Silver Nanomaterials: Properties & Applications
Steven J. Oldenburg, Ph. D., President,
nanoComposix, Inc. San Diego, California 92111
บทนำ
วัสดุนาโนสีเงินมีคุณสมบัติทางกายภาพเคมีและแสงที่เป็นเอกลักษณ์ซึ่งถูกใช้ประโยชน์สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย การฟื้นตัวของความสนใจในประโยชน์ของเงินเป็นสารต้านจุลชีพในวงกว้างได้นำไปสู่การพัฒนาผลิตภัณฑ์หลายร้อยรายการที่รวมอนุภาคนาโนเงินเพื่อป้องกันการเจริญเติบโตของแบคทีเรียบนพื้นผิวและในเสื้อผ้า คุณสมบัติทางแสงของอนุภาคนาโนสีเงินเป็นที่สนใจเนื่องจากการเชื่อมต่อที่แข็งแกร่งของอนุภาคนาโนสีเงินกับความยาวคลื่นเฉพาะของแสงเหตุการณ์ ซึ่งจะช่วยให้พวกเขาตอบสนองทางแสง tunable และสามารถนำมาใช้ในการพัฒนาโมเลกุลของผู้รายงานที่มีความสว่างเป็นพิเศษตัวดูดซับความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงและ " เสาอากาศ " นาโนสเกลที่ขยายความแข็งแรงของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในท้องถิ่นเพื่อตรวจจับการเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมของอนุภาคนาโน ที่นี่เราสรุปว่าวิศวกรรมที่แม่นยำของขนาดอนุภาคนาโนเงินและรูปร่างเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย
สัณฐานวิทยาและการทำงานของพื้นผิว
เงื่อนไขการเกิดปฏิกิริยาระหว่างการผลิตนาโนวัสดุเงินสามารถปรับแต่งเพื่อผลิตอนุภาคนาโนเงินคอลลอยด์ที่มีความหลากหลายของสัณฐานรวมทั้งทรงกลมนาโนแบบ monodisperse, prims สามเหลี่ยมหรือ nanoplates, ก้อน, สายไฟและนาโน (รูปที่ 1) สำหรับการประยุกต์ใช้งานหลายอย่างเคมีพื้นผิวสัณฐานวิทยาและคุณสมบัติทางแสงที่เกี่ยวข้องกับตัวแปรอนุภาคนาโนแต่ละตัวต้องได้รับการคัดเลือกอย่างรอบคอบเพื่อให้ได้ฟังก์ชันที่ต้องการในสภาพแวดล้อมเป้าหมาย เคมีพื้นผิวของอนุภาคเช่นความแข็งแรงในการยึดเกาะกลุ่มการทำงานและขนาดของสารสูงสุดที่เคลือบอนุภาคสามารถเปลี่ยนแปลงได้เพื่อให้ระดับการควบคุมพฤติกรรมของอนุภาคเพิ่มเติม ในสื่อน้ำอนุภาคนาโนจำนวนมากมีความเสถียรทางไฟฟ้าผ่านการเพิ่มสายพันธุ์ที่มีประจุที่พื้นผิวอนุภาค สามารถควบคุมการชาร์จพื้นผิวของอนุภาคนาโนสีเงินได้โดยการเคลือบอนุภาคด้วยไอออนซิเตรตเพื่อให้ประจุลบที่แข็งแกร่ง หรือแทนที่ไอออนซิเตรตด้วย polyethylenimine (BPEI) ที่แยกออกมาจะสร้างพื้นผิวที่มีความหนาแน่นของอะมีนด้วยประจุบวกสูง สาร capping อื่นๆให้ฟังก์ชั่นเพิ่มเติม: อนุภาคนาโนเคลือบ polyethylene glycol (PEG) มีเสถียรภาพที่ดีในสารละลายความเข้มข้นของเกลือสูงในขณะที่อนุภาคที่เคลือบด้วยกรด lipoic มีกลุ่มคาร์บอกซิลที่สามารถใช้สำหรับการควบคุมทางชีวภาพ

