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 använda metoderna för framställning av kolloidala guld nanospherical partiklar innefattar reduktion av klorguldsyra (HAuCl 4) i neutralläge guld Au (0) genom att minska medel, såsom natriumcitrat eller natriumborhydrid. Utvidgningen av denna metod för att dekorera järnoxid eller liknande nanopartiklar med guldnanopartiklar för att skapa multifunktionella hybrid Fe 2 O 3 au nanopartiklar är okomplicerad. Detta tillvägagångssätt ger ganska bra kontroll över Au nanopartiklar dimensioner och lastning på Fe 2 O 3. Dessutom kan Au metall storlek, form och laddning enkelt avstämmas genom att ändra försöksparametrar (t.ex. reaktantkoncentrationer, reduktionsmedel, ytaktiva medel, etc.). En fördel med detta förfarande är att reaktionen kan utföras i luft eller vatten, och i princip, är mottaglig för uppskalning. Användningen av sådana optiskt avstämbara Fe 2 O 3 au nanopartiklar för hyperthermia studier är ett attraktivt alternativ eftersom det kapitaliserar på plasmoniska uppvärmning av guld nanopartiklar avstämda att absorbera ljus starkt i VIS-NIR-området. Utöver sin plasmoniska effekter, ger nanoskala Au en unik yta för intressanta kemiska och katalys. Fe 2 O 3-material ger ytterligare funktionalitet på grund av dess magnetiska egenskaper. Till exempel, kan ett externt magnetfält kan användas för att samla in och återvinna den hybrida Fe 2 O 3 -au nanopartiklar efter en katalytisk experiment, eller alternativt, kan den magnetiska Fe 2 O 3 användas för hypertermi studier via magnetiska värmeinduktion. Den fototermiska experiment som beskrivs i denna rapport mäter bulk temperaturförändringar och nanopartiklar lösning massförlust som funktion av tid med hjälp av IR-termoelement och en balans, respektive. Den lätthet för provberedning och användning av lätt tillgänglig utrustning är distinkta fördelar med denna teknik. En varning är thvid dessa fototermiska mätningar bedöma bulklösningen temperaturen och inte på ytan av nanopartikeln där värmet transducerade och temperaturen är troligen högre.
Från och med deras användning i gamla dichroic glas, har 1 guldnanopartiklar (AuNPs) ofta bidragit till utvecklingen av ny teknik. 2,3 Modernare exempel på dessa tekniker innefattar cloaking enheter och partiklar som kan både upptäcka och behandla cancer. 4,5 AuNPs har många anmärkningsvärda egenskaper, men det mest anmärkningsvärda bland dessa är närvaron av lokaliserade ytplasmon resonanser (LSPRs), som uppstår när infallande elektromagnetisk strålning resonans enheter fria elektroner i kollektiva oscillationer, vilket skapar intensiva och mycket trånga elektromagnetiska fält. 6 En spännande aspekt av LSPRs är att de är inställbara. Det vill säga, resonansenergi kan justeras genom modifiering av formen och storleken på de AuNPs eller genom att ändra brytningsindex för den omgivande miljön. En annan egenskap hos AuNPs, och guld i allmänhet, är att de är relativt dyra. Även om detta kan göra guld mer attraktiva ur ettlyx synvinkel, för tekniska applikationer, är detta en nackdel och skulle kunna utgöra ett hinder för allmänt bruk. Två potentiella lösningar på detta problem är att söka efter mindre dyrbara alternativa material som uppvisar liknande egenskaper som guld, eller att hitta ett sätt att kombinera guld med ett annat material för att skapa ett kompositmaterial med liknande egenskaper, men mindre mängder av ädelmetall. Den senare lösningen är kanske mer intressant eftersom det ger möjlighet att skapa en multifunktionell hybrid nanostruktur med fysikalisk-kemiska egenskaperna hos två eller flera material. 7
Järn (III) oxid, Fe 2 O 3, är en utmärkt kandidat för en komponent i en sådan blandning, därför att den är allmänt tillgänglig, billig och icke-toxisk. Vidare är den maghemit fasen, γ-Fe 2 O 3, ferrimagnetiskt, och hematit fasen, α-Fe 2 O 3, är svagt ferromagnetiskt. Sålunda ger kombinationen avguld med Fe 2 O 3 skulle kunna ge nanopartiklar som uppvisar plasmoniska egenskaper och även interagera med yttre magnetfält, men är betydligt billigare än rent guld. Ett sådant hybridnanostruktur kunde hitta intressanta verkliga applikationer. Till exempel, har Fe 2 O 3 -au nanopartiklar visat sig vara användbara för både cancerdiagnos och behandling genom magnetisk resonanstomografi och fototermisk terapi. 8 I detta fall, Fe 2 O 3 fungerar som ett MRI-kontrastmedel, medan Au delen omvandlar infall lokalt ljus för att värma genom avledning av elektromagnetisk energi som absorberas under LSPR. Dessutom har Fe 2 O 3 -au nanopartiklar visat plasmoniska förbättring av den katalytiska omvandlingen av CO till CO2 enligt synligt ljus belysning, och sådana strukturer skulle också kunna användas för fototermisk solenergi konvertering. 9,10
Thirapport beskriver syntesen av Fe 2 O 3 au nanopartiklar med hjälp av en enkel våtkemisk metod. Hybridstrukturen består av en Fe 2 O 3 kärna som är dekorerad med mindre AuNPs. Viktigare är att den erhållna Fe 2 O 3 -au nanopartiklar behålla både magnetiska och plasmoniska egenskaper hos de ingående materialen, vilket skapar en multifunktionell partikel som skulle kunna vara användbara för en mängd olika tillämpningar. I syfte att illustrera de plasmoniska tillämpningar av dessa hybridnanopartiklar, är fototermisk karakterisering av nanopartiklarna med användning av en laser värmesystem beskrivs också. Mätningarna fototermiska visar att hybriden Fe 2 O 3 -au nanopartiklar har möjlighet att så effektivt värma vattenlösningar som rena AuNPs, även med en betydligt mindre koncentration av ädelmetallen. Dessa resultat validera den metod för att använda komposit- eller hybridmaterial för att minska kostnaderna och uppnå större functionality.
