Een techniek om functionaliseren en zelf-assembleren Macroscopisch Nanoparticle-ligand Monolayer Films op-Sjabloonloze Substrates

Samenvatting

Een eenvoudige, robuuste en schaalbare techniek om functionaliseren en zelf te monteren macroscopische nanodeeltjes-ligand monolaag films op-template gratis substraten wordt beschreven in dit protocol.

Samenvatting

Dit protocol beschrijft een zelf-assemblage techniek om macroscopische monolaag films samengesteld uit-ligand gecoate nanodeeltjes ^{1, 2} creëren. De eenvoudige, robuuste en schaalbare techniek efficiënt functionalizes metallische nanodeeltjes met thiol-liganden in een mengbaar water / organisch oplosmiddel mengsel om snelle enten van thiol groepen op de gouden nanodeeltjes oppervlak. De hydrofobe liganden op nanodeeltjes dan snel fasescheiding de nanodeeltjes uit de waterige suspensie op en beperken ze de lucht-vloeistof-interface. Dit drijft de-ligand bedekte nanodeeltjes monolaag domeinen vormen bij de lucht-vloeistof interface. Het gebruik van met water mengbare organische oplosmiddelen is belangrijk omdat het mogelijk maakt het transport van de nanodeeltjes van het grensvlak op-template substraten. De stroom wordt gemedieerd door een oppervlaktespanning gradiënt ^{3, 4} en creëert macroscopische, hoge dichtheid monolaag nanoparticle-ligand films. Deze zelf-assemblage techniek kan worden gegeneraliseerd tot het gebruik van deeltjes van verschillende samenstelling, grootte bevatten en vorm en kan leiden tot een efficiënte werkwijze voor het samenstellen van goedkope, macroscopische, hoge dichtheid monolaag nanodeeltjes films voor wijdverbreide toepassingen produceren .

Inleiding

De zelf-assemblage van macroscopische nanodeeltjes films heeft veel aandacht getrokken vanwege hun unieke eigenschappen bepaald op basis van de geometrie en de samenstelling van de elementen ⁵ en kan leiden tot een breed scala van optische, elektronische en chemische toepassingen ^6-14. Om zelf te monteren dergelijke films metallische nanodeeltjes afgedekt met liganden moeten worden verpakt in hoge dichtheid, monolagen. Maar verschillende assemblage kwesties moeten worden gericht aan de ontwikkeling van dergelijke materialen te bevorderen.

Eerste, oppervlakteactieve gestabiliseerde nanodeeltjes worden meestal gesynthetiseerd door nat-chemische methoden in verdunde suspensies ^15. Aggregatie voorkomen en de wisselwerking afstand van de nanodeeltjes in de films besturen, moet de nanodeeltjes worden afgedekt met ligand schelpen. Nadat de nanodeeltjes zijn gefunctionaliseerd met liganden nanoparticles meestal blijven relatief verdunde suspensies. Een techniek is dan needed om zelf te monteren de nanodeeltjes in macroscopische, high-density, monolaag films ^{16, 17.}

Cheng et al.. ¹⁸ fase overgebracht goud nanorods behulp gethioleerde polystyreen in een met water tetrahydrofuraan schorsing. De nanorods werden vervolgens geresuspendeerd in chloroform en een druppel werd geplaatst in een lucht-water grensvlak en ingedampt langzaam vorming monolaag films. Bigioni et al.. ¹⁷ gemaakt macroscopische monolagen van dodecaanthiol bedekte goud nanospheres behulp overmaat ligand en een snelle verdamping van het oplosmiddel, maar de nanobolletjes die nodig is om fase voorafgaand overgebracht naar zelf-assemblage zijn.

Zodra de monolaag film ontstaat ze normaal gesproken moet op een substraat te transporteren. Mayya et al.. ³ opgesloten nanospheres bij een water-tolueen-interface en overgebracht ze op-template gratis substraten met behulp van oppervlaktespanning gradiënten. Evenzo Johnson et al.. ⁴ opgeschort zilver nanospheres dan ligand en vervolgens vertaald de nanodeeltjes op de wanden van de flacon met behulp van oppervlaktespanning gradiënten uit twee niet-mengbare vloeistoffen. Terwijl assemblagetechnieken bestaan ​​elk van deze punten de behoefte aan efficiënte technieken nodig om te helpen bij de ontwikkeling van grootschalige nanodeeltjes filmproductie pakken.

Hier laten we een eenvoudige en robuuste techniek die de drie zelfassemblage problemen hierboven beschreven om een "een-pot" techniek figuur 1 gecombineerd. Een water mengbaar organisch oplosmiddel (bijv. tetrahydrofuran, dimeythl sulfoxide) wordt gebruikt eerst snel en efficiënt thiol-liganden (bijv. thiol-alkaan, thiol-, thiol-fenol) functionaliseren op de nanodeeltjes (bijvoorbeeld goud nanosferen, nanorods, enz.). Het mengsel rijdt vervolgens zelf-assemblage van de nanodeeltjes in macroscopische, high-density, monolayer films in de lucht-vloeistof interface met behulp van fasescheiding. Tenslotte monolaag films van nanodeeltjes vormen op-template substraten middels oppervlaktespanning gradiënten van water / organisch oplosmiddel-mengsel, Figuur 2 en Figuur 3.

Protocol

1. Zelf geassembleerde ligand-nanodeeltjes Monolagen

Als illustratief voorbeeld van de zelf-montagetechniek, macroscopische, thiol-alkaan bedekte gouden nanosphere monolaag films worden als volgt geproduceerd:

1. Concentreer 15 nm goud nanospheres (in de handel verkrijgbaar bij een aantal dichtheid: 10 ¹² deeltjes / ml) tot ~ 10 ¹³ deeltjes / ml in water.
   1. Plaats 15 ml van de verdunde nanosfeer water suspensie in een ultra centrifugaalfilter (100 K nominaal moleculair gewicht limiet).
   2. Centrifugeer de filter / flacon bij 4.500 xg gedurende 2 minuten of tot slechts een paar ml blijven in de filterkamer.
2. Resuspendeer de NanoSphere in ongeveer 1 ml gedeïoniseerd (DI) water zodanig dat de nanodeeltjes concentratie 10 ¹³ deeltjes / ml. De ophanging is stabiel gedurende enkele uren een keer opnieuw gesuspendeerd in DI water.
   1. Controleer het aantal dichtheid en bevestig de nanodeeltjes have niet samengevoegd. Verdun de geconcentreerde suspensie nanodeeltjes met een factor 1:10 naar de oorspronkelijke concentratie plaatsen 0,150 ml van de suspensie in een cuvet (1 cm padlengte), en deze add 1,35 ml DI water.
   2. Plaats de cuvet in een spectrometer en meet de absorptie spectrum van de ophanging en de originele ophanging. Vergelijk de piek positie en de volle breedte op halve hoogte om ervoor te zorgen aggregatie niet heeft plaatsgevonden. De omvang van de absorptie pieken voor beide monsters moet ongeveer gelijk zijn, waardoor het geconcentreerde monster dichter een factor 10.
3. In een aparte schone 20 ml boorsilicaatglasflesje voeg 1 ml tetrahydrofuran (THF).
4. Voeg de thiol-alkaan liganden (bijv. 5 ml 1,6-hexaandithiol en 5 ml 1-dodecanethiol) de THF en schud de oplossing gelijkmatig te mengen. Genoeg ligand worden toegevoegd aan ten minste het gehele oppervlak van de gesuspendeerde nanodeeltjes omvatten. Excess ligand verhoogt de snelheid en efficiëntie van de reactie.
5. In een zuurkast, giet de inhoud van de flacon met het goud nanosferen in de flacon van THF-liganden.
6. Snel schroef op het deksel en schud de flacon krachtig gedurende 15 sec.
7. Verwijder het deksel en stel de flacon in de zuurkast, figuur 1 (a). Afhankelijk van de gebruikte liganden, domeinen van gouden nanodeeltjes films snel vormen in de lucht-water grensvlak, figuur 1 (c). De films worden dan beginnen vertalen de zijkanten van de flacon, Figuur 1 (d). Bijna alle nanodeeltjes afgedekt met thiol-ligand, uit de suspensie en binnen 1 uur, Figuur 1 (e) getransporteerd naar de zijkanten van de flacon.

2. Overdracht van de Monolagen op Removable Substrates

1. Om de films op verwijderbaar glazen en silicium wafer substraten overbrengen: snijd de substraten in een gebied van 12,5 mm x 25,4 mm met behulp van eenschrijvende pen / wiel.
   1. Glassubstraten: schoon met een aceton spoeling, gevolgd door een isopropylalcohol spoelen, en tenslotte een DI-water spoelen. Laat de substraten te drogen, verder met paragraaf 2.2.
   2. Silicon wafersubstraten: in een zuurkast te bereiden Piranha-oplossing (3 delen geconcentreerd zwavelzuur op 1 deel 30% waterstofperoxide, LET OP: oxidator, bijtend). Plaats 15 ml zwavelzuur in een 20 ml boorsilicaatglasflesje. Om dit langzaam 5 ml van 30% waterstofperoxide. Niet de dop op de flacon. Wees voorzichtig; het mengsel is sterk exotherm. Zie de referentie voor meer informatie over veiligheid ^19.
   3. Dompel zorgvuldig de silicium wafer substraten in Piranha-oplossing gedurende 30 minuten, te verwijderen, spoelen met DI-water en droog met stikstof.
   4. Als optionele stap kan de flacon wordt gebruikt voor de nanodeeltjes ligand uitwisseling en zelf-assemblage worden salinized alle nanodeeltjes dwingen op het glazen substraat of silicon wafeltje in plaats van de wanden van de glazen flacon, anders verder met paragraaf 2.2.
   5. Vul het glazen flesje met piranha-oplossing (LET OP: oxidator, bijtend), zie paragraaf 2.1.2.
   6. Laat de flacon om te genieten gedurende 30 minuten. Na 30 min. Spoel de flacon met DI water.
   7. Vul injectieflacon met 1% v / v hexamethyldisilazaan in aceton en cap.
   8. Toelaten dat de gesloten flacon om te genieten voor 24 uur, dan afspoelen met DI-water en droog met stikstof.
2. Voorafgaand aan het schudden (paragraaf 1.6) plaatst het substraat in de flacon. Schroef op het deksel en schud.
3. Na het schudden verwijderen deksel en, met een pincet, de positie van de ondergrond bijna verticaal tegen de flacon muur.
4. Gebruik een pipet om laag het reactiemengsel op het substraat. De reactie beëindigd wanneer alle organische oplosmiddel is verdampt of alle nanodeeltjes zijn verwijderd uit de suspensie.

3. Monolaag Analyse

1. Schat deVerpakking efficiëntie van de nanosferen in de monolaag snel en houdt de transmissie en reflectie-eigenschappen van de film. Verlichten de monolaag op glazen substraten van achter met een wit-lichtbron. Met een witte lichtbron, moet een uniform gekleurde film worden waargenomen voor high-density nanodeeltjes monolaag films in de transmissie en een goud-achtige reflectie waargenomen in reflectie, figuur 2.
2. Gebruik een spectrometer (zie paragraaf 1.2.2) aan de macroscopische absorptie spectrum kwantificeren van de monolagen, Figuur 4. Normaliseren de absorptie spectrum met een schone glasplaatje. Monteer de monolaag film, op een glazen substraat, in de stralengang van de spectrometer en het verzamelen van de absorptie spectrum.
   Opmerking: De absorptie piek moet aanzienlijk roodverschoven enkele honderden nanometer, afhankelijk van de gebruikte ligand. De kwaliteitsfactor van de absorptiepiek moet vergelijkbaar zijn met de verdunde suspensie waarde, maar slechts licht broadened (Figuur 4). Als de extinctie piek is zeer breed of niet goed omschreven dan de monolaag films zijn waarschijnlijk van slechte kwaliteit, verder met paragraaf 3.3 voor verdere karakterisering.
3. Onderzoek de nanoscopische ordening van de nanosferen behulp van scanning elektronenmicroscopie (SEM) van monolagen overgebracht op silicium wafer substraten (zie paragraaf 2.1.2) zoals getoond in figuur 3. Wanneer de films op glassubstraten verbinding geleidende tape een hoek van de film en maalde het met de SEM voetstuk om oplading te voorkomen en laat beeldvorming.

4. Efficiënte Phase Transfer Techniek voor biologisch oplosbare nanodeeltjes

1. Om de techniek als een doeltreffend middel om nanodeeltjes met thiol-liganden te functionaliseren, giet de resterende oplossing uit de bodem van de inhoud nadat de reactie voltooid is, paragraaf 1.7, en het materiaal droog in de flacon onder stikstof.
2. Voeg een organisch oplosmiddel (bijv.chloroform, tolueen) om opnieuw te schorten de nanodeeltjes met bijna 100% deeltje fasetransfer en herstel.
3. Herhaal punt 1.2.1 te zorgen voor de nanodeeltjes zijn niet samengevoegd bij het opnieuw schorsing in het organische oplosmiddel. Als de absorptiepiek is board ten opzichte van de oorspronkelijke suspensie, ultrasone trillingen het monster gedurende 15 minuten om redisperse nanoparticles figuur 4.

Resultaten

Figuur 1 (a) toont een suspensie van goud nanosferen, thiol-alkaan liganden, tetrahydrofuran en water in een glazen flesje onmiddellijk na het mengen. Een schema van de drie zelfassemblage stadia faseoverdrachtskatalysator, fasescheiding en oppervlaktespanning gradiënt gemedieerd transport film wordt getoond in Figuur 1 (b) een vergroot aanzicht van de lucht-vloeistof-interface nabij de zijde van de flacon.

De thiolgroepen op de liganden snel binden aan de g...

Discussie

Dit protocol beschrijft een 'one-pot' zelf-assemblage techniek om macroscopische nanodeeltjes-ligand monolaag films met behulp van fase-transfer, fasescheiding en oppervlaktespanning verlopen maken. Het voordeel van deze techniek is dat het combineert drie zelfassemblage in een enkele procedure, goedkope proces; door snel en efficiënt geleidelijk overdragen van de nanodeeltjes, de montage van de deeltjes in monolagen van het lucht-vloeistof interface en het transport van de monolaag films op-template gratis subs...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
1,6-hexanedithiol	Sigma	H12005-5G
1-dodecanethiol	Sigma	471364-100ML
20 ml vloeibare scintillatie-violen	Sigma	Z253081-1PAK
Aceton	Sigma	650501-1L
Amicon ultra-15 centrifugaalfilter	Millipore	100K
Centrifuge	Sorvall	RC5B
Centrifuge	Eppendorf	5810R
Degeïoniseerd water	In-house	N/A
Glazen dia's	Sigma	CLS294875X25-72EA
15 nm gouden nanospheres	Ted Pella, Inc	15703-1
Hexamethyldisilazane	Sigma	52619-50ML
Waterstofperoxide (30%)	Sigma	216763-100ML
Scannende elektronenmicroscoop	Carl Zeiss	Model 55
Gepolijste siliciumwafer	Sun Edison	N/A
Spectrometer	OceanOptics	USB4000-VIS-NIR
Zwavelzuur	Fisher	A300-212
Tetrahydrofuraan	Sigma	401757-100ML