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Engineering

Multifunctional हाइब्रिड फे 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

कोलाइडयन सोने nanospherical कणों के निर्माण के लिए सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया तरीकों में से एक तटस्थ सोने Au को chloroauric एसिड (HAuCl 4) की कमी शामिल है (0) जैसे सोडियम साइट्रेट या सोडियम borohydride के रूप में एजेंटों, को कम करने से। इस विधि के विस्तार के सोने के नैनोकणों के साथ लोहे के आक्साइड या इसी तरह के नैनोकणों को सजाने के लिए multifunctional संकर फे बनाने के लिए 2 ओ 3 -Au नैनोकणों सीधा सपाट है। यह दृष्टिकोण फे 2 ओ 3 पर Au nanoparticle आयामों और लदान के ऊपर काफी अच्छा नियंत्रण अर्जित करता है। इसके अतिरिक्त, Au धातु आकार, आकृति, और लदान आसानी से प्रयोगात्मक मानकों (जैसे, अभिकारक सांद्रता, एजेंटों को कम करने, surfactants, आदि) बदलकर देखते जा सकता है। इस प्रक्रिया का एक लाभ यह है कि प्रतिक्रिया हवा या पानी में किया जा सकता है, और, सिद्धांत रूप में, स्केलिंग करने के लिए उत्तरदायी है। ऐसे ऑप्टिकली ट्यून करने योग्य का उपयोग फे 2 ओ 3 -Au hyperther के लिए नैनोकणोंमिया के अध्ययन के लिए एक आकर्षक विकल्प के रूप में यह तुलना- NIR क्षेत्र में मजबूती से प्रकाश को अवशोषित करने के लिए देखते सोने के नैनोकणों plasmonic हीटिंग पर capitalizes है। इसकी plasmonic प्रभाव के अलावा, nanoscale Au दिलचस्प chemistries और कटैलिसीस के लिए एक अनूठा सतह प्रदान करता है। फे 2 ओ 3 सामग्री अपने चुंबकीय गुण के कारण अतिरिक्त सुविधा प्रदान करता है। उदाहरण के लिए, एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र 2 ओ 3 -Au नैनोकणों एक उत्प्रेरक प्रयोग के बाद इकट्ठा करने और संकर फे पुनरावृत्ति करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है, या वैकल्पिक रूप से, चुंबकीय फे 2 ओ 3 चुंबकीय प्रेरण गर्मी के माध्यम से अतिताप के अध्ययन के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। समय के कार्यों, अवरक्त thermocouples और एक संतुलन का उपयोग कर के रूप में क्रमश: photothermal प्रयोग इस रिपोर्ट में वर्णित थोक तापमान परिवर्तन और nanoparticle समाधान जन हानि के उपाय। नमूना तैयार करने में आसानी और आसानी से उपलब्ध उपकरणों के उपयोग की इस तकनीक का अलग फायदे हैं। एक चेतावनी वें हैइन photothermal माप पर थोक समाधान तापमान और नहीं nanoparticle जहां गर्मी transduced है की सतह का आकलन और तापमान अधिक होने की संभावना है।

Introduction

प्राचीन dichroic गिलास में उनके उपयोग के साथ शुरू, 1 सोने के नैनोकणों (AuNPs) अक्सर नई प्रौद्योगिकियों के विकास के लिए योगदान दिया है। 2,3 इन प्रौद्योगिकियों के अधिक आधुनिक उदाहरण क्लोकिंग उपकरणों और कणों कि दोनों का पता लगाने और कैंसर का इलाज कर सकते हैं। 4,5 AuNPs कई उल्लेखनीय गुण होते हैं, लेकिन इनमें से सबसे उल्लेखनीय बीच स्थानीय सतह plasmon अनुनाद (LSPRs) है, जो सामूहिक दोलनों में जब घटना विद्युत चुम्बकीय विकिरण resonantly ड्राइव मुफ्त इलेक्ट्रॉनों होते हैं, तीव्र और अत्यधिक सीमित विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र बनाने की उपस्थिति है। 6 एक साज़िश पहलू LSPRs की है कि वे ट्यून करने योग्य हो जाता है। यही कारण है, प्रतिध्वनि ऊर्जा आकार और AuNPs के आकार को संशोधित करके या परिवेश पर्यावरण का अपवर्तनांक बदलकर समायोजित किया जा सकता है। AuNPs का एक अन्य संपत्ति, और सामान्य में सोना, कि वे अपेक्षाकृत महंगा हो रहा है। इस गोल्ड और अधिक आकर्षक बनाने के एक से हो सकता हैलक्जरी दृष्टिकोण, तकनीकी अनुप्रयोगों के लिए, यह एक खामी है और सामान्य उपयोग के लिए एक बाधा हो सकती है। इस समस्या के लिए दो संभावित समाधानों कम महंगा विकल्प सामग्री है कि सोने के रूप में समान गुणों का प्रदर्शन के लिए खोज, या इसी तरह की संपत्ति है, लेकिन कीमती धातु की छोटी मात्रा के साथ एक समग्र सामग्री बनाने के लिए अन्य सामग्री के साथ सोने के गठबंधन के लिए एक रास्ता खोज रहे हैं। के रूप में यह दो या दो से अधिक सामग्री के भौतिक गुणों के साथ एक multifunctional संकर nanostructure बनाने की संभावना के लिए अनुमति देता है उत्तरार्द्ध समाधान शायद अधिक रोचक है। 7

