Şablon Ayarlanabilir IR Absorbans ile plasmonik Altın Nanotüpler Sentez Yönetmen
Summary
Kontrol boyutlarını ile Solüsyonu-suspendable altın nanotüpler bir hidrofobik polimer çekirdek kullanılarak gözenekli anodik alüminyum oksit (AAO) membranları içinde elektrokimyasal depolanması ile sentezlenebilir. Altın nanotüpler ve nanotüp diziler plasmonik Biyoalgılayıcı, yüzey geliştirilmiş Raman spektroskopisi, foto-termal ısıtma, iyonik ve moleküler taşıma, ve arayüz, kataliz ve elektrokimyasal algılama uygulamaları için ümit vericidir.
Abstract
Boşluk oranı hemen hemen paralel bir dizi asidik ortamlar, 1, 2, alüminyum folyo anotlama ile üretilebilir. Anodik alüminyum oksit (AAO) membranların Uygulamaları 1990 yılından bu yana geliştirilmekte olan olmuştur ve şablonu çoğunlukla elektrokimyasal büyüme veya gözenek-ıslatma-boy oranı yüksek nanoyapıların sentezi için yaygın bir yöntem haline gelmiştir. Son zamanlarda, bu membran AAO membranlarından sentezlendiği fonksiyonel Nano geniş bir kütüphane yol açan, gözenek boyutları ve yoğunluklarda çeşitli ticari olarak mevcut hale gelmiştir. Bu kompozit nanoçubuklar nanoteller ve metaller, inorganik malzemeler ya da polimerler 3-10 yapılmış nanotüpler içerir. Nanogözenekli membran iyi kırılma indisi sensörler, plasmonik biyosensörler, ya da yüzey geliştirilmiş Raman Spektroskopisi (SERS) alt tabakalar 11-16 yanı sıra, bu gibi foto-termal gibi diğer alanlarda geniş olarak gerçekleştirmek nanoparçacık ve nanotüp dizilerini sentezlemek için kullanılmıştırIsıtma 17, permselective nakil 18, 19, 20 kataliz, ve arayüz 21 ve elektrokimyasal algılama 22, 23. Burada, AAO membranlar altın nanotüpler hazırlamak için yeni bir yöntem sunulmaktadır. Hollow nanoyapıların plasmonik ve SERS algılama potansiyel uygulama var ve biz bu altın nanotüpler 15 nemlendirme azalmıştır malzemeden kaynaklanan, yüksek hassasiyet ve güçlü plazmon sinyaller için izin bekliyorlar.
Introduction
Bunların boyutları penetrasyon ışık derinliği yaklaştığınızda (~ 50 nm; nano), metaller, ve en önemlisi altın, zarif boyut, şekil ve çevre bağımlı optik özellikleri 24, 25 sergilerler. Bu ölçekte, direkt aydınlatma yüzey plasmon rezonans (SPR) olarak bilinen bir iletim elektron tutarlı bir salınım neden olur. SPR nano boyut, şekil ve çevreleyen ortamın dielektrik özellikleri üzerinde son derece bağlıdır. SPR tabanlı aygıtlar alt dalga boyu optik, SERS yüzeyler, ve ultra-hassas optik sensörler 11-16, 26-29 kullanım için ortaya çıkıyor gibi, yeni malzeme SPR özelliklerini karakterize büyük ilgi var. Gibi, hesaplamalı yöntemler geliştirmek daha doğru boyutu ve yapısı plasmonik yanıtı önemli bir hedef olmaya devam etmektedir nasıl farklılık tahmin. AAO membranların kullanımı partikül çapı veya uzunluğunu değiştirmek için uygun bir yol tanıyor, ve bazı önemli çalışmalar da benim ilişkilendirmek için bunu kullanınölçülü ve partikül çapı, uzunluğu ve boy oranı 30, 31 değişen plasmonik yanıtı hesaplanmıştır. Belki plasmonik malzemelerin en çok çalışılan ve başarılı kullanımı refraktif indeks bazlı biyosensörler gibidir. Bunun için, yakın kızılötesi (NIR) aralığı (~ 800 – 1300 nm) kırmızı rezonanslar onlar kırılma indeksi değişim karşı daha duyarlıdır ve "su penceresi" yalan beri arzu onlar su ve ikisi yoluyla iletilir böyle insan dokuları. Vivo plasmonik biosensörleme bu seriden açık ilginç olanakları SPR zirveleri ile Çözüm-suspendable nanoyapıların.
