Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Multifunktionel Hybrid Fe Published: February 20, 2016 doi: 10.3791/53598
Automatic Translation
1, 1, 2
1National Security Directorate, Savannah River National Laboratory, 2Analytical Development Directorate, Savannah River National Laboratory

Abstract

En af de mest anvendte fremgangsmåder til fremstilling af kolloide guld nanospherical partikler indebærer reduktion af chlorguldsyre (HAuCl 4) til neutral guld Au (0) ved at reducere midler, såsom natriumcitrat eller natriumborhydrid. Udvidelsen af denne metode til at dekorere jernoxid eller lignende nanopartikler med guld nanopartikler til at skabe multifunktionelle hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler er ligetil. Denne tilgang giver rimelig god kontrol over Au nanopartikler dimensioner og lastning på Fe 2 O 3. Endvidere kan Au metal størrelse, form og lastning let indstilles ved at ændre eksperimentelle parametre (f.eks reaktantkoncentrationer, reduktionsmidler, overfladeaktive etc.). En fordel ved denne procedure er, at reaktionen kan udføres i luft eller vand, og i princippet er muligt at foretage en opskalering. Brugen af sådanne optisk afstemmelige Fe 2 O 3 au nanopartikler til hyperthermia studier er en attraktiv mulighed, da det udnytter plasmoniske opvarmning af guld nanopartikler tunet til at absorbere lys kraftigt i VIS-NIR-regionen. Ud over sine plasmoniske effekter, nanoskala Au giver en unik overflade til interessante kemi og katalyse. Den Fe 2 O 3-materiale giver ekstra funktionalitet på grund af sin magnetiske egenskab. For eksempel kunne et eksternt magnetisk felt anvendes til at indsamle og genbruge den hybride Fe 2 O 3 -au nanopartikler efter en katalytisk eksperiment, eller alternativt kan den magnetiske Fe 2 O 3 anvendes til hypertermi studier gennem magnetisk varmeinduktion. Den er beskrevet i denne rapport fototermisk eksperiment måler bulktemperatur forandring og nanopartikel løsning massetab som funktion af tid ved hjælp af infrarøde termoelementer og en balance, hhv. Den lette prøvefremstilling og anvendelse af let tilgængeligt udstyr er særskilte fordele ved denne teknik. En advarsel er thved disse photothermal målinger vurdere bulkopløsningen temperatur og ikke overfladen af ​​nanopartikel hvor varmen transduceres og temperaturen er sandsynligvis højere.

Introduction

Fra og med deres anvendelse i det gamle dichroic-glas, har 1 guld nanopartikler (AuNPs) ofte bidraget til udviklingen af nye teknologier. 2,3 Mere moderne eksempler på disse teknologier omfatter tilsløring enheder og partikler, der både kan opdage og behandle kræft. 4,5 AuNPs har mange bemærkelsesværdige egenskaber, men den mest bemærkelsesværdige blandt disse er tilstedeværelsen af lokaliserede overflade plasmon resonanser (LSPRs), som opstår, når indfaldende elektromagnetiske stråling resonans drev fri elektroner i kollektive svingninger, skaber intense og stærkt begrænset elektromagnetiske felter. 6 En spændende aspekt af LSPRs er, at de er justerbar. Det vil sige, resonans energi kan justeres ved at modificere formen og størrelsen af ​​de AuNPs eller ved at ændre brydningsindekset for det omgivende miljø. En anden egenskab ved AuNPs, og guld i almindelighed, er, at de er relativt dyre. Mens dette kan gøre guld mere attraktiv fra etluksus synspunkt, for teknologiske anvendelser, det er en ulempe, og kunne være en hindring for almindelig brug. To mulige løsninger på dette problem søger efter billigere alternative materialer, der udviser lignende egenskaber som guld, eller finde en måde at kombinere guld med et andet materiale til at skabe et kompositmateriale med lignende egenskaber, men mindre mængder af det ædle metal. Sidstnævnte løsning er måske mere interessant, da det giver mulighed for at skabe en multifunktionel hybrid nanostruktur med de fysisk-kemiske egenskaber af to eller flere materialer. 7

