Transport og frigivelse af nanoskala -last med nanowrappers

Denne feriesæson, forskere ved Center for Functional Nanomaterials (CFN) - et amerikansk Department of Energy Office of Science User Facility på Brookhaven National Laboratory - har pakket en æske af en anden art ind. Ved hjælp af en et-trins kemisk syntesemetode, de konstruerede hule metalliske nanosiserede kasser med terningformede porer i hjørnerne og demonstrerede, hvordan disse "nanowrappers" kan bruges til at transportere og frigive DNA-belagte nanopartikler på en kontrolleret måde. Forskningen er rapporteret i et papir, der blev offentliggjort den 12. december i ACS Central Science , et tidsskrift for American Chemical Society (ACS).

"Forestil dig, at du har en kasse, men du kan kun bruge ydersiden og ikke indersiden, "sagde medforfatter Oleg Gang, leder af CFN Soft og Bio Nanomaterials Group. "Sådan har vi beskæftiget os med nanopartikler. De fleste nanopartikelmonterings- eller syntesemetoder producerer solide nanostrukturer. Vi har brug for metoder til at konstruere det indre rum i disse strukturer."

"Sammenlignet med deres solide modstykker, hule nanostrukturer har forskellige optiske og kemiske egenskaber, som vi gerne vil bruge til biomedicinsk, fornemmelse, og katalytiske anvendelser "tilføjede den tilsvarende forfatter Fang Lu, en videnskabsmand i Gang's gruppe. "Ud over, vi kan indføre overfladeåbninger i de hule strukturer, hvor materialer som medicin, biologiske molekyler, og endda nanopartikler kan komme ind og ud, afhængigt af det omgivende miljø. "

Syntetiske strategier er blevet udviklet til at producere hule nanostrukturer med overfladeporer, men typisk størrelsen, form, og placeringen af ​​disse porer kan ikke være velkontrolleret. Porerne er tilfældigt fordelt på overfladen, resulterer i en schweizisk-ostlignende struktur. Et højt niveau af kontrol over overfladeåbninger er nødvendig for at kunne bruge nanostrukturer i praktiske applikationer - f.eks. at indlæse og frigive nanocargo.

I dette studie, forskerne demonstrerede en ny vej til kemisk skulpturering af guld-sølvlegerede nanowrappers med terningformede hjørnehuller fra solide nanokube-partikler. De brugte en kemisk reaktion kendt som nanoskala galvanisk udskiftning. Under denne reaktion, atomerne i en sølv nanokube erstattes af guldioner i en vandig opløsning ved stuetemperatur. Forskerne tilføjede et molekyle (overfladeaktivt stof, eller overfladebegrænsende middel) til opløsningen for at lede udvaskning af sølv og aflejring af guld på specifikke krystallinske facetter.

"Atomer på terningens ansigter er arrangeret anderledes end dem i hjørnerne, og dermed udsættes forskellige atomplaner, så den galvaniske reaktion forløber muligvis ikke på samme måde i begge områder, "forklarede Lu." Det overfladeaktive stof, vi valgte, binder lige nok til sølvoverfladen - ikke for stærkt eller svagt - så guld og sølv kan interagere. Derudover absorptionen af ​​overfladeaktivt stof er relativt svag på sølvterningens hjørner, så reaktionen er mest aktiv her. Sølvet bliver "spist" væk fra dets kanter, hvilket resulterer i dannelse af hjørnehuller, mens guld bliver deponeret på resten af ​​overfladen for at skabe en guld- og sølvskal. "

For at fange de strukturelle og kemiske sammensætningsændringer af den overordnede struktur på nanoskalaen i 3D og på atomniveau i 2-D, efterhånden som reaktionen forløb over tre timer, forskerne brugte elektronmikroskoper ved CFN. 2-D elektronmikroskopbillederne med energispredende røntgenspektroskopi (EDX) elementær kortlægning bekræftede, at terningerne er hule og består af en guld-sølvlegering. De 3D-billeder, de opnåede ved elektron tomografi, afslørede, at disse hule terninger har store terningformede huller i hjørnerne.

