Uruchamiana przez rezonans plazmonowy synteza różnych nanostruktur ze srebra

Jan Krajczewski Uruchamiana przez rezonans plazmonowy synteza różnych nanostruktur ze srebra Praca doktorska wykonana w Pracowni Oddziaływań Międzymolekularnych Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego Promotor: dr hab. Andrzej Kudelski, prof. UW Warszawa, marzec 2018

Spis treści 1. Cel pracy...4 1.1. Aims of the thesis.... 6 Lista stosowanych skrótów...8 Podziękowania...9 2. Wstęp..10 2.1. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z nanocząstkami plazmonicznymi i rozkład pola elektromagnetycznego wokół takich nanocząstek..10 2.2. Wybrane zastosowania nanocząstek srebrnych związane z ich właściwościami plazmonicznymi.15 2.3. Wpływ kształtu nanocząstek metalicznych na procesy zachodzące na powierzchni nanocząstek.17 2.4. Metody syntezy nanocząstek Ag..21 2.4.1. Metody chemiczne.21 2.4.2. Metody wykorzystujące ablację laserową.24 2.4.3. Metody fotochemiczne, w tym metody wykorzystujące rezonans plazmonów powierzchniowych 26 2.5. Opis wykorzystywanych technik pomiarowych.32 2.5.1. Spektroskopia absorpcyjna UV-Vis.32 2.5.2. Transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM).34 2.5.3. Spektroskopia Ramana 36 2.5.3.1. Odkrycie i opis zjawiska SERS.41 2.5.3.2. Teoria elektromagnetyczna tłumacząca zjawisko SERS 42 2.5.3.3. Teoria chemiczna (przeniesienia ładunku) tłumacząca zjawisko SERS..43 3. Opis wykorzystywanych materiałów i procedur eksperymentalnych.46 3.1. Materiały 46 3.2. Wykorzystywane chemiczne metody syntezy nanocząstek..46 3.3. Opis procedur eksperymentów fotochemicznych 46 3.4. Opis wykorzystywanej aparatury badawczej 48 2

4. Uzyskane wyniki i ich analiza 50 4.1. Zmiana struktury zolu Ag w trakcie naświetlania.50 4.1.1. Fotochemiczna agregacja nanocząstek Ag i jej wpływ na aktywnośd nanocząstek Ag w pomiarach SERS.. 50 4.1.2. Fotochemiczna synteza nanocząstek z wnęka w środku.62 4.1.3. 1,4-Benzochinon jako nowy utleniacz do prowadzenia procesu kontrolowanego przez rezonans plazmonów powierzchniowych przekształcania nanostruktur srebra.66 4.2. Wpływ kształtu wykorzystywanych zarodków na geometrię nanocząstek otrzymanych w wyniku fotochemicznego wzrostu nanocząstek srebra 78 4.3. Wybrane fotochemiczne właściwości nanocząstek Au-Ag.87 4.4. Fotochemiczna transformacja nanocząstek złota.....94 5. Podsumowanie uzyskanych wyników 100 5.1 Summary..102 6. Cytowana literatura.104 6.1. Prace własne będące podstawą przygotowanego doktoratu 111 6.2. Inne prace własne 112 3

1. Cel pracy Nanocząstki złota i srebra mają wiele zastosowań w różnych dziedzinach nauki i techniki. Już w starożytności nanocząstki złota i srebra były stosowane (oczywiście bez wiedzy o tym, że są to nanocząstki ze srebra i złota i bez zrozumienia mechanizmu ich specyficznych właściwości) do barwienia szkła i wyrobów ceramicznych. Zole nanocząstek złota i srebra mogą przyjąć praktycznie każdy kolor tęczy: od czerwonego poprzez żółty, zielony, niebieski do fioletowego. Jest to skutkiem specyficznego oddziaływania światła z tymi nanocząstkami. Zmienne pole elektryczne fali świetlnej padającej na nanocząstki otrzymane z metalu plazmonicznego wchodzi w interakcje ze swobodnymi elektronami z pasma przewodnictwa metalu wzbudzając w nanocząstkach oscylacje tak zwanej plazmy elektronowej. To właśnie wzbudzenie rezonansu plazmonów powierzchniowych (ang. SPR - surface plasmon resonance) jest odpowiedzialne za intensywne barwy zoli nanocząstek srebra i złota. Wzbudzanie pod wpływem naświetlania rezonansu plazmonów powierzchniowych w nanocząstkach z metali plazmonicznych może generować lokalny znaczny wzrost natężenia pola elektromagnetycznego, co powoduje, że układy takie mogą być wykorzystywane jako nanorezonatory elektromagnetyczne. Dzięki temu nanocząstki plazmoniczne wykorzystuje się do wzmacniania efektywności różnych procesów optycznych takich jak: rozproszenie Ramana (rodzaj spektroskopii ramanowskiej wykorzystującej ten efekt nazywa się z przyczyn historycznych powierzchniowo wzmocnioną spektroskopią ramanowską - SERS - co jest akronimem angielskiej nazwy tej metody: surface-enhanced Raman spectroscopy), generowanie drugiej harmonicznej, czy też fluorescencja. Z obliczeń teoretycznych wynika, że najsilniejszy lokalny wzrost natężenia pola elektromagnetycznego obserwuje się w szczelinach między niezbyt oddalonymi od siebie nanocząstkami plazmonicznymi lub też na ostrych krawędziach i wierzchołkach plazmonicznych nanocząstek anizotropowych. Dlatego też, obecnie poszukuje się prostych, wydajnych i powtarzalnych metod syntezy anizotropowych nanocząstek ze srebra i złota, które to metale są obecnie najpowszechniej stosowanymi metalami plazmonicznymi. Jedną z bardzo obiecujących metod syntezy anizotropowych nanostruktur ze srebra jest ich fotochemiczna synteza kontrolowana przez rezonans plazmonów powierzchniowych (ang. PDTr - plasmon driven transformation). W metodzie tej w zolu początkowych nanocząstek srebra obecnych w roztworze (nanocząstki takie generuje się zazwyczaj standardowymi metodami chemicznymi) pod wpływem padającego światła wzbudzane są plazmony 4

powierzchniowe. Na tak pobudzonych nanocząstkach srebra zachodzi fotoredukcja jonów srebra z roztworu, przy czym proces ten zachodzi najbardziej efektywnie na tych powierzchniach nanocząstek srebra, gdzie wzrost natężenia pola elektrycznego jest najwyższy. Dlatego też, w wyniku tego procesu możliwy jest silnie anizotropowy wzrost nanocząstek. W przypadku braku wzbudzenia plazmonów powierzchniowych proces redukcji jonów Ag + prowadzący do osadzania srebra ustaje. Głównym celem niniejszej pracy było udoskonalenie niektórych elementów fotochemicznej transformacji różnego rodzaju nanostruktur ze srebra oraz otrzymanie przy pomocy opracowanych fotochemicznych procedur kilku rodzajów przydatnych praktycznie srebrnych nanostruktur. Badałem również fotostabilność sferycznych nanostruktur Au@Ag oraz porównałem efektywność jako podłóż do przeprowadzania pomiarów SERS silnie anizotropowych (zawierających wiele ostrych wierzchołków i krawędzi) nanostruktur Ag ze standardowymi sferycznymi nanostrukturami Ag. Analogiczne porównanie efektywności we wzmacnianiu sygnału SERS przeprowadziłem dla sześciokątnych nanopłytek złotych i standardowych sferycznych nanocząstek Au. Do bezpośrednich celów mojej pracy należało: a) sprawdzenie, czy stosując tylko metody fotochemiczne można bez dodatku chemicznego czynnika agregującego otrzymać agregaty nanocząstek srebra, b) określenie jak zmienia się aktywność w spektroskopii SERS standardowo otrzymywanych nanocząstek srebra podczas ich naświetlania (porównanie aktywności w spektroskopii SERS wykonano również dla standardowych sferycznych i fotochemicznie przekształconych nanocząstek Au), c) przeprowadzenie fotochemicznego przekształcenia zolu srebra w wyższej niż wykorzystywano w poprzednich eksperymentach temperaturze - w tym procesie udało się po raz pierwszy uzyskać metodą fotochemiczną nanocząstki srebra z wnęką w środku, d) zastąpienie innym związkiem chemicznym tlenu, który przed moimi eksperymentami był jedynym stosowanym w procesie fototransformacji nanocząstek srebra utleniaczem, e) sprawdzenie, czy stosując małe nanozarodki srebra o różnym kształcie, ale z zaadsorbowanymi na powierzchni takimi samymi molekułami stabilizatora, można zsyntetyzować większe nanostruktury srebra o różnym kształcie, f) synteza podłóż do pomiarów SERS o znacznie większej odporności na naświetlanie (co powinno znacznie ułatwić pomiary ilościowe), które pozwolą na badanie oddziaływań wybranych analitów z powierzchnią srebra. 5

1.1. Aims of the thesis Gold and silver nanoparticles have many applications in different fields of science and technology. Since ancient times, people have applied nanoparticles of gold and silver for dyeing glass and pottery (without knowing, of course, that they were using nanoparticles and without understanding the mechanism involved). Suspensions of gold and silver nanoparticles come in practically every color in the visible spectrum. This is an effect of a specific interaction between light and gold or silver nanoparticles. The electric field of the incident light interacts with the free electrons from the conductivity band of the plasmonic nanoparticles, leading to a collective oscillation of the electron plasma that induces a local increase in the intensity of the electric field in the proximity of plasmonic nanoparticles. Interactions that excite oscillations of the electric plasma are also responsible for the intensive colors of suspensions of gold and silver nanoparticles. Collective oscillations of electron plasma lead to a strong enhancement of the intensity of the local electromagnetic field. Therefore, plasmonic nanoparticles in which surface plasmon resonance is excited under illumination can be used as efficient optical nanoresonators. This phenomenon can be applied to enhance the efficiency of various optical processes such as Raman scattering, second harmonic generation, and fluorescence. Theoretical calculations show that the highest enhancement of the local electromagnetic field occurs in the gaps between the plasmonic nanoparticles or, in the case of anisotropic nanostructures, on their sharp apexes and edges. Therefore, anisotropic plasmonic nanoparticles are of large practical significance and simple, efficient and repeatable methods of synthesizing of such nanostructures continue to be developed. One of the most promising methods of synthesizing anisotropic silver nanostructures is what is known as plasmon-driven transformation of the initial silver seeds. In this method, the incident light interacts with silver nanoparticles, leading to an excitation of the surface plasmons. On the surfaces of the excited nanoparticles, a photocatalytic reduction of silver ions occurs, with the highest yield on those parts of the silver nanoparticles showing the highest increase in the intensity of the electromagnetic field. Therefore, a highly anisotropic growth of nanoparticles can be observed. This process does not take place if the plasmon resonance is not excited. The main aim of my thesis was to further improve the photochemical method of synthesizing silver nanoparticles and to photochemically synthesize new kinds of useful silver nanostructures. I investigated the effects of various factors on the efficiency of the photochemical transformation of silver nanostructures. I also investigated the stability of 6

Au@Ag core-shell nanostructures under illumination, and compared the efficiency of silver and gold nanoparticles containing sharp edges and apexes as SERS nanoresonators against the SERS activity of standard, spherical silver and gold nanoparticles. The direct aims of my thesis were: a) to controllably photochemically synthesize aggregates of silver nanoparticles without using any aggregating compound, b) to determine how the SERS activity of sols of standard silver nanoparticles changes during illumination, c) to photochemically synthesize silver nanostructures with shapes other than the shape of nanostructures that have been previously photochemically synthesized. For example, by carrying out a photochemical transformation at a temperature higher than that used in previous experiments, hollow silver nanoparticles were synthesized for the first time, d) to find an oxidizing agent other than oxygen to carry out the photochemical transformation of silver nanostructures (for the first time, I carried out plasmon-driven transformations of silver nanoparticles in a solution containing no dissolved oxygen), e) to verify whether small silver seeds with different geometry and with the same type of molecules adsorbed on their surface will be photochemically transformed into differently shaped larger silver nanostructures, f) to synthesize more photostable highly SERS-active substrates that permit investigations of the interactions of the studied analytes with the silver surface. Such substrates should be especially recommended for quantitative SERS measurements. 7

Lista stosowanych skrótów: UV-Vis - zakres widzialny i ultrafiolet SPR - (ang. surface plasmon resonance), rezonans plazmonów powierzchniowych SERS - (ang. surface-enhanced Raman spectroscopy), powierzchniowo wzmocniona spektroskopia rozproszenia ramanowskiego MEF - (ang. metal enhanced fluorescence), wzmocnienie fluorescencji powierzchnią metalu SEIRA - (ang. surface enhanced infrared absorption spectroscopy), powierzchniowo wzmocniona spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni PVP - poli(winylopirolidon) DMF - dimetyloformamid SDS - laurylosiarczan sodu CTAB - bromek heksadecylotrimetyloamoniowy CTAC - chlorek heksadecylotrimetyloamoniowy TEM - (ang. transmission electron microscope), transmisyjny mikroskop elektronowy M@Mt - nanocząstki typu core-shell; M-metal rdzenia, Mt - metal otoczki CT - (ang. charge transfer), przeniesienie ładunku p-mba - kwas para-merkaptobenzoesowy R6G - rodamina 6G CV - fiolet krystaliczny 8

Podziękowania Serdeczne podziękowania składam Panu Profesorowi Andrzejowi Kudelskiemu, promotorowi tej pracy. Dziękuję za umożliwienie mi realizacji tak ciekawych badań. Dziękuję za pomoc merytoryczną, wiele rad, dużo cierpliwości i otwartość na moje pomysły. Dzięki Panu Profesorowi praca laboratoryjna stała się moją pasją. Serdeczne podziękowania składam mojej narzeczonej, Karolinie Rucińskiej. Dziękuję, że zawsze wierzyłaś w moje pomysły i motywowałaś mnie do pracy i podejmowania nowych wyzwań. Dziękuje moim kolegom z grupy badawczej: Karolowi i Hemanowi, za to, że zawsze mogłem liczyć na ich pomoc i radę. 9

2. Wstęp 2.1. Oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z nanocząstkami plazmonicznymi i rozkład pola elektromagnetycznego wokół takich nanocząstek Intensywny kolor zolu nanocząstek srebra i złota wynika ze specyficznego oddziaływania tych nanocząstek ze światłem. Zmienne pole elektryczne z fali świetlnej oddziałuje z nanocząstkami Au i Ag wchodząc w interakcje ze swobodnymi elektronami z pasma przewodnictwa metalu wzbudzając oscylacje tak zwanej plazmy elektronowej (kwant oscylacji plazmy nazywamy plazmonem). Plazmony mają ogromne znaczenie w optyce metali. To właśnie one odpowiedzialne są za barwy zoli nanocząstek Au i Ag. Na przykład, nanocząstki złota o średnicy 30 nm wykazują silną ekstynkcję światła widzialnego o długości fali 450 nm, dzięki czemu nanocząstki te posiadają wyrazistą czerwoną barwę w świetle przechodzącym. Ekstynkcja światła (tj. osłabienie strumienia światła przechodzącego przez ośrodek w wyniku absorpcji i rozpraszania) nanocząstek metalicznych zależy od bardzo wielu czynników. Pierwszym czynnikiem wpływającym na położenie pasma plazmonowego jest materiał, z jakiego wykonane są nanocząstki. Inne widma ekstynkcji będą miały nanocząstki o takim samym kształcie i średnicy wykonane z miedzi, srebra oraz złota. Przykładowo, sferyczne nanocząstki srebra o średniej wielkości 40-50 nm wykazują maksimum pasma plazmonowego dla promieniowania o długości fali równej około 400 nm, zaś maksimum ekstynkcji nanocząstek złota o takim samym rozmiarze obserwowane jest przy około 550 nm. Istotnym czynnikiem wpływającym na częstość, przy której występuje rezonans plazmonów powierzchniowych, jest przenikalność dielektryczna ośrodka, w którym nanocząstki są zawieszone. Przy zmniejszaniu wartości przenikalności dielektrycznej ośrodka obserwuje się przesunięcie maksimum pasma plazmonowego w stronę krótszych długości fali (blue-shift). Przykładowo, nanocząstki srebra zawieszone w wodzie (o ε=78,39) wykazują pasmo plazmonowe przy większej długości fali promieniowania elektromagnetycznego niż te same nanocząstki zawieszone w etanolu (o ε=24,55), zaś przy mniejszej długości fali niż te same nanocząstki zawieszone w dimetyloformamidzie (o ε=182,4). Bardzo duże znaczenie ma również wielkość, kształt oraz skład pierwiastkowy nanocząstki. Inne widma ekstynkcji mają nanocząstki jednoelementowe, inne nanocząstki stopowe, a jeszcze inne nanocząstki typu core-shell (rdzeń-otoczka). Na położenie maksimum pasma plazmonowego wpływa także wytworzenie we wnętrzu nanocząstki wnęki. W przypadku nanocząstek srebra z wnęką w środku o tej samej średnicy zewnętrznej jak standardowe nanocząstki "lite" obserwuje się 10

przesunięcia maksimum ekstynkcji w stronę długofalową (red-shift). Bardzo ciekawe właściwości plazmoniczne wykazują nanocząstki anizotropowe. Przykładowo, w widmach ekstynkcji dziesięciościennych nanocząstek srebra obserwuje się silne, intensywne pasmo ekstynkcji przy około 520 nm. Dla nanopryzmatów charakterystyczne jest pasmo w długofalowej części widma. Jego dokładne położenie zależy od długości krawędzi otrzymanych nanopryzmatów. W przypadku nanoprętów srebra w widmie ekstynkcji w zakresie UV-Vis obserwuje się dwa pasma. Pierwsze położone przy około 400 nm pochodzi od wzbudzenia plazmonowego w osi poprzecznej nanopręta. Drugie pasmo jest przesunięte w stronę dłuższych długości fali jest ono skorelowane ze wzbudzeniem drgań plazmonowych wzdłuż dłuższej osi nanopręta. Pasmo to przesuwa się w stronę długofalową wraz ze zwiększaniem się długości pręta. Na Rysunku 1 przedstawiono widma ekstynkcji w zakresie UV-Vis dla niektórych typów nanocząstek srebra. Rysunek 2 przedstawia zaś witraż bawiony nanocząstkami złota. Rysunek 1. Widma ekstynkcji UV-Vis niektórych z opisanych w tekście rodzajów nanocząstek srebra. 11

