Waiting
Login processing...

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

Engineering

Multifunksjonell 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 av de mest brukte metoder for fremstilling av kolloidale gull nanospherical partikler involverer reduksjonen av chloroauric syre (HAuCl 4) til nøytral gull Au (0) med reduksjonsmidler, så som natriumcitrat eller natriumborhydrid. Forlengelsen av denne metoden for å dekorere jernoksid eller lignende nanopartikler med gull nanopartikler for å lage multifunksjonelle hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler er grei. Denne tilnærmingen gir ganske god kontroll over Au nanopartikkel dimensjoner og lasting på Fe 2 O 3. I tillegg kan metallet størrelse Au, form og lasting lett bli innstilt ved å endre eksperimentelle parametre (f.eks reaktantkonsentrasjoner, reduksjonsmidler, såpe, etc.). En fordel med denne fremgangsmåten er at reaksjonen kan utføres i luft eller vann, og i prinsippet er mottagelig for å skalere opp. Bruken av slike optisk tunbare Fe 2 O 3 au nanopartikler for hyperthermia studier er et attraktivt alternativ som det kapitaliserer på plasmonic oppvarming av gull nanopartikler innstilt til å absorbere lys sterkt i VIS-NIR-regionen. I tillegg til sine Plasmonic effekter, gir nanoskala Au en unik overflate for interessante kjemi og katalyse. Den Fe 2 O 3 materiale gir ekstra funksjonalitet på grunn av sin magnetiske eiendom. For eksempel kan et eksternt magnetisk felt brukes til å samle inn og resirkulere den hybride Fe 2 O 3 au nanopartikler etter en katalytisk eksperiment, eller alternativt, kan den magnetiske Fe 2 O 3 brukes for hypertermi studier gjennom magnetisk varmeinduksjon. Den fototermiske forsøket beskrevet i denne rapporten måler bulk temperaturendringer og nanopartikkel løsning massetap som funksjon av tid ved hjelp av infrarøde termoelementer og en balanse, henholdsvis. Den enkle prøvepreparering og ved bruk av lett tilgjengelig utstyr er distinkte fordeler med denne teknikk. En påminnelse er thpå følgende fototermiske målingene vurdere bulkløsningen temperatur og ikke på overflaten av nanopartikler hvor varmen blir omformet og temperaturen er sannsynlig å være høyere.

Introduction

Fra og med deres bruk i det gamle dichroic glass, har 1 gull nanopartikler (AuNPs) ofte bidratt til utvikling av nye teknologier. 2,3 Mer moderne eksempler på disse teknologiene inkluderer maskering enheter og partikler som både kan oppdage og behandle kreft. 4,5 AuNPs har mange bemerkelsesverdige egenskaper, men det mest bemerkelsesverdige blant disse er tilstedeværelsen av lokaliserte overflaten plasmon resonans (LSPRs), som oppstår når hendelsen elektromagnetisk stråling resonantly disker gratis elektroner i kollektive svingninger, noe som skaper intense og svært trange elektromagnetiske felt. 6 Et spennende aspekt av LSPRs er at de er fleksibel. Det vil si at resonans energi kan justeres ved å endre formen og størrelsen av de AuNPs eller ved å endre brytningsindeksen for det omgivende miljø. En annen egenskap med AuNPs, og gull generelt, er at de er forholdsvis dyre. Selv om dette kan gjøre gull mer attraktivt fra etluksus ståsted, for teknologiske anvendelser, er dette en ulempe, og kan være et hinder for allmenn bruk. To mulige løsninger på dette problemet er å søke etter de mindre kostbare alternative materialer som oppviser lignende egenskaper som gull, eller finne en måte å kombinere gull med et annet materiale for å skape et komposittmateriale med tilsvarende egenskaper, men mindre mengder av edelmetall. Den sistnevnte løsning er kanskje mer interessant som det åpner for muligheten for å skape en multifunksjonell hybrid nanostrukturen med de fysikalsk-kjemiske egenskaper av to eller flere materialer. 7