Jern (III) oxid, Fe 2 O 3, er en fremragende kandidat til en komponent af en sådan blanding, fordi det er alment tilgængelig, billig og ikke-toksisk. Endvidere maghemit fase, γ-Fe 2 O 3, er ferrimagnetiske, og hæmatit fase, α-Fe 2 O 3, er svagt ferromagnetisk. Kombinationen afguld med Fe 2 O 3 kan potentielt give nanopartikler, der udviser plasmoniske egenskaber og også interagerer med eksterne magnetfelter, men er væsentligt billigere end rent guld. En sådan hybrid nanostruktur kunne finde interessante virkelige verden applikationer. For eksempel har Fe 2 O 3 -au nanopartikler vist sig nyttig for både kræft diagnose og behandling gennem magnetisk resonans og fototermisk terapi. 8 I dette tilfælde Fe 2 O 3 fungerer som et MRI-kontrastmiddel, mens Au portion lokalt omdanner indfaldende lys til at varme igennem spredning af elektromagnetisk energi absorberes under LSPR. Derudover har Fe 2 O 3 -au nanopartikler demonstreret plasmoniske forøgelse af den katalytiske omdannelse af CO til CO2 under synlig belysning, og sådanne strukturer kan også anvendes til fototermisk solenergi konvertering. 9,10

This rapport beskriver syntesen af Fe 2 O 3 au nanopartikler hjælp af en simpel våd kemisk metode. Den hybride struktur består af en Fe 2 O 3 kerne, der er dekoreret med mindre AuNPs. Vigtigere er det, der er opnået Fe 2 O 3 -au nanopartikler bevarer både magnetiske og plasmoniske egenskaber af de indgående materialer, hvilket skaber en multifunktionel partikel, der kan være nyttige for en række anvendelser. For at illustrere de plasmoniske anvendelser af disse hybride nanopartikler, er fototermisk karakterisering af nanopartiklerne ved hjælp af en laser varmesystem også beskrevet. De fototermisk målinger viser, at den hybride Fe 2 O 3 -au nanopartikler er stand til at varme vandige opløsninger så effektivt som rene AuNPs, selv med en væsentlig mindre koncentration af ædelmetallet. Disse resultater validerer den hjælp kompositmaterialer eller hybride materialer for at reducere omkostningerne og opnå større functionality.

Protocol

1. Nanomaterialer Synthesis protokol

  1. Forbered en stamopløsning af Fe 2 O 3 af 25 mM.
    Bemærk: Alle stamopløsninger fremstilles under anvendelse af deioniseret vand, medmindre andet er angivet.
  2. Tag en 25 ml konisk kolbe.
  3. Der tilsættes 10 ml deioniseret (DI) vand og en omrører, og læg den på en varmeblok.
  4. Tilsæt 100 pi Fe 2 O 3 stamopløsning (25 mM) til denne kolbe.
  5. Opvarm opløsningen under omrøring i ca. 5 min.
  6. Forbered 10 ml 1% natriumcitrat ved opløsning 0,1 g natriumcitrat til 10 ml vand.
  7. Der tilsættes 1 ml 1% natriumcitrat opløsning til 25 ml kolbe indeholdende Fe 2 O 3 vandig opløsning.
  8. Opløsningen bringes i kog (100 ° C).
  9. Tilsættes 250 pi 0,01 M chlorguldsyre.
  10. Fortsæt opvarmning af opløsningen ved 100 ° C i 10 min. Efter flere minutter (2-3 min), opløsningen bliver rød / brunlig indicaTing som Au nanopartikler bliver produceret.
  11. Fjern opløsningen fra varmeblokken og lad det køle af ved stuetemperatur (ca. 20 ° C) (1-2 timer).
  12. Renses prøverne ved centrifugering i 7 minutter ved 4.700 x g.
  13. Fjern supernatanten fra de centrifugerede prøver.
  14. Re-dispergere de centrifugerede nanopartikler i DI vand, op til 10 ml.