Rysunek 2. Barwiony nanocząstkami złota witraż z kościoła Varennes-Jarcy we Francji (pierwsza połowa XIII wieku). Źródło: http://commons.wikimedia.org Nanocząstki metali szlachetnych mogą być rozpatrywane jako system składający się z dodatnio naładowanego szkieletu zrębów atomowych otoczonego plazmą swobodnych elektronów z pasma przewodnictwa. Jak wspomniano wcześniej oświetlenie takich nanocząstek światłem o odpowiednio dopasowanej częstotliwości powoduje kolektywne oscylacje plazmy elektronowej w powierzchniowej warstwie nanocząstki, mamy wtedy do czynienia z rezonansem plazmonów powierzchniowych SPR (ang. surface plasmon resonance). Oscylacje elektronów powodują powstanie dipola elektrycznego. W konsekwencji może to powodować wytworzenie silnego lokalnego pola elektrycznego w pobliżu powierzchni nanocząstki. Sumaryczne pole elektryczne zależy od wartości pola elektrycznego padającej wiązki światła oraz pola wytworzonego przy powierzchni nanocząstek w wyniku drgań plazmy elektronowej. Wartość natężenia sumarycznego pola elektrycznego wokół nanocząstek sferycznych (o średnicy znacznie mniejszej niż długość fali padającego promieniowania elektromagnetycznego) może być obliczona ze wzoru 1 : 12

Gdzie: to wartość zewnętrznego pola elektrycznego wzdłuż osi x, α to polaryzowalność, x, y, z to współrzędne, r to odległość od środka nanocząstki zaś,, to wektory jednostkowe. Pierwszy człon tego równania opisuje pole pochodzące od padającej fali elektromagnetycznej, zaś drugi człon pochodzi od dipola elektrycznego wyidukowanego w nanocząstce. Polaryzowalność dla sferycznych nanocząstek może być wyrażona równaniem 2,3 : Gdzie a, to promień nanocząstki, to przenikalność elektryczna materiału nanocząstki, zaś to wartość przenikalności elektrycznej ośrodka otaczającego nanocząstkę. Jak wynika z powyższych równań najsilniejszy rezonans plazmonów powierzchniowych obserwuje się, gdy spełniony jest następujący warunek: Warto również wspomnieć o tym, że w celu uzyskania efektywnego rezonansu plazmonów powierzchniowych urojona część przenikalności elektrycznej metalu (wynikająca z absorpcji) musi być bliska zeru. Dla promieniowania widzialnego warunek ten spełnia jedynie kilka metali, w tym metale szlachetne z grupy IB. Na Rysunku 3 a) i b) przedstawiono rozkłady natężenia pola elektrycznego wokół pojedynczej nanocząstki złota oraz wokół dwóch nanocząstek złota znajdujących się w niewielkiej odległości od siebie po oświetleniu nanocząstki światłem o długości fali 633 nm. 1 Jak widać najsilniejsze pole elektryczne wygenerowane zostaje w szczelinie między dwoma nanocząstki znajdującymi się w niewielkiej odległości od siebie. Natomiast dla nanocząstek anizotropowych najsilniejsze wzmocnienie pola elektrycznego obserwuje się na ostrych wierzchołkach i krawędziach nanocząstki. Rozkład pola elektrycznego wokół anizotropowej nanocząstki złota o kształcie dziesięciościanu po oświetleniu jej światłem o długości fali 546 nm przedstawiony jest na Rysunek 3c. 2 Zarówno obliczenia teoretyczne 3, jak i pomiary eksperymentalne 4,5 potwierdzają, że wyższe współczynniki wzmocnienia natężenia pola elektrycznego uzyskuje się w przypadku nanocząstek anizotropowych - wykazano, że nanodziesięciościany srebra są ponad dziesięć razy bardziej efektywne jako nanorezonatory optyczne do wzmacniania efektywności generowania widma Ramana niż standardowe sferyczne nanocząstki Ag. 5 13

Rysunek 3. Współczynnik wzmocnienia natężenia pola elektrycznego wokół: a) pojedynczej nanocząstki złota, b) dimeru nanocząstek złota znajdujących się w niewielkiej odległości od siebie po oświetleniu układu światłem o długości fali 633 nm, 1 c) nanodziesięciościanu złota po oświetleniu go światłem o długości fali 546 nm. 2 Padające na nanocząstkę światło jest rozpraszane i absorbowane. Dlatego też, obserwowana ekstynkcja promieniowania elektromagnetycznego jest sumą tych dwóch efektów. Przekrój czynny na absorpcję i rozpraszanie można wyrazić następującymi wzorami 4,5 : Gdzie k=2π/λ. Jak widać absorpcja zależy w trzeciej potędze od wielkości nanocząstki, zaś rozproszenie w szóstej. Dlatego też, dla nanocząstek o małej średnicy dominujący wkład ma 14

absorpcja, zaś rozproszenie może być pominięte. Odwrotnie dzieje się w przypadku dużych nanocząstek, gdzie dominujący wkład pochodzi od rozproszenia. 2.2. Wybrane zastosowania nanocząstek srebrnych związane z ich właściwościami plazmonicznymi Jak wspomniano powyżej nanocząstki metali z grupy IB w specyficzny sposób oddziaływają z promieniowaniem elektromagnetycznym z zakresu widzialnego. W zależności od materiału, wielkości i kształtu nanocząstek, przy oddziaływaniu ze światłem o konkretnej długości fali dochodzi do wzbudzenia kolektywnych oscylacji plazmy elektronów z pasma przewodnictwa metalicznych nanocząstek, zwanym rezonansem plazmonów powierzchniowych. Drgająca plazma elektronowa indukuje silny lokalny wzrost natężenia pola elektromagnetycznego. Dlatego też, nanocząstki plazmonicznych metali szlachetnych są często stosowane jako nanorezonatory optyczne. Znajdują one zastosowanie w wielu technikach analitycznych. Do technik tych należą między innymi: a) metody agregacyjne oparte na indukowanej przez dodatek analitu agregacji nanocząstek plazmonicznych - co indukuje znaczną zmianę właściwości plazmonicznych układu pociągającą za sobą zmianę widma ekstynkcji zolu nanocząstek; metoda ta może być stosowana do oznaczeń jonów metali, w tym jonów metali ciężkich takich jak ołów 6,7, rteć 8,9 kadm 10 czy miedź. 11 b) powierzchniowo wzmocniona spektroskopia Ramana (nazywaną spektroskopią SERS, co jest akronimem angielskiej nazwy tej metody: surface-enhanced Raman scattering) - w metodzie tej intensywność widma ramanowskiego molekuł zaadsorbowanych na niektórych nanocząstkach plazmonicznych jest o wiele rzędów wielkości większa niż intensywność widma od takiej samej liczby molekuł, ale nieoddziałujących z układem plazmonicznym. Metoda ta jest bardzo czuła. Za jej pomocą możliwa jest detekcja pestycydów w zakresie bardzo niskich stężeń (rzędu nanomoli), 12,13,14 detekcja pojedynczych komórek bakteryjnych 15,16, a nawet uzyskanie dobrej jakości widm od pojedynczych molekuł, 1 c) indukowane przez oddziaływanie z układem plazmonicznym wzmocnienie efektywności fluorescencji (MEF - co jest akronimem angielskiej nazwy tej metody: metal enhancedfluorescence). Metoda ta jest zazwyczaj stosowana do detekcji molekuł biologicznych takich jak: DNA 17, 18 19, 20 czy białka. d) powierzchniowo wzmocniona spektroskopia absorpcyjna w podczerwieni (SEIRA - co jest akronimem angielskiej nazwy tej metody: surface-enhanced infra-red absorption) - 15

indukowane przez oddziaływanie z układem plazmonicznym wzmocnienie efektywności absorpcji promieniowania podczerwonego. Metoda ta jest mniej czuła niż spektroskopia SERS, dlatego też, jest mniej intensywnie od niej eksploatowana. W literaturze można jednak znaleźć wiele ciekawych przykładów eksperymentów wykorzystujących spektroskopię SEIRA, na przykład detekcję fungicydów w niskim zakresie stężeń 21 czy też detekcję komórek bakteryjnych. 22 Ostatnio zainteresowano się również potencjalnym zastosowaniem nanocząstek metali plazmonicznych jako nowego typu fotouczulaczami do terapii fotodynamicznej. Zwykle w terapii fotodynamicznej jako fotouczulacze stosuje się specjalne związki organiczne, które pod wpływem światła z zakresu widzialnego ulegają wzbudzeniu i rozkładowi, w wyniku czego powstaje kaskada wolnych rodników, które powodują uszkadzanie komórek znajdujących się w ich bezpośrednim sąsiedztwie. Niestety obecnie stosowane fotouczulacze mają liczne wady między innymi takie jak: niski współczynnik absorpcji czy duża toksyczność. Dlatego też, pracuje się nad możliwością zastąpienia fotouczulaczy organicznych nanocząstkami plazmonicznymi. Gdy na nanocząstkę plazmoniczną padnie światło o odpowiedniej długości fali wzbudzeniu ulegną plazmony powierzchniowe. Jak wspominano wcześniej powoduje to duży lokalny wzrost natężenia intensywności pola elektromagnetycznego. Okazuje się, że kiedy na powierzchni nanocząstki obecna będzie cząsteczka tlenu w stanie podstawowym, czyli trypletowym ( 3 O 2 ), może dojść do przeniesienia energii z nanocząstki na cząsteczkę tlenu, w wyniku czego powstanie tlen w stanie wzbudzonym, czyli w stanie singletowym 1 O 2. 23,24 Jak wiadomo z licznych doniesień literaturowych, ta odmiana tlenu jest w stanie niszczyć komórki rakowe. Dlatego też, pokłada się duże nadzieje w zastosowaniu plazmonicznych nanocząstek metali szlachetnych w tego typu terapii. Do potencjalnych zalet nanocząstek plazmonicznych w tego typu zastosowaniach można zaliczyć między innymi: znacznie większe nawet o 4 6 rzędów wielkości współczynniki absorpcji niż w przypadku klasycznych fotouczulaczy, dużą fotostabilność czy też odporność na degradację enzymatyczną. Co więcej nanocząstki metaliczne można modyfikować w różny sposób przykładowo wprowadzenie do nanocząstki z metalu plazmonicznego magnetycznego rdzenia może w znaczący sposób ułatwić skumulowanie nanocząstek w wybranej tkance. Także w tym zastosowaniu anizotropowe nanocząstki plazmoniczne okazują się być znacznie wydajniejsze niż nanocząstki sferyczne. Związane jest to z opisanym uprzednio największym wzmocnieniem intensywności pola elektromagnetycznego na wierzchołkach i ostrych krawędziach nanocząstek, a także 16

przesunięciem pasma SPR nanocząstek anizotropowych w długofalową część widma gdzie tkanki wykazują większą przepuszczalność dla promieniowania elektromagnetycznego. Jak wspomniano wcześniej w wyniku oddziaływania nanocząstek metali szlachetnych z promieniowaniem z zakresu widzialnego dochodzi do wzbudzenia plazmonów powierzchniowych, których oscylacje generują silny, lokalny wzrost natężenia pola elektromagnetycznego. Wzrost intensywności pola elektromagnetycznego generuje silny lokalny wzrost temperatury. Wykorzystanie wytworzonego ciepła do niszczenia komórek rakowych to podstawa terapii fototermalnej. Wzrost temperatury jest jedynie lokalny w wyniku czego wpływowi wysokiej temperatury poddawane są w zasadzie jedynie komórki nowotworowe, w które uprzednio wprowadzono nanocząstki. W literaturze opisano zastosowanie w tym celu nanocząstek o różnym kształcie: nanobipiramid, 25 nanoprętów, 26,27 nanoklatek 28 oraz nanogwiazdek 29,30 złota. Wykorzystanie do terapii fototermalnej głównie nanocząstek anizotropowych wiąże się właśnie z większym lokalnym wzrostem natężenia pola elektromagnetycznego, a tym samym z większym lokalnym wzrostem temperatury generowanym przez tego typu nanoukłady. 2.3. Wpływ kształtu nanocząstek metalicznych na procesy zachodzące na powierzchni nanocząstek Jak wspomniano wcześniej na powierzchni nanocząstek metalicznych mogą zachodzić różne procesy: czy to wydzielania tlenu singletowego, czy też różne procesy katalityczne. Okazuje się, że nie wszystkie procesy w taki sam sposób, a tym samym z taką sama wydajnością, przebiegają na rożnych płaszczyznach krystalograficznych nanocząstek. Jednym z przykładów może być przeniesienie energii ze wzbudzonej nanocząstki na molekułę tlenu znajdującego się w stanie podstawowym (trypletowym). Proces ten jest podstawą terapii fotodynamicznej z wykorzystaniem nanocząstek jako fotouczulaczy. Jeśli molekuła tlenu zaadsorbuje się na powierzchni pobudzonej nanocząstki, może dojść do transferu energii z nanocząstki na molekułę tlenu. W wyniku tego procesu uzyskuje się wzbudzoną molekułę tlenu (w stanie singletowym). W literaturze opisano wykorzystanie w celu wygenerowania wzbudzonych molekuł tlenu nanocząstek metali szlachetnych o różnym kształcie: bipiramid, 23 nanoprętów, 31 nanopryzmatów 32 czy też nanocząstek rozgałęzionych. 33 Najpopularniejszą metodą detekcji tlenu singletowego jest zastosowanie odpowiedniej cząsteczki sensora czułego na jego obecność. Cząsteczka sensora w wyniku oddziaływania z tlenem w stanie singletowym ulega przekształceniu na przykład do związku, który jest silnie 17

fluoryzujący. W tym przypadku relatywnie proste pomiary fluorescencyjne dają ilościową informację o ilości wytworzonego tlenu w stanie singletowym. Początkowo wydawało się, że najważniejszym czynnikiem pozwalającym osiągnąć duże wydajności generowania tlenu singletowego przy pomocy nanocząstek plazmonicznych jest dopasowanie długości fali stosowanego światła laserowego do pasma plazmonowego nanocząstki. Dopasowanie częstości fali emitowanej przez laser i pasma plazmonowego nanocząstki powoduje wygenerowanie największego lokalnego wzrostu natężenia pola elektromagnetycznego, co wydawało się konieczne do uzyskania wysokiej wydajności procesu. Dopiero seria eksperymentów przeprowadzona przez Vankayala i współpracowników 34 zwróciła uwagę na wpływ kształtu nanocząstek na przebieg i wydajność tego procesu. W swoi eksperymencie Vankayala i współpracownicy naświetlali zole nanocząstek srebra o różnej geometrii: dziesięciościanów, nanopryzmatów i nanosześcianów światłem laserowym o długości fali 885 nm. 34 Wydzielanie tlenu singletowego zaobserwowano w przypadku zastosowania dziesięciościanów i nanopryzmatów. W przypadku naświetlania nanosześcianów nie zaobserwowano żadnych śladów świadczących o generowaniu tlenu singletowego. Co istotne, w żadnym z przypadków długość fali zastosowanego światła laserowego nie pokrywała się z pasmem plazmonowym wykorzystywanych nanocząstek. Vankayala i współpracownicy postanowili więc dopasować długość fali stosowanego światła laserowego do pasma plazmonowego nanocząstek sześciennych. Chcieli w ten sposób zbadać, czy dopasowanie częstości wpłynie na wydzielanie tlenu singletowego na nanosześcianach srebra. Nanosześciany srebra wykazują pasmo plazmonowe przy około 500 nm. Dlatego też, użyto światła laserowego o długości fali 525 nm. Jednak nawet w takich warunkach nie zaobserwowano wydzielania tlenu singletowego. Co ciekawe zaobserwowano, że na nanodziesięciościanach srebra generują się duże ilości tlenu singletowego, natomiast na nanocząstkach złota o tym samym kształcie nie. Powyższe wyniki eksperymentalne, a także dodatkowo przeprowadzone obliczenia teoretyczne wykazały, iż proces przeniesienia energii ze wzbudzonej nanocząstki na zaadsorbowaną molekułę tlenu nie przebiega w ten sam sposób na wszystkich płaszczyznach krystalograficznych. Stwierdzono, że w przypadku złota molekuły tlenu mogą adsorbować się na wszystkich trzech rozważanych płaszczyznach krystalograficznych: (111), (110) oraz (100). Na płaszczyznach (111) oraz (110) tlen jednak dysocjuje i znajduje się na powierzchni w postaci atomowej. Dlatego też, przeniesienie energii z nanocząstki skutkujące wzbudzenia tlenu do stanu singletowego jest możliwe jedynie w przypadku adsorpcji na ścianie (100). Z tego powodu obserwuje się zachodzenie 18

procesu w przypadku zastosowania nanoprętów i nanobipiramid, a nie w przypadku dziesięciościanów. Inna sytuacja występuje dla nanocząstek srebra. Tlen może również adsorbować się na wszystkich trzech rozważanych płaszczyznach krystalograficznych srebra: (100), (110) oraz (111). Na płaszczyznach (100) oraz (110) dochodzi jednak do dysocjacji molekuły tlenu, w wyniku czego przeniesienie energii z nanocząstki na molekułę tlenu zachodzi jedynie na płaszczyźnie (111). Dlatego też obserwuje się generowanie tlenu singletowgo na nanopryzmatach i nanodziesięciościanach srebra, a nie w przypadku srebrnych nanosześcianów. Rysunek 4 przedstawia nanocząstki o różnym kształcie z opisanymi występujący płaszczyznami krystalograficznymi. Z powodu defektów krystalograficznych występujących w nanocząstkach opisane powyżej zależności nie są jednak ściśle spełnione w każdym przypadku. Przykładowo, nanosześciany srebra z defektami krystalograficznymi posiadają pewną ilość płaszczyzn krystalograficznych (110) i (111), co może umożliwiać wygenerowanie cząsteczek tlenu w stanie singletowym. Rysunek 4. Rysunek przedstawiający występowanie różnego rodzaju ścian krystalograficznych w nanocząstkach o różnym kształcie. 35 Podobne zależności można zaobserwować także w przypadku zastosowań nanocząstek metalicznych jako katalizatorów. Przykładowo, Xu i współpracownicy badali efektywność nanocząstek srebra o różnym kształcie jako katalizatorów w procesie utleniania styrenu. 35 Testowano trzy różne kształty nanocząstek srebra: sześcienne, kuliste oraz pryzmatyczne. Stwierdzono, że w wykorzystywanych warunkach prowadzenia procesu utlenianie styrenu otrzymuje się głównie dwa produkty: benzaldehyd oraz tlenek styrenu, niezależnie od rodzaju zastosowanych nanocząstek. Analiza uzyskanych wyników wykazała jednak, iż reakcja przebiega najszybciej w przypadku zastosowania nanocząstek sześciennych, zaś najwolniej w przypadku nanopryzmatów srebra. Analiza strukturalna używanych nanocząstek wykazała, iż w przypadku nanosześcianów największą cześć powierzchni nanocząstek stanowią ściany o 19

orientacji (100), w przypadku nanopryzmatów ściany o orientacji (111), zaś w przypadku nanocząstek sferycznych występują w znacznej ilości ściany o orientacji (100) i (111). Z wcześniejszych symulacji komputerowych wiadomo, że różne ściany krystalograficzne wykazują różne wartości energii powierzchniowych i ogólna sekwencja aktywności jest następująca: (110)>(100)>(111). 36,37 Płaszczyzny krystalograficzne o wyższej wartości energii powierzchniowej są bardziej aktywne w procesie utleniania styrenu. Wyniki symulacji komputerowej dobrze zgadzają się z wynikami przeprowadzonego eksperymentu. Podsumowując, nanocząstki srebra, w których znaczną część powierzchni nanocząstki zajmują powierzchnie o orientacji (100) wykazują znacznie lepsze (nawet czternastokrotnie) właściwości katalityczne niż nanocząstki srebra, w których na powierzchni dominują ściany o orientacji (111). Wang i współpracownicy badali redukcję tlenu na powierzchni nanocząstek srebra i analizowali wpływ kształtu nanocząstek na ich aktywność jako katalizatorów tej reakcji. 38 Analizowano właściwości katalityczne nanocząstek srebra o dwóch kształtach: sześcianu i dziesięciościanu. Jak wspomniano wcześniej nanocząstki o różnym kształcie mają powierzchnie zdominowane przez różne ściany krystalograficzne. W przypadku nanosześcianów ich powierzchnia jest zdominowana przez ściany (100), zaś w przypadku nanodziesięciościanów powierzchnia nanocząstki jest zdominowana przez ściany (111). Wang i współpracownicy wykazali, że słabsza adsorpcja jonów OH na ścianie Ag o orientacji (111) zapewnia więcej miejsc aktywnych w tej reakcji, co tym samym prowadzi do większej aktywności katalitycznej tej właśnie ściany krystalograficznej. Podobne wnioski uzyskano badając utlenianie hydrazyny i formaldehydu na nanocząstkach srebra - stwierdzono różną aktywność nanocząstek o różnych kształatach. 39 Po uwzględnieniu poprawek na różną powierzchnię nanocząstek stwierdzono, że nanocząstki srebra, w których dominuje na powierzchni podobnie jak w przypadku nanodziesięciościanów ściana krystalograficzna (111) wykazują znacznie wyższą aktywność katalityczną niż nanosześciany srebra. Różną aktywność katalityczną różnych ścian krystalograficznych obserwowano także w przypadku innych nanocząstek metali szlachetnych. Przykładowo, dla nanocząstek złota Wang 40 ze współpracownikami wykazali, że w przypadku elektrokatalitycznej redukcji glukozy znacznie większą aktywność katalityczną wykazują nanocząstki sześcienne, na powierzchni których występuje znacznie więcej ścian o orientacji (100), niż w przypadku nanocząstek ośmiościennych (111) i dziesięciościennych (110). Yoshihara i Campbell 41 20

wykazali, że w przypadku katalitycznej syntezy metanolu z dwutlenku węgla i wodoru znacznie większą aktywność katalityczną wykazują nanocząstki o powierzchni zdominowanej przez ściany o orientacji (110), niż te, których powierzchnia zdominowana jest przez ściany o orientacjach (100) i (111). Ze względu na liczne zastosowania praktyczne anizotropowych nanocząstek z metali szlachetnych bardzo istotne jest opracowanie wydajnych i czystych metod pozwalających uzyskiwać takie nanocząstki o różnym kształcie. 2.4. Metody syntezy nanocząstek Ag 2.4.1. Metody chemiczne W celu przeprowadzenia chemicznej syntezy nanocząstek srebra potrzebne jest źródło jonów srebra, reduktor, który spowoduje redukcję jonów srebra do metalicznej postaci oraz stabilizator, który "otoczy" wytworzone nanocząstki i będzie chronił je przed agregacją i wytrącaniem z roztworu. Jako źródło jonów srebra stosuje się dobrze rozpuszczalne w wodzie sole srebra, takie jak: azotan srebra czy octan srebra. Reduktorem może być wiele substancji chemicznych, często stosuje się borowodorek sodu, hydrochinon lub hydrazynę. Jako stabilizator najchętniej stosowane są jony cytrynianowe lub poliwinylopirolidon (PVP). Jedną z najczęściej stosowanych chemicznych metod syntezy nanocząstek srebra jest metoda polegająca na redukcji obecnych w roztworze jonów srebra przez jony cytrynianowe w temperaturze 100 o C (w pokojowej temperaturze reakcja ta nie zachodzi). 42 Jony cytrynianowe pełnią tutaj dwie funkcje: reduktora oraz stabilizatora. Przy pomocy tej metody otrzymuje się sferyczne nanocząstki srebra o średniej średnicy 40-80 nm. W celu otrzymania nanocząstek srebra korzysta się często z metody borowodorkowej zaproponowanej przez Lee i Meisel'a. 42 W metodzie tej za redukcję jonów srebra odpowiedzialny jest borowodorek sodu. Od razu po wkropleniu roztworu reduktora mieszanina reakcyjna przyjmuje barwę żółto - brązową charakterystyczną dla powstających nanocząstek srebra. Często tę reakcję przeprowadza się w obniżonej temperaturze, co pozwala otrzymać mniejsze nanocząstki. Konieczny jest także dodatek stabilizatora - funkcję tę zazwyczaj pełnią jony cytrynianowe lub PVP. Jak wspomniano wcześniej zmiana w geometrii nanocząstek srebra powoduje zmianę właściwości optycznych ich zolu. Puste (z wnęką w środku) i "lite" nanocząstki srebra o tej samej średnicy zewnętrznej wykazują zupełnie różne barwy. Nanocząstki srebra z wnęką w środku można uzyskać stosując tzw. metodę glutationową. 43 W metodzie tej do wodnego 21

roztworu azotanu srebra dodaje się niewielką ilość zredukowanej formy glutationu, a następnie roztwór alkalizuje się za pomocą roztworu NaOH. Tworzą się wtedy sferyczne nanocząstki Ag 2 O i mieszanina reakcyjna przyjmuje jasno żółte zabarwienie. Następnie dodaje się reduktora: roztworu borowodorku sodu lub hydrazyny i w wyniku tego powstają sferyczne puste w środku nanocząstki srebra. Możliwa jest także synteza nanocząstek metali szlachetnych, w tym srebra, w rozpuszczalnikach organicznych. Przykładowo, glikol etylenowy w temperaturze wrzenia (około 197 o C) jest w stanie zredukować wiele związków metali szlachetnych w tym srebra, złota, a także palladu lub platyny. 44,45,46,47 W metodzie tej otrzymuje się głównie sferyczne nanocząstki metali. Niekiedy w celu przyspieszenia przebiegu reakcji stosuje się promieniowanie z zakresu mikrofalowego. Z reguły stosuje się promieniowanie o częstości 2,45 GHz. Zastosowanie promieniowania mikrofalowego zapewnia bardziej równomierne nagrzewanie roztworu, dzięki czemu można uzyskać bardziej jednorodne nanocząstki. Przy zastosowanie tej metody można uzyskać nanocząstki zarówna złota 48,49 jak i srebra 50,51, a także nanocząstki typu core-shell. 52,53 Innym rozpuszczalnikiem organicznym, w którym możliwa jest synteza nanocząstek metalicznych jest dimetyloformamid (DMF). Ogrzewanie roztworów soli srebra w DMF-ie w temperaturze 156 o C pozwala uzyskać dziesięciościenne nanocząstki srebra. 54,55,56 Wytworzone nanocząstki muszą być stabilizowane, zazwyczaj stosuje się roztwór PVP. Warto podkreślić, iż w obu opisanych powyżej metodach syntezy nanocząstek glikol etylenowy i DMF pełnią dwie role: reduktora oraz rozpuszczalnika, w którym przebiega reakcja. Syntezę nanocząstek srebra o innym niż sferycznym kształcie można przeprowadzić stosując tzw. metody,,seed-mediated growth. W tego typu metodach stosuje się stabilizatory silnie blokujących wzrost pewnych ścian krystalograficznych, co prowadzi do silnego anizotropowego wzrostu innych ścian nanokryształu. Takimi stabilizatora są na ogół związki amfifilowe takie jak: dodecylosiarczan sodu (SDS), bromek cetylotrimetyloamoniowy (CTAB) czy chlorek cetylotrimetyloamoniowy (CTAC). Związki amfifilowe składają się z dwóch części: hydrofilowej i hydrofobowej. W roztworach wodnych po przekroczeniu określonego stężenia związku powierzchniowo-czynnego zwanego stężeniem micelizacji związki te tworzą micele. W micelach hydrofobowe końce molekuł są zwrócone do środka miceli, zaś końce hydrofilowe wystają na zewnątrz i są wystawione na kontakt z wodą. W przypadku tworzenia nanocząstek Ag w układzie zawierającym micele, utworzone micele pełnią rolę matrycy wpływającej na kształt tworzonych nanoukładów. W 22

