Menu Zamknij

Nanocząstki złota: Optical Properties

Nanocząstki złota absorbują i rozpraszają światło z niezwykłą wydajnością. Ich silna interakcja ze światłem występuje, ponieważ elektrony przewodnictwa na powierzchni metalu ulegają zbiorowej oscylacji, gdy są wzbudzane przez światło o określonej długości fali. Oscylacja ta znana jest jako rezonans plazmonów powierzchniowych (SPR) i powoduje, że intensywność absorpcji i rozpraszania światła przez nanocząstki złota jest znacznie wyższa niż w przypadku identycznych rozmiarów nanocząstek nieplazmonowych. Właściwości absorpcji i rozpraszania nanocząstek złota mogą być dostrajane poprzez kontrolowanie rozmiaru cząstek, kształtu i lokalnego współczynnika załamania światła w pobliżu powierzchni cząstek.

Efekt rozmiaru na właściwości optyczne

Właściwości optyczne sferycznych nanocząstek złota są wysoce zależne od ich średnicy. Widma ekstynkcji 15 rozmiarów nanocząstek złota NanoXact Gold przy identycznych stężeniach masowych (0.02 mg/mL) są pokazane na poniższym rysunku. Mniejsze nanosfery głównie absorbują światło i mają piki w pobliżu 520 nm, podczas gdy większe sfery wykazują zwiększone rozpraszanie i mają piki, które znacznie się poszerzają i przesuwają w kierunku dłuższych fal (znane jako przesunięcie ku czerwieni). Większe sfery rozpraszają więcej światła zarówno dlatego, że mają większy przekrój optyczny, jak i dlatego, że ich albedo (stosunek rozpraszania do całkowitego wygaszania) rośnie wraz z rozmiarem. Nanocząstki złota są często używane jako znaczniki bioobrazowania w technikach mikroskopii ciemnego pola, gdzie można obserwować rozpraszanie z pojedynczych nanocząstek o średnicach większych niż 40-50 nm.

Widma ekstynkcji (suma rozpraszania i absorpcji) nanocząstek złota NanoXact o średnicach od 10 do 100 nm w stężeniach masowych 0,05 mg/mL. Nanocząstki BioPure mają gęstość optyczną 20-krotnie większą.

Widma rozpraszania złotych nanosfer o różnej średnicy.

Albedo złotej nanosfery (stosunek rozpraszania do całkowitego wygaszania) jako funkcja średnicy nanocząstki.
Back to top

Wpływ lokalnego współczynnika załamania światła na właściwości optyczne

Właściwości optyczne nanocząstek złota zależą również od współczynnika załamania światła w pobliżu powierzchni nanocząstek. Gdy współczynnik załamania światła w pobliżu powierzchni nanocząstek wzrasta, widmo ekstynkcji nanocząstek przesuwa się w kierunku dłuższych fal (znane jako przesunięcie ku czerwieni). W praktyce oznacza to, że szczytowe położenie ekstynkcji nanocząstek przesunie się na krótsze fale (przesunięcie niebieskie), jeśli cząstki zostaną przeniesione z wody (n=1,33) do powietrza (n=1,00), lub przesunie się na dłuższe fale, jeśli cząstki zostaną przeniesione do oleju (n=1,5). Poniższy rysunek przedstawia obliczone widmo ekstynkcji nanosfery złota o średnicy 50 nm wraz ze wzrostem lokalnego współczynnika załamania światła. Zwiększenie współczynnika załamania z 1,00 do 1,60 powoduje przesunięcie piku ekstynkcji o ponad 40 nm, przesuwając pik z zielonego do czerwonego obszaru widma. Kiedy osadzone w materiałach o wysokim indeksie, przekrój ekstynkcji jest znacznie zwiększony.

Widma ekstynkcji 50 nm nanosfery złota w powietrzu, wodzie i krzemionce. Wraz ze wzrostem współczynnika załamania ośrodka, widmo ekstynkcji nanocząstek przesuwa się w kierunku dłuższych fal.

Podobnie, pik ekstynkcji można dostroić poprzez pokrycie wodnych nanocząstek nieprzewodzącymi powłokami, w tym krzemionką (n=1,5), biomolekułami (n=1,4-1,45) lub tlenkiem glinu (n=1.58-1.68).

Powrót do początku

Wpływ agregacji na właściwości optyczne

Właściwości optyczne nanocząstek złota zmieniają się, gdy cząstki agregują, a elektrony przewodnictwa w pobliżu powierzchni każdej cząstki ulegają delokalizacji i są dzielone pomiędzy sąsiednie cząstki. Kiedy to następuje, rezonans plazmonów powierzchniowych przesuwa się na niższe energie, powodując przesunięcie pików absorpcji i rozpraszania na dłuższe fale. Spektroskopia UV-Visible może być używana jako prosta i niezawodna metoda do monitorowania stabilności roztworów nanocząstek. W miarę destabilizacji cząstek, pierwotny pik ekstynkcji zmniejszy swoją intensywność (z powodu wyczerpywania się stabilnych nanocząstek), a często pik poszerzy się lub utworzy się pik wtórny przy większej długości fali (z powodu tworzenia się agregatów). Na rysunku po prawej stronie, widmo ekstynkcji 12 nm funkcjonalizowanego złota NanoXact, które ma grupy karboksylowe (-COOH) na powierzchni jest monitorowane w miarę zmiany pH roztworu z 6,5 do 3. W miarę jak roztwór staje się bardziej kwaśny, grupa karboksylowa jest protonowana i potencjał zeta jest zmniejszany, co prowadzi do destabilizacji nanocząstek, które agregują. Gwałtowna zmiana widma ekstynkcji w miarę obniżania pH wyraźnie wskazuje na aglomerację nanocząstek. Podobny sygnał obserwuje się w roztworach, w których niefunkcjonalizowane nanocząstki destabilizują się i agregują. Spektroskopia UV-Visible może być stosowana jako technika charakteryzacji, która dostarcza informacji, czy roztwór nanocząstek uległ destabilizacji w czasie.

Widma ekstynkcyjne rozproszonych i aglomerowanych nanocząstek złota NanoXact.

Obrazy rozproszonych (po lewej) i aglomerowanych (po prawej) nanocząstek złota NanoXact.Nierozgromadzone nanocząstki złota będą miały czerwony kolor w roztworze, jak widać na zdjęciu po prawej. Jeśli cząstki ulegną agregacji, roztwór będzie miał kolor niebieski/purpurowy i może przejść w klarowny roztwór z czarnymi osadami.

Wróć do początku

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *