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 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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |