إخراج القالب التجميعي من الأنابيب النانومترية الذهبية Plasmonic مع امتصاص الأشعة تحت الحمراء الانضباطي
Summary
يمكن توليفها الأنابيب النانوية الذهب الحلول suspendable مع الأبعاد التي تسيطر عليها الكهروكيميائية ترسب في الأغشية المسامية الألومنيوم انوديك (AAO) أكسيد باستخدام البوليمر الأساسية مسعور. الأنابيب النانوية الذهب وصفائف أنابيب تبشر التطبيقات في biosensing plasmonic، سطح تعزيز رامان الطيفي، تدفئة الصورة الحرارية، والنقل الأيونية والجزيئية، على microfluidics، الحفز والاستشعار الكهروكيميائية.
Abstract
يمكن أن تنتج مجموعة A موازية تقريبا من المسام أنودة رقائق الألمنيوم في البيئات الحمضية 1 و 2. وكانت تطبيقات الأغشية الألومنيوم انوديك (AAO) أكسيد قيد التطوير منذ عام 1990، وأصبحت وسيلة شائعة لقالب تركيب النانو عالية نسبة الارتفاع، ومعظمهم من النمو الكهروكيميائية أو التبول في المسام. في الآونة الأخيرة، أصبحت هذه الأغشية المتاحة تجاريا في مجموعة واسعة من الأحجام والكثافات المسام، مما يؤدي إلى مكتبة واسعة من النانو وظيفية يجري تصنيعه من الأغشية AAO. وتشمل هذه nanorods مركب، أسلاك وأنابيب مصنوعة من المعادن والمواد غير العضوية أو البوليمرات 3-10. وقد استخدمت الأغشية Nanoporous لتجميع جسيمات متناهية الصغر وأنابيب صفائف التي تؤدي كذلك أجهزة الاستشعار معامل الانكسار، أجهزة الاستشعار plasmonic، أو سطح تعزيز رامان الطيفي (SERS) ركائز 11-16، فضلا عن مجموعة واسعة من مجالات أخرى مثل الصورة الحراريةتدفئة 17، النقل permselective 18 و 19 و الحفز 20، على microfluidics 21، والاستشعار الكهروكيميائية 22 و 23. هنا، ونحن التقرير إجراء رواية لإعداد الأنابيب النانوية الذهبية في الأغشية AAO. النانو جوفاء لها إمكانية تطبيقها في plasmonic والاستشعار SERS، ونتوقع هذه الأنابيب النانوية الذهب سيسمح للحساسية عالية وقوية إشارات مأكل، الناشئة عن المواد انخفضت الملطف 15.
Introduction
عندما نقترب من أبعادها عمق الاختراق للضوء (~ 50 نانومتر، والنانو)، والمعادن النبيلة، ومعظم الذهب الأهم من ذلك، تظهر حجم وشكل والبيئة تعتمد الخصائص البصرية الرائعة 24 و 25. على هذا النطاق، والإضاءة المباشرة يؤدي إلى التذبذب متماسكة من الإلكترونات التوصيل المعروفة باسم مأكل صدى سطح (SPR). SPR تعتمد بشكل كبير على حجم البنية النانوية، والشكل، وخصائص عازلة من الوسط المحيط. هناك اهتمام كبير في وصف خصائص المواد الجديدة في SPR، وSPR الأجهزة المستندة إلى والناشئة لاستخدامها في شبه الطول الموجي البصريات، SERS ركائز، وأجهزة استشعار فائقة الحساسية الضوئية 11-16، 26-29. على هذا النحو، وتطوير الأساليب الحسابية على نحو أكثر دقة التنبؤ بكيفية حجم وهيكل يمكن أن تختلف استجابة plasmonic يبقى هدفا رئيسيا. استخدام الأغشية AAO يتيح وسيلة مريحة لتغيير الإطارات أو الجسيمات طول، ودراسات هامة عديدة استخدام هذه البيانات لربطوردا asured حساب plasmonic بدرجات قطر الجسيمات، وطولها، ونسبة الارتفاع 30 و 31. ولعل الاستخدام الأكثر مدروسة وناجحة من المواد plasmonic كما هو أجهزة الاستشعار معامل الانكسار القائمة. لهذا، الأصداء في الحمراء بالقرب من مجموعة (NIR) الأشعة تحت الحمراء (~ 800 – 1300 نانومتر) مطلوبة لأنها أكثر حساسية لتغير معامل الانكسار، وتكمن في "نافذة المياه" بحيث تنتقل من خلال أنها على حد سواء والمياه الإنسان الأنسجة. الحلول suspendable النانو مع قمم SPR في هذا النطاق فضول الاحتمالات مفتوحة لفي biosensing plasmonic الجسم الحي.
وقد استخدم AAO التي يسهل اختراقها لإعداد البوليمر الأنابيب النانوية أو أسلاك كهربائية أو عن طريق التخليق التبول القالب، وثبت أن تنطبق على طائفة واسعة من المواد. والآن الأغشية AAO تستخدم لتجميع الحلول suspendable نسبة الارتفاع العالية وصفائف nanorods ذات البنية النانومترية التي تعمل أجهزة الاستشعار وعالية الأداء plasmonic أو SERS ركائز. بينما معظمهم تم استخدام الأغشية AAO كقوالب لتوليف قضبان صلبة، في بعض الحالات قد يكون من المرغوب فيه أن يكون هيكل أجوف. Plasmonic وSERS تطبيقات الاستشعار عن بعد، على سبيل المثال، هي القائمة على سطح، وهياكل جوفاء مع نسب السطح المساحة الى حجم كبير قد يؤدي إلى توليد إشارة أقوى وأعلى حساسية 14 و 15 و 32. فيما يتعلق بذلك، وقد تم تصنيعه من الأنابيب النانوية الذهب الأساليب المختلفة بما في ذلك ردود الفعل على استبدال كلفاني nanorods الفضة 33، الطلاء للكهرباء 34 و 35، وتعديل سطح المسام قالب 36 و 37 و جل سول طرق 38، والكهربي 39-41. هذه التوليفات ترك عادة سيئة شكلت، الأنابيب النانوية المسامية أو السماح للسيطرة تذكر على حجم والتشكل. كما تم التوليفات ذكرت فيه يترسب قذيفة معدنية أكثر من البوليمر الأساسية في الغشاء AAO 42 و 43. هذه التوليف مغادرة nanot الذهبubes منضمة إلى الركيزة والاعتماد على الحفر قالب للسماح للنمو من الذهب حول البوليمر، وبالتالي لا يمكن دراستها في الحل. وعلاوة على ذلك، النقش قالب لديها بعض العيوب المحتملة. قد الأولى، النقش المسام غير موحدة على طول الجدار قالب يؤدي إلى سماكة الذهب قذيفة غير موحدة. ثانيا، قد النقش كبير (أي لجعل أنابيب سميكة جدا الجدار) حل مسام الجدران تماما.
مؤخرا جدا، أفادت الجسور وآخرون وسيلة لتجميع etchant مجانا الأنابيب النانوية الذهبية في الأغشية AAO يستخدم بولي الهدى (3-هيكسيل) ثيوفين الأساسية والمحاصيل الأنابيب النانوية الذهب الحلول suspendable مع حساسية عالية للغاية الانكسار مؤشر 15. من الأعمال التي واللاحقة، اكتشف أن لإيداع قذائف الذهب في جميع أنحاء الأساسية البوليمر الكيميائية دون النقش، البوليمر يجب أن تكون مثل هذه أنبوبي أن هناك المساحة الداخلية من أجل أن ينهار، ويجب أن يكون البوليمر مسعور من النوع الذي سوف مضيق بين قمتينيسقط على نفسها بدلا من الانضمام إلى مسام الجدران قالب 16. عندما تستخدم البوليمرات ماء، لوحظ الذهب "غمد" تغطي جزئيا الأساسية البوليمر، مما يدل على تمسك الأساسية البوليمر إلى واحد من جدران القالب خلال ترسب 44 ذهبية. هنا، يتم وصف مفصل بروتوكول لتركيب الأنابيب النانوية جوفاء الذهب التي تسمح للسيطرة على طول وقطر (الشكل 1). هذه الأنابيب النانوية الذهب الحلول suspendable واعدة المواد لمجموعة واسعة من التطبيقات بما في ذلك biosensing plasmonic أو ركائز SERS.
Protocol
Representative Results
Discussion
توليف قالب الموجهة من nanorods في الأغشية AAO أصبحت شعبية متزايدة، ولكن من nanorods التوليفات تميل إلى أن تكون حساسة للغاية تجاه التغييرات الطفيفة في الظروف المادية والتوليف. هنا، يتم وضع الخطوط العريضة لفهم شامل لمزايا وقيود استخدام الأغشية AAO، وكذلك توجيهي عام لاستخدام الأ…
Acknowledgements
وأيد هذا العمل من قبل جامعة تورونتو، والعلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا، ومؤسسة الكندية للإبداع، وصندوق أبحاث أونتاريو. DSS يشكر وزارة أونتاريو لجائزة الباحث في وقت مبكر.
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 |
Riferimenti
- 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).