2. Nanopartikler Karakterisering

  1. SEM / EDX karakterisering:
    1. Placer 1-2 pi af centrifugerede nanopartikler på en kobber gitter og lad det tørre i 1 time.
    2. Anbring prøven i en ren beholder, og tage det til SEM / EDX til karakterisering. 11,12
  2. UV-Vis karakterisering:
    1. Tænd for UV-Vis og lad den varme op i 10-15 min.
    2. Optag en reference DI vand spektrum.
    3. Placere 1 ml af nanopartikel s vandig opløsning i en methacrylat kuvetteog optage UV-Vis-spektra løbet bølgelængder λ = 300 - 1.000 nm.
    4. Undgå mætning af signalet ved at holde den maksimale absorbans mindre end ~ 1.2. Hvis det observerede maksimale absorbans er større, reducere tophøjden ved fortynding af prøven eller ved anvendelse af en kortere vejlængde kuvette.
      Bemærk: Surface plasmon bånd af Au (λ ≈ 525 nm) skal være let observeres.
  3. Magnetisk manipulation
    1. Placer 3 ml af de rød / brunlig vandige prøver af magnetiske / plasmoniske nanostrukturer i methacrylat kuvetter.
    2. Placer en kommercielt købt magnet (~ 100 Gauss) i umiddelbar nærhed af kuvetten.
      Bemærk: Inden for få minutter, alle magnetiske / plasmoniske nanopartikler "knyttet" til methacrylat kuvetten side, hvor magneten er placeret. Opløsningen blev fra brun til ufarvet, hvilket viser, at nanopartiklerne beholdt deres magnetiske egenskaber også efter Au blev deponeret Fe 2 O 3 overflade.
  4. Induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS) analyse. 13
    1. Brug vandige prøver af nanopartikler løsninger i denne analyse.
    2. Digest oprenset nanopartikler prøver i salpetersyre at omdanne dem til en ionisk form forud for masseanalyse eksperimenter ved at overføre alle prøver i rør med en slutvolumen på 10 ml 2% salpetersyre. Tillad 30 min for fordøjelsen skal finde sted.
    3. Opret en kalibreringskurve med kendte koncentrationer af analytter af interesse (f.eks Au, Fe).
    4. Spike prøver med en intern standardopløsning indeholdende 10 ppb Rh og I og analysere i semikvantitativ tilstand af ICP-MS i henhold til producentens anvisninger. Denne teknik indebærer analyse af en NIST sporbart multi-element standard (10 ppb I og 100 ppb Li, Mn, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, og U).
    5. Sammenlign de bestemte intensiteter for standarden med intensities for de andre prøver at give omtrentlige koncentrationer for udvalgte elementer. For at tage højde for plasma og instrument driver, skal alle prøver har minimum 10 ppb koncentration for I, der blev føjet til alle prøver.
    6. Bestem elementært koncentration af analytter af interesse for de fremstillede opløsninger ved at følge disse trin:
      1. Udfør en indledende kalibrering validering prøve af den multi-element standard (10 ppb I og 75 ppb Li, Mg, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, og U).
      2. Udfør indledende kalibrering blank deioniseret vand.
      3. Udfør ICP-MS analyse på to prøve af interesse.
      4. Fortsæt udføre kalibrering validering prøve (10 ppb I og 75 ppb Li, Mg, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, og U) af den multi-element standard.
      5. Fortsæt kalibrering blank deioniseret vand.
        Bemærk: I henhold til sælgeren specifikationer, de ICP-MS-målinger har en usikkerhed på 20%. Nanomateriale laboratoriearbejde blev udført under AFume hætte. bør anvendes PPE (kittel, forklæde, tynde mil nitrilhandsker for tilfældig kontakt, og beskyttelsesbriller) og en ansigtsmaske, hvis hætte skærf er over hagen niveau. Minimum PPE påkrævet ved arbejde med nanoskala materialer; engangs kittel, vil tynde mil nitrilhandsker for tilfældig kontakt og sikkerhedsbriller med sideskærme bæres i laboratoriet ved håndtering nanomaterialer. Nanomateriale bærende affald må ikke sættes i almindeligt affald eller ned i afløbet.

