等离子体的用途

1989年的一天,在日本的NEC研究院工作,运气支付托马斯艾布森访问,他不会完全理解差不多有十年了。我试图控制分子的辐射在小孔的金属性将电影,”他回忆说。我独自发现孔阵列透射光更有效地比接受理论预测。很多人都不相信我。”,直到1996年,当他遇到了彼得·沃尔夫理论家谁专门从事金属中电子的行为,然后他加入了NEC。沃尔夫意识到这种现象的可能原因,被称为与众不同,或增强,光传输(测试结束):表面等离子体激元。¹

表面电浆子出现在金属表面捕获光(请参见下面的最后一部分)。他们可以是短暂的,缺陷的金属很容易引发损失的光的能量以热能的形式并消灭他们。虽然洞艾布森箔是小于入射光的波长,等离子体沿着一个表面出现在对面的光子。他意识到这可能是一个强大的新方法来收集,集中和操纵光。但使用人员必须开发化学和物理处理技术,创建平滑,均匀的金属表面与合适的nanometre-scale维度。

艺术家和工匠们已经不知不觉地利用等离子体至少1600年来,通过与金属粒子着色玻璃对象(如莱克格斯杯;见下文)。在19世纪,迈克尔·法拉第系统地研究了胶体金的合成和外观。但研究人员不确定他们的潜在colour-controlling表面电浆原则直到1950年代。首先,兴趣集中在强烈的电磁场与表面电浆子有关。作为字段的属性取决于环境附近的金属表面,吸附小分子导致检测到变化,很快就利用表面等离子体共振光谱。这些电磁场也使单分子在表面增强拉曼散射光谱灵敏度(ser)。

在目标

测试结束显示研究人员提示表面电浆子的全部潜力,他们有技术来控制它们。人们意识到,如果你的金属结构好,工程师等离子体,可以“艾布森解释说,他现在是在斯特拉斯堡大学在法国。纳米结构可以很容易由现代“自下而上”技术从法拉第或“自顶向下”手段,例如聚焦离子束(FIB)铣、Ga流⁺金属表面离子模式。在一个早期的例子,艾布森和他的同事们扩展了FIB铣削方法,他们使用的孔阵列对银圆心的电影。²“同心圆的圆心是单个孔周围,像一个天线,“艾布森说。槽的形状和周期性提供了合适的条件下陷阱多波在表面,所以结构传输光比实际上通过洞打十倍。”

今天,孔阵列和牛眼灯可以提高灵敏度在ser和荧光相关光谱等应用程序,用于研究生物分子的复杂混合物。他们可以提高灵敏度通过放大两入射光的强度,发出的分子。但自上而下FIB铣和电子束光刻技术不适合做这种结构在更大的范围内,笔记泰瑞奥多姆来自美国伊利诺斯州的西北大学。电子束光刻技术是一个很好的工具控制分辨率和再现性与功能下降到10纳米,”奥多姆说。betway必威游戏下载大全原型设计的很好,但它可以在24小时生产结构与50µm x 50µm区域,所以这不是一个大规模并行的方法。这方面的纳米结构制备等离子的未来是很重要的:如果你不能规模结构均匀和高保真度,然后你不能利用任何实际使用。

奥多姆的团队因此更加可伸缩技术,设计基于“软纳米”。在一个典型的例子,他们制造硅橡胶模具从一个有图案的硅的主人。然后使用这些模具来创建模式在聚氨酯或光致抗蚀剂材料等,最终他们可以生产纳米结构的金属孔阵列。³这种技术是非常可伸缩、廉价、可访问,她说,但是仍然可以得到改善。有时feature-to-feature一致性不高更昂贵的光刻工具,”奥多姆承认。

自底向上

化学合成的基本方法为电浆金属结构逐渐减少可溶性金属盐形成和成长的纯金属纳米颗粒。然后我们使用限制代理绑定到金属表面,阻止粒子增长,”解释道Luis Liz-Marzan维哥大学的西班牙。“这些限制也经常代理直接增长,控制粒子的形态。这种能力是至关重要的,他说,金属表面的等离子体振荡,因此他们的光学特性,取决于大小和形状。例如,黄金通常出现了蓝色当光线照射到薄膜。黄金粒子也可以是蓝色但获得几个色调的紫色,红色和橙色是粒度降低到3海里。

BBInternational位于卡迪夫,英国每年生产成千上万升这样的充满活力的红色球形金粒子进行分析测试,根据皮特Corish,该公司的业务发展。它主要提供他们共轭为横向流抗体诊断化验。在这个应用程序中,金纳米粒子携带膜在液体样品含有分子被发现通过毛细管作用,提供了一个强有力的视觉指示器。可以说这是最熟悉的怀孕测试,尽管这些通常利用彩色乳胶粒子,大多数其他化验利用胶体金“红色外观。

BBInternational现在致力于替代粒子形状。虽然BBI使得它的名字在球形金纳米粒子,这是寻求开发plasmonically更活跃的粒子,如棒,“Corish说。这些可用于电浆转移的化验,他说。”你可以把分子相互结合和标签的金属纳米粒子。为他们带来近,等离子体相互作用,生成一个可测量的信号变化。

改变粒子的形状是一个特别有效的方法来优化他们的电浆行为,Liz-Marzan说。“从5到50 nm范围和共振波长的变化非常小,”他解释说。“去一个椭球为5 nm的短轴和长轴10 nm,你可以得到一个更大的转变。因此,许多研究在过去的十年中已经观察了电浆不同形状的纳米颗粒的性质。

例如,Liz-Marzan团队使得黄金nanostars极具吸引力的光学特性。⁴为此,目的是创建粒子生长的环境中以不同的利率根据他们的结晶方向,但研究者警告说还不是一门精确的科学。“方面有不同的表面能量,”他说。理论上,我们可以用它来决定我们的限制分子去直接增长。不幸的是,这在实践中并非如此。大部分的理解我们有来自观察结果,然后试图合理化在反应中发生了什么。预测纳米材料形态仍然是一个非常大的挑战。

闪亮的光

当表面电浆子不被用来传输光,他们的损失的能量以热能的形式有时是有益的。Nanospectra生物科学位于休斯顿,德克萨斯州,纳米粒子注入癌症患者的血液,自己嵌入到快速增长的肿瘤。近红外光指着肿瘤可以穿透皮肤和粒子的等离子体共振,产生热量并杀死癌细胞而不会伤害周围的健康组织。

与集体电子云的光可以交互强烈振荡观察粒子外边界,”格伦•古德里奇解释过程开发的副总裁在Nanospectra和化学。”这意味着他们收集光从一个大于物理粒子的体积大小。这种方法是在第一阶段临床试验安全前列腺癌在美国和头颈部癌症在墨西哥,古德里奇是积极的结果。”没有负面毒性报道任何我们治疗的病人,”他说。

奥多姆也热衷于给医学带来等离子,但宁愿避免破坏周围的组织通过加热的风险。相反,她的小组开发了一种具有高度针对性的潜在癌症治疗通过附加黄金nanostars DNA适体分子。寡核苷酸适配子都是一个目标配体蛋白质表面受体和药物,”她解释说。适体的表面蛋白结合,然后航天飞机aptamer-gold nanoconstruct直接到细胞核。这种机制在卵巢癌和宫颈癌细胞系进行了测试。⁵

在下一步,nanostars强烈吸收近红外激光,奥多姆的球队照耀。在飞秒脉冲激光只发光,所以避免加热。脉冲光劈开硫醇债券将黄金nanostar适体,从而释放攻击癌细胞。“我们相信释放主要发生在点的星星,电磁场集中的地方,”奥多姆说。液相合成她的团队使用nanostars是生物相容性和可伸缩的,她补充道,尽管这种方法不能产生完全统一nanostar形状。合成的主要缺点是,所有的粒子都是相同的,”她说。他们看起来接近,但他们并不是完全相同的。

控制化学

可靠制造Goodrich也是很重要的,生产球形粒子,但不是纯金属——Nanospectra已经转移到核壳粒子来实现所需的吸光度。的粒子是固体硅芯用10 ~ 30纳米金壳,”他说。他们有一个等离子体共振在内壳和外壳的界限。这些共振相互作用,我们可以用它来调整波长通过改变膜厚度。

Nanospectra的生产仍然依赖于减少溶解金离子生产外壳,然而。的主要挑战是可再生产地控制凝固壳厚度,使其均匀,光滑、连续的,而不是一系列的黄金岛,“古德里奇解释道。的等离子体共振的清晰度取决于光滑的电影。在扩大,难度在可再生的过程放大,他补充道。“10毫升的nanoshells,真的那么难吗?做一次100升nanoshells带来一系列其他问题得到一个统一的产品每一次。

以满足法规旨在确保可再生的生物,BBInternational目前以确保金纳米粒子的直径变化不超过5%,Corish笔记。“未来的电浆来整合这些新生物各向异性粒子,重现性,可扩展性和可制造性尚未解决这些公差,”他说。“是一回事,在实验室里观察物理现象,和另一个技术和把它变成商业现实。人仍然掌握这些材料能做什么,他们如何可以应用——当他们这样做,他们将仍然面临的挑战扩大——但我们将到达那里。”

与等离子现在充分建立这样的扩展和一致性问题变得重要,艾布森现在正利用它在一个奇异的新领域。⁶我们使用强大的电磁场与他们分子和表面等离子体激元一对混合件轻松事,”他说。“如果你有两个原子和你交换电子迅速,得到两个分子轨道。同样,通过交换光子分子和等离子体非常迅速,可以创建两个新的混合状态。把分子表面等离子体的环境改变了分子的性质,从色彩到化学,他说。我们已经改变了收益和化学反应的速度。”,如果这些国家履行的承诺艾布森的早期结果,等离子体可以带来新的视野反应我们认为我们知道密切。