Jern (III) oksyd, Fe 2 O 3, er en utmerket kandidat for en komponent av en slik blanding, fordi det er lett tilgjengelig, billig og ikke-toksisk. Videre er maghemite fase, γ-Fe 2 O 3, ferrimagnetisk, og hematitt fase, α-Fe 2 O 3, er svakt ferromagnetisk. Således gir kombinasjonen avgull med Fe 2 O 3 kan potensielt gi nanopartikler som viser Plasmonic egenskaper og også samhandle med eksterne magnetiske felt, men er betydelig billigere enn rent gull. En slik hybrid nanostrukturen kunne finne interessante virkelige verden programmer. For eksempel har Fe 2 O 3 au nanopartikler vist seg nyttig både for kreftdiagnose og behandling gjennom magnetisk resonans imaging og fototermiske behandling. 8. I dette tilfelle Fe 2 O 3 fungerer som et MRI-kontrastmiddel, mens den Au partiet lokalt omdanner innfall lys til varme gjennom avgivelse av elektromagnetisk energi som absorberes i løpet av LSPR. I tillegg er Fe 2 O 3 au nanopartikler demonstrert plasmonic forbedring av den katalytiske omdannelse av CO til CO 2 under synlig lys belysning, og slike strukturer kan også brukes for fototermiske solenergi konvertering. 9,10

This rapport beskriver syntesen av Fe 2 O 3 au nanopartikler ved anvendelse av en enkel våt kjemisk metode. Hybrid Strukturen består av en Fe 2 O 3 kjerne som er dekorert med mindre AuNPs. Viktigere, den oppnådde Fe 2 O 3 au nanopartikler beholde både magnetiske og Plasmonic egenskapene til materialene, som skaper en multifunksjonell partikkel som kan være nyttig for en rekke bruksområder. For å illustrere de Plasmonic anvendelser av disse hybrid nanopartikler, er fototermiske karakterisering av nanopartikler ved hjelp av en laser varmesystem også beskrevet. De fototermiske målinger viser at det hybride Fe 2 O 3 au nanopartikler er i stand til å varme vandige oppløsninger så effektivt som rene AuNPs, selv med en betydelig mindre konsentrasjon av edelmetallet. Disse resultatene validere fremgangsmåte for anvendelse av kombinerte eller hybridmaterialer for å redusere kostnader og oppnå større functionality.

Protocol

1. Nanomaterialer Synthesis Protocol

  1. Forbered en stamløsning av Fe 2 O 3 på 25 mm.
    Merk: Alle lagerløsninger er tilberedt med avionisert vann med mindre annet er oppgitt.
  2. Ta en 25 ml erlenmeyerkolbe.
  3. Tilsett 10 ml deionisert (DI) vann og en rørepinne, og legg den på en varmeblokk.
  4. Tilsett 100 ul av Fe 2 O 3 stamoppløsning (25 mM) til denne kolbe.
  5. Varm løsningen under omrøring i ca. 5 min.
  6. Fremstille 10 ml 1% natrium-citrat ved oppløsning av 0,1 g natriumsitrat til 10 ml vann.
  7. Tilsett 1 ml av 1% natrium-citrat-løsning til 25 ml kolbe inneholdende Fe 2 O 3 vandig oppløsning.
  8. Bringe oppløsningen til å koke (100 ° C).
  9. Tilsett 250 ul av 0,01 M chloroauric syre.
  10. Fortsett oppvarming av oppløsningen ved 100 ° C i 10 min. Etter flere minutter (2-3 min), blir løsningen rød / brunlig indicating som Au nanopartikler blir produsert.
  11. Fjern løsningen fra varmeblokken og la den avkjøle seg i romtemperatur (ca. 20 ° C) (1-2 timer).
  12. Rens prøvene ved sentrifugering i 7 minutter ved 4700 x g.
  13. Fjern supernatanten fra den sentrifugerte prøvene.
  14. Re-spre de sentrifugerte nanopartikler i DI vann, opptil 10 ml.