3. Laser Varme Experiment

  1. Tænd laseren strømforsyning og balance.
    Bemærk: Laseren bølgelængde anvendt i dette forsøg (λ = 532 nm) vælges til at matche absorbanstop LSPR så tæt som muligt. Imidlertid kan fototermisk virkninger induceres ved hjælp af en bølgelængde, der overlapper med absorbansen af ​​nanopartiklerne. Opvarmningen effektivitet er blot større, når den lyser på resonans.
  2. Placer balance vinduer, så de do ikke hindre laser sti eller blokere de infrarøde (IR) termoelementer. IR termoelementer er berøringsfri temperaturfølere og skal have en klar linje af syne til målingen overflade. Figur 1 viser en skematisk forsøgsopstillingen.
  3. Fjern de beskyttende dæksler fra IR termoelementer.
  4. Åbn dataindsamling software program og køre, navngivning målingen, "opvarmning". Den brugerdefinerede software program indsamler værdierne balance og termoelement modstand som funktion af tiden, og når programmet kører den logger disse værdier til en datafil.
  5. Kør målingen i mindst 20 minutter for at tillade systemet at varme op.
  6. Mens systemet varmer op, forberede prøven ved pipettering den passende mængde (3 ml) af det ønskede opløsning i en methacrylat kuvette. De beløb, der anvendes her er 3 ml opløsning til standard kuvetter og 1 ml til semi-mikro kuvetter.
  7. Juster laser magt til det laveste setting, der producerer en næsten usynlig stråle, hvilket er 1,5 A til lasersystemet bruges her. Kontroller, at laserstrålen spot er uhindret og forbliver i brændpunktet af IR termoelement.
  8. Anbring prøven på balancen arm, således at den side af kuvetten er vinkelret på IR målestrålen af ​​termoelement og laserstrålepletten rammer midten af ​​opløsningen.
  9. Reducer laser magt, indtil strålen ikke længere er synlig, men ikke slukke for strømmen.
  10. Efter 20 minutter opvarmningen er færdig. Stop programmet måling og exit ud af softwaren.
  11. Re-nul balance. Åbn dataindsamling software program, klik på Kør, og derefter oprette et navn til datafil. Forsøget vil køre efter at navngive filen og klikke på "Gem". Den nøjagtige eksperimentelle rutine vil afhænge af den ønskede information, men en model rutine er tilvejebragt her.
    1. Start dataindsamlingen. Efter 120 sek, skrue op for lAser strøm til den ønskede indstilling (1,2 W til disse eksperimenter, som, når fokuseres i en ~ 20 um plet svarer til ~ 3,8 × 10 5 W / cm2). Indsaml data for en anden 1.000 sek, derefter justere laser strøm til minimum og slukke laser strømforsyning. Fortsæt med at indsamle data til en anden 1.000 sek før standse målingen.
  12. Efter den eksperimentelle rutine er færdig, udgang ud af programmet, vende alt fra, og re-cover alt udstyr. Gem de eksperimentelle data i en ASCII-format og videre proces og analysere brug af yderligere software.

Representative Results

Materialesammensætning er en vigtig overvejelse for hybride materialer. Energi dispersiv røntgen analyse (EDX) og induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS) kan give denne information. EDX analyse giver semi-kvantitative data (figur 2), mens ICP-MS giver præcise, kvantitative oplysninger om de elementer af interesse. Det konstateres, at den hybride Fe 2 O 3 au nanopartikler har Fe og Au koncentrationer af ρFe = 150 ppb og ρAu = 49 ppb. Til sammenligning rene Au nanopartikler, der anvendes som en kontrol for fototermisk opvarmning, har langt højere Au koncentrationer af ρAu = 1.100 ppb.

