Design of novel metal nanostructures for biological and biomedical applications

Abstract

Τα μεταλλικά νανοσωματίδια βρίσκονται στο επίκεντρο έντονου ερευνητικού ενδιαφέροντος λόγω των μοναδικών οπτικών ιδιοτήτων τους. Μέχρι τώρα, διάφορα δημοσιεύματα έχουν καλύψει τη σύνθεση, τροποποίηση, και εφαρμογές των νανοσωματιδίων, και πιθανές βιοϊατρικές τους χρήσεις ως αισθητήρες ή παράγοντες αντίθεσης. Οι οπτικές τους ιδιότητες καθορίζονται κυρίως από το φαινόμενο του επιφανειακού πλασμονικού συντονισμού, το οποίο δεν παρατηρείται στα αντίστοιχες δομές μεγαλύτερων διαστάσεων. Ο επιφανειακός πλασμονικός συντονισμός εξαρτάται από το υλικό, το μέγεθος και τη δομή των μεταλλικών νανοσωματιδίων, τις διηλεκτρικές ιδιότητες του γύρω περιβάλλοντος, καθώς και από τις αλληλεπιδράσεις σύζευξης μεταξύ νανοσωματιδίων. Γι’αυτό το λόγο έχει τη μοναδική ικανότητα να συντονίζεται σε μήκη κύματος που κυμαίνονται από υπεριώδες-ορατό μέχρι και στο εγγύς υπέρυθρο. Οι οπτικές ιδιότητες, όπως αυτές μεταβάλλονται από τον SPR μπορούν να υπολογιστούν με τη χρήση αριθμητικών μεθόδων όπως με τη διακριτή προσέγγιση διπόλου. Σε αυτή την διατριβή, παρουσιάζονται ο σχεδιασμός και η μελέτη νέων τύπων μεταλλικών νανοδομών: μονοστρωματικά/δίπλοστρωματικά συναθροιστηκά κελύφη και πολύ-λειτουργικές νανοδομές. Αυτές οι νέες μεταλλικές νανοδομές προσφέρουν σαφή πλεονεκτήματα, όσον αφορά στις οπτικές τους ιδιότητες για βιοϊατρικές εφαρμογές σε σχέση με άλλα νανοσωματίδια. Το συναθροιστηκό κέλυφος είναι προσαρμοσμένο για ενδοκυτταρική χρήση της επιφανειακά ενισχυμένης φασματοσκοπίας Raman, ενώ η πολύ-λειτουργική νανοδομή ως διαγνοθεραπευτικός παράγοντας, αφού θα συνδυάζει δυνατότητα ταυτόχρονης απεικόνισης και θεραπείας. Αρχικά, γίνεται με μία διεξοδική θεωρητική διερεύνηση των παραμέτρων που διέπουν τα χαρακτηριστικά των συναθροιστηκών κελυφών. Τα συναθροιστηκά κελύφη αποτελούνται από μικρές χρυσές νανοσφαίρες οι οποίες συναθροίζονται, δημιουργώντας μια ή δύο στρώσεις γύρο από ένα διηλεκτρικό πυρήνα. Οι διερευνόμενες παράμετροι περιλαμβάνουν το μέγεθος και την απόσταση μεταξύ των μικρών νανοσφαιρών, το συνολικό μέγεθος της νανοδομής και τέλος το υλικό των νανοσφαιρών και του πυρήνα. Έγινε επίσης σύγκριση των οπτικών ιδιοτήτων των συναθροιστηκών κελυφών με άλλα νανοσωματίδια και νανοδομές. Από τα αποτελέσματα, φάνηκε ότι η απόσταση μεταξύ των μικρών νανοσφαιρών παίζει ένα πολύ σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση του επιφανειακού πλασμονικού συντονισμού του συναθροιστηκού κελύφους. Η πολύ-λειτουργική νανοδομή είναι σχεδιασμένη ώστε να διαθέτει φάσματα απορρόφησης και σκέδασης με κορυφές σε ξεχωριστά μήκη κύματος. Αρχικά, διερευνήθηκαν οι συντελεστές αποδοτικότητας διαφόρων νανοδομών. Μετά, πιο πολύπλοκες νανοδομές σχηματίστηκαν για περαιτέρω μελέτη. Παράμετροι, όπως η συνολική δομή, και ο αριθμός, το μέγεθος και η διάταξη των μικρότερων νανοδομικών στοιχείων, εξετάστηκαν. Ο συνδυασμός ενός χρυσού νανοκύβου (120nm μήκος των ακμών) με 16 (30nm διάμετρο) μικρές αργυρές νανοσφαίρες, αποδείχθηκε ότι παρέχει τα καλύτερα αποτελέσματα. Η διατριβή ολοκληρώθηκε με πειραματική επαλήθευση της σύνθεσης του μονοστρωματικού συναθροιστηκού κελύφους. Μία απλή μέθοδος χρησιμοποιήθηκε, όπου μικρές χρυσές νανοσφαίρες μορφοποιούνται άμεσα επάνω σε πολυστυρένιες σφαίρες, με τη βοήθεια κιτρικού διαλύματος. Τα φάσματα απορροφητικότητας συσχετίσθηκαν με τις θεωρητικές τιμές εξάλειψης των συναθροιστηκών κελυφών και των νανοκελυφών ώστε να εξαχθούν πληροφορίες σχετικά με τη δομή των σύνθετων χρυσών νανοδομών. Μία σειρά από πειράματα διαλεύκαναν τις πειραματικές παραμέτρους που διέπουν την σύνθεση μονοστρωματικών συναθροιστηκών κελυφών. Αυτού του νέου τύπου μεταλλικές νανοδομές παρέχουν πλασμονικό συντονισμό στο εγγύς υπέρυθρο φάσμα και διακριτές πλασμονικές ζώνες απορρόφησης και σκέδασης. Αυτές οι δύο ιδιότητες είναι πολύ σημαντικές σε κάποιες βιολογικές και βιοϊατρικές εφαρμογές. Τέτοιες μεταλλικές νανοδομές μπορεί να είναι ανεκτίμητα εργαλεία στην ανίχνευση, το χαρακτηρισμό και τη θεραπεία διαφόρων ασθενειών, όπως ο καρκίνος.

