos permite limitar las pérdidas y maximizar las ganancias de absorción o emisión, y proporcionar información sobre el potencial del acoplamiento de excitones y plasmones para una variedad de aplicaciones.
Para comenzar la síntesis de nanopartículas de oro, se trabaja en una guantera para pesar sal de oro en un vial previamente limpiado con agua regia antes de diluir con 100 mililitros de agua en un matraz aforado. A continuación, añada 3,2 gramos de cloruro sólido de cetiltrimetilamonio, o CTAC, y caliente 25 mililitros de agua hasta aproximadamente 60 grados centígrados para su disolución. Enfríe la mezcla a temperatura ambiente y diluya a 50 mililitros con agua en un matraz aforado para preparar una solución CTAC de 0,2 molares.
Mezcle 20 mililitros de una solución de oro milimolar y 20 mililitros de solución CTAC 0,2 molar dentro de un matraz hirviendo de fondo redondo. Deje mezclar en un baño de aceite a 60 grados centígrados durante diez minutos. A continuación, agregue 1,7 miligramos de terc-butilamina de borono sólido a la solución de CTAC de oro y deje que la mezcla revuelva durante 30 minutos.
La solución debe volverse de color rojo intenso. La solución resultante tiene una concentración de partículas de oro de aproximadamente 5 micromolares, y puede almacenarse durante meses o usarse inmediatamente para la siguiente fase de la reacción. Luego, agregue la solución de plata gota a gota a la solución de oro y ácido ascórbico y deje que la reacción se agite durante dos horas.
En un baño de aceite a 70 grados Celsius, mezcle 10 mililitros de nanopartículas de oro con ácido ascórbico para hacer una solución de 20 milimolares. A continuación, prepare una solución de nitrato de plata de 4,0 milimolares en cinco mililitros de agua. La reacción se volverá de color naranja claro a oscuro dependiendo del grosor de la cáscara en el transcurso de la reacción.
Centrifugar las nanopartículas a 21,130 g durante diez minutos y luego volver a dispersarlas en agua limpia. Decantar el sobrenadante de las nanopartículas peletizadas para ayudar en la eliminación de las nanopartículas de oro desnudo o nanopartículas de plata, que pueden haberse formado. Pesar el azufre elemental en una proporción de 200 a un molar con respecto a la plata utilizada en la etapa anterior del experimento.
Para diez mililitros de partículas de carcasa de núcleo de oro y plata y una carcasa de cinco nanómetros, en diez mililitros de tolueno, disuelva 1,5 mililitros de ácido oleico y tres mililitros de olelamina. Una vez disuelta, la solución debe ser de color amarillo claro. El agua residual puede alterar la solubilidad tanto de las nanopartículas como de las moléculas activas de surf libres, lo que posiblemente conduzca a la agregación irreversible de las naonpas de oro.
Para asegurar la eliminación del agua durante el siguiente paso de purificación, concentre los coloides de plata mediante cetrifugación a 21, 130 g durante diez minutos. Dispersa los coloides de plata en un mililitro de agua. Esto ayuda a aumentar la eficiencia de la extracción de la capa acuosa a la capa orgánica tras la formación de la cáscara de plata.
Agregue los coloides gota a gota a la solución de azufre revolviendo durante una hora. La solución se volverá azul oscuro para las cáscaras más delgadas, a púrpura para las cáscaras más gruesas, a medida que la sulfuración se complete. Agregue el mismo volumen de etanol al 70 por ciento antes de centrifugar.
Centrifugar la solución coloidal a 4.000 g durante 10 minutos, después de que la reacción se haya agitado durante dos horas, para eliminar el agua y el azufre no reaccionado de la solución. El exceso de oleilamina o ácido oleico puede caerse de la solución y se puede eliminar después de este paso decantando la solución del sólido blanco. Si es necesario, vuelva a dispersar las nanopartículas sonicándolas en un sonicador de baño durante 30 segundos a un minuto para dispersarlas en el tolueno.
Haga el precursor del metal disolviendo el nitrato metálico en un mililitro de metanol para hacer una solución 0,2 molar de nitrato de cadmio o nitrato de zinc. Mezcle la solución metálica con las naonpartículas con cáscara de sulfuro de plata en una proporción molar de uno a uno con la plata. Caliente a 50 grados Celsius para la cáscara de cadmio y a 65 grados Celsius para las cáscaras de zinc, bajo una atmósfera de nitrógeno.
A continuación, agregue tributilfosfina en una proporción de 500 a un molar al precursor del metal. Purificar por centrifugación a 21,130 gs durante diez minutos para eliminar las nanopartículas aisladas de sulfuro de cadmio o sulfuro de zinc que se hayan podido formar. Disperse las nanopartículas peletizadas en un solvente limpio y no polar, como hexano, tolueno o cloroformo.
Aquí se muestran imágenes de microscopía electrónica de transmisión, o TEM, de nanopartículas de oro sintetizadas con CTAC como surfactante. Las nanopartículas eran monocristalinas con un diámetro de 16 nanómetros y una desviación estándar de 0,4 nanómetros. El espesor de la capa de plata se puede monitorear a través de espectroscopia de absorción visible ultravioleta.
En esta figura, el grosor de la plata aumenta de negro a azul claro. El plasmón de la superficie de las nanopartículas de oro cambia a energías más altas a medida que aumenta el grosor de la capa de plata. Aquí se muestran imágenes TEM de nanopartículas de oro con cáscaras de plata.
La plata se cultiva en el núcleo de oro para proporcionar una plantilla para la posterior carcasa del semiconductor. Los proyectiles están afinados de tres a siete nanómetros de radio. En el siguiente paso, las nanopartículas recubiertas de plata se tratan con azufre para formar una capa de sulfuro de plata.
Las conchas resultantes tienden a ser ligeramente más grandes que las conchas de plata anteriores, pero uniformes en su distribución. Finalmente, el cadmio, en este ejemplo, o zinc se puede usar para reemplazar los iones de plata y producir una capa semiconductora de sulfuro de cadmio o sulfuro de zinc. La cáscara resultante es monocristalina con un radio correspondiente al radio de la plata en el primer paso del recubrimiento.
Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en siete u ocho horas si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante limpiar adecuadamente toda la cristalería con agua regia antes de usarla. Después de ver el vídeo, debería ser capaz de recubrir las nanopartículas acuosas de oro con cadmio o sulfuro de zinc.
Las nanopartículas de oro están recubiertas de plata, que se transforma en sulfuro de plata. Finalmente, la plata se intercambia con cadmio o zinc.
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Descripción general
Este estudio se centra en la síntesis de nanopartículas de oro recubiertas con capas semiconductoras de sulfuro de cadmio (CdS) o sulfuro de zinc (ZnS). La técnica emplea un método de intercambio catiónico de cuatro pasos para lograr uniformidad y espesor de capa ajustable, mejorando las aplicaciones de las nanopartículas en sistemas optoelectrónicos.
Componentes Clave del Estudio
Área de la ciencia
- Síntesis de nanopartículas
- Recubrimientos semiconductores
- Optoelectrónica
Antecedentes
- Las nanopartículas de oro son valiosas en diversas aplicaciones debido a sus propiedades ópticas únicas.
- Recubrir las nanopartículas de oro con materiales semiconductores puede mejorar su funcionalidad.
- En este estudio se aborda el desafío del desajuste de red entre los materiales del núcleo y la cubierta.
- Se exploran semiconductores de banda ancha como CdS y ZnS por sus propiedades ajustables.
Objetivo del estudio
- Desarrollar un método para producir nanopartículas de oro con recubrimientos semiconductores.
- Lograr un control preciso sobre el espesor del recubrimiento semiconductor.
- Investigar las posibles aplicaciones de estas nanopartículas en sistemas optoelectrónicos.
Métodos Utilizados
- Técnica de intercambio catiónico en cuatro pasos para la formación de la capa externa.
- Depósito de una capa de sulfuro de plata antes del intercambio catiónico.
- Uso de cationes de cadmio o zinc para formar la capa semiconductor final.
- Caracterización del tamaño de la nanopartícula y del grosor de la capa externa.
Resultados principales
- Síntesis exitosa de nanopartículas de oro con capas semiconductoras uniformes.
- Se demostró la posibilidad de ajustar el grosor de la capa mediante el proceso de intercambio catiónico.
- Se mostró el potencial de estas nanopartículas para mejorar las interacciones plasmónicas.
- Se aportaron conocimientos sobre el acoplamiento entre excitones y plasmones para diversas aplicaciones.
Conclusiones
- El método desarrollado permite la producción de nanopartículas altamente monodispersas con núcleo y capa de oro.
- Estas nanopartículas pueden utilizarse en sistemas optoelectrónicos para optimizar la absorción y la emisión.
- El estudio destaca la importancia de controlar las propiedades de la capa para aplicaciones avanzadas.
Preguntas frecuentes
Relevancia Ejecutiva para la Industria
El control preciso sobre las interfaces de nanopartículas plasmónicas permite interacciones luz-materia ajustables, fundamentales para el desarrollo de sensores optoelectrónicos y la optimización de plataformas diagnósticas. Este método aborda un desafío clave en materiales para biopartónica al proporcionar nanoestructuras núcleo-cáscara reproducibles con capas espaciadoras ajustables, lo que favorece estudios mecanicistas de ensayos mejorados por plasmón. Dichas capacidades mejoran la confianza predictiva en la validación temprana de dianas al reducir la ambigüedad en los mecanismos de transducción de señales.
Aplicaciones Estratégicas en I+D de Biotecnología Farmacéutica
Descubrimiento Temprano y Validación de Blancos
- Valor científico: Permite investigar los efectos plasmónicos dependientes de la distancia sobre la señalización de cromóforos, apoyando la comprobación de hipótesis en el diseño de biosensores.
- Valor operativo: Produce nanopartículas altamente monodispersas con espesor de capa ajustable, asegurando una salida de señal consistente en experimentos replicados.
Desarrollo de Cribado y Ensayos
- Valor científico: Proporciona elementos plasmónicos estandarizados con capas de banda prohibida ancha que minimizan la extinción y maximizan la relación señal-ruido en ensayos basados en fluorescencia.
- Valor operativo: Facilita la estandarización de ensayos mediante el control preciso de la distancia en la interfaz nano-partícula-óptica, mejorando la reproducibilidad en cribados de alto rendimiento.
Investigación Traductacional y Preclínica
- Valor científico: Facilita la reducción mecanicista de riesgos en sistemas de detección mejorados por plasmón al permitir la variación sistemática del grosor del espaciador para optimizar la amplificación de la señal.
- Valor operativo: Produce nanopartículas uniformes tipo núcleo-cáscara adecuadas para la ampliación de escala y la integración en formatos diagnósticos microfluídicos o de punto de detección.
Integración de la tubería y flujo de trabajo
Esta técnica se integra en el continuo de descubrimiento, desde la validación inicial de la hipótesis del blanco hasta la optimización del ensayo, proporcionando una plataforma plasmónica ajustable que respalda ciclos iterativos de diseño-construcción-prueba en el desarrollo de biosensores.
- Biología del Descubrimiento: Apoya la comprobación de hipótesis sobre el refuerzo plasmónico dependiente de la distancia en sistemas acoplados a cromóforos.
- Selección: Permite la preparación del ensayo mediante la síntesis reproducible de nanopartículas con propiedades ópticas controladas.
- Análisis: Genera datos cuantificables de desplazamiento del plasmón mediante espectroscopía UV-Vis para correlacionar el grosor de la capa con la respuesta óptica.
- Investigación Traducional: Facilita la continuidad desde la optimización de nanopartículas hasta la validación preclínica de señales diagnósticas mejoradas por plasmón.
- Reutilización Empresarial: Establece una plataforma reutilizable de nanomateriales para múltiples programas de desarrollo de ensayos que requieran modulación de señales plasmónicas.
Impacto Operativo y Empresarial
- Valor científico: Confianza predictiva en el diseño de ensayos plasmónicos mediante el control ajustable de la distancia de acoplamiento entre excitones y plasmones.
- Valor operativo: La alta reproducibilidad y monodispersidad reducen la variabilidad en la generación de señales entre lotes de ensayos.
- Valor estratégico: Permite tomar decisiones basadas en datos sobre continuar o descartar desarrollos de biosensores, al cuantificar la contribución plasmónica a la señal de salida.
- Impacto en la cartera: Apoya inversiones ajustadas al riesgo en tecnologías de detección óptica al reducir la incertidumbre mecanicista en la amplificación de señales.
Consideraciones de Implementación
- Se requiere experiencia en la síntesis de nanomateriales y en química coloidal para el protocolo de intercambio catiónico en múltiples pasos.
- Es necesario tener acceso a una caja de guantes, centrifugación, espectroscopía UV-Vis y microscopía electrónica de transmisión (TEM) para la síntesis y caracterización.
- La estandarización de los pasos de intercambio de disolvente y purificación es fundamental para lograr consistencia entre lotes.
- Se deben considerar adaptaciones según la compatibilidad en fase acuosa o orgánica en entornos de ensayos biológicos.
- Limitación práctica: la purificación en múltiples pasos incrementa la complejidad del proceso y puede afectar la escalabilidad para producción a gran volumen.