SEM-analyse afslører morfologi Fe 2 O 3 au nanopartikler (figur 3), som viser aggregater af afrundede, uregelmæssige partikler, der vises funktionaliseret med mindre, lyse,og afrundede nanopartikler. De større nanopartikler identificeres som Fe 2 O 3, mens de mindre, lysere nanopartikler er identificeret som Au. Denne type morfologi omtales ofte som "dekoreret" nanopartikler. 14 I dette tilfælde overfladen af den understøttende partikel, Fe 2 O 3, er udsmykket med mindre, isolerede Au nanopartikler. Statistisk analyse af nanopartiklerne afslører, at Fe 2 O 3 nanopartikler har en gennemsnitlig diameter på d = 40 ± 10 nm. De funktionalisering Au nanopartikler har en bredere vifte af størrelser, med d = 20 ± 20 nm. Dynamisk lysspredning (DLS) målinger kan kvantificere sammenlægning adfærd, og det konstateres, at den hybride Fe 2 O 3 au nanopartikler har en gennemsnitlig hydrodynamiske radius af dh = 243 nm med befolkningsundersøgelser siloer ved DH = 61 nm (13%) og dh = 310 nm (87%). Derudover er zetapotentialet sig at f-= -16 mV, hvilket kan bidrage til at begrænseaggregering adfærd.

UV-vis-NIR-spektret af den hybride Fe 2 O 3 -au nanopartikler er vist i figur 4A. En særskilt absorbans toppunkt ses på bølgelængde λ ≈ 520 nm, og tilskrives LSPR tilstanden af Au nanopartikler funktionalisere Fe 2 O 3. Bølgelængden af LSPR er i overensstemmelse med værdier fra litteraturen for AuNPs med lignende morfologier. 11,12 den plasmoniske opførsel af de hybride strukturer skyldes AUNP formation på Fe 2 O 3 understøtninger. Dette kan observeres direkte ved in-situ UV-vis spektroskopi. Figur 4B viser det UV-vis absorbans-spektre af reaktanten opløsning på forskellige tidspunkter under reaktionen. Indledningsvis er der nogle mindre synligt lys absorbans tilskrives Fe 2 O 3 nanopartikler dispergeret i opløsningen. Efterhånden som reaktionen skrider frem, abso rbance stiger, og ved 1,5 min, en top begynder at danne, som bliver bedre defineret som reaktionen fortsætter. Denne top resultater fra LSPR absorbans og svarer med dannelsen af AuNPs og deres aflejring på Fe 2 O 3 støtteflade. Den magnetiske opførsel af Fe 2 O 3 -au nanopartikler let iagttages gennem manipulation med et eksternt magnetfelt. I første omgang, Fe 2 O 3 -au opløsning har en brunlig farve (figur 5B). Men efter anbringelse af opløsningen i et eksternt magnetisk felt, bliver opløsningen gradvist klar over adskillige minutter som helheden af de magnetiske hybrid nanopartikler opsamles ved banen (figur 5C). Den magnetiske samling er reversibel, og de ​​multifunktionelle nanopartikler kan genbruges dispergeret ved omrøring af opløsningen, som vist i fig 5D og 5E.

1 "> er Photothermal opvarmning målinger er vist i figur 6A, som afbilder hovedparten temperaturændringer i bestrålede opløsning, AT, som en funktion af tid for den hybride Fe 2 O 3 -au nanopartikler, AuNPs, og rent deioniseret vand (DI H 2 O). The Fe 2 O 3 -au og Au nanopartikler udviser en næsten identisk temperaturprofil, med temperaturer stiger med mere end 40 ° C. Det er klart, de plasmoniske absorbanser begge nanopartikler typer er i stand til at transducere lys til varme meget effektivt, men FE 2 O 3 -au gøre det med en betydeligt lavere koncentration af Au, som beskrevet ovenfor. på den anden side, er DI H2O eksperiment viser ingen ændring i temperaturen, hvilket viser, at temperaturstigningen i nanopartikler løsninger er udelukkende på grund af spredning af absorberet elektromagnetisk energi i nanopartiklerne. aT i figur 6A beskriver hovedparten ændring temperature, og temperaturer i den bestrålede område og nær nanopartikler overflader kan være meget højere. 13. Ændringen i massen af opløsningen, AM, der opstår fra dampudvikling er en indikator for disse højere temperaturer. Figur 6B afbilder AM versus tid for hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler og for DI H 2 O. AM for nanopartikel løsning er meget større end baggrunden fordampningshastighed, hvilket indikerer tilstrækkeligt høje overfladetemperaturer at generere damp ved en betydelig hastighed.