รูปที่ 1กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนส่งแสดงให้เห็นถึงความหลากหลายของขนาดและสัณฐานวิทยาที่เป็นไปได้โดยการควบคุมเคมีปฏิกิริยาและจลนศาสตร์ในระหว่างการสังเคราะห์สารละลายเฟสของวัสดุนาโนเงิน: (จากซ้ายไปขวา) ทรงกลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 50 nm, ลูกบาศก์ 75 nm, นาโนเพลทรูปสามเหลี่ยมขนาด 120 nm และนาโนโนสีเงิน
Optical Properties
อนุภาคนาโนโลหะที่มีเกียรติอื่นๆแสดงให้เห็นถึงปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งกับแสงซึ่งเกิดขึ้นเนื่องจากอิเล็กตรอนการนำบนพื้นผิวโลหะได้รับการสั่นสะสมเมื่อพวกเขาตื่นเต้นกับแสงที่ความยาวคลื่นที่เฉพาะเจาะจง การสั่นนี้หรือที่เรียกว่าการสะท้อนพลาสมาบนพื้นผิว (SPR) ทำให้ความเข้มข้นของอนุภาคนาโนสีเงินดูดซับและกระจายตัวสูงกว่าอนุภาคนาโนที่ไม่ใช่พลาสมาโนที่มีขนาดเท่ากันมาก คุณสมบัติการดูดซับอนุภาคนาโนสีเงินและการกระจายสามารถปรับได้โดยการควบคุมขนาดของอนุภาครูปร่างและดัชนีหักเหในท้องถิ่นใกล้กับพื้นผิวของอนุภาค
theextinctio nspectra ของขนาดที่แตกต่างกันของ ทรงกลมและนาโนเพลท Silve และการปรากฏตัวของการกระจายตัวเจือจางของอนุภาคนาโนจะแสดงใน รูปที่ 2 นาโนสเฟียร์ขนาดเล็กจะดูดซับแสงเป็นหลักและมียอดสะท้อนพลาสมอนใกล้ 400 นาโนเมตรในขณะที่ทรงกลมขนาดใหญ่จะแสดงการกระเจิงที่เพิ่มขึ้นและมียอดที่ขยายและเปลี่ยนไปสู่ความยาวคลื่นที่ยาวขึ้น นาโนเพลทสีเงินเนื่องจากรูปร่าง anisotropic ของพวกเขามีส่วนตัดขวางที่ดูดซับและกระจายขนาดใหญ่มากทั่วภูมิภาคที่มองเห็นได้และใกล้ IR ของสเปกตรัม ด้วยการควบคุมเส้นผ่านศูนย์กลางและความหนาของแผ่นได้อย่างแม่นยำสามารถปรับเสียงสะท้อนพลาสมาให้มีความยาวคลื่นเฉพาะ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2เลือกสเปกตรัมการสูญเสียแสงและลักษณะการแก้ปัญหาของนาโนทรงกลมสีเงินระหว่าง 10 และ 100 นาโนเมตรในเส้นผ่าศูนย์กลาง (ด้านบน) และนาโนเพลทสีเงินระหว่าง 50 และ 150 นาโนเมตรในเส้นผ่าศูนย์กลาง (ด้านล่าง) ควบคุมรูปร่างและขนาดของอนุภาคนาโนช่วยให้สามารถปรับเสียงสะท้อนพลาสมาได้ทั่วทั้งส่วนที่มองเห็นได้และใกล้อินฟราเรดของสเปกตรัม
Anti-microbial Properties
ไอออนสีเงินเป็นสารต้านจุลชีพที่มีประสิทธิภาพเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ของพวกเขากับกลุ่ม thiol ของเอนไซม์แบคทีเรียที่สำคัญและโปรตีนที่มีผลต่อการหายใจของเซลล์ส่งผลให้เกิดการตายของเซลล์ ความเป็นพิษเฉพาะต่อแบคทีเรียในขณะที่รักษาความเป็นพิษต่ำสำหรับมนุษย์ได้นำไปสู่การรวมตัวของเงินในผลิตภัณฑ์ที่หลากหลายรวมถึงแผลแผลวัสดุบรรจุภัณฑ์และการเคลือบผิวป้องกันการเปรอะเปื้อน
