Синтез, характеристика и Функционализация гибридных Au / CdS и Au / ZnS ядро / оболочка наночастицами
2 марта 2016 г.
Выполняется синтез однородных наночастиц золота, покрытых полупроводниковыми оболочками CdS или ZnS. Нанесение полупроводникового покрытия осуществляется путем нанесения сначала оболочки из сульфида серебра и замены катионов серебра на катионы цинка или кадмия.
Общая цель этой процедуры заключается в получении наночастиц золота, покрытых широкой запрещенной оболочкой полупроводника. Материалом корпуса может быть сульфид кадмия или цинка, а толщина должна быть регулируемой. Этот метод позволяет преодолеть большое несоответствие решетки между ядром и оболочкой за счет использования четырехступенчатого метода катионного обмена для формирования оболочек.
Основным преимуществом этого метода является возможность получения высокомонодисперсных наночастиц оболочки с золотым сердечником с отличным контролем толщины оболочки. Наночастицы, полученные с помощью этого метода, могут быть использованы в качестве плазмонных элементов, которые сопрягаются с поглотителями в оптоэлектронных системах, поскольку широкая запрещенная оболочка позволяет точно настраивать расстояния взаимодействия. Настройка взаимодействий таким образом позволяет нам ограничить потери и максимизировать поглощение или выигрыш в излучении, а также дает представление о потенциале экситонного плазмонного взаимодействия для целого ряда применений.
Чтобы начать синтез наночастиц золота, поработайте в бардачке, чтобы взвесить золотую соль в предварительно очищенном царской водкой флаконе перед разбавлением со 100 миллилитрами воды в мерной колбе. Затем добавьте 3,2 грамма твердого цетилтриметиламмония хлорида, или CTAC, и нагрейте в 25 миллилитрах воды примерно до 60 градусов Цельсия для растворения. Остудить смесь до комнатной температуры и развести до 50 миллилитров с водой в мерной колбе для приготовления 0,2 молярного раствора ЦТАК.
Смешайте 20 миллилитров одного миллимолярного раствора золота и 20 миллилитров 0,2 молярного раствора CTAC в кипящей колбе с круглым дном. Дайте перемешаться на масляной бане, установленной при температуре 60 градусов Цельсия, в течение десяти минут. Далее добавьте в золотой раствор CTAC 1,7 миллиграмм твердого борана трет-бутиламина, и дайте смеси помешать в течение 30 минут.
Раствор должен стать темно-красным. Полученный раствор имеет концентрацию частиц золота около 5 микромоляров и может храниться в течение нескольких месяцев или использоваться сразу для следующей фазы реакции. Затем добавьте раствор серебра по каплям в раствор золота и аскорбиновой кислоты и дайте реакции помешать в течение двух часов.
В масляной ванне при температуре 70 градусов Цельсия смешайте 10 миллилитров наночастиц золота с аскорбиновой кислотой, чтобы получить 20 миллимолярный раствор. Далее приготовьте 4,0 миллимолярный раствор нитрата серебра в пяти миллилитрах воды. В ходе реакции реакция будет меняться от светло-оранжевого до темного цвета в зависимости от толщины скорлупы.
Центрифугируйте наночастицы при давлении 21, 130 г в течение десяти минут, а затем повторно диспергируйте в чистой воде. Сцеживайте надосадочную жидкость из гранулированных наночастиц, чтобы помочь удалить голые наночастицы золота или серебра, которые могли образоваться. Взвесьте элементарную серу в соотношении 200 к одному моляру к серебру, использованному на предыдущем этапе эксперимента.
На десять миллилитров золота серебряного ядра частиц оболочки и пятинанометровую оболочку, в десяти миллилитрах толуола растворить 1,5 миллилитра олеиновой кислоты и три миллилитра олейламина. После растворения раствор должен стать светло-желтым. Остаточная вода может нарушить растворимость как наночастиц, так и свободных поверхностных молекул, что может привести к необратимой агрегации наондических частиц золота.
Чтобы обеспечить удаление воды на следующем этапе очистки, сконцентрируйте коллоиды серебра с помощью цетрифугации при 21, 130 г в течение десяти минут. Диспергируйте коллоиды серебра в одном миллилитре воды. Это позволяет повысить эффективность экстракции из водного слоя в органический слой при формировании серебряной оболочки.
Добавьте коллоиды по каплям в раствор серы при помешивании в течение одного часа. Раствор станет темно-синим для более тонких оболочек и фиолетовым для более толстых оболочек, поскольку сульфуризация идет к завершению. Добавьте тот же объем 70-процентного этанола перед центрифугированием.