Figur 1
Figur 1. Skematisk af laseren opvarmning setup. En kuvette er placeret på et mikrogram skala og belyses af en laserstråle fra oven. To IR termoelementer måler temperaturen af ​​kuvetten og ambient hhv. Alle målinger er synkroniseret og logget ind et data Collectipå programmet. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 2
Figur 2. repræsentant EDX-spektret af hybriden Fe 2 O 3 -au nanopartikler. Abscisseaksen svarer til den energi og ordinataksen svarer til antallet af tællinger. Peaks er blevet mærket med det tilsvarende element. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3
Figur 3. SEM billede af den hybride Fe 2 O 3 au nanopartikler. Det larg is, mørkere områder er Fe 2 O 3 partikler, som er dekoreret med mindre lysere Au nanopartikler. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 4
Figur 4. Optiske egenskaber. (A) UV-vis absorbans spektre af den hybride Fe 2 O 3 au nanopartikler, der viser den brede synligt lys absorbans af Fe 2 O 3 og plasmoniske top tilskrives Au nanopartikler nær 530 nm. (B) UV-VIS absorbans-spektre af reaktanten opløsning på forskellige tidspunkter under reaktionen, der viser LSPR absorbans som følge af AUNP dannelse i opløsning og de ​​Fe 2 O 3 nanopartikler..com / filer / ftp_upload / 53598 / 53598fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 5
Figur 5. Magnetiske egenskaber Fotografier af Au-Fe 2 O 3 nanopartikler.; (A) dispergeret i vandig opløsning; (B) magnetisk manipulation (tid = 0 sek); (C) magnetisk manipulation (tid = 2 min); (D) magnet fjernes; (E) Au-Fe 2 O 3 nanopartikler efter magnetisk manipulation, der viser, at de let kan re-spredt i den vandige opløsning. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6 Figur 6. fototermisk eksperimenter. Plots viser (A) ændring i opløsningens temperatur, AT, og (B) massetab, AM, som funktioner af tid. Under laser belysning, nanopartiklerne (sorte og røde kurver) generere betragtelig AT og AM værdier, der er væsentligt større end dem, der forekommer for ren DI H2O under identiske betingelser (blå kurve). Klik her for at se en større version af dette tal .

Discussion

Brugen af ​​optisk afstemmelige guld nanopartikler for hypertermi studier er en attraktiv mulighed, da det udnytter plasmoniske opvarmning af guld nanopartikler tunet til at absorbere lys kraftigt i VIS-NIR-regionen. De plasmoniske opvarmning undersøgelser er beskrevet her, blev undersøgt ved hjælp af laboratorie forberedt og kommercielt tilgængelige jern oxid-guld hybrid nanomaterialer. En af de mest anvendte fremgangsmåder til fremstilling af kolloide guld nanospherical partikler indebærer reduktion af chlorguldsyre (HAuCl 4) til neutral guld Au (0) ved reducerende midler, såsom natriumcitrat, natriumborhydrid osv 15,16 Syntesen af guld nanopartikler på jernoxid nanopartikler er ligetil. Man kunne let styre Au metal størrelse, form og lastning ved at ændre eksperimentelle parametre, f.eks reaktanter koncentrationer, reduktionsmidler, overfladeaktive etc. 17 Denne fremgangsmåde giver god kontrol over Au nanoparticle dimensioner og ensartet nanopartikel lastning Fe 2 O 3. Andre ædelmetaller kan også fremstilles ved denne fremgangsmåde, herunder Ag, Pt og Pd. 18 En klar fordel ved denne fremgangsmåde er, at reaktionen procedure kan udføres i luft eller vand, og i princippet er muligt at foretage en opskalering. Brug kommercielle nanomaterialer og / eller skalerbare-våd kemiske procedurer er ideel til store behandling applikationer eller biologiske applikationer, fordi disse materialer er let tilgængelige og mere økonomisk end brugerdefinerede syntetiserede materialer og procedurer. Surface modifikationer af disse metalliske nanostrukturer er også af interesse i det videnskabelige samfund. En række organiske (overfladeaktive midler, bifunktionelle thioler, polymerer, aminosyrer, proteiner, DNA) og uorganiske materialer (silica, andre metaller, metaloxider, etc.) 19 kan yderligere lastes eller funktionaliserede på disse overflader til at skabe nanocomposite materialer med forskellige motiver geometrier,kompositioner og multifunktionelle kapaciteter, til biologisk målretning, drug delivery, sensing, billedbehandling, miljømæssige applikationer mv

Derudover photothermal teknikken beskrevet her er velegnet til at karakterisere de plasmoniske egenskaber af forskellige materialer, som massetemperatur og masse målinger er relativt let at udføre ved anvendelse af let tilgængeligt udstyr. Den lette prøve forberedelse og måling er en klar fordel i forhold andre plasmoniske teknikker / applikationer. For eksempel teknikker, såsom overflade-forstærket Raman spektroskopi og LSPR sensing er meget følsomme over fremstillingen af både substratet og målet, 20,21, som gør repeterbarhed og sammenligning tværs prøver mere udfordrende. En mulig ulempe til fototermisk ovenfor beskrevne målinger er, at temperaturen måles på bulk-skala og ikke på overfladen af ​​nanopartiklen hvor varmen transduceres. Der er termoMetry teknikker, der kan give denne lokale temperatur information, 22-24 men disse kræver mere kompliceret prøveforberedelse, hvilket gør dem mere udfordrende at gennemføre. Endelig kunne målingerne her beskrevne let kombineres med andre teknikker (f.eks fotokatalytisk nedbrydning) 9 for at vurdere fototermisk virkninger på forskellige processer.

Sammenfattende har vi beskrevet syntesen af hybrid Fe 2 O 3 -au nanopartikler løsninger og deres fototermisk karakterisering. Selv med en 20 × mindre koncentration af Au, disse Fe 2 O 3 au nanopartikler er i stand til at fototermisk varme vandige opløsninger så effektivt som AuNPs, demonstrerer fordelene ved hybrid materialer. Endvidere er de hybride strukturer bevarer egenskaberne af begge materialer, hvilket skaber en multifunktionel struktur med magnetiske og plasmoniske egenskaber. Sådanne strukturer er interessante til biomedicinske anvendelser,8 men mange yderligere anvendelser kan forestillede sig.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Den finansielle støtte for dette arbejde blev leveret af Institut for Energiteknik DOE- Laboratory Directed Research & Development (LDRD) Strategisk Initiative Program. Vi takker Mr. Henry Sessions, og Mr. Charles Shick for at give deres tid og ekspertise til at hjælpe os med vores eksperimenter.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Gold(III) chloride trihydrate  Sigma-Aldrich 520918  ≥99.9% trace metals basis
Iron(III) oxide Sigma-Aldrich 544884 nanopowder, <50 nm particle size (BET)
Sodium citrate tribasic dihydrate Sigma-Aldrich S4641 ACS reagent, ≥99.0% 
SEM Hitachi  S8200
TEM Hitachi  H95000
EDX Oxford Instruments  SDD - X-Max
DLS Brookhaven Instruments NanoBrook Omni
ICP-MS Agilent  7500s
UV-Vis-NIR spectrometer Tec5 MultiSpec
Laser, λ = 532 nm  Del Mar Photonics DMPV-532-1
Microgram Balance Mettler Toledo  XP205
Infrared Thermocouples Omega Engineering OS801-HT