आयरन (तृतीय) ऑक्साइड, फे 2 ओ 3, इस तरह के एक मिश्रण का एक घटक के लिए एक उत्कृष्ट उम्मीदवार क्योंकि यह व्यापक रूप से उपलब्ध सस्ती, और गैर विषैले है। इसके अलावा, maghemite चरण, γ-फे 2 ओ 3, ferrimagnetic है, और हेमटिट चरण, α-फे 2 ओ 3, दुर्बलता से ferromagnetic है। इस प्रकार, का संयोजनफे 2 ओ 3 के साथ सोने के संभावित नैनोकणों कि plasmonic गुणों का प्रदर्शन और भी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के साथ बातचीत, अभी तक काफी शुद्ध सोने से भी कम महंगे हैं उपज सकता है। इस तरह के एक संकर nanostructure दिलचस्प असली दुनिया आवेदन मिल सकता है। उदाहरण के लिए, फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग और photothermal चिकित्सा। 8 इस मामले में दोनों के माध्यम से कैंसर निदान और उपचार के लिए उपयोगी है, 2 ओ 3 कार्यों के लिए एक एमआरआई विपरीत एजेंट के रूप में, सिद्ध कर दिया है, जबकि फे Au भाग स्थानीय स्तर पर घटना धर्मान्तरित प्रकाश विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा LSPR दौरान अवशोषित के अपव्यय के माध्यम से गर्म करने के लिए। इसके अतिरिक्त, फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों उत्प्रेरक दृश्य प्रकाश रोशनी के तहत सीओ 2 में सीओ के रूपांतरण की plasmonic वृद्धि का प्रदर्शन किया है, और ऐसी संरचनाओं भी photothermal सौर ऊर्जा रूपांतरण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। 9,10

थीरिपोर्ट एक सरल गीला रासायनिक विधि का उपयोग फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों के संश्लेषण का वर्णन है। संकर संरचना एक फे 2 ओ 3 कोर कि छोटे AuNPs के साथ सजाया जाता है के होते हैं। महत्वपूर्ण बात है, प्राप्त फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों घटक सामग्री है, जो एक multifunctional कण कि आवेदनों की एक किस्म के लिए उपयोगी हो सकता है बनाता है की दोनों चुंबकीय और plasmonic गुण बरकरार रहती है। आदेश में इन संकर नैनोकणों plasmonic अनुप्रयोगों को वर्णन करने में, एक लेजर हीटिंग सिस्टम का उपयोग कर नैनोकणों के photothermal लक्षण वर्णन भी वर्णन किया गया है। Photothermal माप दिखाना है कि संकर फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों, शुद्ध AuNPs के रूप में कुशलता के रूप में जलीय समाधान गर्म करने के लिए भी महान धातु की एक काफी छोटे एकाग्रता के साथ कर रहे हैं। इन परिणामों के समग्र या संकर सामग्री का उपयोग कर लागत कम करने और अधिक से अधिक functionalit को प्राप्त करने की विधि मान्यवाई।

