We describe the synthesis and properties of multifunctional Fe2O3-Au nanoparticles produced by a wet chemical approach and investigate their photothermal properties using laser irradiation. The composite Fe2O3-Au nanoparticles retain the properties of both materials, creating a multifunctional structure with excellent magnetic and plasmonic properties.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |