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Chemistry

템플릿 조정할 IR의 흡광도와 Plasmonic 골드 나노 튜브의 합성을 감독

Published: April 01, 2013
doi:
10.3791/50420
, , ,
1Department of Chemistry,University of Toronto

Summary

제어 치수와 솔루션 suspendable 금 나노 튜브는 소수성 고분자 코어를 사용하여 다공성 양극 산화 알루미늄 (AAO) 멤브레인의 전기 증착에 의해 합성 할 수 있습니다. 골드 나노 튜브와 나노 튜브 배열 plasmonic biosensing, 표면 강화 라만 분광법, 사진 열 난방, 이온, 분자 운송, microfluidics, 촉매 및 전기 감지의 응용 프로그램에 대한 약속을 누르고 있습니다.

Abstract

구멍의 거의 평행 배열은 산성 환경 1, 2에서 알루미늄 포일을 양극 처리에 의해 생성 될 수 있습니다. 양극 산화 알루미늄 (AAO) 멤브레인의 응용 프로그램은 1990 년대부터 개발이 진행되었습니다 및 템플릿 주로 전기의 성장이나 기공 – 으러하여 고 종횡비 nanostructures의 합성에 일반적인 방법이되었다. 최근,이 멤브레인은 AAO의 멤브레인에서 합성되는 기능 nanostructures의 광범위한 라이브러리로 이어지는, 기공 크기와 밀도의 광범위한 상업적으로 사용할 수 있습니다. 이러한 복합 nanorods, 나노 와이어 및 금속, 무기 재료 또는 고분자 3-10으로 만든 나노 튜브가 포함되어 있습니다. Nanoporous 멤브레인가 잘 굴절률 센서, plasmonic 바이오 센서, 또는 표면 강화 라만 분광법 (SERS) 기판 11-16,뿐만 아니라 사진 열 등 다른 분야의 폭 넓은 범위로 수행 nanoparticle과 나노 튜브 배열을 합성하는 데 사용 된난방 17 permselective 교통 18, 19, 촉매 20, microfluidics 21 및 전기 감지 22, 23. 여기, 우리는 AAO의 멤브레인에 금 나노 튜브를 준비 할 수있는 새로운 절차를보고합니다. 중공 nanostructures는 plasmonic과 SERS 감지 잠재적 인 응용 프로그램이, 우리는 이러한 금 나노 튜브가 15 댐퍼 닝 감소 물질에서 발생하는 높은 감도 및 강력한 plasmon 신호를 허용합니다 기대하고 있습니다.

Introduction

자신의 크기가 침투 빛의 깊이 접근 할 때 (~ 50 나노 미터, nanoscale), 귀금속, 그리고 가장 중요한 금을, 절묘한 크기, 모양 및 환경에 의존 광학 특성 24, 25을 나타냅니다. 이 규모에서 직접 조명이 표면 plasmon 공명 (SPR)로 알려진 전도 전자의 코 히어 런트 진동이 발생합니다. SPR은 나노​​ 구조의 크기, 모양, 및 주변 매체의 유전 특성에 크게 의존합니다. SPR 기반 장치 하위 파장 광학, SERS 기판, 그리고 매우 민감한 광학 센서 11-16, 26-29에 사용 신흥하기 때문에, 새로운 자료에 SPR 속성을 특성화에 큰 관심이 있습니다. 따라서,에 대한 계산 방법을 개발하는 것은 더 정확하게 크기와 구조가 plasmonic 응답 주요 목표 남아 다를 수있는 방법을 예측하고있다. AAO의 멤브레인의 사용은 입자 직경 또는 길이를 다양하게하는 편리한 방법을 갖게하고, 몇 가지 중요한 연구 나 신원을 확인하도록이 기능을 사용하여asured 및 입자의 직경, 길이, 가로 세로 비율 30, 31 변화와 plasmonic 응답을 계산. 아마도 plasmonic 재료의 가장 공부하고 성공적인 사용은 굴절률 기반의 바이오 센서로합니다. 이를 위해 근처에 적외선 (NIR) 범위 (~ 800 – 1300 nm의)에 빨간색의 resonances들은 굴절률 변화에 더 민감하며, "물 창"에 거짓말 때문에 바람직들은 물과 모두를 통해 전송되는 등 인간의 조직. 생체 plasmonic의 biosensing에서이 범위를 개방 흥미로운 가능성을 SPR 피크와 솔루션 suspendable nanostructures.