Användningen av optiskt avstämbara guld nanopartiklar för hypertermi studier är ett attraktivt alternativ eftersom det kapitaliserar på plasmoniska uppvärmning av guld nanopartiklar avstämda att absorbera ljus starkt i VIS-NIR-området. De plasmoniska värme studier som beskrivs här undersöktes med hjälp av laboratorie beredd och kommersiellt tillgängliga järnoxid-guld hybrid nanomaterial. En av de mest använda metoderna för framställning av kolloidala guld nanospherical partiklar innefattar reduktion av klorguldsyra (HAuCl 4) i neutralläge guld Au (0) genom reduktionsmedel, såsom natriumcitrat, natriumborhydrid, etc. 15,16 Syntesen av guldnanopartiklar på järnoxidnanopartiklar är okomplicerad. En kunde enkelt styra Au metall storlek, form och laddning, genom att ändra experimentella parametrar, t.ex. reaktanter koncentrationer, reduktionsmedel, ytaktiva medel, etc. 17 Detta tillvägagångssätt ger god kontroll över Au nanoparticle dimensioner och likformig nanopartiklar lastning på Fe 2 O 3. Andra ädelmetaller kan också framställas genom detta förfarande, inklusive Ag, Pt och Pd. 18 En tydlig fördel med detta förfarande är att reaktions förfarande kan göras i luft eller vatten, och i princip, är mottaglig för uppskalning. Användning av kommersiella nanomaterial och / eller skal-våtkemisk förfaranden är idealisk för storskaliga tillämpningar behandling eller biologiska tillämpningar eftersom dessa material är lätt tillgängliga och mer ekonomisk än anpassade syntetiserade material och metoder. Ytmodifieringar av dessa metalliska nanostrukturer är också av intresse i forskarvärlden. Ett antal organiska (ytaktiva medel, bifunktionella tioler, polymerer, aminosyror, proteiner, DNA) och oorganiska material (kiseldioxid, andra metaller, metalloxider, etc.) 19 kan vidare lastas eller funktionaliserade på dessa ytor för att skapa nanokompositmaterial med olika designer, geometrier,kompositioner och multifunktionella möjligheter, för biologisk inriktning, drug delivery, avkänning, bildbehandling, miljötillämpningar, etc.
Dessutom är fototermiska teknik som beskrivs här väl lämpad för att karakterisera plasmoniska egenskaperna hos olika material, såsom bulktemperatur och massmätningar är relativt enkelt att utföra med användning av lätt tillgänglig utrustning. Den lättheten att framställa och mätning provet är en klar fördel jämfört med andra plasmoniska tekniker / applikationer. Exempelvis tekniker såsom ytförstärkt Raman-spektroskopi och LSPR avkänning är mycket känsliga för framställning av både substratet och målet, 20,21 vilket gör repeterbarhet och jämförelse mellan prover mer utmanande. En möjlig nackdel med de fototermiska Mätresultaten enligt ovan är att temperaturen mäts på bulk skala och inte på ytan av nanopartikeln där värmet transduceras. Det finns termoMetry tekniker som kan ge denna lokal information temperatur, 22-24 men dessa kräver mer komplicerad provberedning, vilket gör dem svårare att genomföra. Slutligen kan mätningarna som beskrivs här lätt kombineras med andra tekniker (t.ex. fotokatalytisk nedbrytning) 9 för att bedöma fototermiska effekter på olika processer.
Sammanfattningsvis har vi beskrivit syntesen av hybrid Fe 2 O 3 -au nanopartiklar lösningar och deras fototermisk karakterisering. Även med en 20 × mindre koncentration av Au, dessa Fe 2 O 3 au nanopartiklar kan photothermally värmevattenlösningar så effektivt som AuNPs, visar fördelarna med hybridmaterial. Vidare är de hybridstrukturer behåller egenskaperna hos båda materialen, vilket skapar en multifunktionell struktur med magnetiska och plasmoniska egenskaper. Sådana strukturer är intressanta för biomedicinska tillämpningar,8 men många ytterligare användningar kan tänkas.
The authors have nothing to disclose.
Det ekonomiska stödet för detta arbete lämnades av Department of Energy DOE- Laboratory Regi Research & Development (LDRD) Strategic Initiative Program. Vi tackar Mr Henry Sessions, och Mr Charles Shick för att ge sin tid och expertis för att hjälpa oss med våra experiment.
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 |