Nanostarfruits er rent guld til forskning

(PhysOrg.com) -- De ligner frugt, og faktisk har nanoskalastjernerne i ny forskning ved Rice University velsmagende implikationer for medicinsk billeddannelse og kemisk sansning.

Stjernefrugtformede guld nanorods syntetiseret af kemiker Eugene Zubarev og Leonid Vigderman, en kandidatstuderende i sit laboratorium ved Rices BioScience Research Collaborative, kunne nære applikationer, der er afhængige af overfladeforbedret Raman-spektroskopi (SERS).

Forskningen optrådte online denne måned i American Chemical Society journal Langmuir .

Forskerne fandt, at deres partikler returnerede signaler 25 gange stærkere end lignende nanoroder med glatte overflader. Det kan i sidste ende gøre det muligt at detektere meget små mængder af sådanne organiske molekyler som DNA og biomarkører, findes i kropsvæsker, for særlige sygdomme.

"Der er stor interesse for at registrere applikationer, " sagde Zubarev, en lektor i kemi. "SERS udnytter guldets evne til at forstærke elektromagnetiske felter lokalt. Markerne vil koncentrere sig om specifikke defekter, som de skarpe kanter på vores nanostarfruiter, og det kunne hjælpe med at opdage tilstedeværelsen af ​​organiske molekyler i meget lav koncentration."

SERS kan selv opdage organiske molekyler, men tilstedeværelsen af ​​en guldoverflade øger effekten i høj grad, Sagde Zubarev. "Hvis vi tager spektret af organiske molekyler i opløsning og sammenligner det med, når de er adsorberet på en guldpartikel, forskellen kan være millioner af gange, " sagde han. Potentialet for yderligere at booste det stærkere signal med en faktor på 25 er betydeligt, han sagde.

Zubarev og Vigderman dyrkede partier af de stjerneformede stænger i et kemisk bad. De startede med frøpartikler af højt oprensede guld nanorods med femkantede tværsnit udviklet af Zubarevs laboratorium i 2008 og tilføjede dem til en blanding af sølvnitrat, ascorbinsyre og guldklorid.

Over 24 timer, partiklerne fyldte op til 550 nanometer lange og 55 nanometer brede, mange med spidse ender. Partiklerne tager højdedrag langs deres længder; fotograferet nedad med et elektronmikroskop, de ligner stakke af stjerneformede puder.

Hvorfor femkanterne bliver til stjerner er stadig lidt af et mysterium, Zubarev sagde, men han var villig til at spekulere. "I lang tid, vores gruppe har været interesseret i størrelsesforstærkning af partikler, " sagde han. "Bare tilsæt guldklorid og et reduktionsmiddel til guldnanopartikler, og de bliver store nok til at kunne ses med et optisk mikroskop. Men i nærvær af sølvnitrat og bromidioner, tingene sker anderledes. ”

Da Zubarev og Vigderman tilføjede et almindeligt overfladeaktivt stof, cetyltrimethylammoniumbromid (alias CTAB), til blandingen, bromidet kombineret med sølvionerne for at producere et uopløseligt salt. "Vi tror, ​​at der dannes en tynd film af sølvbromid på sidefladerne af stængerne og delvist blokerer dem, " sagde Zubarev.

Dette bremsede igen aflejringen af ​​guld på de flade overflader og gjorde det muligt for nanoroderne at samle mere guld ved femkantens punkter, hvor de voksede ind i de kamme, der gav stængerne deres stjernelignende tværsnit. "Sølvbromid blokerer sandsynligvis flade overflader mere effektivt end skarpe kanter mellem dem, " sagde han.

Forskerne forsøgte at erstatte sølv med andre metalioner såsom kobber, kviksølv, jern og nikkel. Alle producerede relativt glatte nanoroder. "I modsætning til sølv, ingen af ​​disse fire metaller danner uopløselige bromider, og det kan forklare, hvorfor forstærkningen er meget ensartet og fører til partikler med glatte overflader, " sagde han.

Forskerne dyrkede også længere nanotråde, der sammen med deres optiske fordele, kan have unikke elektroniske egenskaber. Igangværende eksperimenter med Stephan Link, en assisterende professor i kemi og kemisk og biomolekylær teknik, vil hjælpe med at karakterisere starfruit nanotrådenes evne til at transmittere et plasmonisk signal. Det kunne være nyttigt for bølgeledere og andre optoelektroniske enheder.

Men det primære interesseområde i Zubarevs laboratorium er biologisk. “Hvis vi kan ændre overfladeruheden, så biologiske molekyler af interesse vil adsorbere selektivt på overfladen af ​​vores robuste nanoroder, så kan vi begynde at se på meget lave koncentrationer af DNA eller kræftbiomarkører. Der er mange kræftformer, hvor diagnosen afhænger af den laveste koncentration af biomarkøren, der kan påvises. ”