Forskere viser korte laserpulser, der selektivt opvarmer guldnanopartikler

(Phys.org) —Plasmoniske guldnanopartikler gør det muligt at lokalisere opvarmning efter behov. Nu har forskere fra Rice University fundet en måde at selektivt opvarme forskellige nanopartikler, der kan fremme deres brug inden for medicin og industri.

Risforskere ledet af Dmitri Lapotko og Ekaterina Lukianova-Hleb viste fælles guld-nanopartikler, siden 1800 -tallet kendt som guldkolloider, opvarmes ved nær-infrarøde bølgelængder så smalle som et par nanometer, når de rammes af meget korte pulser af laserlys. Den overraskende effekt rapporteret i Avancerede materialer synes at være relateret til ikke -stationær optisk excitation af plasmoniske nanopartikler. Plasmoner er frie elektroner på overfladen af ​​metaller, der bliver begejstrede af input af energi, typisk fra lys. Plasmoner i bevægelse kan omdanne optisk energi til varme.

"Nøgletanken med guldnanopartikler og plasmonik generelt er at omdanne energi, "Lapotko sagde." Der er to aspekter ved dette:Det ene er, hvor effektivt du kan omdanne energi, og her er guld nanopartikler verdensmestre. Deres optiske absorbans er cirka en million gange højere end nogen andre molekyler i naturen.

"Det andet aspekt er, hvor præcist man kan bruge laserstråling til at få denne fototermiske konvertering til at ske, "sagde han. Partikler reagerer traditionelt på store lysspektre, og ikke meget af det er i den værdifulde nær-infrarøde region. Nær-infrarødt lys er usynligt for vand og, mere kritisk til biologiske anvendelser, til væv.

"Dette var problemet, "Lapotko sagde." Alle nanopartikler, begynder med solide guldkolloider og flytter til mere sofistikeret, konstruerede guld nanoshells, nanoroder, bure og stjerner, har meget brede spektre, typisk omkring 100 nanometer, hvilket betyder, at vi kun måtte bruge en type nanopartikel ad gangen. Hvis vi forsøgte at bruge forskellige typer, deres spektre overlappede hinanden, og vi havde ikke fordel af den høje afstemning af lasere. "

Opdagelsen gør det muligt for kontrollerede laserpulser at indstille absorbansspektret for almindelige guldkolloider, Sagde Lapotko. "Denne nye tilgang er i modstrid med det etablerede paradigme, der antager, at nanopartiklers optiske egenskaber er forudindstillede under deres fremstilling og forbliver konstante under deres optiske excitation, " han sagde.

Rislaboratoriet viste grundlæggende kolloide guldnanopartikler effektivt kunne aktiveres af en kort laserpuls ved 780 nanometer, med en 88-fold forstærkning af den fototermiske effekt set med en kontinuerlig laser. Forskerne gentog deres eksperiment med nanopartikelklynger i vand, i levende kræftceller og hos dyr, med samme eller bedre resultater:de viste spektrale toppe to nanometer brede. Sådanne smalle fototermiske spektre var aldrig set for metal nanopartikler, enten enkeltvis eller i klynger.

Effekten ser ud til at afhænge af damp -nanobobler, der dannes, når partiklerne opvarmer væske i deres nærmeste miljø. Nanobubblerne vokser og brister på et øjeblik. "I stedet for at bruge nanopartiklen som en køleplade med en kontinuerlig, stationær laser, vi skaber en forbigående, ikke -stationær situation, hvor partiklen interagerer med hændelseslaseren på en helt anden måde, "Sagde Lapotko. Han sagde, at effekten kan gentages og fungerer med laserpulser, der er kortere end 100 picosekunder.

Endnu bedre, et forsøg med blandede nanoroder og nanoshells fandt, at de reagerede på laserpulser med stærke, forskellige signaler ved bølgelængder med 10 nanometer fra hinanden. Det betyder, at to eller flere typer nanopartikler på samme sted selektivt kan aktiveres efter behov.

"De nanopartikler, vi brugte, var ikke noget fancy; de blev brugt i det 19. århundrede af Michael Faraday, og man mente, at de ikke kunne gøre noget i det nær-infrarøde, "sagde han." Det var den største motivation for folk til at opfinde nanoroder, nanoshells og de andre former. Her, vi beviser, at disse billige partikler kan opføre sig ganske godt i nær-infrarødt. "Han sagde, at opdagelsen åbner muligheden for, at mange metal-nanopartikler kunne bruges i biomedicinske og industrielle applikationer, hvor spektral selektivitet og tuning ville give" hidtil uset "præcision.

"Dette er stadig mere et fænomen snarere end en fast etableret mekanisme, med et godt teoretisk grundlag, "Lapotko sagde." Men da det var fuldstændigt afklaret, det kunne blive et universelt værktøj. "