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Aunque las estructuras de nanotramas tridimensionales (3D) son deseables para la detección óptica, es difícil realizar nanotramas con una arquitectura compleja debido a la falta de un protocolo de síntesis adecuado que pueda lograr altos rendimientos.
Estudio: Nanomarcos tridimensionales de doble borde como nanosondas para biodetección. Crédito de la foto: schlyx/Shutterstock.com
Un artículo publicado en la revista Nature Communications demostró un enfoque sintético de varios pasos para nanoframes 3D complejos con arquitectura compleja. Cada faceta del nanomarco octaédrico se grabó con nanoestructuras bidimensionales (2D) de doble borde.
Se fabricaron nanoestructuras monorim octaédricas de platino (Pt) mediante deposición de Pt selectiva en los bordes utilizando nanopartículas de oro (Au) como plantilla de sacrificio. El crecimiento de las capas de Au sobre los esqueletos de Pt se basó en el modo de Frank van der Merwe, que formó bordes afilados y bien desarrollados.
La deposición selectiva de Pt en los límites (interior/exterior) puede ayudar a ajustar la geometría del patrón de Au. En última instancia, el grabado selectivo de Au dio como resultado nanoestructuras octaédricas de doble borde de Pt con formas y tamaños homogéneos. Además, recubrir los marcos de Pt con Au impartió propiedades plasmónicas a los nanomarcos.
Por lo tanto, los nanomarcos grabados de doble borde plasmónico fabricados poseían la capacidad de atrapar la luz mediante la dispersión Raman mejorada en la superficie (SERS) en su superficie y sirvieron como nanosondas en la biodetección.
Figura 1. Representación esquemática de la estrategia sintética en condiciones de reacción química de varios pasos. Múltiples rutas sintéticas a NF octaédricos 3D grabados en nanomarcos (NF) 2D a través de kits de herramientas químicas paso a paso. © Hilal, H. et al. (2022)
Producción de nanoestructuras plasmónicas
Los nanocristales con estructuras complejas tienen diferentes propiedades fisicoquímicas y se utilizan en nanociencia. Entre los diferentes tipos de nanocristales, los nanomarcos han encontrado sus aplicaciones en detección e imagen debido a su superficie altamente expuesta ya las interacciones luz-materia de sus costillas y cavidades internas, lo que promueve la capacidad de detección de analitos.
La síntesis de nanoframes reportada hasta ahora se ha limitado a nanoframes monorim 3D, lo que también limita la explotación de su funcionalidad estructural. Por otro lado, la síntesis de nanoframes con arquitectura compleja es un desafío.
Además, es difícil controlar la estructura de la superficie de las nanoestructuras cuando sus crestas se reducen a unos pocos nanómetros de espesor. Pocos estudios previos han intentado resolver facetas específicas expuestas en crestas de nanoestructuras. Con este fin, es fundamental ampliar la capacidad de un protocolo sintético para controlar con precisión la composición y disposición atómica en la superficie más externa de una nanoestructura.
Aunque se han aplicado métodos de litografía o reacciones galvánicas de intercambio para realizar nanoestructuras plasmónicas, la reacción galvánica de intercambio controló los parámetros geométricos de la nanoestructura debido a la concurrencia de reducción y oxidación de metales nobles.
A pesar de la viabilidad de fabricar nanoestructuras con alta precisión y exactitud utilizando el proceso litográfico de arriba hacia abajo, este proceso carece de control sobre las dimensiones físicas del nanomarco en un marco 3D. Además, la fabricación de dichas estructuras mediante un proceso litográfico ascendente no es factible.
Figura 2 Evolución morfológica de NF octaédricos de doble borde utilizando condiciones de reacción química de varios pasos. Imágenes FE-REM de a esqueletos de llanta mono pt, b Au mono edge NF, C [email protected] NF y es decir Pt octaédricos de doble borde NF. mi Instantáneas rotacionales y dibujos animados de NF de doble borde de Pt en diferentes ángulos de -60°, -35°, 44°, 65°, 72° y 90°. © Hilal, H. et al. (2022)
Nanoestructuras 3D con bordes dobles como nanosondas
Informes anteriores mencionaron la síntesis controlada de nanoanillos 2D con bordes dobles y un campo electromagnético entre los bordes exterior e interior. También se ha informado sobre la síntesis de nanoestructuras octaédricas de doble borde 3D Au con terrazas planas truncadas en (100) facetas.
