Sintesi, Caratterizzazione, e funzionalizzazione di ibrida UA / CdS e Au / ZnS core / shell nanoparticelle
2 marzo 2016
Viene eseguita la sintesi di nanoparticelle d'oro uniformi rivestite con gusci semiconduttori di CdS o ZnS. Il rivestimento del semiconduttore viene condotto depositando prima un guscio di solfuro d'argento e scambiando i cationi d'argento con cationi di zinco o cadmio.
L'obiettivo generale di questa procedura è preparare nanoparticelle d'oro rivestite con uno strato di semiconduttore a banda proibita larga. Il materiale dello strato può essere solfuro di cadmio o solfuro di zinco, e lo spessore dovrebbe essere regolabile. Questa tecnica supera l'elevata incompatibilità reticolare tra nucleo e strato utilizzando una tecnica a quattro passaggi di scambio cationico per formare gli strati.
Il principale vantaggio di questa tecnica è la capacità di produrre nanoparticelle altamente monodisperse con guscio d'oro, con un eccellente controllo dello spessore del guscio. Le nanoparticelle prodotte con questa tecnica possono essere utilizzate come elementi plasmonici che si accoppiano con assorbitori in sistemi optoelettronici, poiché il guscio con ampio bandgap permette un preciso controllo delle distanze di interazione. Regolando le interazioni in questo modo, è possibile limitare le perdite e massimizzare i guadagni di assorbimento o emissione, fornendo al contempo informazioni sul potenziale dell'accoppiamento eccitone-plasmoni per una serie di applicazioni.
Per iniziare la sintesi delle nanoparticelle d'oro, lavorare all'interno di una cappa a gas inerte per pesare il sale aurico in un vial precedentemente pulito con acqua regia, prima di diluirlo con 100 millilitri di acqua in un matraccio tarato. Aggiungere quindi 3,2 grammi di cloruro di cetiltrimetilammonio, o CTAC, e riscaldare in 25 millilitri di acqua fino a circa 60 gradi Celsius per favorire la dissoluzione. Raffreddare la miscela a temperatura ambiente e portare a 50 millilitri con acqua in un matraccio tarato per preparare una soluzione di CTAC 0,2 molare.
Mescolare 20 millilitri di una soluzione di oro un millimolare e 20 millilitri di soluzione di CTAC 0,2 molare all'interno di un pallone a fondo rotondo. Lasciare mescolare in un bagno d'olio impostato a 60 gradi Celsius per dieci minuti. Successivamente, aggiungere 1,7 milligrammi di borano tert-butilammina solido alla soluzione di oro e CTAC, e lasciare agitare la miscela per 30 minuti.
La soluzione dovrebbe diventare di un rosso intenso. La soluzione risultante ha una concentrazione di particelle d'oro di circa 5 micromolare e può essere conservata per mesi oppure utilizzata immediatamente per la fase successiva della reazione. Quindi, aggiungere la soluzione d'argento goccia a goccia alla soluzione di oro e acido ascorbico e lasciare mescolare la reazione per due ore.
In un bagno d'olio a 70 gradi Celsius, mescolare 10 millilitri di nanoparticelle d'oro in soluzione con acido ascorbico per ottenere una soluzione di 20 millimoli. Successivamente, preparare una soluzione di 4,0 millimoli di nitrato d'argento in cinque millilitri di acqua. La reazione assumerà un colore arancione chiaro che diventerà arancione scuro a seconda dello spessore del rivestimento durante il corso della reazione.
Centrifugare le nanoparticelle a 21.130 ×g per dieci minuti, quindi risospendere in acqua pulita. Decantare il soprannatante dalle nanoparticelle sedimentate per facilitare la rimozione delle nanoparticelle d'oro o d'argento nude, che potrebbero essersi formate. Pesare lo zolfo elementare in un rapporto molare compreso tra 200 e uno rispetto all'argento utilizzato nella fase precedente dell'esperimento.
Per dieci millilitri di particelle con nucleo d'oro e guscio d'argento e uno spessore del guscio di cinque nanometri, in dieci millilitri di toluene, sciogliere 1,5 millilitri di acido oleico e tre millilitri di oleilammina. Una volta sciolto, la soluzione dovrebbe risultare giallo chiaro. L'acqua residua può alterare la solubilità sia delle nanoparticelle sia delle molecole tensioattive libere, provocando possibilmente un'aggregazione irreversibile delle nanoparticelle d'oro.
Per garantire la rimozione dell'acqua durante il successivo passaggio di purificazione, concentrare i colloidi d'argento mediante centrifugazione a 21.130 ×g per dieci minuti. Disperdere i colloidi d'argento in un millilitro di acqua. Questo aiuta ad aumentare l'efficienza dell'estrazione dallo strato acquoso a quello organico in seguito alla formazione del rivestimento d'argento.
Aggiungere i colloidi goccia a goccia alla soluzione di zolfo sotto agitazione per un'ora. La soluzione diventerà blu scuro per gusci più sottili, fino a viola per gusci più spessi, man mano che la sulfurizzazione procede a completamento. Aggiungere lo stesso volume di etanolo al 70 percento prima della centrifugazione.
Centrifugare la soluzione colloidale a 4.000 g per 10 minuti, dopo che la reazione ha sobbollito per due ore, per rimuovere l'acqua e lo zolfo non reagito dalla soluzione. L'eccesso di oleilammina o acido oleico potrebbe precipitare ed essere rimosso in questa fase decantando la soluzione dal solido bianco. Se necessario, ridisperdere le nanoparticelle sonicandole in un bagno sonico per 30 secondi fino a un minuto al fine di disperderle nel toluene.
Preparare il precursore metallico sciogliendo il nitrato metallico in un millilitro di metanolo per ottenere una soluzione 0,2 molare di nitrato di cadmio o di nitrato di zinco. Mescolare la soluzione metallica con le nanoparticelle rivestite in solfuro di argento in un rapporto molare uno a uno rispetto all'argento. Riscaldare a 50 gradi Celsius per il rivestimento di cadmio e a 65 gradi Celsius per i rivestimenti di zinco, sotto atmosfera di azoto.
Successivamente, aggiungere il tributylfosfina in un rapporto molare di 500 a uno rispetto al precursore metallico. Purificare mediante centrifugazione a 21.130 ×g per dieci minuti, al fine di rimuovere eventuali nanoparticelle isolate di solfuro di cadmio o solfuro di zinco che potrebbero essersi formate. Disperdere le nanoparticelle pellettizzate in un solvente apolare pulito, come esano, toluene o cloroformio.
Qui sono mostrate immagini di microscopia elettronica a trasmissione, o TEM, di nanoparticelle d'oro sintetizzate utilizzando CTAC come surfattante. Le nanoparticelle erano monocristalline, con un diametro di 16 nanometri e una deviazione standard di 0,4 nanometri. Lo spessore del guscio d'argento può essere monitorato mediante spettroscopia di assorbimento nell'ultravioletto-visibile.
In questa figura lo spessore dell'argento aumenta dal nero al blu chiaro. La risonanza plasmonica superficiale delle nanoparticelle d'oro si sposta verso energie più elevate all'aumentare dello spessore del rivestimento d'argento. Qui sono mostrate immagini al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) di nanoparticelle d'oro con rivestimenti d'argento.
L'argento viene depositato sul nucleo d'oro per fornire un modello per il successivo rivestimento semiconduttore. I gusci vengono regolati da tre a sette nanometri di raggio. Nel passaggio successivo, le nanoparticelle rivestite di argento vengono trattate con zolfo per formare un guscio di solfuro di argento.
I gusci risultanti tendono ad essere leggermente più grandi dei precedenti gusci di argento, ma uniformi nella distribuzione. Infine, in questo esempio, il cadmio oppure lo zinco possono essere utilizzati per sostituire gli ioni argento e produrre un guscio semiconduttore di solfuro di cadmio o solfuro di zinco. Il guscio risultante è monocristallino, con un raggio corrispondente al raggio dell'argento nel primo passaggio di rivestimento.
Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in sette-otto ore se effettuata correttamente. Durante il tentativo di questa procedura, è fondamentale pulire accuratamente tutta la vetreria con acqua regia prima dell'uso. Dopo aver visto il video, si dovrebbe essere in grado di rivestire nanoparticelle acquose d'oro con solfuro di cadmio o di zinco.
I nanoparticelle d'oro sono rivestite con argento, che viene trasformato in solfuro di argento. Infine, l'argento viene sostituito con cadmio o zinco.
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Panoramica
Questo studio si concentra sulla sintesi di nanoparticelle d'oro rivestite con gusci semiconduttori di solfuro di cadmio (CdS) o solfuro di zinco (ZnS). La tecnica impiega un metodo di scambio cationico in quattro passaggi per ottenere uniformità e uno spessore del guscio regolabile, migliorando le applicazioni delle nanoparticelle nei sistemi optoelettronici.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Sintesi di nanoparticelle
- Rivestimenti semiconduttori
- Optoelettronica
Sfondo
- I nanoparticelle d'oro sono preziose in diverse applicazioni grazie alle loro proprietà ottiche uniche.
- Il rivestimento dei nanoparticelle d'oro con materiali semiconduttori può potenziarne la funzionalità.
- In questo studio viene affrontata la sfida relativa alla disallineazione del reticolo tra i materiali del nucleo e del rivestimento.
- Semiconduttori a largo gap di banda come CdS e ZnS sono esplorati per le loro proprietà sintonizzabili.
Scopo dello studio
- Sviluppare un metodo per produrre nanoparticelle d'oro con gusci semiconduttori.
- Raggiungere un controllo preciso sullo spessore del rivestimento semiconduttore.
- Studiare le possibili applicazioni di queste nanoparticelle in sistemi optoelettronici.
Metodi Utilizzati
- Tecnica di scambio cationico in quattro passaggi per la formazione del guscio.
- Deposizione di un guscio di solfuro di argento prima dello scambio cationico.
- Utilizzo di cationi di cadmio o zinco per formare il guscio semiconduttore finale.
- Caratterizzazione delle dimensioni delle nanoparticelle e dello spessore del guscio.
Risultati principali
- Sintesi con successo di nanoparticelle d'oro con gusci semiconduttori uniformi.
- Dimostrata la possibilità di regolare lo spessore del guscio attraverso il processo di scambio cationico.
- Evidenziato il potenziale di queste nanoparticelle nell'amplificare le interazioni plasmoniche.
- Forniti spunti sul coupling tra eccitoni e plasmoni per diverse applicazioni.
Conclusioni
- Il metodo sviluppato consente la produzione di nanoparticelle altamente monodisperse con struttura a nucleo e guscio d'oro.
- Queste nanoparticelle possono essere utilizzate in sistemi optoelettronici per ottimizzare l'assorbimento e l'emissione.
- Lo studio evidenzia l'importanza del controllo delle proprietà del guscio per applicazioni avanzate.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Metodo
Un controllo preciso sulle interfacce delle nanoparticelle plasmoniche consente interazioni luce-materia sintonizzabili, fondamentali per lo sviluppo di sensori optoelettronici e l'ottimizzazione di piattaforme diagnostiche. Questo metodo affronta una sfida chiave nei materiali per la biofotonica, fornendo nanostrutture core-shell riproducibili con strati distanziatori sintonizzabili, supportando studi meccanicistici su saggi potenziati da plasmoni. Tali capacità migliorano l'affidabilità predittiva nella validazione precoce di bersagli, riducendo l'ambiguità nei meccanismi di trasduzione del segnale.
Applicazioni Strategiche nella Ricerca e Sviluppo in Biopharma
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Valore scientifico: Consente l'analisi degli effetti plasmonici dipendenti dalla distanza sulla segnalazione dei cromofori, supportando la verifica di ipotesi nella progettazione di biosensori.
- Valore operativo: Produce nanoparticelle altamente monodisperse con spessore del rivestimento regolabile, garantendo un segnale costante tra esperimenti ripetuti.
Sviluppo di screening e saggi
- Valore scientifico: Fornisce elementi plasmonici standardizzati con gusci a banda proibita larga che minimizzano l'autoestinguenza e massimizzano il rapporto segnale-rumore nei saggi basati sulla fluorescenza.
- Valore operativo: Favorisce la standardizzazione dei saggi attraverso un controllo preciso della distanza tra interfaccia nanoparticella-ottica, migliorando la riproducibilità negli screening ad alto rendimento.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Valore scientifico: Facilita la riduzione del rischio meccanicistico nei sistemi di rilevamento potenziati da plasmoni, consentendo una variazione sistematica dello spessore dello strato intermedio per ottimizzare il guadagno del segnale.
- Valore operativo: Produce nanoparticelle core-shell uniformi, adatte alla scalabilità e all'integrazione in formati diagnostici microfluidici o a punto di rilevamento.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questa tecnica si inserisce nel percorso di scoperta che va dalla validazione iniziale dell'ipotesi sul bersaglio fino all'ottimizzazione del saggio, fornendo una piattaforma plasmonica regolabile che supporta cicli iterativi di progettazione, realizzazione e verifica nello sviluppo di biosensori.
- Biologia della scoperta: Supporta la verifica di ipotesi riguardo al potenziamento plasmonico dipendente dalla distanza in sistemi accoppiati a cromofori.
- Screening: Permette la preparazione del saggio attraverso la sintesi riproducibile di nanoparticelle con proprietà ottiche controllate.
- Analisi: Genera dati quantificabili sugli spostamenti plasmonici mediante spettroscopia UV-Vis per correlare lo spessore del rivestimento alla risposta ottica.
- Ricerca traslazionale: Favorisce la continuità dall'ottimizzazione delle nanoparticelle alla validazione preclinica dei segnali diagnostici potenziati da effetti plasmonici.
- Riutilizzo aziendale: Stabilisce una piattaforma riutilizzabile di nanomateriali per diversi programmi di sviluppo di saggi che richiedono la modulazione del segnale plasmonico.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Previsione affidabile nella progettazione di saggi plasmonici grazie al controllo regolabile della distanza di accoppiamento tra eccitoni e plasmoni.
- Valore operativo: Elevata riproducibilità e monodisperseità riducono la variabilità nella generazione del segnale tra diversi lotti del saggio.
- Valore strategico: Consente decisioni basate sui dati riguardo al proseguimento o meno dello sviluppo di biosensori, quantificando il contributo plasmonico all'uscita del segnale.
- Impatto sul portafoglio: Supporta investimenti calibrati sui rischi nelle tecnologie di rilevamento ottico, riducendo l'incertezza meccanicistica relativa al potenziamento del segnale.
Considerazioni sull'implementazione
- È richiesta esperienza nella sintesi di nanomateriali e nella chimica colloidale per il protocollo di scambio cationico in più passaggi.
- È necessario avere accesso a una camera a guanti, a una centrifuga, a uno spettrofotometro UV-Vis e a un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) per la sintesi e la caratterizzazione.
- La standardizzazione dei passaggi di scambio del solvente e di purificazione è fondamentale per garantire coerenza tra diversi lotti.
- È necessario valutare l'adattamento in base alla compatibilità tra fase acquosa e fase organica negli ambienti degli assay biologici.
- Limitazione pratica: la purificazione in più passaggi aumenta la complessità del processo e può influire sulla scalabilità per produzioni su larga scala.