zależności od warunków, początkowej ilości zarodków, temperatury, rodzaju stabilizatora można uzyskać nanocząstki o różnym kształcie, przykładowo nanopręty, 57,58 bipiramidy, 59 nanopryzmaty 60,61 lub wklęsłe sześciany. 62,63 W literaturze opisano także wiele metod,,green synthesis nanocząstek srebra oraz innych metali. Metody te polegają na dodatku do roztworu zawierającego jony srebra biologicznego reduktora pochodzącego z ekstraktu z rośliny, owocu, grzyba czy bakterii. 64 66 Metody te są głównie wykorzystywane, gdy ze względów marketingowych chce się podkreślić "naturalne" pochodzenie produktu (na przykład w produktach kosmetycznych). Opisano między innymi metodę polegającą na dodaniu do wrzącego roztworu azotanu srebra ekstraktu ze skórki pomarańczy, w wyniku czego uzyskuje się sferyczne nanocząstki o średniej wielkości 50 nm. W innej metodzie do redukcji azotanu srebra stosuje się ekstrakt z aloesu. 67 Wzrost temperatury prowadzenia procesy prowadzi do uzyskania nanocząstek o większej średnicy. Jak można przypuszczać, głównym problemem tego typu metod jest obecność dużej ilości różnego typu molekuł organicznych w końcowym zolu nanocząstek metalicznych. Przykładowe nanocząstki srebra o różnej geometrii uzyskane metodami chemicznymi przedstawiono na Rysunku 5. Chemiczne metody syntezy nanocząstek srebra są najstarszymi i najlepiej do tej pory poznanymi metodami. Są to z reguły metody proste, szybkie i powtarzalne. Umożliwiają syntezę nanocząstek anizotropowych pod warunkiem użycia odpowiedniego stabilizatora. Główną wadą tych metod jest często duże zanieczyszczenie produktu końcowego, w roztworze oprócz nanocząstek znajdują się bowiem pozostałości reduktora oraz nadmiar stabilizatora. W niektórych przypadkach usunięcie cząsteczek stabilizatora jest bardzo trudne, a nieraz wraz z usunięciem z roztworu stabilizatora zmienia się geometria nanocząstek. 23

Rysunek 5. Obrazy TEM przedstawiające nanocząstki srebra o różnym kształcie uzyskane za pomocą różnych metod chemicznych: a) nanocząstki sferyczne, b) nanocząstki sferyczne puste w środku, c) nanosześciany srebra, d) nanodziesięciościany. 2.4.2. Metody wykorzystujące ablację laserową Ablacja oznacza odparowanie materiału z powierzchni ciała stałego do stanu gazowego lub plazmy z pominięciem stanu ciekłego. W przypadku metod syntezy nanocząstek metali szlachetnych wykorzystujących ablację laserową stosuje się lasery impulsowe lub pracy ciągłej o dużej mocy. Źródłem materiału są makroskopowe targety wykonane z czystego metalu. Wiązka lasera padająca na powierzchnię targetu odparowuje z jego powierzchni atomy metalu, co skutkuje powstaniem nanocząstek w roztworze. Na Rysunku 6 przedstawiono schematycznie układ do syntezy nanocząstek srebra metodą ablacji laserowej. 24

Rysunek 6. Schemat układu do otrzymywania nanocząstek srebra metodą ablacji laserowej. Pierwsze doniesienia o możliwości uzyskania nanocząstek poprzez ablację laserową pochodzą z 1997 roku. 68 W 2000 roku Kondow i współpracownicy 69 opisali metodę syntezy nanocząstek srebra poprzez ablację laserową w wodnym roztworze laurylosiarczanu sodu (SDS). Sztabka srebra umieszczona w roztworze SDS naświetlana była impulsami światła o długości fali 532 nm z częstotliwością 10 Hz, średnia moc jednego impulsu wynosiła 90 mj/impuls, zaś średnica wiązki laserowej wynosiła 3 mm. Przeprowadzając tę reakcję przy opisanych powyżej parametrach pracy lasera i stężeniu SDS wynoszącym 0,01 mol/dm 3 autorzy uzyskali kuliste nanocząstki o średniej wielkości 14,9 ± 8,4 nm. Zaobserwowano, że prowadzenie reakcji w roztworze stabilizatora o mniejszym stężeniu powoduje otrzymywanie nanocząstek o większej średnicy. Także moc lasera przekłada się na wielkość otrzymywanych nanocząstek użycie wiązki laserowej o większe mocy skutkuje uzyskiwaniem większych nanostruktur. W innej metodzie roztwór SDS zastąpiono roztworem cytrynianu sodu. 70 W wyniku naświetlania "targetu" srebrnego impulsami światła o długości fali 532 nm, z częstotliwością 10 Hz i średnią energią impulsu 80 mj powstawały sferyczne nanocząstki o średniej wielkości 8 ± 2 nm. 25

Metody syntezy nanocząstek srebra wykorzystujące ablację laserową pozwalają otrzymywać nanocząstki z dobrą wydajnością i powtarzalnością. Jednak z reguły uzyskuje się jedynie nanocząstki sferyczne. Produkt końcowy charakteryzuje się znacznie większą czystością niż w przypadku metod chemicznych. Jest to spowodowane faktem, iż w metodach wykorzystujących ablację laserową nie ma potrzeby wprowadzania do roztworu żadnego chemicznego reduktora, proces przekształcenia makroskopowego srebra w nanocząstki srebra indukuje silna wiązka laserowa. 2.4.3. Metody fotochemiczne, w tym metody wykorzystujące rezonans plazmonów powierzchniowych Do najprostszych fotochemicznych metod syntezy nanocząstek srebra można zaliczyć fotochemiczną redukcję soli srebra w roztworze stabilizatora. Mechanizm powstawania nanocząstek ma z reguły charakter rodnikowy. Powstające pod wpływem padającego światła wolne rodniki, powstałe czy to z rozkładu wody czy też z rozkładu fotouczulacza, są w stanie zredukować jony srebra do ich metalicznej formy. Molekuły stabilizatora zapobiegają agregacji i wytrącaniu się nanocząstek Ag z roztworu. Girault i współpracownicy 71 opisali syntezę nanocząstek srebra poprzez naświetlanie wiązką laserową o długości fali 500 nm roztworu zawierającego azotan srebra i SDS. W wyniku tego naświetlania otrzymali oni sferyczne nanocząstki srebra o średniej średnicy 13,3 ± 2,6 nm. Tłumacząc mechanizm tej reakcji zakłada się fotolizę wody (rozkład wody na rodniki H oraz OH - przy czym jest to proces trójfotonowy, dopiero potrojona energia kwantu tego promieniowania laserowego przekracza 6,5 ev, czyli energię potrzebną do powstania rodników OH i H ). Proces ten ma bardzo ograniczoną wydajność ze względu na jego wielofotonowy charakter. Zarodkowe nanocząstki srebra rosną w wyniku fotoredukcji kolejnych jonów srebra na ich powierzchni. W celu zwiększenia wydajności procesu do roztworu dodaje się często specjalnej substancji chemicznej tzw. fotouczulacza. Jest to substancja, która pod wpływem padającego światła o określonej długości fali ulega rozkładowi na rodniki. Powstałe rodniki redukują jony srebra i powstają nanocząstki srebra. Metodę taką opisał Scaiano wraz ze współpracownikami. 72 Jako fotouczulacz zastosowali oni I-2959, czyli (1-[4-(2- hydroksyetoksy)-fenylo]-2-hydroksy-2-metylo-1-propan-1-on. Molekuła ta po naświetleniu promieniowaniem ultrafioletowym o długości fali 273 nm ulega wzbudzeniu, a następnie 26

rozkładowi z powstaniem rodników. Dodatkowo, aby zwiększyć wydajność procesu przed prowadzeniem naświetlania roztwór był odtleniany. Mirkim wraz ze swoją grupa badawczą 73 jako fotouczulacz zastosowali bis(psulfonatofenylo)fenylofosfinę (BSPP). Roztwór zawierający jony srebra, cytrynian sodu, wodorotlenek sodu oraz BSPP naświetlano światłem UV o długości fali 268 nm, w wyniku czego otrzymano sferyczne nanocząstki srebra o średniej średnicy 8 nm. Podsumowując, za pomocą metod fotochemicznych bazujących na mechanizmie rodnikowym otrzymuje się zazwyczaj nanocząstki sferyczne. Dużą zaletą takiej metody jest małą dyspersja wielkości otrzymanych nanocząstek. Bardzo ciekawy proces został zaobserwowany w 2001 roku przez zespół Jin'a i współpracowników. 74 Stwierdzono wtedy, że naświetlanie zolu nanocząstek srebra powoduje przekształcenie nanocząstek prawie kulistych w nanopryzmaty. Dokładniejsze badania tego procesu wykazały, iż składa się on z dwóch następujących po sobie etapów. Pierwszym z nich jest powolne rozpuszczania nanocząstek srebra pod wpływem obecnego w roztworze tlenu (naświetlano zol pozostający w kontakcie z powietrzem). Dzięki temu w roztworze pojawiają się niewielkie ilości jonów srebra Ag +. W drugim etapie jony Ag + są foto-katalitycznie redukowane na specyficznych miejscach nanocząstek. Najefektywniejsza foto-redukcja zachodzi na tych miejscach nanocząstki, gdzie obserwuje się najsilniejszy wzrost natężenia pola elektromagnetycznego. Od tej pory w literaturze opisano kilka wydajnych fotochemicznych metod przekształcania sferycznych nanocząstek srebra w anizotropowe nanostruktury. Dalsze badania przeprowadzone przez Jin'a i współpracowników wykazały, że naświetlanie nanocząstek srebra zawieszonych w roztworze cytrynianu sodu światłem o długości fali 550 nm prowadzi do uzyskania dwóch frakcji nanopryzmatów różniących się długością krawędzi. 74 W końcowym produkcie znajdują się nanopryzmaty o średniej długości krawędzi wynoszącej 70 nm oraz większe, o średniej długości krawędzi wynoszącej 150 nm. W obu przypadkach grubość (wysokość) nanopryzmatów była taka sama. Zaobserwowano również, iż naświetlając tę samą mieszaninę dwoma wiązkami światła o długości fali 550 nm (wiązka podstawowa) oraz 450/340 nm (wiązka dodatkowa) otrzymuje się tylko jedną frakcję nanopryzmatów o średniej długości krawędzi wynoszącej 70 nm. Co więcej, poprzez zmianę długości fali wiązki podstawowej w zakresie 450 750 nm, przy zachowaniu długości fali wiązki dodatkowej, Jin i współpracownicy byli w stanie zmieniać również średnią długość krawędzi uzyskanych nanopryzmatów w zakresie 40 140 nm (patrz Rysunek 7). Wyniki te pokazują, że obserwowane przekształcenie rzeczywiście zależy od oddziaływania 27

promieniowania z zakresu widzialnego z plazmonami powierzchniowymi w nanocząstce. Ważną implikacją tego eksperymentu jest obserwacja, że końcowa geometria otrzymanych nanocząstek zależy od długości fali promieniowania użytego do naświetlania zolu nanocząstek Ag. Rysunek 7. Obrazy TEM nanopryzmatów Ag uzyskanych przez naświetlanie zolu Ag promieniowaniem o różnej długości fali (obrazy od lewej do prawej przedstawiają próbki uzyskane odpowiednio przy użyciu promieniowania o długości fali 450, 520 i 750±40 nm). 74 Ciekawą fotochemiczną metodę otrzymywania anizotropowych nanocząstek srebra opisali Pietrobon i Kitaev. 75 W pierwszym etapie metodą chemiczną otrzymali oni sferyczne wyjściowe nanocząstki srebra. Otrzymane wyjściowe nanocząstki srebra zostały sfunkcjonalizowane molekułami L argininy. Tak przygotowaną mieszaninę naświetlano przez 15 godzin światłem o długości fali 500 nm, w wyniku czego otrzymano nanodziesięciościany (patrz Rysunek 8). Zaobserwowano, że użycie światła o krótszej długości fali oraz zwiększenie intensywności padającego promieniowania sprzyja powstawaniu nanodziesięciościanów o krótszych krawędziach. 28

Rysunek 8. Obrazy TEM nanodziesięcioscianów srebra uzyskanych metodą fotochemiczną. Skala na zdjęciu 100nm. 75 Inna fotochemiczna metoda syntezy anizotropowych nanocząstek srebra, w której końcowa geometria uzyskanych nanocząstek zależy od długości fali użytego promieniowania, została opisana przez Mirkina i współpracowników. 73 W celu otrzymania nanoprętów srebra roztwór zawierający pięciokątne nanozarodki srebra oraz cytrynian sodu i azotan srebra naświetla się przez 24 godziny światłem o długości fali z zakresu 600 750 nm. W zależności od długości fali użytego do naświetlania promieniowania uzyskuje się nanopręty o różnej długości i szerokości. W przypadku światła o długości fali 600 nm uzyskuje się nanopręty o długości 330±85 nm i szerokości 67±5 nm, zaś przy naświetlaniu światłem o długości fali 700 nm średnia długość uzyskanych nanoprętów wynosi 870±250 nm przy ich szerokości wynoszącej 61±5 nm (patrz Rysunek 9). Wyniki te pokazują, że zastosowanie światła o większej długości fali skutkuje otrzymaniem dłuższych nanoprętów przy zachowaniu podobnej ich szerokości. W przypadku użycia światła o krótszej fali (500 nm) uzyskuje się mieszaninę nanoprętów oraz nanopryzmatów i bipiramid. 29

Rysunek 9. Obrazy SEM nanodrutów Ag (znacznik skali: 400 nm) uzyskanych przez naświetlanie przez 24 godziny roztworu zawierającego pięciokątne nanozarodki srebra, cytrynian sodu i azotan srebra. Wykorzystano promieniowanie o różnej długości fali: (A) 600, (B) 650, (C) 700 i (D) 750 nm. 73 Dobry przykład pokazujący wpływ długości fali użytego światła na końcową geometrię uzyskanych nanocząstek został zaprezentowany przez Stamplecoskie i Scaiano. 72 W eksperymencie tym za pomocą diod LED naświetlano roztwór zawierający sferyczne nanozarodki srebra, cytrynian sodu, azotan srebra oraz fotouczulacz I-2959. Analizując wyniki eksperymentu zauważano, że końcowy roztwór nanocząstek srebra wykazuje maksimum absorpcji w pobliżu długości fali światła użytego do naświetlania. Przykładowo, przy naświetlaniu roztworu światłem o długości fali 505 nm maksimum absorpcji produktu leży przy 541 nm, zaś przy naświetlaniu światłem o długości fali 627 nm maksimum absorpcji produktu jest przy 690 nm. Za pomocą tej metody można uzyskać z dobrą wydajnością nanocząstki kuliste, dwunastościenne, o kształcie graniastosłupa o podstawie sześciokątnej, graniastosłupa o podstawie trójkątnej czy też nanocząstki o kształcie pręta. Wadą większości fotochemicznych metod otrzymywania nanocząstek jest ograniczona objętość roztworu, który poddaje się naświetlaniu. Związane jest to z dużą gęstością optyczną 30

roztworów zawierających nanocząstki. Przy dużej objętości mieszaniny reakcyjnej jedynie mała część roztworu jest naświetlana na tyle efektywnie, by możliwe było zajście procesu fototransformacji nanocząstek. Ciekawe rozwiązanie tego problemu zaproponowali Maggini i współpracownicy. 76 Zamienili oni szklane lub kwarcowe naczynie specjalnie skonstruowanym foto-reaktorem przepływowym do pracy ciągłej. Dzięki temu, mimo dużej objętości próbki, efektywne naświetlanie zachodzi w całej objętości roztworu. Dodatkową korzyścią tego rozwiązania jest mniejsza tendencja do tworzenia się agregatów nanocząstek, dzięki czemu uzyskane koloidy mają zdecydowanie mniejszą ekstynkcję w długofalowej części widma światła widzialnego - patrzy Rysunek 10. Rysunek 10. Widma UV-Vis oraz obrazy TEM nanocząstek uzyskanych metodą fotochemiczną w kuwecie oraz przy zastosowaniu metody przepływowej. 76 Możliwa jest także fotochemiczna synteza anizotropowych nanocząstek typu coreshell Au@Ag (patrz Rysunek 11). Eksperyment ten został opisany przez grupę badawczą 31