Protocol

1. Nanomaterials संश्लेषण प्रोटोकॉल

  1. फे 2 के एक शेयर समाधान ओ 3 25 मिमी तैयार करें।
    नोट: सभी स्टॉक समाधान विआयनीकृत पानी का उपयोग कर तैयार किया जाता है जब तक अन्यथा कहा।
  2. एक 25 मिलीलीटर शंक्वाकार फ्लास्क ले लो।
  3. 10 मिलीलीटर विआयनीकृत (डीआई) पानी और एक हलचल बार जोड़ें, और एक हीटिंग ब्लॉक पर जगह है।
  4. इस फ्लास्क फे 2 ओ 3 शेयर समाधान (25 मिमी) के 100 μl जोड़ें।
  5. समाधान हीट जबकि लगभग 5 मिनट के लिए क्रियाशीलता।
  6. पानी की 10 मिलीलीटर के लिए सोडियम साइट्रेट की 0.1 ग्राम भंग करके 10 मिलीलीटर 1% सोडियम साइट्रेट तैयार करें।
  7. 25 मिलीलीटर फे 2 ओ 3 जलीय समाधान युक्त कुप्पी के लिए 1% सोडियम साइट्रेट समाधान के 1 मिलीलीटर जोड़ें।
  8. एक फोड़ा (100 डिग्री सेल्सियस) का हल लाओ।
  9. 0.01 एम chloroauric एसिड के 250 μl जोड़ें।
  10. 10 मिनट के लिए 100 डिग्री सेल्सियस पर समाधान हीटिंग जारी रखें। कई मिनट (2-3 मिनट) के बाद, समाधान लाल / भूरा इंडिका बदल जाता हैटिंग कि Au नैनोकणों का उत्पादन किया जा रहा है।
  11. हीटिंग ब्लॉक से समाधान निकालें और यह आरटी (लगभग 20 डिग्री सेल्सियस) (1-2 घंटा) पर ठंडा करने के लिए अनुमति देते हैं।
  12. पर 4700 × छ 7 मिनट के लिए centrifugation द्वारा नमूने शुद्ध।
  13. centrifuged नमूनों से सतह पर तैरनेवाला निकालें।
  14. पुनः फैलाने डि पानी में centrifuged नैनोकणों, 10 मिलीलीटर तक।

2. नैनोकणों विशेषता

  1. SEM / EDX लक्षण वर्णन:
    1. एक तांबे ग्रिड पर centrifuged नैनोकणों के 1-2 μl प्लेस और यह 1 घंटे के लिए शुष्क करने की अनुमति देते हैं।
    2. एक साफ कंटेनर में नमूना प्लेस और लक्षण वर्णन के लिए SEM / EDX के पास ले। 11,12
  2. यूवी विज़ लक्षण वर्णन:
    1. यूवी विज़ चालू करें और इसे 10-15 मिनट के लिए गर्म करने के लिए अनुमति देते हैं।
    2. एक संदर्भ डि पानी स्पेक्ट्रम रिकॉर्ड।
    3. एक methacrylate क्युवेट में nanoparticle के जलीय समाधान के 1 मिलीलीटर की जगहऔर यूवी विज़ स्पेक्ट्रा तरंग दैर्ध्य λ पर रिकॉर्ड = 300 - 1000 एनएम।
    4. की तुलना में 1.2 ~ कम अधिकतम absorbance रखकर संकेत के संतृप्ति से बचें। मनाया अधिकतम absorbance बड़ा है, नमूना गिराए या एक छोटा पथ की लंबाई क्युवेट का उपयोग करके शिखर ऊंचाई कम।
      नोट: Au के भूतल plasmon बैंड (λ 525 एनएम ≈) आसानी से मनाया जाना चाहिए।
  3. चुंबकीय हेरफेर
    1. methacrylate cuvettes में चुंबकीय / plasmonic nanostructures की लाल / भूरा जलीय नमूने के 3 मिलीलीटर रखें।
    2. एक वाणिज्यिक खरीदा चुंबक (~ 100 गॉस) क्युवेट के करीब निकटता में रखें।
      नोट: मिनट के भीतर, सभी चुंबकीय / plasmonic नैनोकणों methacrylate क्युवेट ओर जहां चुंबक रखा गया था करने के लिए "संलग्न" कर रहे हैं। बेरंग समाधान करने के लिए भूरे रंग से निकला यह दर्शाता है कि नैनोकणों उनके चुंबकीय गुण को बनाए रखा के बाद भी Au फे 2 पर जमा किया गया था 3 सतह।