"I elektron tomografi, 2-D-billeder indsamlet i forskellige vinkler kombineres for at rekonstruere et billede af et objekt i 3D, "sagde Gang." Teknikken ligner en CT [computertomografi] -scanning, der bruges til at afbilde indre kropsstrukturer, men det udføres på en meget mindre størrelse og bruger elektroner i stedet for røntgenstråler. "

Forskerne bekræftede også transformationen af ​​nanokuber til nanowrappers gennem spektroskopiforsøg, der optog optiske ændringer. Spektrene viste, at den optiske absorption af nanowrappers kan indstilles afhængigt af reaktionstiden. I deres endelige tilstand, nanowrappers absorberer infrarødt lys.

"Absorptionsspektret viste et højdepunkt på 1250 nanometer, en af ​​de længste bølgelængder, der er rapporteret for nanoskala guld eller sølv, "sagde Gang." Typisk, guld og sølv nanostrukturer absorberer synligt lys. Imidlertid, til forskellige applikationer, vi vil gerne have, at disse partikler absorberer infrarødt lys - f.eks. i biomedicinske applikationer såsom fototerapi. "

Ved hjælp af de syntetiserede nanowrappers, forskerne demonstrerede derefter, hvordan sfæriske guld -nanopartikler af en passende størrelse, der er dækket med DNA, kunne indlæses i og frigives fra hjørneåbningerne ved at ændre saltkoncentrationen i opløsningen. DNA er negativt ladet (på grund af oxygenatomerne i dets fosfatskelet) og ændrer dets konfiguration som reaktion på stigende eller faldende koncentrationer af en positivt ladet ion såsom salt. Ved høje saltkoncentrationer, DNA -kæder trækker sig sammen, fordi deres frastødning reduceres af saltionerne. Ved lave saltkoncentrationer, DNA -kæder strækker sig, fordi deres frastødende kræfter skubber dem fra hinanden.

Når DNA -strengene trækker sig sammen, nanopartiklerne bliver små nok til at passe ind i åbningerne og komme ind i det hule hulrum. Nanopartiklerne kan derefter låses inde i nanowrappen ved at reducere saltkoncentrationen. Ved denne lavere koncentration, DNA -strengene strækker sig, derved gør nanopartiklerne for store til at gå gennem porerne. Nanopartiklerne kan forlade strukturen gennem en omvendt proces med stigning og nedsættelse af saltkoncentrationen.

"Vores elektronmikroskopi og optiske spektroskopi undersøgelser bekræftede, at nanowrappers kan bruges til at indlæse og frigive nanoskala komponenter, "sagde Lu." I princippet er they could be used to release optically or chemically active nanoparticles in particular environments, potentially by changing other parameters such as pH or temperature."

Going forward, the scientists are interested in assembling the nanowrappers into larger-scale architectures, extending their method to other bimetallic systems, and comparing the internal and external catalytic activity of the nanowrappers.

"We did not expect to see such regular, well-defined holes, " said Gang. "Usually, this level of control is quite difficult to achieve for nanoscale objects. Dermed, our discovery of this new pathway of nanoscale structure formation is very exciting. The ability to engineer nano-objects with a high level of control is important not only to understanding why certain processes are happening but also to constructing targeted nanostructures for various applications, from nanomedicine and optics to smart materials and catalysis. Our new synthesis method opens up unique opportunities in these areas."

"This work was made possible by the world-class expertise in nanomaterial synthesis and capabilities that exist at the CFN, " said CFN Director Charles Black. "In particular, the CFN has a leading program in the synthesis of new materials by assembly of nanoscale components, and state-of-the-art electron microscopy and optical spectroscopy capabilities for studying the 3-D structure of these materials and their interaction with light. All of these characterization capabilities are available to the nanoscience research community through the CFN user program. We look forward to seeing the advances in nano-assembly that emerge as scientists across academia, industri, and government make use of the capabilities in their research."