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Nanopartículas de oro: Propiedades ópticas

Las nanopartículas de oro absorben y dispersan la luz con una eficacia extraordinaria. Su fuerte interacción con la luz se produce porque los electrones de conducción de la superficie del metal experimentan una oscilación colectiva cuando son excitados por la luz a longitudes de onda específicas. Esta oscilación se conoce como resonancia plasmónica superficial (SPR), y hace que las intensidades de absorción y dispersión de las nanopartículas de oro sean mucho mayores que las de las nanopartículas no plasmónicas de tamaño idéntico. Las propiedades de absorción y dispersión de las nanopartículas de oro pueden ajustarse controlando el tamaño de la partícula, la forma y el índice de refracción local cerca de la superficie de la partícula.

El efecto del tamaño en las propiedades ópticas

Las propiedades ópticas de las nanopartículas esféricas de oro dependen en gran medida del diámetro de la nanopartícula. En la figura siguiente se muestran los espectros de extinción de 15 tamaños de nanopartículas de oro NanoXact a idénticas concentraciones de masa (0,02 mg/mL). Las nanoesferas más pequeñas absorben principalmente la luz y tienen picos cerca de los 520 nm, mientras que las esferas más grandes muestran una mayor dispersión y tienen picos que se amplían significativamente y se desplazan hacia longitudes de onda más largas (lo que se conoce como desplazamiento al rojo). Las esferas más grandes dispersan más luz porque tienen secciones transversales ópticas más grandes y también porque su albedo (relación entre la dispersión y la extinción total) aumenta con el tamaño. Las nanopartículas de oro se utilizan a menudo como etiquetas de bioimagen en las técnicas de microscopía de campo oscuro, donde se puede observar la dispersión de las nanopartículas individuales con diámetros superiores a 40-50 nm.

Espectro de extinción (la suma de la dispersión y la absorción) de las nanopartículas de oro NanoXact con diámetros que oscilan entre 10 y 100 nm a concentraciones de masa de 0,05 mg/mL. Las nanopartículas BioPure tienen densidades ópticas 20 veces mayores.

Espectro de dispersión de nanoesferas de oro de distinto diámetro.

Albedo de las nanoesferas de oro (relación entre la dispersión y la extinción total) en función del diámetro de las nanopartículas.
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El efecto del índice de refracción local en las propiedades ópticas

Las propiedades ópticas de las nanopartículas de oro también dependen del índice de refracción cerca de la superficie de la nanopartícula. A medida que el índice de refracción cerca de la superficie de la nanopartícula aumenta, el espectro de extinción de la nanopartícula se desplaza a longitudes de onda más largas (lo que se conoce como desplazamiento al rojo). En la práctica, esto significa que la ubicación del pico de extinción de las nanopartículas se desplazará a longitudes de onda más cortas (desplazamiento al azul) si las partículas se transfieren del agua (n=1,33) al aire (n=1,00), o se desplazará a longitudes de onda más largas si las partículas se transfieren al aceite (n=1,5). La figura siguiente muestra el espectro de extinción calculado de una nanoesfera de oro de 50 nm al aumentar el índice de refracción local. Al aumentar el índice de refracción de 1,00 a 1,60 se produce un desplazamiento del pico de extinción de más de 40 nm, desplazando el pico de la región verde a la roja del espectro. Cuando se incrusta en materiales de alto índice, la sección transversal de extinción aumenta sustancialmente.

Espectro de extinción de una nanoesfera de oro de 50 nm en aire, agua y sílice. A medida que aumenta el índice de refracción del medio, el espectro de extinción de la nanopartícula se desplaza a longitudes de onda más largas.

De forma similar, el pico de extinción puede ajustarse recubriendo las nanopartículas acuosas con carcasas no conductoras, incluyendo sílice (n=1,5), biomoléculas (n=1,4-1,45) u óxido de aluminio (n=1.58-1,68).

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El efecto de la agregación en las propiedades ópticas

Las propiedades ópticas de las nanopartículas de oro cambian cuando las partículas se agregan y los electrones de conducción cercanos a la superficie de cada partícula se deslocalizan y se comparten entre las partículas vecinas. Cuando esto ocurre, la resonancia del plasmón de superficie se desplaza a energías más bajas, lo que hace que los picos de absorción y dispersión se desplacen hacia longitudes de onda más largas. La espectroscopia UV-Visible puede utilizarse como un método sencillo y fiable para controlar la estabilidad de las soluciones de nanopartículas. A medida que las partículas se desestabilizan, el pico de extinción original disminuirá en intensidad (debido al agotamiento de las nanopartículas estables), y a menudo el pico se ampliará o se formará un pico secundario a longitudes de onda más largas (debido a la formación de agregados). En la figura de la derecha, el espectro de extinción del oro NanoXact funcionalizado de 12 nm que tiene grupos carboxi (-COOH) en la superficie se monitoriza a medida que el pH de la solución cambia de 6,5 a 3. A medida que la solución se vuelve más ácida, el grupo carboxi se protoniza y el potencial zeta se reduce dando lugar a nanopartículas desestabilizadas que se agregan. El rápido cambio en el espectro de extinción al disminuir el pH demuestra claramente que las nanopartículas se están aglomerando. Se observa una señal similar en las soluciones en las que las nanopartículas no funcionalizadas se desestabilizan y agregan. La espectroscopia UV-Visible puede utilizarse como una técnica de caracterización que proporciona información sobre si la solución de nanopartículas se ha desestabilizado con el tiempo.

Espectro de extinción de nanopartículas de oro NanoXact dispersas y aglomeradas.

Imágenes de nanopartículas de oro NanoXact dispersas (izquierda) y aglomeradas (derecha).Las nanopartículas de oro no agregadas tendrán un color rojo en la solución, como se ve en la imagen de la derecha. Si las partículas se agregan, la solución aparecerá de color azul/púrpura y puede progresar a una solución clara con precipitados negros.

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