2. Nanopartikler Karakterisering

  1. SEM / EDX karakterisering:
    1. Plasser 1-2 ul sentrifugert nanopartikler på en kobbernettet og la den tørke i en time.
    2. Plasser prøven i en ren beholder og ta det med til SEM / EDX for karakterisering. 11,12
  2. UV-Vis karakterisering:
    1. Slå på UV-Vis og la den varmes opp i 10-15 min.
    2. Spill inn en henvisning DI vann spektrum.
    3. Sette 1 ml av nanopartikkel s vandig løsning i en kyvette metakrylatog registrere UV-Vis spektra løpet bølgelengder λ = 300 - 1000 nm.
    4. Unngå metning av signalet ved å holde den maksimale absorbans mindre enn ~ 1,2. Dersom den observerte maksimale absorbans er større, reduserer topphøyden ved fortynning av prøven, eller ved bruk av en kortere banelengde kyvette.
      Merk: Overflate plasmon band av Au (λ ≈ 525 nm) bør være lett observeres.
  3. magnetisk manipulasjon
    1. Plasser 3 ml av de rød / brun vandige prøver av magnetiske / plasmonic nanostrukturer i metakrylatkjemi kyvetter.
    2. Plasser et kommersielt kjøpt magnet (~ 100 Gauss) i umiddelbar nærhet av kyvetten.
      Merk: I løpet av minutter, alle magnetiske / Plasmonic nanopartikler er "festet" til akrylat kyvetten siden hvor magneten ble plassert. Løsningen ble fra brun til fargeløs indikerer at nanopartiklene beholdt sine magnetiske egenskaper, selv etter Au ble avsatt på 2 Fe 3 overflaten.
  4. Induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS) -analyse. 13
    1. Bruk vandige prøver av nanopartikkel-løsninger i denne analysen.
    2. Digest renset nanopartikkelprøver i salpetersyre for å omforme dem til en ionisk form før masseanalyse eksperimenter ved å overføre alle prøver i rør med et endelig volum på 10 ml 2% salpetersyre. Tillat 30 min for fordøyelsen å finne sted.
    3. Lag en kalibreringskurve med kjente konsentrasjoner av analytter av interesse (f.eks Au, Fe).
    4. Spike prøver med en intern standardløsning inneholdende 10 ppb Rh og In og analysere i den semi-kvantitativ modus av ICP-MS i henhold til produsentens instruksjoner. Denne teknikken innebærer analyse av et NIST sporbar multi-element standard (10 ppb I og 100 ppb Li, Mn, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, og U).
    5. Sammenlign bestemt intensitet for standard med intensities for de andre prøvene for å gi omtrentlige konsentrasjoner for utvalgte elementer. Å gjøre rede for plasma og instrument fonner, bør alle prøvene ha minimum 10 ppb konsentrasjon for I som ble lagt til alle prøvene.
    6. Bestem elemental konsentrasjon av analytter steder for de fremstilte løsninger ved å følge disse trinnene:
      1. Utfør en innledende kalibrering validering prøve av multi-element standard (10 ppb I og 75 ppb Li, Mg, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, og U).
      2. Utføre innledende kalibrering blank deionisert vann.
      3. Utfør ICP-MS analyse på to prøve av interesse.
      4. Fortsett å utføre kalibrering validering prøve (10 ppb I og 75 ppb Li, Mg, Fe, Co, Sr, Cd, Bi, og U) av multi-element standard.
      5. Fortsett kalibrering blank deionisert vann.
        Merk: I henhold til leverandørens spesifikasjoner, ICP-MS-målinger har en usikkerhet på 20%. Nanomaterial laboratoriearbeid ble utført under afUme hette. PPE (laboratoriefrakk, forkle, tynne mil nitrilhansker for tilfeldig kontakt, og briller) og en ansiktsmaske bør brukes hvis hetten rammen er over haken nivå. Minimum PPE nødvendig når du arbeider med nanoskala materialer; disponibel laboratoriefrakk, vil tynne mil nitrilhansker for tilfeldig kontakt og vernebriller med sidebeskyttelse brukes i laboratoriet ved håndtering av nanomaterialer. Nanomaterial peiling avfall skal ikke settes i vanlig søppel eller ned i avløpet.