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Barber, D., Freestone, I. An investigation of the origin of the colour of the Lycurgus Cup by analytical transmission electron microscopy. Archaeometry. 32 (1), 33-45 (1990).
  2. Ozbay, E. Plasmonics: merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. Science. 311 (5758), 189-193 (2006).
  3. Murphy, C. J., et al. Anisotropic metal nanoparticles: synthesis, assembly, and optical applications. J. Phys. Chem. B. 109 (29), 13857-13870 (2005).
  4. Luo, Y. L., Shiao, Y. S., Huang, Y. F. Release of photoactivatable drugs from plasmonic nanoparticles for targeted cancer therapy. ACS Nano. 5 (10), 7796-7804 (2011).
  5. Murph, S. E. H., et al. Manganese-gold nanoparticles as an MRI positive contrast agent in mesenchymal stem cell labeling. J. Nanopart. Res. 14 (4), 1-13 (2012).
  6. Maier, S. A. Plasmonics: fundamentals and applications: fundamentals and applications. , Springer Science & Business Media. (2007).
  7. Bigall, N. C., Parak, W. J., Dorfs, D. Fluorescent magnetic and plasmonic-Hybrid multifunctional colloidal nano objects. Nano Today. 7 (4), 282-296 (2012).
  8. Larson, T. A., Bankson, J., Aaron, J., Sokolov, K. Hybrid plasmonic magnetic nanoparticles as molecular specific agents for MRI/optical imaging and photothermal therapy of cancer cells. Nanotechnology. 18 (32), 325101 (2007).
  9. Hung, W. H., Aykol, M., Valley, D., Hou, W., Cronin, S. B. Plasmon resonant enhancement of carbon monoxide catalysis. Nano Lett. 10 (4), 1314-1318 (2010).
  10. Neumann, O., et al. Solar vapor generation enabled by nanoparticles. Acs Nano. 7 (1), 42-49 (2012).
  11. Szirmae, A., Fisher, R. Techniques of Electron Microscopy, Diffraction, and Microprobe Analysis. 372, ASTM Spec. Tech. Publ. (1963).
  12. Goldstein, J., et al. Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis: a text for biologists, materials scientists, and geologists. , Springer Science & Business Media. (2012).
  13. Kennedy, J. F., Xu, L. Practical guide to ICP-MS, Robert Thomas. Marcel Dekker, INC, New York, USA (2004). Carbohydr. Polym. 62 (4), 393 (2005).
  14. Georgakilas, V., et al. Decorating carbon nanotubes with metal or semiconductor nanoparticles. J. Mater. Chem. 17 (26), 2679-2694 (2007).
  15. Murph, S. E. H., et al. Tuning of size and shape of Au-Pt nanocatalysts for direct methanol fuel cells. J. Nanopart. Res. 13 (12), 6347-6364 (2011).
  16. Unrine, J. M., et al. Evidence for bioavailability of Au nanoparticles from soil and biodistribution within earthworms (Eisenia fetida). Environ. Sci. Technol. 44 (21), 8308-8313 (2010).
  17. Hunyadi Murph, S. E., et al. ACS Symp. Ser. , Oxford University Press. 127-163 (2011).
  18. Murph, S., Murphy, C. J., Leach, A., Gall, K. A Possible Oriented Attachment Growth Mechanism for Silver Nanowire Formation. Cryst Growth Des. , (2015).
  19. Hunyadi Murph, S. E., Heroux, K., Turick, C., Thomas, D. Applications of Nanomaterials. Vol. 4 Nanomaterials and Nanostructures, Studium Press LLC. (2012).
  20. Murphy, C. J., et al. Chemical sensing and imaging with metallic nanorods. Chem. Comm. (5), 544-557 (2008).
  21. Shanmukh, S., et al. Rapid and sensitive detection of respiratory virus molecular signatures using a silver nanorod array SERS substrate. Nano Lett. 6 (11), 2630-2636 (2006).
  22. Jaque, D., Vetrone, F. Luminescence nanothermometry. Nanoscale. 4 (15), 4301-4326 (2012).
  23. Ebrahimi, S., Akhlaghi, Y., Kompany-Zareh, M., Rinnan, Å Nucleic acid based fluorescent nanothermometers. ACS Nano. 8 (10), 10372-10382 (2014).
  24. Dias, J. T., et al. DNA as a molecular local thermal probe for the analysis of magnetic hyperthermia. Angew. Chem. 125 (44), 11740-11743 (2013).

Tags

Engineering Gold jernoxid Multifunktionel Plasmonics magnetisk materiale Photothermal
Multifunktionel Hybrid Fe<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; Au Nanopartikler for Effektiv plasmoniske Opvarmning
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Murph, S. E. H., Larsen, G. K.,… More

Murph, S. E. H., Larsen, G. K., Lascola, R. J. Multifunctional Hybrid Fe2O3-Au Nanoparticles for Efficient Plasmonic Heating. J. Vis. Exp. (108), e53598, doi:10.3791/53598 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter