Шаблон Направленный синтез Плазмонных нанотрубки золота с перестраиваемой поглощения ИК-
Summary
Решение-suspendable золота нанотрубок с контролируемым размеры могут быть синтезированы путем электрохимического осаждения в пористого анодного оксида алюминия (ААО) мембран использованием гидрофобного ядра полимера. Золото нанотрубки и нанотрубки массивов перспективны для применения в плазмонных биодатчиков, поверхностно-спектроскопии комбинационного расширения, фото-тепловой обогрев, ионного и молекулярного транспорта, микрофлюидики, катализа и электрохимических датчиков.
Abstract
Почти параллельно массив поры могут быть получены путем анодирования алюминиевой фольги в кислых средах 1, 2. Приложения анодного оксида алюминия (ААО) мембран была в разработке с 1990-х годов и стали обычным методом шаблон синтеза наноструктур высокой пропорции, в основном, электрохимической роста или поры смачивания. В последнее время эти мембраны стали коммерчески доступны в широком диапазоне размеров пор и плотности, что приводит к обширной библиотеке функциональных наноструктур, синтезируемых из мембраны AAO. К ним относятся композитные наностержней, нанопроволок и нанотрубок из металлов, неорганических материалов или полимеров 3-10. Нанопористых мембран были использованы для синтеза наночастиц и нанотрубок массивами, которые выполняют также преломления датчики индекс, плазмонных биосенсоры, или поверхность расширенной спектроскопии комбинационного рассеяния (ГКР) 11-16 субстратов, а также широкий спектр других областях, таких как фото-термическойнагрева 17, permselective транспорта 18, 19, катализ 20, микрофлюидики 21, и электрохимических датчиков 22, 23. Здесь мы сообщаем о новой процедуре подготовить золотых нанотрубок в мембранах AAO. Полых наноструктур имеют потенциал применения в плазмонных и ГКР зондирования, и мы ожидаем, что эти золотые нанотрубок позволят высокую чувствительность и сильные сигналы плазмонов, вытекающие из снизился материала увлажнения 15.
Introduction
Когда их размеры приближаются к глубине проникновения света (~ 50 нм; наноразмерных), благородные металлы, и, самое главное золото, обладают изысканным размера, формы и окружающей среды зависимых оптических свойств 24, 25. На этой шкале, прямое освещение вызывает когерентных колебаний электронов проводимости известна как поверхностного плазменного резонанса (SPR). SPR сильно зависит от наноструктур размером, формой и диэлектрических свойств окружающей среды. Существует большой интерес к характеризующих SPR свойств новых материалов, как SPR-устройства на базе новых для использования в суб-волны оптики, ГКР субстратов, и ультра-чувствительных оптических датчиков, 11-16, 26-29. Таким образом, разработка вычислительных методов, чтобы более точно предсказать, как размер и структура может меняться плазмонных ответа остается одной из главных целей. Использование мембран ААО предоставляет удобный способ для изменения диаметра частиц или длины, а также несколько важных работ использовать это, чтобы соотнести меняasured и рассчитаны плазмонных ответ с различной частиц диаметром, длиной и соотношением сторон 30, 31. Пожалуй, самый изученный и успешного использования плазмонных материалов как показатель преломления на основе биосенсоров. Для этого резонансов в красном на ближней инфракрасной области (БИК) диапазона (~ 800 – 1300 нм) желательно, так как они более чувствительны к изменение показателя преломления, и лежат в "водяного окна", что они передаются через воду и тканей человека. Решение-suspendable наноструктур с пиками SPR в этом диапазоне открытых интригующих возможностей для биодатчиков в естественных условиях плазмонных.
Пористые AAO была использована для подготовки полимеров нанотрубок или нанопроволок на электрохимического синтеза или шаблон смачивания, и оказалось применимым к широкому спектру материалов. AAO мембран в настоящее время используются для синтеза раствора-suspendable высоким соотношением сторон наностержней и наноструктурированные массивы, которые функционируют как высокая производительность плазмонных биосенсоров или SERS субстратов. В то время как AAO мембран в основном были использованы в качестве шаблонов для синтеза твердых стержней, а в некоторых случаях может быть желательным для структуры, чтобы быть полым. Плазмонных и ГКР зондирования, например, являются поверхностными основе, и полых структур с большой площадью поверхности к объему соотношениях могут привести к сильным поколением сигнала и высокая чувствительность 14, 15, 32. Что касается этого, золото нанотрубки были синтезированы различные методы, включая гальванические реакции замены на серебряных наностержней 33, химическим покрытием 34, 35, модификация поверхности шаблона поры 36, 37, золь-гель метода 38 и электроосаждения 39-41. Эти синтезы обычно покидают плохо образованные, пористых нанотрубок или позволить немного контроль над размером и морфологией. Синтез Сообщается также о котором металлические оболочки наносится поверх основного полимера в AAO мембраны 42, 43. Эти синтеза оставить золото nanotubes связаны с подложкой и полагаться на шаблон травления для обеспечения роста золота вокруг полимера, таким образом, они не могут быть изучены в растворе. Кроме того, шаблон травления имеет некоторые потенциальные недостатки. Во-первых, неоднородная пор травления по шаблону стены может привести к неравномерной толщины оболочки золота. Во-вторых, значительная травления (т.е. сделать очень толстые стены трубы), может растворить стенок пор полностью.
Совсем недавно, мосты и соавт. Сообщили травителя бесплатный метод синтеза нанотрубок золота в мембранах AAO, который использует жертвенного поли (3-гексил) тиофен ядро и дает решение-suspendable нанотрубок золота с чрезвычайно высокой чувствительности показателя преломления 15. С этого и последующих работ, было обнаружено, что для того, чтобы месторождение золота оболочек вокруг ядра полимера без химического травления, полимер должен быть трубчатыми, что есть внутреннее пространство для того, чтобы рухнуть, и полимер должны быть гидрофобными, что он будет седлонедействительной на себя, а не придерживаться шаблонов стенок пор 16. Когда гидрофильные полимеры используются, золото "оболочка" частичного покрытия основного полимера наблюдается, что свидетельствует о придерживается основного полимера к одной из стен шаблона во время осаждения золота 44. При этом, подробный протокол для синтеза полых нанотрубок золота, что позволяет за контроль над длиной и диаметром описанной (рис. 1). Эти решения-suspendable нанотрубок золота являются перспективными материалами для широкого спектра приложений, включая плазмонных биодатчиков или ГКР субстратов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Шаблон направленного синтеза наностержней в мембранах AAO становится все более популярным, однако синтеза наностержней, как правило, очень чувствительны к незначительным изменениям в материальной и условий синтеза. Здесь полное представление о преимуществах и недостатках использова?…
Acknowledgements
Эта работа была поддержана в Университете Торонто, естественным наукам и инженерным исследованиям Совета Канады, Канадского фонда инноваций, и фонд Ontario Research. DSS благодаря Онтарио Министерство Рано премии научный сотрудник.
Materials
| Reagent/Material | |||
| UniKera Standard Membrane | Synkera Technologies Inc. | SM-X-Y-13 | Anodic aluminum oxide membranes are available from synkera in various pore sizes ranging from 13 – 150 nm, and thicknesses from 50 to 100 μm. We use the 50 μm ones. They are symmetric, meaning the pore size is uniform from top to bottom. |
| Anopore Inorganic Membranes | Whatman | 6809-7023 | 13 mm diameter, 200 nm pore size. These membranes are very fragile. The pore diameters are not uniform throughout, so it is important to always use the bottom of the membrane as the working electrode |
| Silver Pellets %99.99 | Kurt J. Lesker | EVMAG40EXE-D | |
| Copper(II) sulfate pentahydrate | Sigma-Aldrich | 209189 | |
| Sulfuric acid | ACP | S8780 | Caution: corrosive liquid |
| Hydrogen peroxide (30%) | ACP | H7000 | Caution: oxidizing liquid |
| Nitric Acid | ACP | N2800 | Caution: corrosive fuming liquid |
| Sodium Hydroxide | Fisher Scientific | S318-1 | Caution: caustic powder |
| Watts Nickel Pure | Technic Inc. | 130859 | Product is no longer available from Technic inc., however other commercial nickelplating solutions will work. |
| Techni-Gold 434HS | Technic Inc. | X6763600 | Contains cyanide, do not acidify |
| Boron trifluoride diethyl etherate | Sigma-Aldrich | 175501-100ML | Must be stored and used under inert atmosphere |
| 3-hexylthiophene | Sigma-Aldrich | 399051-5G | |
| Deuterium Oxide | Sigma-Aldrich | 151880-100G | |
| Acetonitrile (anhydrous) | Sigma-Aldrich | 271004 | |
| Ethanol (anhydrous) | Caledon Labs | 1500-1-05 | |
| Equipment | |||
| EC Epsilon potentiostat/galvanostat | BASi (Bioanalytical Systems, Inc.) | N/A | Reference electrodes and platinum wires were included with the potentiostat, and replacements can be purchaes from BASi http://www.basinc.com/products/ec/epsilon/features.html |
| Cary 5000 UV-Vis-NIR spectrophotometer | Agilent Technologies | N/A | http://www.chem.agilent.com/en-US/products-services/Instruments-Systems/Molecular-Spectroscopy/Cary-5000-UV-Vis-NIR/Pages/default.aspx |
| Thermomixer R | Eppendorf | N/A | http://www.eppendorf.com/int/index.php?action=products&contentid=1&catalognode=9832 |
| Branson 2510 Ultrasonic Cleaner | Bransonic | Z244810 (From Sigma Aldrich) | http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/Z244910?lang=en®ion=CA |
| Covap 2 thermal evaporator | Angstrom Engineering | N/A | http://www.angstromengineering.com/covap.html |
| Millipore Synergy water purification system | Millipore | N/A | http://www.millipore.com/catalogue/module/c9209 |
References
- Lee, W., Ji, R., Gösele, U., Nielsch, K. Fast fabrication of long-range ordered porous alumina membranes by hard anodization. Nature Publishing Group. 5 (9), 741-747 (2006).
- Li, F., Zhang, L., Metzger, R. M. On the growth of highly ordered pores in anodized aluminum oxide. Chemistry of Materials. 10 (9), 2470-2480 (1998).
- Martin, C. R. Template synthesis of electronically conductive polymer nanostructures. Accounts of Chemical Research. 28 (2), 61-68 (1995).
- Martin, C. R. Membrane-based synthesis of nanomaterials. Chemistry of Materials. 8 (8), 1739-1746 (1996).
- Possin, G. E. A method for forming very small diameter wires. Review of Scientific Instruments. 41 (5), 772-774 (1970).
- Goad, D. G. W., Moskovits, M. Colloidal metal in aluminum-oxide. Journal of Applied Physics. 49 (5), 2929-2934 (1978).
- Huesmann, D., DiCarmine, P. M., Seferos, D. S. Template-synthesized nanostructure morphology influenced by building block structure. Journal of Materials Chemistry. 21 (2), 408-40 (2011).
- Steinhart, M., Wendorff, J. H., et al. Polymer nanotubes by wetting of ordered porous templates. Science. 296 (5575), 1997 (2002).
- Hulteen, J. C., Martin, C. R. A general template-based method for the preparation of nanomaterials. Journal of Materials Chemistry. 7 (7), 1075-1087 (1997).
- DiCarmine, P. M., Fokina, A., Seferos, D. S. Solvent/Electrolyte Control of the Wall Thickness of Template-Synthesized Nanostructures. Chemistry of Materials. 23 (16), 3787-3794 (2011).
- Wei, W., Li, S., et al. Surprisingly long-range surface-enhanced Raman scattering (SERS) on Au-Ni multisegmented nanowires. Angewandte Chemie International Edition. 48 (23), 4210-4212 (2009).
- Qin, L., Zou, S., Xue, C., Atkinson, A., Schatz, G. C., Mirkin, C. A. Designing, fabricating, and imaging Raman hot spots. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 103 (36), 13300-13303 (2006).
- Ruan, C., Eres, G., Wang, W., Zhang, Z., Gu, B. Controlled Fabrication of Nanopillar Arrays as Active Substrates for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy. Langmuir. 23 (10), 5757-5760 (2007).
- McPhillips, J., Murphy, A., et al. High-Performance Biosensing Using Arrays of Plasmonic Nanotubes. ACS Nano. 4 (4), 2210-2216 (2010).
- Bridges, C. R., DiCarmine, P. M., Seferos, D. S. Gold Nanotubes as Sensitive, Solution-Suspendable Refractive Index Reporters. Chemistry of Materials. 24 (6), 963-965 (2012).
- Bridges, C. R., DiCarmine, P. M., Fokina, A., Huesmann, D., Seferos, D. S. Synthesis of Gold Nanotubes with Variable Wall Thicknesses. Journal of Materials Chemistry A. 1, 1127-1133 (2013).
- Kennedy, L. C., Bickford, L. R., et al. A New Era for Cancer Treatment: Gold-Nanoparticle-Mediated Thermal Therapies. Small. 7 (2), 169-183 (2010).
- Lee, S. B., Martin, C. R. pH-Switchable, Ion-Permselective Gold Nanotubule Membrane Based on Chemisorbed Cysteine. Analytical Chemistry. 73 (4), 768-775 (2001).
- Velleman, L., Shapter, J. G., Losic, D. Gold nanotube membranes functionalised with fluorinated thiols for selective molecular transport. Journal of Membrane Science. 328 (1-2), 1-2 (2009).
- Sanchez-Castillo, M. A., Couto, C., Kim, W. B., Dumesic, J. A. Gold-Nanotube Membranes for the Oxidation of CO at Gas-Water Interfaces. Angewandte Chemie( International ed. in English). 43 (9), 1140-1142 (2004).
- Kim, B. Y., Swearingen, C. B., Ho, J. -. A. A., Romanova, E. V., Bohn, P. W., Sweedler, J. V. Direct Immobilization of Fab’ in Nanocapillaries for Manipulating Mass-Limited Samples. Journal of the American Chemical Society. 129 (24), 7620-7626 (2007).
- Delvaux, M., Walcarius, A., Demoustier-Champagne, S. Electrocatalytic H2O2 amperometric detection using gold nanotube electrode ensembles. Analytica Chimica Acta. 525 (2), 221-230 (2004).
- Kohli, P., Wirtz, M., Martin, C. R. Nanotube Membrane Based Biosensors. Electroanalysis. 16 (12), 9-18 (2004).
- Ruppin, R. . Electromagnetic Surface Modes. , (1982).
- Sonninchsen, C. . Plasmons in Metal Nanostructures. , (2001).
- Barnes, W. L., Dereux, A., Ebbesen, T. W. Surface plasmon subwavelength optics. Nature. 424, 824-830 (2003).
- Maier, S. A., Kik, P. G., et al. Local detection of electromagnetic energy transport below the diffraction limit in metal nanoparticle plasmon waveguides. Nature Materials. 2 (4), 229-232 (2003).
- Barhoumi, A., Zhang, D., Tam, F., Halas, N. J. Surface-Enhanced Raman Spectroscopy of DNA. Journal of the American Chemical Society. 130 (16), 5523-5529 (2008).