다공성 AAO는 전기 합성 또는 템플릿 으러에 의해 고분자 나노 튜브 나 나노 와이어를 준비하는 데 사용하고, 재료의 다양한에 적용 할 입증되었습니다. AAO의 멤브레인은 이제 솔루션 suspendable 고 종횡비 nanorods 및 고성능 plasmonic 바이오 센서 또는 SER 역할 nanostructured 배열을 합성하는 데 사용되는S 기판. AAO의 멤브레인은 대부분 고체 봉을 합성에 대한 템플릿으로 사용되어 왔습니다 있지만, 일부 경우에 그것은 중공 될 수있는 구조 바람직 할 수있다. Plasmonic 및 SERS 감지 응용 프로그램, 예를 들어, 표면 기반 있으며, 대형 표면 면적 – 투 – 볼륨 비율과 중공 구조는 강한 신호 생성 및 높은 감도 14, 15, 32으로 이어질 수 있습니다. 이와 관련하여, 금 나노 튜브는 실버 nanorods 33, 무전 해 도금 34, 35, 템플릿 구멍 36 표면 수정, 37, 솔 – 젤 방법 38, 및 전착 39-41에 경련 교체 반응 등 다양한 방법이 합성되었습니다. 이 syntheses는 일반적으로 제대로 형성, 다공성 나노 튜브를 남기거나 크기와 형태 이상 약간의 제어 할 수 있습니다. 금속 쉘은 AAO 막 42, 43의 폴리머 코어 위에 증착된다 Syntheses도보고되었습니다. 이 합성은 금 nanot를 남겨ubes는 기판에 바인딩하기 때문에 그들이 솔루션에서 공부 할 수 없습니다 폴리머 주위에 금의 성장을 할 수 있도록 템플릿 에칭에 의존하고 있습니다. 또한, 템플릿 에칭 몇 가지 잠재적 인 단점을 가지고있다. 템플릿 벽을 따라 첫째, 비 균일 기공 에칭은 비 균일 금 쉘의 두께가 발생할 수 있습니다. 둘째, 중요한 에칭은 (즉, 매우 두꺼운 벽 관을 위해) 완전히 기공 벽을 분해 할 수 있습니다.

최근, 교량 외이 있습니다. (3-헥실) 매우 높은 굴절률 감도 15 thiophene 코어 및 수율 솔루션 suspendable 금 나노 튜브 희생 폴리를 사용 AAO의 멤브레인에 금 나노 튜브를 합성 할 수있는 에칭 무료로 방법을보고했다. 그 및 이후 작업에서, 그것은 화학적 에칭없이 폴리머 코어 주위에 금 껍질을 입금하기 위해, 폴리머가 붕괴 할 내부 공간이되도록 관해야하며, 폴리머 등 그 얘기가됩니다 소수성해야한다는 사실을 발견했습니다 안부자체에 경과가 아닌 템플릿 기공 벽 16 준수합니다. 친수성 폴리머가 사용되면, 부분적으로 폴리머 코어를 다루는 금 "집"은 금 증착 44시 템플릿의 벽 중 하나에 폴리머 코어 준수를 나타냅니다 관찰된다. 여기, 길이, 직경 제어를 허용 속이 빈 금 나노 튜브의 합성에 대한 자세한 프로토콜은 (그림 1) 설명되어 있습니다. 이 솔루션 suspendable 금 나노 튜브는 plasmonic biosensing 또는 SERS 기판을 포함한 응용 프로그램의 광범위한 자료를 가능성이 있습니다.

Protocol

1. 실버 작업 전극을 형성 양면 접착제를 사용하여 유리 접시에 AAO 막 기판 상단 측을 고정합니다. 참고 : 접착제와 접촉 막 영역을 최소화은 모공을 방해하므로. 금속 증발기의 기판 홀더에 유리 판을 설치 챔버를 닫고, 아래 1.0 μTorr의 압력으로 피난한다. 100 nm의 층의 두께에 도달 할 때까지 저항 소스 사용 0.8 Å / 초의 속도로 기판에 은색 알약을 (> 99.99 % 순도) 증발 다음…

Representative Results

각 단계 후, 하나는 가시적 합성은 멤브레인의 색을 관찰하여 성공 여부를 확인할 수 있습니다. 구리 증착 후 (단계 2.3) 템플릿은 보라색 표시됩니다. 니켈 증착 동안 (단계 2.5) 템플릿은 서서히 검은 색으로 바뀝니다. 폴리머 증착 (단계 3.3) 후 템플릿 (그림 2) 어두운 보라색 / 검정색보다 광택 나타납니다. 성공 폴리머과 금색의 전형적인 chronoapmerograms는 (그림 3)가 포함되?…