Por lo tanto, los nanomarcos estereoscópicos con bordes dobles en cada faceta podrían mejorar la interacción de las partículas con la luz debido al acoplamiento inducido por huecos en las nanoestructuras 3D. Además, la distancia intragap ayudaría a ajustar la capacidad de captura de luz de la nanoestructura.
El presente trabajo demostró la síntesis de nanoestructuras metálicas 3D mediante química húmeda de varios pasos. Los nanoframes fabricados consistían en un borde doble 2D con un esqueleto de Pt grabado en 3D. Aquí, se han desarrollado varios intra-nanogaps con forma y tamaño homogéneos que mejoran el confinamiento eléctrico de campo cercano.
Informes anteriores mencionaron que las terrazas planas facilitaron el empaquetamiento denso en matrices monocapa, lo que contribuyó a señales SERS altamente sensibles. Además, la actividad SERS de una sola partícula depende de su polarización y la orientación de las partículas, lo que dificulta la generación de señales SERS uniformes. Sin embargo, el revestimiento de Au en nanoframes en el presente trabajo sirvió como un componente plasmónico y ayudó a mejorar la capacidad de enfoque de campo cercano debido a los espacios intranano en un solo dispositivo, lo que permitió SERS de una sola partícula.
El presente trabajo reportó por primera vez la construcción de estructuras marco-marco con nanopartículas octaédricas en una configuración 3D grabada con patrones 2D de doble borde. Además, el inmunoensayo de biosensor basado en SERS mostró que los nanomarcos de doble borde 3D Au exhibieron una mayor actividad de biosensor para la detección de gonadotropina coriónica humana (HCG) que sus contrapartes 2D, lo que indica la funcionalidad superior de 3D-Complejo nanomarco indica.
Figura 3. Caracterización estructural de NF de doble borde octaédrico de Au. a Una imagen FE-SEM de baja resolución de Au NF de doble filo. b Una imagen HAADF-STEM de NF de doble borde de oro, mapeo elemental con espectroscopia de dispersión de energía (EDS) y C Mapeo de líneas EDS para componentes de Au, Ag y Pt. La barra de escala indica 50 nm. d-f Imágenes y dibujos FE-SEM vistos desde las direcciones <100>, <110> o. <111>. GRAMO espectros de absorbancia de Au monorim NFs, [email protected] NF, NF de doble borde de Pt y NF de doble borde de Au. Los números indican picos de plasmones superficiales localizados para cada partícula. H Absorbancia óptica promedio calculada, absorbancia y espectros de dispersión de NF de doble borde octaédrico de Au. © Hilal, H. et al. (2022)
Conclusión
En resumen, se aplicó un procedimiento sintético de varios pasos para fabricar nanoestructuras 3D complejas con bordes dobles grabados en cada faceta de las nanoestructuras octaédricas. El crecimiento multifacético fue crucial para el logro de nanoframes de doble borde. El crecimiento en capas de Au formó bordes afilados, lo que facilitó la deposición de Pt en los nanoframes monorim de Au en los bordes interior y exterior.
El presente esquema sintético ayudó a lograr nanoestructuras complejas de doble borde con intra-nanogaps entre los bordes exterior e interior, mejorando así el confinamiento eléctrico de campo cercano, lo que fue confirmado por el análisis SERS de una sola partícula. Además, la fuerte capacidad de enfoque de campo cercano del nanoframe 3D fue consistente con los cálculos de la distribución del campo electromagnético y la distribución de la densidad de carga superficial.
Los nanomarcos de doble faldón 3D Au se utilizaron para inmunoensayos de biosensores basados en SERS, lo que demuestra su potencial como nanosondas en biosensores. Por lo tanto, la química coloidal para nanoestructuras 3D de doble borde puede contribuir a la fabricación de nanopartículas complejas con propiedades ópticas y fisicoquímicas avanzadas.
Relación
Hilal, H. et al.. (2022) Nanomarcos tridimensionales con bordes dobles como nanosondas para biodetección. comunicación de la naturaleza. https://doi.org/10.1038/s41467-022-32549-w.
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