Síntese, caracterização e funcionalização de híbrida UA / CDS e Au / ZnS Núcleo / Shell Nanopartículas
2 de março de 2016
A síntese de nanopartículas de ouro uniformes revestidas com camadas semicondutoras de CdS ou ZnS é realizada. O revestimento semicondutor é conduzido depositando primeiro um invólucro de sulfeto de prata e trocando os cátions de prata por cátions de zinco ou cádmio.
O objetivo geral deste procedimento é preparar nanopartículas de ouro que são revestidas com um invólucro semicondutor de banda larga. O material da casca pode ser sulfeto de cádmio ou zinco, e a espessura deve ser ajustável. Essa técnica supera a grande incompatibilidade de rede entre o núcleo e a casca usando uma técnica de troca catiônica de quatro etapas para formar as cascas.
A principal vantagem desta técnica é a capacidade de produzir nanopartículas de casca de núcleo de ouro altamente monodispersas com excelente controle da espessura da casca. As nanopartículas produzidas com esta técnica podem ser usadas como elementos plasmônicos que se acoplam a absorvedores em sistemas optoeletrônicos, pois o invólucro de bandgap largo permite o ajuste preciso das distâncias de interação. O ajuste das interações dessa maneira nos permite limitar as perdas e maximizar os ganhos de absorção ou emissão e fornecer informações sobre o potencial do acoplamento do plasmon éxciton para uma variedade de aplicações.
Para iniciar a síntese de nanopartículas de ouro, trabalhe em um porta-luvas para pesar sal de ouro em um frasco previamente limpo com água régia antes de diluir com 100 mililitros de água em um balão volumétrico. Em seguida, adicione 3,2 gramas de cloreto sólido de cetiltrimetilamônio, ou CTAC, e aqueça em 25 mililitros de água a aproximadamente 60 graus Celsius para dissolução. Resfrie a mistura à temperatura ambiente e dilua a 50 mililitros com água em um balão volumétrico para preparar uma solução CTAC 0,2 molar.
Misture 20 mililitros de uma solução milimolar de ouro e 20 mililitros de solução CTAC 0,2 molar dentro de um balão de ebulição de fundo redondo. Deixe misturar em banho de óleo a 60 graus Celsius por dez minutos. Em seguida, adicione 1,7 miligramas de terc-butilamina de borano sólido à solução de ouro CTAC e deixe a mistura mexer por 30 minutos.
A solução deve ficar vermelha profunda. A solução resultante tem uma concentração de partículas de ouro de cerca de 5 micromolares e pode ser armazenada por meses a fio ou usada imediatamente para a próxima fase da reação. Em seguida, adicione a solução de prata gota a gota à solução de ouro e ácido ascórbico e deixe a reação agitar por duas horas.
Em um banho de óleo a 70 graus Celsius, misture 10 mililitros de nanopartículas de ouro com ácido ascórbico para fazer uma solução de 20 milimolares. Em seguida, prepare uma solução de nitrato de prata 4,0 milimolares em cinco mililitros de água. A reação ficará laranja claro a escuro, dependendo da espessura da casca ao longo da reação.
Centrifugue as nanopartículas a 21.130 gs por dez minutos e, em seguida, disperse novamente em água limpa. Decantar o sobrenadante das nanopartículas peletizadas para ajudar na remoção de nanopartículas de ouro nuas ou nanopartículas de prata, que podem ter sido formadas. Pesar o enxofre elementar em uma proporção de 200 para um molar em relação à prata usada no estágio anterior do experimento.
Para dez mililitros de partículas de casca de núcleo de ouro e prata e uma concha de cinco nanômetros, em dez mililitros de tolueno, dissolva 1,5 mililitros de ácido oleico e três mililitros de oleilamina. Uma vez dissolvida, a solução deve ser amarela clara. A água residual pode interromper a solubilidade das nanopartículas e das moléculas surfativas livres, possivelmente levando à agregação irreversível das nanopartículas de ouro.
Para garantir a remoção da água durante a próxima etapa de purificação, concentre os colóides de prata por cetrifugação a 21.130 gs por dez minutos. Disperse os colóides de prata em um mililitro de água. Isso ajuda a aumentar a eficiência da extração da camada aquosa para a camada orgânica após a formação da casca de prata.
Adicione os colóides gota a gota à solução de enxofre sob agitação por uma hora. A solução ficará azul escura para cascas mais finas, roxa para cascas mais grossas, à medida que a sulfurização for concluída. Adicione o mesmo volume de etanol a 70% antes de centrifugar.