กลไกการต้านจุลชีพของอนุภาคนาโนซิลเวอร์เป็นเพียงแหล่งที่มาของพื้นที่ผิวสูงสำหรับไอออนสีเงินในสภาพแวดล้อมที่เป็นน้ำอนุภาคออกซิไดซ์ในที่มีออกซิเจนและโปร ตอนปล่อยไอออน AG + เมื่อพื้นผิวอนุภาคละลาย นี่คือการบำรุงรักษาของความเข้มข้นที่มีประสิทธิภาพบนไอออนสีเงินในโซลูชันที่หลากหลายซึ่งเป็นพื้นฐานสำหรับประสิทธิภาพการต้านจุลชีพในระยะยาวของอนุภาคนาโนสีเงิน อัตราการปล่อยไอออนสีเงินขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการรวมถึงขนาดรูปร่าง capping agent สถานะการรวมและสภาพแวดล้อม อนุภาคนาโนสีเงินขนาดเล็กหรือ anisotropic มักจะมีอัตราการปล่อยไอออนที่เร็วที่สุดเนื่องจากพลังงานพื้นผิวสูงของพื้นผิวนาโนที่โค้งหรือตึง สภาพแวดล้อมของอนุภาคนาโนยังมีความสำคัญสูงอุณหภูมิสูงคลอรีนไทโอลและออกซิเจนทั้งหมดส่งผลกระทบอย่างมากต่อการปล่อยไอออน
การติดแท็กและการกำหนดเป้าหมายสำหรับการสร้างภาพชีวภาพ
อนุภาคนาโนสีเงินดูดซับและกระจายแสงที่มีประสิทธิภาพพิเศษและถูกนำมาใช้ในการติดแท็กและการใช้งานภาพ ส่วนตัดขวางที่กระจายสูงของอนุภาคนาโนช่วยให้อนุภาคนาโนสีเงินแต่ละชิ้นสามารถถ่ายภาพภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบมืด (รูปที่ 3) หรือระบบการถ่ายภาพ hyperspectral โดยการเชื่อมต่อ biomolecules เช่นแอนติบอดีหรือเปปไทด์กับพื้นผิวของอนุภาคนาโนเงินอนุภาคนาโนเงินสามารถกำหนดเป้าหมายไปยังเซลล์หรือส่วนประกอบของเซลล์ สิ่งที่แนบมาของการกำหนดเป้าหมายโมเลกุลกับพื้นผิวสามารถทำได้ผ่านทางการดูดซึมทางกายภาพบนพื้นผิวอนุภาคนาโนหรือผ่านการมีเพศสัมพันธ์โควาเลนต์เช่นการใช้เอทิล (dimethylaminopropyl) carboximide (EDC) เพื่อเชื่อมโยง amines ฟรีในแอนติบอดีกับกลุ่มคาร์บอกซิลที่มีอยู่ในอนุภาคนาโนที่ปกคลุมด้วยกรด lipoic

รูปที่ 3ภาพไมโครสโคปในพื้นที่มืด (จากซ้ายไปขวา) นาโนสเฟียร์สีเงินเส้นผ่านศูนย์กลาง 60 นาโนเมตรนาโนสีเงินเส้นผ่านศูนย์กลาง 75 นาโนเมตรและนาโนสีเงินเส้นผ่านศูนย์กลาง 100 นาโนเมตรแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการปรับแต่งสีกระจายของป้ายนาโนสีเงินตามขนาดและรูปร่าง
การประยุกต์ใช้งานอื่นๆสำหรับอนุภาคนาโนเงินในการใช้งานทางชีวภาพจะขึ้นอยู่กับการใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นบนพื้นผิวและใกล้กับพื้นผิวของอนุภาคนาโนเงิน ที่ความยาวคลื่นสะท้อนพลาสมอนอนุภาคนาโนสีเงินทำหน้าที่เป็นเสาอากาศนาโนสเกลเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในท้องถิ่น