3. Laser Oppvarming Experiment

  1. Slå på laser strømforsyning og balanse.
    Merk: laser bølgelengde som brukes i dette eksperimentet (λ = 532 nm) er valgt for å passe LSPR absorbanstoppen så tett som mulig. Imidlertid kan fototermiske effekt fremkalles ved hjelp av en hvilken som helst bølgelengde som overlapper med absorbansen av nanopartiklene. Varme effektivitet er bare større når opplyst på resonans.
  2. Plasser balanse vinduene slik at de do ikke hindrer laser banen eller blokkere de infrarøde (IR) termo. IR-termo er ikke-kontakt temperaturfølere og må ha en klar siktlinje til måleflaten. Figur 1 viser en skjematisk av det eksperimentelle oppsettet.
  3. Fjern beskyttelsesdeksler fra IR termo.
  4. Åpne datainnsamling programvare og kjøre, navngi målingen, "oppvarming". Skikken program samler balansen og termomotstandsverdier som en funksjon av tid, og når programmet kjører den logger disse verdiene inn i en datafil.
  5. Kjør målingen i minst 20 min for å tillate at systemet varmes opp.
  6. Mens systemet varmes opp, forberede prøven ved å pipettere passende mengde (3 ml) av den ønskede oppløsningen inn i et metakrylat kyvette. Beløpene som benyttes her er 3 ml oppløsning for standard kyvetter og 1 ml for semi-mikro kyvetter.
  7. Juster laser makt til det laveste setting som gir en knapt synlig stråle, som er 1,5 A for lasersystemet som brukes her. Kontroller at laserstrålen sted er uhindret og holder seg på det sentrale punktet i IR termo.
  8. Plasser prøven på balansearmen, slik at den siden av kuvetten er vinkelrett på den IR-målestrålen av termoelementet, og laserstrålen flekk treffer sentrum av løsningen.
  9. Reduser laser makt til strålen ikke lenger er synlig, men ikke slå av strømforsyningen.
  10. Etter 20 min oppvarmingen er fullført. Stopp måleprogrammet og gå ut av programmet.
  11. Re-null balanse. Åpne datainnsamling programmet klikker løp, og deretter lage et navn for datafilen. Eksperimentet vil kjøre etter å navngi filen og klikke på "Lagre". Den nøyaktige eksperimentelle rutinen vil avhenge av informasjonen ønsket, men en modell rutine er gitt her.
    1. Start datainnsamling. Etter 120 sekunder, skru opp lAser makt til ønsket innstilling (1,2 W for disse eksperimentene, som når fokusert inn i en ~ 20 mikrometer flekk tilsvarer ~ 3,8 × 10 5 W / cm 2). Samle inn data for en annen 1000 sek, deretter justere laser strøm til minimum innstillingen og slå av laser strømforsyning. Fortsette å samle inn data for en annen 1000 sek før stanse målingen.
  12. Etter den eksperimentelle rutinen er ferdig, gå ut av programmet, slår alt av, og re-cover alt utstyr. Redd eksperimentelle data i ASCII-format og videre prosess og analysere ved hjelp av ekstra programvare.

Representative Results

Materialsammensetning er en viktig faktor for hybridmaterialer. Energi dispersive X-ray analyse (EDX) og induktivt koblet plasma massespektrometri (ICP-MS) kan gi denne informasjonen. EDX analyse gir semi-kvantitative data (figur 2), mens ICP-MS gir nøyaktig, kvantitativ informasjon vedrørende elementer av interesse. Det er funnet at hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler har Fe og Au konsentrasjoner av ρFe = 150 ppb og ρAu = 49 ppb. Til sammenligning rene Au nanopartikler, som brukes som en kontroll for fototermiske oppvarming, har mye høyere konsentrasjoner av Au ρAu = 1.100 ppb.

SEM analyse viser morfologi av Fe 2 O 3 au nanopartikler (figur 3), som viser aggregater av avrundede, uregelmessige partikler som vises funksjon med mindre, lyse,og avrundet nanopartikler. De større nanopartikler er identifisert som Fe 2O 3, mens de mindre, lysere nanopartikler er identifisert som Au. Denne type morfologi blir ofte referert til som "dekorert" nanopartikler. 14 I dette tilfellet er den overflate av den bærende partikkel, Fe 2 O 3, er utsmykket med mindre, isolerte Au nanopartikler. Statistisk analyse av nanopartiklene viser at Fe 2 O 3 nanopartiklene har en gjennomsnittlig diameter på d = 40 ± 10 nm. Funksjon Au nanopartikler har et bredere utvalg av størrelser, med d = 20 ± 20 nm. Dynamisk lysspredning (DLS) målinger kan kvantifisere aggregering atferd, og det er funnet at hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler har en gjennomsnittlig hydrodynamisk radius på dh = 243 nm med befolkningsbøtter på dh = 61 nm (13%) og dh = 310 nm (87%). I tillegg er det zeta-potensialet til C, = -16 mV, noe som kan bidra til å begrenseaggregering atferd.

UV-vis-NIR-spekteret for den hybride Fe 2 O 3 au nanopartikler er vist i figur 4A. En distinkt absorbans toppen er observert på bølgelengde λ ≈ 520 nm, og er knyttet til LSPR modus av Au nanopartikler funksjonalise Fe 2 O 3. Bølgelengden av den LSPR er i overensstemmelse med litteraturverdier for AuNPs med lignende morfologi. 11,12 den plasmonic oppførsel av hybride strukturer skyldes AuNP formasjon på Fe 2 O 3 støtter. Dette kan observeres direkte ved in situ-UV-vis spektroskopi. Figur 4B viser UV-vis absorbans spektra av reaktant-løsning på forskjellige tidspunkter i løpet av reaksjonen. I utgangspunktet er det en viss liten synlig lys absorpsjon tilskrevet Fe 2 O 3 nanopartikler dispergert i oppløsningen. Etter hvert som reaksjonen forløper, den abso rbance øker, og ved 1,5 minutter, begynner en topp for å danne, som blir bedre definert som reaksjonen fortsetter. Denne topp resultater fra LSPR absorbans og samsvarer med dannelse av AuNPs og deres avsetning på Fe 2 O 3 støtteflate. Den magnetiske oppførsel av Fe 2 O 3 au nanopartikler kan lett observeres gjennom manipulering med et eksternt magnetfelt. I utgangspunktet har den Fe 2 O 3 au løsning en brunlig farge (figur 5B). Imidlertid, etter å plassere løsningen i et eksternt magnetfelt, blir oppløsningen gradvis klar i løpet av flere minutter, da helheten av de magnetiske hybridnanopartikler samles opp ved banen (figur 5C). Den magnetiske Samlingen er reversible, og de ​​multifunksjonelle nanopartikler kan redispergeres ved risting av løsningen, som vist i figurene 5D og 5E.