Centrifugar a solução coloidal a 4 000 g durante 10 minutos, após a reacção ter sido agitada durante duas horas, para retirar a água e o enxofre não reagido da solução. O excesso de oleilamina ou ácido oleico pode cair da solução e pode ser removido após esta etapa, decantando a solução do sólido branco. Se necessário, redispersar as nanopartículas sonicando em um sonicador de banho por 30 segundos a um minuto para se dispersar no tolueno.
Faça o precursor de metal dissolvendo o nitrato de metal em um mililitro de metanol para fazer uma solução molar de 0,2 de nitrato de cádmio ou nitrato de zinco. Misture a solução de metal com as partículas de naon com casca de sulfeto de prata em uma proporção de um para um molar com a prata. Aqueça a 50 graus Celsius para conchas de cádmio e 65 graus Celsius para conchas de zinco, sob uma atmosfera de nitrogênio.
Em seguida, adicione tributilfosfina em uma proporção de 500 para um molar ao precursor do metal. Purificar por centrifugação a 21, 130 gs durante dez minutos, a fim de remover quaisquer nanopartículas isoladas de sulfureto de cádmio ou de sulfeto de zinco que possam ter sido formadas. Disperse as nanopartículas peletizadas em um solvente limpo e apolar, como hexano, tolueno ou clorofórmio.
Aqui são mostradas imagens de microscopia eletrônica de transmissão, ou imagens TEM de nanopartículas de ouro sintetizadas com CTAC como surfactante. As nanopartículas eram monocristalinas com um diâmetro de 16 nanômetros e um desvio padrão de 0,4 nanômetros. A espessura da concha de prata pode ser monitorada por meio de espectroscopia de absorção visível ultravioleta.
Nesta figura, a espessura da prata aumenta do preto para o azul claro. O plasmon de superfície das nanopartículas de ouro muda para energias mais altas à medida que a espessura da casca de prata aumenta. Imagens TEM de nanopartículas de ouro com conchas de prata são mostradas aqui.
A prata é cultivada no núcleo de ouro para fornecer um modelo para o invólucro semicondutor subsequente. As conchas são ajustadas de três a sete nanômetros de raio. Na próxima etapa, as nanopartículas revestidas de prata são tratadas com enxofre para formar uma casca de sulfeto de prata.
As conchas resultantes tendem a ser ligeiramente maiores do que as conchas de prata anteriores, mas uniformes na distribuição. Finalmente, o cádmio, neste exemplo, ou zinco pode ser usado para substituir os íons de prata e produzir um invólucro semicondutor de sulfeto de cádmio ou sulfeto de zinco. A casca resultante é cristalina única com um raio correspondente ao raio de prata na primeira etapa de revestimento.
Uma vez dominada, essa técnica pode ser feita em sete a oito horas, se executada corretamente. Ao tentar este procedimento, é importante limpar adequadamente todos os copos com água régia antes de usar. Depois de assistir ao vídeo, você poderá revestir nanopartículas aquosas de ouro com sulfeto de cádmio ou zinco.
As nanopartículas de ouro são revestidas com prata, que é transformada em sulfeto de prata. Finalmente, a prata é trocada por cádmio ou zinco.
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Visão Geral
Este estudo foca na síntese de nanopartículas de ouro revestidas com camadas semicondutoras de sulfeto de cádmio (CdS) ou sulfeto de zinco (ZnS). A técnica emprega um método de troca catiônica em quatro etapas para alcançar uniformidade e espessura da camada ajustável, aprimorando as aplicações das nanopartículas em sistemas optoeletrônicos.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Síntese de Nanopartículas
- Revestimentos Semicondutores
- Optoeletrônica
Contexto
- As nanopartículas de ouro são valiosas em diversas aplicações devido às suas propriedades ópticas únicas.
- O revestimento de nanopartículas de ouro com materiais semicondutores pode aumentar sua funcionalidade.
- O desafio do desalinhamento de rede entre os materiais do núcleo e da camada é abordado neste estudo.
- Semicondutores de grande largura de banda, como CdS e ZnS, são explorados por suas propriedades ajustáveis.
Objetivo do Estudo
- Desenvolver um método para produzir nanopartículas de ouro com camadas semicondutoras.
- Obter controle preciso sobre a espessura do revestimento semicondutor.
- Investigar as possíveis aplicações dessas nanopartículas em sistemas optoeletrônicos.
Métodos Utilizados
- Técnica de quatro etapas de troca catiônica para formação da camada.
- Deposição de uma camada de sulfeto de prata antes da troca catiônica.
- Uso de cátions de cádmio ou zinco para formar a camada semicondutora final.
- Caracterização do tamanho da nanopartícula e da espessura da camada.
Resultados Principais
- Síntese bem-sucedida de nanopartículas de ouro com cascas semicondutoras uniformes.