Центрифугируйте коллоидный раствор при давлении 4000 г в течение 10 минут, после того как реакция перемешается в течение двух часов, чтобы удалить воду и непрореагировавшую серу из раствора. Избыток олейламина или олеиновой кислоты может выпасть из раствора и может быть удален после этого этапа путем сцеживания раствора из белого твердого вещества. При необходимости повторно диспергируйте наночастицы путем ультразвуковой обработки в ванне-соникаторе в течение от 30 секунд до одной минуты с целью диспергирования в толуол.
Сделайте металлический прекурсор, растворив нитрат металла в одном миллилитре метанола, чтобы получить 0,2 молярного раствора нитрата кадмия или нитрата цинка. Смешайте металлический раствор с частицами нанона, покрытыми сульфидом серебра, в молярном соотношении один к одному с серебром. Нагрейте до 50 градусов Цельсия для оболочки из кадмия и до 65 градусов Цельсия для цинковых оболочек в атмосфере азота.
Далее добавьте трибутилфосфин в соотношении 500 к одному моляру к металлическому прекурсору. Очистите центрифугированием при давлении 21 130 г в течение десяти минут, чтобы удалить любые изолированные наночастицы сульфида кадмия или сульфида цинка, которые могли образоваться. Диспергируйте гранулированные наночастицы в чистом неполярном растворителе, таком как гексан, толуол или хлороформ.
Здесь представлены изображения просвечивающей электронной микроскопии, или ПЭМ-изображения наночастиц золота, синтезированных с использованием CTAC в качестве поверхностно-активного вещества. Наночастицы были монокристаллическими с диаметром 16 нанометров и стандартным отклонением 0,4 нанометра. Толщину серебряной оболочки можно контролировать с помощью ультрафиолетовой спектроскопии видимого поглощения.
На этом рисунке толщина серебра увеличивается от черного до светло-голубого. Поверхностный плазмон наночастиц золота смещается в сторону более высоких энергий по мере увеличения толщины серебряной оболочки. Здесь представлены ПЭМ-изображения наночастиц золота с серебряными оболочками.
Серебро выращивается на золотом сердечнике, чтобы обеспечить шаблон для последующей полупроводниковой оболочки. Оболочки настроены от трех до семи нанометров в радиусе. На следующем этапе наночастицы, покрытые серебром, обрабатываются серой с образованием оболочки из сульфида серебра.
Получившиеся раковины, как правило, немного крупнее предыдущих серебряных оболочек, но равномерны по распределению. Наконец, кадмий, в данном примере, или цинк, может быть использован для замены ионов серебра и получения полупроводниковой оболочки из сульфида кадмия или сульфида цинка. Полученная оболочка является монокристаллической с радиусом, соответствующим радиусу серебра на первом этапе нанесения покрытия.
После освоения этой техники ее можно выполнить за семь-восемь часов при правильном выполнении. Пытаясь выполнить эту процедуру, важно правильно очистить всю стеклянную посуду царской водкой перед использованием. После просмотра видео вы сможете покрыть водные наночастицы золота сульфидом кадмия или цинка.
Наночастицы золота покрыты серебром, которое преобразуется в сульфид серебра. Наконец, серебро обменивается на кадмий или цинк.
Просмотрите полный транскрипт и получите доступ к тысячам научных видео
Обзор
Данное исследование посвящено синтезу наночастиц золота, покрытых полупроводниковыми оболочками из сульфида кадмия (CdS) или сульфида цинка (ZnS). В работе используется четырехэтапный метод катионного обмена для достижения однородности и регулируемой толщины оболочки, что расширяет возможности применения наночастиц в оптоэлектронных системах.
Основные компоненты исследования
Область науки
- Синтез наночастиц
- Полупроводниковые покрытия
- Оптоэлектроника
Теоретическая справка
- Наночастицы золота представляют большую ценность в различных областях применения благодаря своим уникальным оптическим свойствам.
- Покрытие наночастиц золота полупроводниковыми материалами позволяет расширить их функциональные возможности.
- В данном исследовании рассматривается проблема несоответствия кристаллических решеток материалов ядра и оболочки.
- Для изучения возможности регулировки свойств исследуются широкозонные полупроводники, такие как CdS и ZnS.
Цель исследования
- Разработать метод получения наночастиц золота с полупроводниковыми оболочками.
- Обеспечить точный контроль толщины полупроводникового покрытия.
- Изучить возможности применения данных наночастиц в оптоэлектронных системах.
Используемые методы
- Четырехэтапный метод катионного обмена для формирования оболочки.
- Осаждение оболочки из сульфида серебра перед катионным обменом.
- Использование катионов кадмия или цинка для формирования окончательной полупроводниковой оболочки.
- Характеристика размера наночастиц и толщины оболочки.
Основные результаты
- Успешно синтезированы наночастицы золота с однородными полупроводниковыми оболочками.
- Продемонстрирована возможность регулирования толщины оболочки с помощью процесса катионного обмена.
- Показан потенциал данных наночастиц в усилении плазмонных взаимодействий.
- Получены сведения об экситон-плазмонном взаимодействии для различных областей применения.
Выводы
- Разработанный метод позволяет получать высокомонодисперсные наночастицы золота со структурой ядро-оболочка.
- Эти наночастицы могут быть использованы в оптоэлектронных системах для оптимизации поглощения и излучения.
- В исследовании подчеркивается важность контроля свойств оболочки для применения в передовых технологиях.
Часто задаваемые вопросы
Практическая значимость для отрасли
Точный контроль интерфейсов плазмонных наночастиц обеспечивает возможность регулировать взаимодействия между светом и веществом, что имеет решающее значение для разработки оптоэлектронных сенсоров и оптимизации диагностических платформ. Данный метод решает одну из ключевых проблем материаловедения в биофотонике, позволяя создавать воспроизводимые наноструктуры типа ядро-оболочка с регулируемыми разделительными слоями, что способствует проведению механистических исследований анализов с плазмонным усилением. Такие возможности повышают достоверность прогнозов при валидации мишеней на ранних этапах за счет снижения неопределенности в механизмах передачи сигнала.
Стратегическое применение в биофармацевтических исследованиях и разработках
Первичный поиск и валидация мишени
- Научная ценность: позволяет исследовать зависимость плазмонных эффектов от расстояния при передаче сигналов хромофоров, что способствует проверке гипотез при разработке биосенсоров.
- Практическая ценность: обеспечивает получение высокомонодисперсных наночастиц с регулируемой толщиной оболочки, что гарантирует стабильность выходного сигнала в повторяющихся экспериментах.
Скрининг и разработка анализа
- Научная ценность: Обеспечивает получение стандартизированных плазмонных элементов с оболочками с широкой запрещенной зоной, что минимизирует тушение и максимизирует отношение сигнал/шум в анализах на основе флуоресценции.
- Практическая ценность: Способствует стандартизации анализа за счет точного контроля расстояния на интерфейсе «наночастица — оптика», что повышает воспроизводимость при высокопроизводительном скрининге.
Трансляционные и доклинические исследования
- Научная ценность: упрощает механизмы снижения рисков для систем детекции с плазмонным усилением, позволяя систематически варьировать толщину прослойки для оптимизации усиления сигнала.
- Практическая ценность: позволяет получать однородные наночастицы структуры «ядро-оболочка», подходящие для масштабирования и интеграции в микрофлюидные диагностические системы или форматы экспресс-анализа.
Интеграция в конвейер и рабочий процесс
Данный метод вписывается в континуум открытий — от раннего подтверждения гипотезы о мишени до оптимизации анализа, предоставляя настраиваемую плазмонную платформу, которая поддерживает итерационные циклы «проектирование-сборка-тестирование» при разработке биосенсоров.
- Фундаментальная биология: Поддержка проверки гипотез о плазмонном усилении, зависящем от расстояния, в системах с сопряженными хромофорами.
- Скрининг: Обеспечение готовности анализа за счет воспроизводимого синтеза наночастиц с контролируемыми оптическими свойствами.
- Аналитика: Получение количественных данных о плазмонном сдвиге с помощью УФ-видимой спектроскопии для установления корреляции между толщиной оболочки и оптическим откликом.
- Трансляционные исследования: Обеспечение преемственности этапов от оптимизации наночастиц до доклинической валидации диагностических сигналов с плазмонным усилением.
- Корпоративное повторное использование: Создание многоцелевой платформы наноматериалов для различных программ разработки анализов, требующих модуляции плазмонного сигнала.
Операционное и корпоративное воздействие
- Научная ценность: Повышение точности прогнозирования при проектировании плазмонных анализов за счет регулируемого контроля расстояния экситон-плазмонного взаимодействия.
- Практическая ценность: Высокая воспроизводимость и монодисперсность снижают вариативность генерации сигнала между различными партиями анализов.
- Стратегическая ценность: Обеспечивает возможность принятия обоснованных решений о целесообразности дальнейшей разработки биосенсоров путем количественной оценки плазмонного вклада в выходной сигнал.
- Влияние на портфель разработок: Поддерживает инвестиции в технологии оптического детектирования с учетом рисков за счет снижения неопределенности механизмов усиления сигнала.
Особенности реализации
- Для выполнения многоступенчатого протокола катионного обмена требуется опыт в области синтеза наноматериалов и коллоидной химии.
- Для синтеза и характеризации необходим доступ к перчаточному боксу, центрифугированию, УФ-видимой спектроскопии и ПЭМ.
- Стандартизация этапов замены растворителя и очистки имеет решающее значение для обеспечения воспроизводимости от партии к партии.
- Рассмотрение особенностей адаптации при переходе от водной к органической фазе для обеспечения совместимости в условиях биологического анализа.
- Практическое ограничение: многоступенчатая очистка увеличивает сложность процесса и может повлиять на масштабируемость при крупносерийном производстве.