หนึ่งเทคนิคสเปกโตรสโคปที่ได้รับประโยชน์จากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นคือรามันสเปกโตรสโกปีซึ่งโมเลกุลสามารถระบุได้โดยโหมดการสั่นสะเทือนที่เป็นเอกลักษณ์ ในขณะที่การกระเจิงของโฟตอนรามันภายในจากโมเลกุลอ่อนแอและต้องใช้เวลาในการวัดนานเพื่อให้ได้สเปกตรัมรามัน Surface Enhanced Raman scattering (SERS) จากโมเลกุลที่อยู่ใกล้กับพื้นผิวของอนุภาคนาโนสีเงินพลาสมาช่วยเพิ่มสัญญาณรามันได้อย่างมาก ผล SERS สามารถเพิ่มการกระจายของรามานของโมเลกุลที่ถูกผูกไว้ได้มากถึง 14 ลำดับของขนาดที่ช่วยให้การตรวจจับแม้โมเลกุลเดียว
นอกจากนี้ยังสามารถใช้ประโยชน์จากผลของสนามที่เพิ่มขึ้นนี้ได้โดยการวางฟลูออโรโพเรห่างจากพื้นผิวของอนุภาคนาโนสีเงินในระยะสั้นทำให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการเรืองแสงที่เพิ่มขึ้นของพื้นผิว (SEF) ซึ่งอาจเพิ่มความเข้มของการปล่อยฟลูออโรโพเรตามลำดับขนาด การเพิ่มประสิทธิภาพของฟลูออโรสามารถนำมาประกอบกับสองผลกระทบ: 1) การโฟกัสของแสงที่เข้ามาเนื่องจากการดูดซึมขนาดใหญ่และการกระจายส่วนข้ามของอนุภาคพลาสมาและ 2) การลดลงของอายุการใช้งานของฟลูออโรฟิลที่ช่วยให้สถานะตื่นเต้นที่จะกลับไปยังสถานะพื้นดินที่ความถี่สูงขึ้น ผลกระทบดังกล่าวขึ้นอยู่กับการทับซ้อนกันของคุณสมบัติทางแสงของฟลูออโรและอนุภาคนาโนและตำแหน่งทางกายภาพของฟลูออโรโฟเรรอบอนุภาค
แผนผังแสดงกลยุทธ์การแนบที่แตกต่างกันที่จำเป็นเพื่อให้ได้ผล SERS และ SEF ที่ดีที่สุดด้วยโมเลกุลสีย้อมแสดงใน รูปที่ 4 การติดโมเลกุลสีย้อมเข้ากับอนุภาคนาโนโลหะโดยทั่วไปจะส่งผลให้เกิดการปล่อยไอเสียเนื่องจากการถ่ายโอนพลังงานระหว่างสถานะถูกกระตุ้นของฟลูออโรโฟเร่และสถานะอิเล็กทรอนิกส์ของโลหะ อย่างไรก็ตามสเปกตรัมรามันของโมเลกุลจะเพิ่มขึ้นอย่างมากเนื่องจากสนามแม่เหล็กไฟฟ้าสูงที่พื้นผิวของอนุภาค (รูปที่ 4 ก) การเว้นระยะฟลูออโรฟิลห่างจากพื้นผิวของอนุภาคเล็กน้อยจะช่วยป้องกันไม่ให้เกิดการชุบฟลูออเรสเซนซ์แต่จะยังคงมีสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในท้องถิ่นที่สูงส่งผลให้การปล่อยแสงจากโมเลกุลเพิ่มขึ้นอย่างมาก

รูปที่ 4 (A)ฟลูออโรฟิลออโรออร์แกนิกที่ติดโดยตรงกับพื้นผิวโลหะมักจะมีการดับเรืองแสงแต่พื้นผิวที่แข็งแกร่งเพิ่มสเปกตรัมรามัน (B) การเว้นระยะฟลูออโรเรซิ่นออกจากพื้นผิวโลหะจะส่งผลให้เกิดการเรืองแสงที่พื้นผิวเพิ่มขึ้น
Nanomedicine และ nanotoxicology
การใช้อนุภาคนาโนสีเงิน I nin-Vitr oan DIN-viv แอปพลิเคชันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นอกเหนือจากการติดฉลากและนาโนแท็กที่ใช้อนุภาคนาโนสีเงินแล้วการใช้งานอื่นๆสำหรับอนุภาคนาโนสีเงินยังรวมถึงการใช้เป็นแหล่งความร้อนสำหรับ hyperthermia และการปลดปล่อยความร้อนจากการเคลือบผิวอนุภาค อนุภาคนาโนเงินยังสามารถรวมเข้ากับโครงสร้างหลัก/เปลือกซึ่งเปลือกซิลิกาที่ไม่มีรูปร่างจะเติบโตอย่างสม่ำเสมอบนเมล็ดนาโนซิลเวอร์ เปลือกหอยสามารถมีกลุ่มการทำงานที่หลากหลายซึ่งรวมอยู่ภายในช่วยให้ฟลูออโรฟอรอเรสโมเลกุลของยาหรือโมเลกุลอินทรีย์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงอื่นๆสามารถรวมเข้ากับเปลือกสำหรับการติดฉลากหรือการใช้งานการจัดส่งยา
การใช้งานทางชีวการแพทย์ในอนาคตของอนุภาคนาโนสีเงินจะต้องมีปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคนาโนกับระบบชีวภาพเพื่อให้เข้าใจได้ดี Fo Rin-viv oapplications ความท้าทายที่สำคัญคือการออกแบบอนุภาคที่มีเวลาในการไหลเวียนนานและความเป็นพิษต่ำ การทดลองเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของอนุภาคนาโน I nin-viv osystems มีความซับซ้อนโดยความซับซ้อนของอนุภาคนาโนทั้งตัวเองและสภาพแวดล้อมของพวกเขา ชะตากรรมทางชีวภาพและการขนส่งอนุภาคนาโนขึ้นอยู่กับลักษณะหลักของอนุภาค (เช่นเคมีหลักขนาดรูปร่างความเป็นผลึกพื้นผิวและสถานะการรวม) แต่ยังขึ้นอยู่กับลักษณะรองที่พึ่งพาปฏิสัมพันธ์อนุภาคนาโนกับระบบชีวภาพเป้าหมาย (เช่นโปรตีนโคโรนาอัตราการสลายตัวการกระจายตัวทางชีวภาพ)
สรุป
คุณสมบัติต้านจุลชีพของอนุภาคนาโนสีเงินที่เป็นเอกลักษณ์และมีความหลากหลายนำไปสู่การเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในการรวมอนุภาคนาโนสีเงินในการใช้งานทางชีวภาพ การควบคุมระดับสูงที่มีอยู่สำหรับการปรับขนาดรูปร่างและพื้นผิวของอนุภาคนาโนสีเงินให้ห้องสมุดที่มีประสิทธิภาพสำหรับการสร้างวัสดุที่ใช้งานได้สำหรับการใช้งานทางชีวภาพแต่ยังสำหรับความเข้าใจกลไกพื้นฐานของการขนส่งและการปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคนาโนในระบบชีวภาพ ความเข้าใจนี้ควบคู่ไปกับการก่อสร้างนาโนคอมโพสิตเงินอเนกประสงค์ที่ซับซ้อนมากขึ้นจะช่วยให้โพรบนาโนที่ใช้เงินรุ่นต่อไปอุปกรณ์และการบำบัด
พอร์ตโฟลิโอวัสดุวิทยาศาสตร์ของเรามีวัสดุนาโนสีเงินที่โดดเด่น (อนุภาคนาโน, นาโนทรงกลม, นาโนเพลทฯลฯ) ที่มีฟังก์ชั่นพื้นผิวที่แตกต่างกันเหมาะสำหรับการประยุกต์ใช้ชีวการแพทย์
ข้อมูลอ้างอิง
เพื่ออ่านต่อ โปรดเข้าสู่ระบบหรือสร้างบัญชีใหม่
ยังไม่มีบัญชีใช่หรือไม่?