Discussion

AAO의 멤브레인에 nanorods의 템플릿 지시 합성이 점점 더 인기를 끌고있다, 그러나 nanorods의 syntheses는 자료 및 합성 조건의 사소한 변경에 대한 매우 민감한 경향이 있습니다. 여기 장점과 AAO의 멤브레인을 사용하는 제한의 포괄적 인 이해뿐만 아니라 nanostructures의 전기 합성을위한 AAO의 세포막을 사용하기위한 일반적인 지침으로, 설명되어 있습니다.

비대칭과 대칭 : AAO의 세?…

Acknowledgements

이 작품은 토론토 대학, 자연 과학 및 캐나다의 공학 연구 협의회, 혁신, 그리고 온타리오 연구 기금을위한 캐나다 재단에 의해 지원되었다. DSS는 조기 연구원 수상 온타리오 교육부 감사를드립니다.

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&region=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
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References

  1. 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).
  2. 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).
  3. Martin, C. R. Template synthesis of electronically conductive polymer nanostructures. Accounts of Chemical Research. 28 (2), 61-68 (1995).
  4. Martin, C. R. Membrane-based synthesis of nanomaterials. Chemistry of Materials. 8 (8), 1739-1746 (1996).
  5. Possin, G. E. A method for forming very small diameter wires. Review of Scientific Instruments. 41 (5), 772-774 (1970).
  6. Goad, D. G. W., Moskovits, M. Colloidal metal in aluminum-oxide. Journal of Applied Physics. 49 (5), 2929-2934 (1978).
  7. 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).
  8. Steinhart, M., Wendorff, J. H., et al. Polymer nanotubes by wetting of ordered porous templates. Science. 296 (5575), 1997 (2002).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. McPhillips, J., Murphy, A., et al. High-Performance Biosensing Using Arrays of Plasmonic Nanotubes. ACS Nano. 4 (4), 2210-2216 (2010).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. Lee, S. B., Martin, C. R. pH-Switchable, Ion-Permselective Gold Nanotubule Membrane Based on Chemisorbed Cysteine. Analytical Chemistry. 73 (4), 768-775 (2001).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. Delvaux, M., Walcarius, A., Demoustier-Champagne, S. Electrocatalytic H2O2 amperometric detection using gold nanotube electrode ensembles. Analytica Chimica Acta. 525 (2), 221-230 (2004).
  23. Kohli, P., Wirtz, M., Martin, C. R. Nanotube Membrane Based Biosensors. Electroanalysis. 16 (12), 9-18 (2004).
  24. Ruppin, R. . Electromagnetic Surface Modes. , (1982).
  25. Sonninchsen, C. . Plasmons in Metal Nanostructures. , (2001).
  26. Barnes, W. L., Dereux, A., Ebbesen, T. W. Surface plasmon subwavelength optics. Nature. 424, 824-830 (2003).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. Moskovits, M. Surface-enhanced spectroscopy. Reviews of Modern Physics. 57 (3), 783 (1985).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Wirtz, M., Martin, C. R. Template-Fabricated Gold Nanowires and Nanotubes. Advanced Materials. 15 (5), 455-458 (2003).
  36. 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).
  37. Lahav, M., Sehayek, T., Vaskevich, A., Rubinstein, I. Nanoparticle Nanotubes. Angewandte Chemie (International ed. in English). 42 (45), 5576-5579 (2003).
  38. 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).
  39. 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).
  40. 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).
  41. 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).
  42. Hendren, W. R., Murphy, A., et al. Fabrication and optical properties of gold nanotube arrays. Journal of Physics: Condensed Matter. 20 (36), 362203 (2008).
  43. 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).
  44. 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).
  45. 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).

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Keywords: Anodic Aluminum OxideAAO MembranesTemplate SynthesisGold NanotubesPlasmonic NanostructuresIR AbsorbanceRefractive Index SensorsPlasmonic BiosensorsSurface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS)Photo-thermal HeatingPermselective TransportCatalysisMicrofluidicsElectrochemical Sensing
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Bridges, C. R., Schon, T. B., DiCarmine, P. M., Seferos, D. S. Template Directed Synthesis of Plasmonic Gold Nanotubes with Tunable IR Absorbance. J. Vis. Exp. (74), e50420, doi:10.3791/50420 (2013).
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