- Yin, J., Wu, T., et al. SERS-Active Nanoparticles for Sensitive and Selective Detection of Cadmium Ion (Cd2. Chemistry of Materials. 23 (21), 4756-4764 (2011).
- Schmucker, A. L., Harris, N., et al. Correlating Nanorod Structure with Experimentally Measured and Theoretically Predicted Surface Plasmon Resonance. ACS Nano. 4 (9), 5453-5463 (2010).
- Payne, E. K., Shuford, K. L., Park, S., Schatz, G. C., Mirkin, C. A. Multipole Plasmon Resonances in Gold Nanorods. The Journal of Physical Chemistry B. 110 (5), 2150-2154 (2006).
- Moskovits, M. Surface-enhanced spectroscopy. Reviews of Modern Physics. 57 (3), 783 (1985).
- Sieb, N. R., Wu, N. -. C., Majidi, E., Kukreja, R., Branda, N. R., Gates, B. D. Hollow metal nanorods with tunable dimensions, porosity, and photonic properties. ACS Nano. 3 (6), 1365-1372 (2009).
- Muench, F., Kunz, U., Neetzel, C., Lauterbach, S., Kleebe, H. -. J., Ensinger, W. 4-(Dimethylamino)pyridine as a Powerful Auxiliary Reagent in the Electroless Synthesis of Gold Nanotubes. Langmuir. 27 (1), 430-435 (2011).
- Wirtz, M., Martin, C. R. Template-Fabricated Gold Nanowires and Nanotubes. Advanced Materials. 15 (5), 455-458 (2003).
- Sehayek, T., Lahav, M., Popovitz-Biro, R., Vaskevich, A., Rubinstein, I. Template Synthesis of Nanotubes by Room-Temperature Coalescence of Metal Nanoparticles. Chemistry of Materials. 17 (14), 3743-3748 (2005).
- Lahav, M., Sehayek, T., Vaskevich, A., Rubinstein, I. Nanoparticle Nanotubes. Angewandte Chemie (International ed. in English). 42 (45), 5576-5579 (2003).
- Hua, Z., Yang, S., et al. Metal nanotubes prepared by a sol-gel method followed by a hydrogen reduction procedure. Nanotechnology. 17 (20), 5106-5110 (2006).
- Lee, W., Scholz, R., Nielsch, K., Gösele, U. A Template-Based Electrochemical Method for the Synthesis of Multisegmented Metallic Nanotubes. Angewandte Chemie (International ed. in English). 44 (37), 6050-6054 (2005).
- Cui, C. -. H., Li, H. -. H., Yu, S. -. H. A general approach to electrochemical deposition of high quality free-standing noble metal (Pd, Pt, Au, Ag) sub-micron tubes composed of nanoparticles in polar aprotic solvent. Chemical Communications. 46 (6), 940 (2010).
- Han, X. -. F., Shamaila, S., Sharif, R., Chen, J. -. Y., Liu, H. -. R., Liu, D. -. P. Structural and Magnetic Properties of Various Ferromagnetic Nanotubes. Advanced Materials. 21 (45), 4619-4624 (2009).
- Hendren, W. R., Murphy, A., et al. Fabrication and optical properties of gold nanotube arrays. Journal of Physics: Condensed Matter. 20 (36), 362203 (2008).
- Lahav, M., Weiss, E. A., Xu, Q., Whitesides, G. M. Core-Shell and Segmented Polymer-Metal Composite Nanostructures. Nano Letters. 6 (9), 2166-2171 (2006).
- Chen, X., Li, S., Xue, C., Banholzer, M. J., Schatz, G. C., Mirkin, C. A. Plasmonic Focusing in Rod-Sheath Heteronanostructures. ACS Nano. 3 (1), 87-92 (2009).
- Banholzer, M. J., Qin, L., Millstone, J. E., Osberg, K. D., Mirkin, C. A. On-wire lithography: synthesis, encoding and biological applications. Nature Protocols. 4 (6), 838-848 (2009).