Metal nanoparticles (NPs) are in the centre of intense research interest due to their unique optical properties. A wide variety of publications has so far covered various aspects including nanoparticle (NP) synthesis, functionalization, applications in biological systems and their potential biomedical uses as sensors or contrast agents. Their optical properties of metal NPs are mainly determined by the phenomenon of surface plasmon resonance (SPR), which is not seen in their bulk counterparts, and can be calculated using numerical methods, such as the discrete dipole approximation (DDA). The SPR depends on the material, size, and structure of the metal NP, the dielectric properties of the surrounding medium and coupling interactions between adjacent NPs. This allows a unique tunability of the SPR, varying from the ultraviolet-visible (UV-vis) to the near-infrared (NIR) wavelength range. In this dissertation, the design and study of new types of metal nanostructures (NSs): the monolayer/bilayer shell aggregates, and the dual-mode nanostructure (NS) is presented. These new metal NSs offer significant advantages in their optical properties, for biomedical applications compared to other NPs. The shell aggregate is tailored for uses in intracellular surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), while the dual-mode NS as a theranostic (diagnostic plus therapeutic) agent, since it can combine simultaneous imaging and therapy capabilities. Initially, a thorough theoretical investigation of the parameters that govern the monolayer/bilayer shell aggregate characteristics was performed. The shell aggregate is comprised of small gold nanospheres that aggregate around a dielectric core, creating a monolayer or bilayer shell. Important parameters include the size, and distance between small nanospheres, the overall shell aggregate size, and finally the nanospheres/core materials. The optical properties of shell aggregates were also compared with that of classical gold NPs. From the results, it was found that the distance between nanospheres plays a major role in the tuning of the shell aggregate’s SPR. The dual-mode NS is designed to exhibit distinct and separated absorption and scattering plasmon bands. Initially, the efficiency factors of various simple NSs were investigated. Then, more complex NSs were considered for further study. Parameters, such as the overall structure and the number, size, and arrangement of small nanospheres, were examined. It was that the combination of a gold nanocube (120nm edge length) with 16 (30nm diameter) small silver nanospheres provides the best results. The dissertation concludes with the experimental verification of the synthesis of monolayer shell aggregates. A simple method was used to synthesize composite gold NSs, where small gold nanospheres were directly formed onto a polystyrene (PS) core, with the help of citrate. The absorbance spectra were compared to the theoretical extinction values of shell aggregates and nanoshells to extract information regarding the structure of the synthesized composite gold NSs. A series of experiments were performed to elucidate the parameters which control the synthesis of monolayer shell aggregates. These new type metal NSs can provide with NIR plasmon resonances and distinct and separated absorption and scattering plasmon bands, both significant for biological and biomedical applications. Such novel metal NSs can be invaluable tools in detection, characterization and therapy of various diseases, such as cancer.