Gözenekli AAO elektrokimyasal sentez veya şablon ıslatma polimer nanotüpler veya nanoteller hazırlamak için kullanılan ve malzeme geniş bir yelpazede uygulanabilir olduğu kanıtlanmıştır. AAO membranlar artık çözüm suspendable boy oranı yüksek nanoçubuklar ve yüksek performanslı plasmonik biyosensörler veya SER olarak işlev nanoyapılı diziler sentezlemek için kullanılıyorS yüzeyler. AAO membran çoğunlukla katı çubuklar sentezi için şablon olarak kullanılmış olsa da, bazı durumlarda, bu oyuk olacak şekilde yapı için arzu edilebilir. Plasmonik ve SERS algılama uygulamaları, örneğin, yüzey bazlı olan ve geniş yüzey alanlı-hacim oranına sahip içi boş yapılar daha güçlü bir sinyal üretimi ve daha yüksek hassasiyet, 14, 15, 32 yol açabilir. Bu açıdan, altın nanotüpler gümüş nanoçubuklar 33, elektriksiz kaplama 34, 35, 36 şablon gözeneklerin yüzey modifikasyonu, 37, sol-jel yöntemlerinin 38, 39-41 ve elektro galvanik değiştirme tepkimeleri de dahil olmak üzere çeşitli yöntemlerle sentezlenmektedir edilmiştir. Bu sentezler genellikle kötü oluşmuş, gözenekli nanotüpler bırakmak veya boyut ve morfoloji üzerinde çok az kontrole izin verir. Metalik bir kabuk bir AAO membran 42, 43 bir polimer çekirdek üzerine yatırılır neyin sentezi de bildirilmiştir. Bu sentez altın nanot bırakınUBE yüzeye bağlı ve bu nedenle çözelti olarak incelenebilir olamaz, polimer etrafında altın büyüme sağlamak için şablon aşındırma dayanır. Ayrıca, şablon dağlama bazı potansiyel dezavantajları vardır. Şablon duvar boyunca İlk olarak, düzgün olmayan gözenek aşındırma düzgün olmayan bir altın kabuk kalınlığı yol açabilir. İkincisi, önemli gravür (yani çok kalın etli boru yapmak için) tamamen gözenek duvarlarına feshedebilir.
Çok yakın zamanda, Köprüler ve ark. (3-heksil) son derece yüksek kırılma indeksi duyarlılığı 15 ile tiyofen çekirdek ve verimleri çözüm suspendable altın nanotüpler kurbanlık poli kullanır AAO zarlarında altın nanotüpler sentezlemek için bir etchant ücretsiz yöntem bildirdi. Bu ve daha sonraki çalışma bakıldığında, kimyasal dağlama olmaksızın polimer çekirdek çevresinde altın kabukları yatırmak için, polimer daraltmak için iç alanı olduğundan bu tür boru şeklinde olması ve polimer, öyle ki bu olacak hidrofobik olması gerektiği keşfedilmiştir colkendi üzerine sukut yerine şablon gözenek duvarlarına 16 yapışır. Hidrofilik polimerler kullanıldığı zaman, kısmen polimer çekirdek içeren bir altın "kılıf" altın tortu 44 boyunca şablonun bir duvar için polimer çekirdek yapışır gösteren görülmektedir. Burada, uzunluk ve çap üzerinde kontrol sağlayan içi boş altın nanotüpler sentezi için ayrıntılı bir protokol (Şekil 1) tarif edilir. Bu çözüm suspendable altın nanotüpler plasmonik Biyoalgılayıcı veya SERS substratlar içeren geniş bir uygulama yelpazesi için malzemeler umut vericidir.
Protocol
Representative Results
Discussion
AAO zarlarında nanoçubuklar Şablonu yönettiği sentezi giderek daha popüler hale gelmiştir, ancak nanoçubuklar sentez malzeme ve sentez koşullarda ufak değişimlere karşı çok hassas olma eğilimindedir. Burada avantaj ve AAO membranlar kullanarak kısıtlamaları kapsamlı bir anlayış yanı nanoyapıların elektrokimyasal sentezi için AAO membranlar kullanarak için genel bir kılavuz olarak, belirtilmiştir.
Asimetrik ve simetrik: AAO membranlar satın alırken, iki genel tü…
Acknowledgements
Bu çalışma, Toronto Üniversitesi, Doğa Bilimleri ve Kanada'nın Mühendislik Araştırma Konseyi, Yenilik ve Ontario Araştırma Fonu için Kanada Vakfı tarafından desteklenmiştir. DSS Erken Araştırmacı Ödülü Ontario Bakanlığı teşekkürler.
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).