1 "> Photothermal varme målinger er vist i figur 6A, som plotter delen temperaturforandringen i bestrålte oppløsning, AT, som en funksjon av tid for hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler, AuNPs, og rent deionisert vann (DI H 2 O). Den Fe 2 O 3 au og Au nanopartikler utviser en nesten identisk temperaturprofil, med temperaturer øker med mer enn 40 ° C. Åpenbart Plasmonic absorbansen av både nanopartikler typene er i stand til å omsette lys inn i varmen meget effektivt, men Fe 2 O 3 au gjøre dette med en betydelig lavere konsentrasjon av Au, som diskutert ovenfor. på den annen side, DI H2O eksperiment viser ingen endring i temperatur, noe som viser at temperaturøkningen i de nanopartikkel-løsninger er utelukkende på grunn av spredning av elektromagnetisk energi absorbert på nanopartiklene. aT i figur 6A beskriver bulktemperatur endringene, og temperaturen i den bestrålte området og i nærheten av de nanopartikkel overflater kan være mye høyere. 13 Endringen i massen av løsningen, Δm, som oppstår fra dampproduksjon er en indikator på disse høyere temperaturer. Figur 6B plotter Δm funksjon av tiden for hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler og for DI H 2 O. Δm for nanopartikkeloppløsning er mye større enn bakgrunns fordampningshastigheten, noe som indikerer tilstrekkelig høye overflatetemperaturer for å generere damp til en betydelig hastighet.

Figur 1
Figur 1. Skjematisk av laseren oppvarming oppsettet. En kyvette anbringes på en mikrogram skala og belyst med en laserstråle ovenfra. To IR termoelementer måler temperaturen av kyvetten og omgivende, henholdsvis. Alle mål er synkronisert og logget i en data collectipå programmet. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 2
Figur 2. Representative EDX-spekteret av det hybride Fe 2 O 3 au nanopartikler. Abscisseaksen korresponderer med energi og ordinataksen korresponderer med antall tellinger. Peaks er merket med tilsvarende element. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 3
Figur 3. SEM bilde av hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler. The larg eh, mørkere områdene er Fe 2 O 3 partikler, som er innredet med mindre lysere Au nanopartikler. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 4
Figur 4. Optiske egenskaper. (A) UV-vis absorbans spektra av hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler, som viser en bred synlig lys absorpsjon av Fe 2 O 3 og plasmonic toppen tilskrevet Au-nanopartikler i nærheten av 530 nm. (B) UV-vis absorbans spektra av reaktant-løsning på forskjellige tidspunkter i løpet av reaksjonen, som viser absorbansen LSPR som oppstår fra AuNP dannelse i oppløsningen og på Fe 2 O 3 nanopartikler..com / filer / ftp_upload / 53598 / 53598fig4large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 5
Figur 5. Magnetiske egenskaper Fotografier av Au-Fe 2 O 3 nanopartikler.; (A) dispergert i vandig oppløsning; (B) magnetisk manipulasjon (tid = 0 sek); (C) magnetisk manipulering (tid = 2 minutter); (D) magnet fjernet; (E) Au-Fe 2 O 3 nanopartikler følgende magnetisk manipulasjon, viser at de kan lett re-spredt i vandig oppløsning. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6 Figur 6. fototermiske eksperimenter. Plott som viser (A) endring i oppløsning temperatur, AT, og (B) massetap, Δm, som funksjon av tiden. Under laser belysning, nanopartikler (svarte og røde kurver) generere betydelig At og Δm verdier som er betydelig større enn de som forekommer for ren DI H 2 O under identiske betingelser (blå kurve). Klikk her for å se en større versjon av dette tallet .

Discussion

Bruk av optisk tunbare gull nanopartikler for hypertermi studier er et attraktivt alternativ som det kapitaliserer på plasmonic oppvarming av gull nanopartikler innstilt til å absorbere lys sterkt i VIS-NIR-regionen. De Plasmonic oppvarming studiene som er beskrevet her ble undersøkt ved hjelp av laboratorie forberedt og kommersielt tilgjengelige jernoksid-gull hybride nanomaterialer. En av de mest brukte metoder for fremstilling av kolloidale gull nanospherical partikler involverer reduksjonen av chloroauric syre (HAuCl 4) til nøytral gull Au (0) med reduksjonsmidler, så som natriumcitrat, natriumborhydrid, etc. 15,16 Syntese av gullnanopartikler på jernoksid nanopartikler er grei. Man kan enkelt kontrollere metall størrelse Au, form og lasting ved å endre eksperimentelle parametre, f.eks reagenser konsentrasjoner, reduksjonsmidler, såpe, etc. 17 Denne tilnærmingen gir god kontroll over Au nanoparticle dimensjoner og uniform nanopartikkel lasting på Fe 2 O 3. Andre edelmetaller kan også fremstilles ved denne fremgangsmåte, blant annet Ag, Pt og Pd. 18 En klar fordel med denne fremgangsmåten er at den reaksjonsprosedyren kan utføres i luft eller vann, og i prinsippet er mottagelig for å skalere opp. Ved hjelp av kommersielle nanomaterialer og / eller skalerbare-våt kjemiske prosedyrer er ideell for store behandlingsprogrammer eller biologiske applikasjoner fordi disse materialene er lett tilgjengelig og mer økonomisk enn tilpasset syntetiserte materialer og prosedyrer. Overflate modifikasjoner av disse metalliske nanostrukturer er også av interesse i det vitenskapelige miljøet. En rekke organiske (overflateaktive midler, bifunksjonelle tioler, polymerer, aminosyrer, proteiner, DNA) og uorganiske materialer (silika, andre metaller, metalloksyder, etc.) 19 kan bli ytterligere lastet eller funksjonalis på disse flater for å skape nanocomposite materialer med forskjellige design, geometrier,komposisjoner og multifunksjonsløsninger, for biologisk målretting, levering av legemidler, sensing, bildebehandling, miljøprodukter, etc.

I tillegg er den fototermiske teknikk som er beskrevet her er vel egnet for å karakterisere de Plasmonic egenskaper til forskjellige materialer, som bulk temperatur og masse-målinger er forholdsvis enkle å utføre ved hjelp av lett tilgjengelig utstyr. Den enkle prøveopparbeidelse og måling er en klar fordel over andre Plasmonic teknikker / applikasjoner. For eksempel, teknikker så som overflate-forbedret Raman-spektroskopi og LSPR avføling er svært følsomme for fremstilling av både underlaget og målet, 20,21 som gjør repeterbarhet og sammenligning på tvers av prøvene mer utfordrende. En mulig ulempe for den fototermiske målingene som er beskrevet ovenfor, er at temperaturen er målt på bulk skalaen og ikke på overflaten av nanopartikler hvor varmen blir omformet. Det er thermoMetry teknikker som kan gi denne lokale temperaturinformasjon, 22-24, men disse krever mer komplisert prøveopparbeidelse, noe som gjør dem mer krevende å gjennomføre. Endelig målingene beskrevet her, kan lett kombineres med andre teknikker (f.eks fotokatalytiske degraderings) 9 for å vurdere fototermiske effekt på forskjellige prosesser.

Oppsummert har vi beskrevet syntesen av hybrid Fe 2 O 3 au nanopartikler løsninger og deres fototermiske karakterisering. Selv med en 20 x mindre konsentrasjon av Au, Fe disse 2 O 3 au nanopartikler er i stand til å photothermally varme vandige oppløsninger så effektivt som AuNPs, demonstrerer fordelene av hybridmaterialer. Videre kan hybride strukturer beholde egenskapene til både materialer, noe som skaper en multifunksjonell struktur med magnetiske og Plasmonic egenskaper. Slike strukturer er interessant for biomedisinske applikasjoner,8 men mange flere bruksområder kan tenkes.

Disclosures

Forfatterne har ikke noe å avsløre.

Acknowledgments

Den økonomiske støtten til dette arbeidet ble gitt av Department of Energy DOE- Laboratory Regi Research & Development (LDRD) Strategisk satsing Program. Vi takker Mr. Henry Sessions, og Mr. Charles Shick for å gi sin tid og kompetanse til å hjelpe oss med våre 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 Jernoksid Multifunksjonell plasmonics magnetisk materiale Photothermal
Multifunksjonell Hybrid Fe<sub&gt; 2</sub&gt; O<sub&gt; 3</sub&gt; Au Nanopartikler for Effektiv Plasmonic Oppvarming
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