  4. Inductively मिलकर प्लाज्मा मास स्पेक्ट्रोमेट्री (आईसीपी एमएस) विश्लेषण। 13
    1. इस विश्लेषण में nanoparticle समाधान के जलीय नमूनों का प्रयोग करें।
    2. डाइजेस्ट नाइट्रिक एसिड में nanoparticle नमूने शुद्ध उन्हें 2% नाइट्रिक एसिड के 10 मिलीलीटर की एक अंतिम मात्रा के साथ ट्यूब में सभी नमूनों के हस्तांतरण से बड़े पैमाने पर विश्लेषण प्रयोगों के लिए पहले एक ईओण प्रपत्र को बदलने की। पाचन जगह लेने के लिए 30 मिनट की अनुमति दें।
    3. ब्याज की analytes (जैसे, Au, फ़े) के ज्ञात सांद्रता के साथ एक अंशांकन वक्र बनाएँ।
    4. एक आंतरिक मानक समाधान के लिए 10 पीपीबी आरएच और में और युक्त के साथ स्पाइक नमूने निर्माता के निर्देशों के अनुसार आईसीपी एमएस की अर्द्ध मात्रात्मक मोड में विश्लेषण। इस तकनीक में एक NIST traceable बहु-तत्व मानक के विश्लेषण (10 पीपीबी में और 100 पीपीबी ली, MN, फे, सह, सीनियर, सीडी, द्विपक्षीय, और यू) पर जोर देता।
    5. intensiti के साथ मानक के लिए चुना गया तीव्रता की तुलना करेंअन्य नमूने के लिए तों चयनित तत्वों के लिए अनुमानित सांद्रता उपज के लिए। प्लाज्मा और साधन drifts के लिए खाते में करने के लिए, सभी नमूनों के लिए कि सभी नमूनों को जोड़ा गया है 10 पीपीबी एकाग्रता की एक न्यूनतम होनी चाहिए।
    6. इन चरणों का पालन करके तैयार समाधान के लिए हितों की analytes की मौलिक एकाग्रता का निर्धारण:
      1. बहु-तत्व मानक का एक प्रारंभिक अंशांकन सत्यापन नमूना (10 पीपीबी और 75 पीपीबी ली, मिलीग्राम, फे, सह, सीनियर, सीडी, द्विपक्षीय, और यू) को पूरा करें।
      2. विआयनीकृत पानी की प्रारंभिक अंशांकन खाली प्रदर्शन करना।
      3. ब्याज के दो नमूने पर आईसीपी एमएस विश्लेषण करते हैं।
      4. अंशांकन सत्यापन नमूना बहु-तत्व के मानक (10 पीपीबी और 75 पीपीबी ली, मिलीग्राम, फे, सह, सीनियर, सीडी, द्विपक्षीय, और यू) के प्रदर्शन को जारी रखें।
      5. विआयनीकृत पानी की जांच के खाली जारी रखें।
        नोट: विक्रेता विनिर्देशों के अनुसार, आईसीपी एमएस माप 20% की अनिश्चितता है। Nanomaterial प्रयोगशाला काम वायुसेना के तहत किया गया थाUme हुड। यदि हुड सैश ठोड़ी स्तर से ऊपर है पीपीई (प्रयोगशाला कोट, एप्रन, आकस्मिक संपर्क के लिए पतली मिल nitrile दस्ताने, और काले चश्मे) और एक चेहरा ढाल इस्तेमाल किया जाना चाहिए। न्यूनतम पीपीई की आवश्यकता है जब nanoscale सामग्री के साथ काम कर; डिस्पोजेबल प्रयोगशाला कोट, पक्ष ढाल के साथ आकस्मिक संपर्क और सुरक्षा चश्मे के लिए पतली मिल nitrile दस्ताने प्रयोगशाला में जब nanomaterials से निपटने पहना जाएगा। Nanomaterial असर अपशिष्ट कचरे में नियमित रूप से या नाली में डाल नहीं किया जाएगा।

3. लेजर ताप प्रयोग

  1. लेजर बिजली की आपूर्ति और संतुलन चालू करें।
    नोट: लेजर तरंग दैर्ध्य इस प्रयोग (λ = 532 एनएम) में इस्तेमाल के रूप में बारीकी से संभव के रूप में LSPR absorbance के चोटी के मैच के लिए चुना गया है। हालांकि, किसी भी प्रभाव photothermal तरंग दैर्ध्य है कि नैनोकणों के absorbance के साथ overlaps का उपयोग कर प्रेरित किया जा सकता है। हीटिंग दक्षता बस अधिक से अधिक जब गूंज पर प्रकाशित किया जाता है।
  2. संतुलन खिड़कियों की स्थिति तो वे घओ लेजर पथ में बाधा डालती है या अवरक्त (आईआर) thermocouples ब्लॉक नहीं। आईआर thermocouples गैर संपर्क तापमान जांच कर रहे हैं और माप के लिए दृष्टि का एक स्पष्ट रेखा होनी चाहिए सतह। चित्रा 1 प्रयोगात्मक स्थापना का एक योजनाबद्ध दिखाता है।
  3. आईआर thermocouples से सुरक्षा कवर निकालें।
  4. डेटा संग्रह सॉफ्टवेयर प्रोग्राम खोलें और चलाने के लिए, माप नामकरण, "warmup।" कस्टम सॉफ्टवेयर प्रोग्राम समय के एक समारोह के रूप में संतुलन और thermocouple प्रतिरोध मूल्यों एकत्र, और जब कार्यक्रम चल रहा है यह एक डेटा फ़ाइल में इन मूल्यों को लॉग।
  5. कम से कम 20 मिनट के लिए माप भागो प्रणाली को गर्म करने के लिए अनुमति देने के लिए।
  6. प्रणाली वार्मिंग है, वहीं एक methacrylate क्युवेट में वांछित समाधान का उचित मात्रा में (3 एमएल) pipetting द्वारा नमूना तैयार करते हैं। यहां इस्तेमाल मात्रा मानक cuvettes के लिए समाधान के 3 मिलीलीटर, और अर्द्ध सूक्ष्म cuvettes के लिए 1 मिलीलीटर कर रहे हैं।
  7. सबसे कम करने के लिए लेजर गयी बिजली समायोजित करेंआईएनजी कि एक मुश्किल से दिखाई किरण है, जो लेजर यहां इस्तेमाल किया प्रणाली के लिए 1.5 एक है पैदा करता है। सुनिश्चित करें कि लेजर बीम स्थान अबाधित है और आईआर thermocouple के केन्द्र बिन्दु पर बनी हुई है बनाने के लिए जाँच करें।
  8. शेष हाथ पर नमूना जगह ऐसी है कि क्युवेट की ओर thermocouple और लेजर बीम स्थान के आईआर माप किरण को सीधा है समाधान के केंद्र में होती है।
  9. लेजर बीम की शक्ति को कम जब तक नहीं रह दिख रहा है, लेकिन बिजली की आपूर्ति बंद नहीं करते।
  10. 20 मिनट बाद गर्म-अप पूरा हो गया है। माप कार्यक्रम बंद करो और बाहर निकलने के सॉफ्टवेयर से बाहर।
  11. संतुलन फिर से शून्य। डेटा संग्रह सॉफ्टवेयर प्रोग्राम खोलें, चलाएँ क्लिक करें, और तब डेटा फ़ाइल के लिए एक नाम बनाने के लिए। प्रयोग फ़ाइल नामकरण और क्लिक करने के बाद चलेंगे "सहेजें।" सटीक प्रयोगात्मक दिनचर्या वांछित जानकारी पर निर्भर करेगा, लेकिन एक मॉडल दिनचर्या यहाँ प्रदान की जाती है।
    1. डेटा संग्रह शुरू करो। 120 सेकंड के बाद, एल बारीइच्छित सेटिंग (इन प्रयोगों, जो जब एक ~ 20 माइक्रोन स्थान में ध्यान केंद्रित करने के लिए 1.2 डब्ल्यू ~ साथ 3.8 × 10 5 डब्ल्यू / 2 सेमी मेल खाती है) करने के लिए aser शक्ति। एक और 1,000 सेकंड के लिए डेटा लीजिए, तो कम से कम स्थापित करने के लिए लेजर शक्ति को समायोजित करने और लेजर बिजली की आपूर्ति बंद कर देते हैं। माप को रोकने से पहले एक और 1,000 सेकंड के लिए डेटा इकट्ठा करने के लिए आगे बढ़ें।
  12. प्रयोगात्मक दिनचर्या बाद पूरा हो गया है, इस कार्यक्रम से बाहर निकलें, बंद सब कुछ बदल जाते हैं, और फिर से कवर सभी उपकरण। एक ASCII स्वरूप और आगे की प्रक्रिया में प्रयोगात्मक डेटा को बचाने के लिए और अतिरिक्त सॉफ्टवेयर का उपयोग कर विश्लेषण।

Representative Results

सामग्री संरचना संकर सामग्री के लिए एक महत्वपूर्ण विचार है। ऊर्जा फैलानेवाला एक्स-रे विश्लेषण (EDX) और Inductively मिलकर प्लाज्मा मास स्पेक्ट्रोमेट्री (आईसीपी एमएस) के लिए इस जानकारी प्रदान कर सकते हैं। आईसीपी एमएस ब्याज के तत्वों के बारे में सटीक, मात्रात्मक जानकारी प्रदान करता है, जबकि EDX विश्लेषण अर्द्ध मात्रात्मक डेटा (चित्रा 2) प्रदान करता है। यह पाया गया है कि संकर फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों ρFe = 150 पीपीबी और ρAu = 49 पीपीबी से फे और Au सांद्रता है। इसकी तुलना में, शुद्ध Au नैनोकणों, जो photothermal हीटिंग के लिए एक नियंत्रण के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं, ρAu = 1100 पीपीबी से काफी ज्यादा Au सांद्रता है।

SEM विश्लेषण फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों की आकृति विज्ञान का पता चलता है (चित्रा 3), गोल, अनियमित कणों का समुच्चय दिखा रहा है कि छोटे, चमकीले क्रियाशील दिखाई देते हैं,और गोल नैनोकणों। बड़ा नैनोकणों, फे 2 ओ 3 के रूप में पहचान है, जबकि छोटे, उज्जवल नैनोकणों Au रूप में पहचाने जाते हैं। आकृति विज्ञान के इस प्रकार अक्सर 'के रूप में सजे "नैनोकणों के लिए जाना जाता है। 14 इस मामले में, समर्थन कण की सतह, फे 2 ओ 3, छोटे, पृथक Au नैनोकणों के साथ सजी है। नैनोकणों के सांख्यिकीय विश्लेषण से पता चलता है कि फे 2 ओ 3 डी नैनोकणों के एक औसत व्यास = 40 ± 10 एनएम है। functionalizing Au नैनोकणों 20 ± 20 एनएम डी के साथ, आकार की एक व्यापक रेंज है =। गतिशील प्रकाश बिखरने (DLS) माप एकत्रीकरण व्यवहार यों सकते हैं, और यह पाया जाता है कि संकर फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों dh = 61 एनएम (13%) में जनसंख्या डिब्बे के साथ dh = 243 एनएम के एक औसत hydrodynamic त्रिज्या है और dh = 310 एनएम (87%)। इसके अतिरिक्त, जीटा संभावित ζ के लिए = -16 एम वी है, जो सीमित करने में मदद कर सकता पाया जाता हैएकत्रीकरण व्यवहार।

संकर यूवी तुलना- NIR स्पेक्ट्रम फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों चित्रा -4 ए में दिखाया गया है। एक अलग absorbance शिखर तरंगदैर्ध्य λ ≈ 520 एनएम पर मनाया जाता है, और फे 2 ओ 3 functionalizing Au नैनोकणों के LSPR मोड के लिए जिम्मेदार ठहराया है। LSPR की तरंग दैर्ध्य समान morphologies साथ AuNPs के लिए साहित्य मूल्यों के अनुरूप है। 11,12 संकर संरचनाओं के plasmonic व्यवहार फे 2 ओ 3 समर्थन करता है पर AuNP गठन की वजह से है। यह सीधे में सीटू यूवी विज़ स्पेक्ट्रोस्कोपी द्वारा मनाया जा सकता है। चित्रा 4 बी से पता चलता यूवी की तुलना absorbance प्रतिक्रिया के दौरान विभिन्न समय पर अभिकारक समाधान के स्पेक्ट्रा। प्रारंभ में, वहाँ कुछ मामूली दृश्य प्रकाश absorbance के समाधान में छितरी हुई फे 2 ओ 3 नैनोकणों के लिए जिम्मेदार ठहराया है। प्रतिक्रिया के रूप में आय, abso rbance बढ़ जाती है, और 1.5 मिनट पर, एक चोटी के रूप में शुरू होता है, जो बेहतर परिभाषित हो जाता है के रूप में प्रतिक्रिया पर चला जाता है। LSPR absorbance से इस शिखर परिणाम और फे 2 ओ 3 समर्थन सतह पर AuNPs और उनके बयान के गठन के साथ मेल खाती है। फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों के चुंबकीय व्यवहार आसानी से एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र के साथ हेरफेर के माध्यम से मनाया जाता है। प्रारंभ में, फे 2 ओ 3 -Au समाधान एक भूरा रंग (चित्रा 5 ब) है। हालांकि, एक बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में रखने के बाद समाधान, समाधान धीरे-धीरे कई मिनट से अधिक स्पष्ट हो जाता है के रूप में चुंबकीय संकर नैनोकणों की सम्पूर्णता क्षेत्र (चित्रा 5C) द्वारा एकत्र की है। चुंबकीय संग्रह प्रतिवर्ती है, और multifunctional नैनोकणों के रूप में आंकड़े और 5 डी 5E में दिखाया गया है, समाधान आंदोलनकारी द्वारा फिर से फैलाया जा सकता है।

1 "> Photothermal हीटिंग माप संकर के लिए समय के एक समारोह फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों, AuNPs, और शुद्ध विआयनीकृत पानी (डी 2 एच के रूप में, चित्रा 6A, जो विकिरणित समाधान में थोक तापमान परिवर्तन भूखंडों, ΔT में दिखाया जाता है ओ)। फे 2 ओ 3 -Au और Au नैनोकणों लगभग एक समान तापमान प्रोफाइल दिखा रहे तापमान 40 से अधिक डिग्री सेल्सियस से बढ़ रही है। जाहिर है, दोनों प्रकार के नैनोकणों गर्मी में प्रकाश transduce को बहुत कुशलता से कर रहे हैं की plasmonic absorbances, लेकिन फे 2 ओ 3 -Au के रूप में ऊपर चर्चा की, Au के एक काफी कम एकाग्रता के साथ ऐसा करते हैं। दूसरी ओर, डि एच 2 ओ प्रयोग है जो यह दर्शाता है कि nanoparticle समाधान में तापमान में वृद्धि पूरी तरह है तापमान में कोई बदलाव नहीं आया, पता चलता है नैनोकणों में लीन विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा के अपव्यय की वजह से। चित्रा 6A में ΔT थोक परिवर्तन temperatur का वर्णनई, और किरणित क्षेत्र में और nanoparticle सतहों के पास तापमान काफी अधिक हो सकता है। 13 समाधान, Δm, कि भाप पीढ़ी से उठता है की बड़े पैमाने में बदलाव के इन उच्च तापमान से एक सूचक है। चित्रा 6B के लिए समय बनाम Δm भूखंडों संकर फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों और डि एच 2 ओ के लिए nanoparticle समाधान के लिए Δm पर्याप्त उच्च सतह के तापमान का संकेत एक महत्वपूर्ण दर पर भाप उत्पन्न करने के लिए पृष्ठभूमि वाष्पीकरण की दर की तुलना में काफी अधिक है।

आकृति 1
चित्रा 1. लेजर हीटिंग स्थापना के योजनाबद्ध। एक क्युवेट ऊपर से एक माइक्रोग्राम पैमाने पर रखा गया है और एक लेजर बीम से प्रकाशित किया जाता है। दो आईआर thermocouples, क्युवेट और परिवेश के तापमान को मापने क्रमशः। सभी मापन सिंक्रनाइज़ और एक डाटा collecti में लॉग इन कर रहे हैंकार्यक्रम पर। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. प्रतिनिधि EDX संकर के स्पेक्ट्रम फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों। भुज अक्ष ऊर्जा के साथ मेल खाती है और तालमेल अक्ष में गिना जाता है की संख्या के साथ मेल खाती है। चोटियों इसी तत्व के साथ चिह्नित किया गया है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
चित्रा 3. संकर की SEM छवि फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों। Larg एर, गहरा क्षेत्रों फे 2 ओ 3 कणों, जो छोटे उज्जवल Au नैनोकणों के साथ सजाया जाता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 4
चित्रा 4. ऑप्टिकल गुण। (ए) यूवी की तुलना absorbance संकर के स्पेक्ट्रा फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों, फे 2 ओ 3 के व्यापक दृश्य प्रकाश absorbance और plasmonic शिखर 530 एनएम के पास Au नैनोकणों के लिए जिम्मेदार ठहराया दिखा। (बी) यूवी की तुलना absorbance प्रतिक्रिया के दौरान विभिन्न समय पर अभिकारक समाधान, LSPR absorbance के समाधान में और फे 2 ओ 3 नैनोकणों पर AuNP गठन से उत्पन्न होने वाली दिखाने का स्पेक्ट्रा।.com / फ़ाइलें / ftp_upload / 53,598 / 53598fig4large.jpg "लक्ष्य =" _blank "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 5
चित्रा 5. चुंबकीय गुण Au-फे 2 ओ 3 नैनोकणों की तस्वीरें। (ए) जलीय घोल में छितरी हुई; (बी) के चुंबकीय हेरफेर (समय = 0 सेकंड); (सी) चुंबकीय हेरफेर (समय = 2 मिनट); (डी) चुंबक हटा दिया; (ई) Au-फे चुंबकीय हेरफेर निम्नलिखित 2 ओ 3 नैनोकणों, दिखा रहा है कि वे आसानी से जलीय घोल में फिर से फैलाया जा सकता है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्रा 6 चित्रा 6 Photothermal प्रयोगों। समाधान तापमान, ΔT, और (बी) जन हानि, Δm में (ए) परिवर्तन दिखा भूखंड, समय के कार्यों के रूप में। लेजर रोशनी के तहत, नैनोकणों (काले और लाल घटता) बड़ा ΔT और Δm मूल्यों है कि शुद्ध डि एच 2 ओ समान शर्तों के तहत (नीला वक्र) के लिए होने वाली उन लोगों की तुलना में काफी बड़े होते हैं उत्पन्न करते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Discussion

अतिताप की पढ़ाई के लिए ऑप्टिकली ट्यून करने योग्य सोने के नैनोकणों के उपयोग के लिए एक आकर्षक विकल्प के रूप में यह तुलना- NIR क्षेत्र में मजबूती से प्रकाश को अवशोषित करने के लिए देखते सोने के नैनोकणों plasmonic हीटिंग पर capitalizes है। यहाँ वर्णित plasmonic हीटिंग के अध्ययन प्रयोगशाला तैयार किया है और व्यावसायिक रूप से उपलब्ध लोहे के आक्साइड सोने संकर nanomaterials का उपयोग करके जांच की गई। कोलाइडयन सोने nanospherical कणों के निर्माण के लिए सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल किया तरीकों में से एक तटस्थ सोने के लिए chloroauric एसिड की कमी (HAuCl 4) शामिल है Au (0) जैसे सोडियम साइट्रेट, सोडियम borohydride, आदि 15,16 के संश्लेषण के रूप एजेंटों को कम करने, द्वारा लोहे के आक्साइड नैनोकणों पर सोने के नैनोकणों सीधा है। एक आसानी से Au धातु आकार, आकृति, और प्रयोगात्मक मानकों, जैसे, अभिकारकों सांद्रता, एजेंटों को कम करने, surfactants, आदि को बदलने की लोडिंग नियंत्रित कर सकता है 17 यह दृष्टिकोण Au nanoparticl पर अच्छा नियंत्रण पैदावारई आयामों और फे 2 ओ 3 पर वर्दी nanoparticle लोड हो रहा है। अन्य महान धातुओं भी एजी, पंडित, और पी.डी. सहित इस प्रक्रिया द्वारा तैयार किया जा सकता है। 18 इस प्रक्रिया का एक विशिष्ट लाभ है कि प्रतिक्रिया प्रक्रिया हवा या पानी में किया जा सकता है, और, सिद्धांत रूप में, ऊपर स्केलिंग के लिए उत्तरदायी है। वाणिज्यिक nanomaterials और / या स्केलेबल-गीला रासायनिक प्रक्रियाओं का उपयोग बड़े पैमाने पर उपचार अनुप्रयोगों या जैविक अनुप्रयोगों के लिए आदर्श है, क्योंकि इन सामग्रियों को आसानी से उपलब्ध है और कस्टम संश्लेषित सामग्री और प्रक्रियाओं की तुलना में अधिक किफायती हैं। इन धातु nanostructures की सतह संशोधनों के वैज्ञानिक समुदाय के हित में भी कर रहे हैं। जैविक (surfactants, bifunctional thiols, पॉलिमर, अमीनो एसिड, प्रोटीन, डीएनए) और अकार्बनिक सामग्री (सिलिका, अन्य धातुओं, धातु आक्साइड, आदि) के 19 विभिन्न आगे साथ nanocomposite सामग्री बनाने के लिए लोड किया जा सकता है या क्रियाशील इन सतहों पर की एक संख्या डिजाइन, ज्यामिति,रचनाओं और multifunctional क्षमताओं, जैविक लक्ष्यीकरण, दवा वितरण, संवेदन, इमेजिंग, पर्यावरण आवेदन, आदि के लिए

इसके अतिरिक्त, photothermal तकनीक यहाँ वर्णित विभिन्न सामग्रियों की plasmonic गुण को चिह्नित करने के अच्छी तरह से अनुकूल है, के रूप में थोक तापमान और बड़े पैमाने पर माप अपेक्षाकृत आसानी से उपलब्ध उपकरणों का उपयोग कर प्रदर्शन करने के लिए आसान कर रहे हैं। नमूना तैयार करने और माप की आसानी अन्य plasmonic तकनीक / आवेदन पर एक विशिष्ट लाभ है। उदाहरण के लिए, इस तरह के सतह बढ़ाया रमन स्पेक्ट्रोस्कोपी और LSPR संवेदन तकनीक के रूप में अत्यधिक दोनों सब्सट्रेट और लक्ष्य की तैयारी, 20,21 जो repeatability और अधिक चुनौतीपूर्ण नमूने भर में तुलना करता है के प्रति संवेदनशील हैं। ऊपर वर्णित photothermal माप के लिए संभव दोष यह है कि तापमान थोक पैमाने पर और nanoparticle जहां गर्मी transduced है की सतह पर नहीं मापा जाता है। वहाँ थर्मो हैंmetry तकनीक है कि इस स्थानीय तापमान जानकारी, 22-24 प्रदान कर सकते हैं, लेकिन इन अधिक जटिल नमूना तैयार करने की आवश्यकता है, उन्हें लागू करने के लिए और अधिक चुनौतीपूर्ण बना रही है। अंत में, यहाँ वर्णित माप आसानी से विभिन्न प्रक्रियाओं पर photothermal प्रभाव का आकलन करने के अन्य तकनीकों (जैसे, photocatalytic गिरावट) 9 के साथ जोड़ा जा सकता है।

सारांश में, हम संकर के संश्लेषण फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों समाधान और उनके photothermal लक्षण वर्णन का वर्णन किया है। यहाँ तक कि Au के एक 20 × छोटे एकाग्रता के साथ, इन फे 2 ओ 3 -Au नैनोकणों AuNPs के रूप में गर्मी जलीय समाधान photothermally के रूप में कुशलता, संकर सामग्री के फायदे का प्रदर्शन कर रहे हैं। इसके अलावा, संकर संरचनाओं दोनों सामग्री के गुणों को बनाए रखने, चुंबकीय और plasmonic गुणों के साथ एक multifunctional संरचना का निर्माण। ऐसी संरचनाओं जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए दिलचस्प हैं,8 लेकिन कई अतिरिक्त उपयोगों की कल्पना की जा सकती है।

Disclosures

लेखकों के पास खुलासे के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस कार्य के लिए वित्तीय सहायता ऊर्जा DOE- प्रयोगशाला निर्देशित अनुसंधान एवं विकास (LDRD) सामरिक पहल कार्यक्रम विभाग द्वारा प्रदान किया गया। हम अपने प्रयोगों के साथ हमें सहायता के लिए अपने समय और विशेषज्ञता उपलब्ध कराने के लिए श्री हेनरी सत्र और श्री चार्ल्स Shick धन्यवाद।

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

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References

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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).

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