- Demonstração da possibilidade de ajuste da espessura da casca por meio do processo de troca catiônica.
- Mostrou o potencial dessas nanopartículas no aumento das interações plasmônicas.
- Fornecimento de informações sobre o acoplamento entre excitons e plasmons para diversas aplicações.
Conclusões
- O método desenvolvido permite a produção de nanopartículas de ouro com núcleo e camada externa altamente monodispersas.
- Essas nanopartículas podem ser utilizadas em sistemas optoeletrônicos para otimizar a absorção e a emissão.
- O estudo destaca a importância do controle das propriedades da camada externa para aplicações avançadas.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
O controle preciso sobre as interfaces de nanopartículas plasmônicas permite interações luz-matéria ajustáveis, essenciais para o desenvolvimento de sensores optoeletrônicos e a otimização de plataformas diagnósticas. Este método aborda um desafio fundamental em materiais na biofotônica, fornecendo nanoestruturas núcleo-casca reprodutíveis com camadas espaçadoras ajustáveis, apoiando estudos mecanicistas de ensaios com aumento plasmônico. Tais capacidades melhoram a confiança preditiva na validação precoce de alvos, reduzindo a ambiguidade nos mecanismos de transdução de sinal.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvos
- Valor Científico: Permite investigar os efeitos plasmônicos dependentes da distância na sinalização de cromóforos, apoiando testes de hipóteses no design de biossensores.
- Valor Operacional: Produz nanopartículas altamente monodispersas com espessura do invólucro ajustável, garantindo saída de sinal consistente em experimentos replicados.
Triagem e Desenvolvimento de Ensaios
- Valor Científico: Fornece elementos plasmônicos padronizados com camadas de banda larga que minimizam a quenching e maximizam a relação sinal-ruído em ensaios baseados em fluorescência.
- Valor Operacional: Apoia a padronização de ensaios por meio do controle preciso da distância na interface nanopartícula-óptica, melhorando a reprodutibilidade em triagens de alto rendimento.
Pesquisa Translacional e Pré-Clinica
- Valor Científico: Facilita a redução de riscos mecanicistas em sistemas de detecção aprimorados por plasmonia, permitindo a variação sistemática da espessura do espaçador para otimizar o ganho de sinal.
- Valor Operacional: Produz nanopartículas uniformes do tipo núcleo-casca, adequadas para ampliação de escala e integração em formatos diagnósticos microfluídicos ou de ponto de detecção.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
Essa técnica insere-se no continuum de descoberta, desde a validação inicial da hipótese do alvo até a otimização de ensaios, fornecendo uma plataforma plasmônica ajustável que apoia ciclos iterativos de projetar-construir-testar no desenvolvimento de biossensores.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre o aprimoramento plasmônico dependente da distância em sistemas acoplados a cromóforos.
- Triagem: Permite a preparação do ensaio por meio da síntese reprodutível de nanopartículas com propriedades ópticas controladas.
- Análises: Gera dados quantificáveis de deslocamento do plasmon por espectroscopia UV-Vis para correlacionar a espessura da camada com a resposta óptica.
- Pesquisa Translacional: Apoia a continuidade desde a otimização de nanopartículas até a validação pré-clínica de sinais diagnósticos aprimorados por plasmon.
- Reutilização Empresarial: Estabelece uma plataforma reutilizável de nanomateriais para múltiplos programas de desenvolvimento de ensaios que exijam modulação de sinal plasmônico.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Confiança preditiva no projeto de ensaios plasmônicos por meio do controle ajustável da distância de acoplamento entre excitons e plasmons.
- Valor Operacional: Alta reprodutibilidade e monodispersão reduzem a variabilidade na geração de sinal entre diferentes lotes do ensaio.
- Valor Estratégico: Permite decisões baseadas em dados sobre prosseguir ou interromper o desenvolvimento de biossensores, ao quantificar a contribuição plasmônica na saída do sinal.
- Impacto no Portfólio: Apoia investimentos ajustados ao risco em tecnologias de detecção óptica, reduzindo a incerteza mecanicista no realce do sinal.
Considerações de Implementação
- É necessária experiência na síntese de nanomateriais e na química coloidal para o protocolo de troca catiônica em múltiplas etapas.
- É necessário acesso a caixa de luvas, centrifugação, espectroscopia UV-Vis e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para a síntese e caracterização.
- A padronização das etapas de troca de solvente e purificação é fundamental para a consistência entre diferentes lotes.
- Devem ser consideradas adaptações quanto à compatibilidade entre fase aquosa e orgânica em ambientes de ensaios biológicos.
- Limitação prática: a purificação em múltiplas etapas aumenta a complexidade do processo e pode afetar a escalabilidade para produção em grande volume.