Mirkina. 77 Jak wspomniano w poprzednich rozdziałach, nanocząstki core-shell wykazują inne właściwości optyczne niż nanocząstki jednoelementowe o tym samym kształcie i rozmiarze. W celu otrzymania nanopryzmatów Au@Ag zmieszano sferyczne nanozarodki srebra oraz złota i naświetlano je światłem niebieskim przez kilka godzin. Zaobserwowano, że użycie światła o większej długości fali skutkuje wzrostem długości krawędzi uzyskanych nanopryzmatów. Grubość otrzymanych nanostruktur zależy jedynie od średnicy zarodkowych nanocząstek złota użytych do eksperymentu i jest niezależna od długości fali światła. Rysunek 11. Obraz TEM nanopryzmatów Au@Ag uzyskanych metodą fotochemiczną. 77 2.5. Opis wykorzystywanych technik pomiarowych 2.5.1. Spektroskopia absorpcyjna UV-Vis Jak wspomniano powyżej, spektroskopia absorpcyjna w zakresie widzialnym i ultrafiolecie może być użyteczna przy sporządzaniu charakterystyki optycznej nanocząstek metali szlachetnych, w tym nanocząstek srebra. W czasie pomiaru światło z zakresu widzialnego oddziałuje z zolem nanocząstek. Przy pewnych, charakterystycznych wartościach długości fali, następuje wzbudzenie plazmonów powierzchniowych w nanocząstkach metali plazmonicznych, co objawia się pojawieniem się maksimum ekstynkcji na widmie w obszarze promieniowania z zakresu widzialnego i ultrafioletu. Typowy spektrofotometr składa się ze źródła światła, monochromatora, układu optycznego, miejsca na próbkę oraz detektora. Zazwyczaj stosuje się źródła promieniowania ciągłego takie jak lampy wolframowo halogenowe pokrywające w zasadzie cały zakres UV- Vis. Następnie wiązka światła pada na monochromator. Jego zadaniem jest wyodrębnienie 32

wąskiego wycinka spectrum światła, jedynie o określonej długości fali i przepuszczenie go dalej. Następnie światło monochromatyczne przechodzi przez szczelinę spektralną i natrafia na wirujące zwierciadło sektorowe. Zwierciadło to dzieli padające wiązkę na dwie. Jedna z nich trafia na kuwetę z substancją odniesienia, druga zaś trafia na kuwetę z mierzoną próbką. Kuwety mogą być wykonane z różnych materiałów: polistyrenu, szkła lub kwarcu. Stosuje się kuwety o różnej grubości. W przypadku pomiarów optycznych nanocząstek wygodne w użyciu są kuwety kwarcowe o długości drogi optycznej 2 mm. Pozwalają one na pomiar wyjściowych roztworów uzyskanych zoli nanocząstek srebra mimo wysokich współczynników ekstynkcji, często większych niż dla typowych barwników organicznych, bez konieczności ich rozcieńczania. Następnie obie wiązki promieniownia padają na detektor zazwyczaj stosuje się fotokomórki, fotopowielacze lub fotodiody półprzewodnikowe. Przeliczają one mierzony sygnał zgodnie z prawem Lamberta-Beera: Gdzie I 0 oznacza intensywność wiązki światła przechodzącej przez kuwetę z substancją odniesienia, zaś I x oznacza intensywność światła po przejściu przez kuwetę z badaną próbką. Rysunek 12 przedstawia schematyczną budowę spektrofotometru UV-Vis. Rysunek 12. Schemat przedstawiający budowę spektrofotometru UV-Vis. 33

Położenie maksimum pasma ekstynkcji jest zależne od wielkości i kształtu nanocząstek. Przykładowo, zol zawierający sferyczne nanocząstki srebra o średniej wielkości 5-8 nm wykazują maksimum ekstynkcji przy około 390 nm, zaś zol zawierający nanocząstki większe o średnicy około 60 nm wykazują maksimum ekstynkcji przy około 410 nm. W przypadku nanocząstek o innym kształcie niż sferyczny często występuje znaczne przesunięcie maksimum pasma ekstynkcji. Na przykład, dla sferycznych nanocząstek srebra z wnęką w środku o średnicy około 50 nm maksimum ekstynkcji występuje przy około 480 nm. Dziesięciościenne nanocząstki srebra mają maksimum ekstynkcji przy około 520 nm, zaś dla nanopryzmatów srebra charakterystyczne jest pojawiania się dwóch pasm w widmie. Pierwsze z nich położone jest przy około 470 nm. Pasmo to związane jest ze wzbudzeniem kwadrupolowym w płaszczyźnie nanopryzmatu. Drugie pasmo położone jest w długofalowej części widma i związane jest ze wzbudzeniem dipolowym. Szerokość połówkowa pasma może być skorelowana ze średnią dyspersją rozmiarów uzyskanych nanocząstek. Tak więc, węższe pasma wskazują na mniejszy rozrzut wielkości otrzymanych nanocząstek. 2.5.2. Transmisyjna mikroskopia elektronowa W celu obrazowania nanostruktur nie można użyć zwykłego mikroskopu świetlnego z powodu występowania tzw. limitu dyfrakcyjnego Abbego. Wiązka światła przy przechodzeniu przez obiektyw ulega ogniskowaniu do małego punktu, jednak ze względu na zjawisko dyfrakcji wiązka świetlna nie tworzy nieskończenie małego punktu, lecz jedynie rozmytą plamkę o skończonej wielkości. Zjawisko to zachodzi dla fali o każdej długości. W uproszczeniu przyjmuje się, że przy pomocy mikroskopu optycznego nie jest możliwe rozróżnienie dwóch elementów, które dzieli odległość mniejsza niż połowa długości fali. Przykładowo, przy użyciu mikroskopu świetlnego, gdy na badaną próbkę pada światło o długości fali 500 nm, nie jest możliwe rozróżnienie od siebie dwóch cząstek znajdujących się bliżej niż około 250 nm. Uważano, że limit dyfrakcyjny zawsze będzie stał na przeszkodzie w obserwowaniu obiektów o wielkości rzędu nanometrów. W 1924 roku Louis de Broglie zaproponował teorię fali materii. Założył on, że:,,z każdą cząstką materialną o masie m i prędkości v musi być 'skojarzona' fizyczna fala. Zgodnie z tą teorią również pędzące elektrony w kolumnie mikroskopu elektronowego stanowią falę materii o długości 5 1 pm, to znaczy znacznie poniżej zakresu długości fal 34

światła widzialnego. Dzięki temu możliwe stało się obrazowanie nanostruktur w przyrządach nazywanych mikroskopami elektronowymi. Pierwszy transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM) został skonstruowany w Berlinie przez Ernsta Ruska i Maxa Knolla w latach 1931-1934. Dopiero wiele lat później, bo w roku 1986 Ernst Ruska za konstrukcję elektronowego mikroskopu transmisyjnego został uhonorowany nagrodą Nobla z fizyki. W czasie pomiaru mierzone są elektrony przechodzące przez badaną próbkę. Źródłem elektronów jest tzw. działo elektronowe. Obecnie stosuje się katody, które wykorzystują emisję polową elektronów. Emisja polowa może zachodzić w przewodnikach lub półprzewodnikach pod działaniem silnego, lokalnego pola elektrycznego. Elektrony pochodzące z emisji polowej mają bardzo duże energie, a tym samym mają bardzo dużą prędkość. W dalszej drodze przez kolumnę mikroskopu wiązka elektronów jest kolimowana i ogniskowana za pomocą specjalnych soczewek elektromagnetycznych zwanych cylindrami Wehnelta. Co ważne w kolumnie mikroskopu musi panować wysoka próżnia, w innym przypadku wiązka elektronów uległaby rozproszeniu na cząsteczkach gazu znajdujących się w kolumnie. Elektrony padają na ekran fluorescencyjny, który pod wpływem padających elektronów generuje fotony. We współczesnych mikroskopach elektronowych jako detektor fotonów stosuje się matryce CCD (ang. charge coupled device). Jest to układ wielu światłoczułych elementów, z których każdy rejestruje sygnał proporcjonalny do liczby padających na niego elektronów. W mikroskopii TEM rejestruje się te elektrony, które przeszły przez badaną próbkę. Informację tę komputerowo przekształca się w mikrografię TEM. Jaśniejsze obszary na mikrografii pochodzą od materiałów charakteryzujących się mniejszą gęstością elektronową lub które są po prostu cieńsze w przypadku tego samego materiału, zaś ciemniejsze miejsca pochodzą od materiałów o dużej gęstości elektronowej lub od "grubszych" miejsc na badanej próbce. Schemat budowy mikroskopu TEM pokazano na Rysunku 13. 35

Rysunek 13. Schemat przedstawiający budowę Transmisyjnego Mikroskopu Elektronowego (TEM). Źródło: http://commons.wikimedia.org 2.5.3. Spektroskopia Ramana Rozproszenie ramanowskie to niesprężyste rozproszenie światła, czyli takie, kiedy foton rozproszony ma inną - większą lub mniejszą - energię niż foton padający. Zostało po raz pierwszy zaobserwowane przez hinduskiego badacza Chandrasekharę Venkatę Ramana oraz jego współpracownika Kariamanickam Srinivasa Krishnana 78, choć Kramers i Heisenberg 79 przewidywali teoretycznie jego istnienie już w 1925 roku. Królewska Szwedzka Akademia Nauk nagrodziła Ramana za jego ważne odkrycie Nagrodą Nobla z dziedziny fizyki w roku 1930. 36

W typowym widmie Ramana obserwujemy dwa rodzaje pasm stokesowskie i antystokesowskie. Przejścia związane z tymi dwoma rodzajami pasm przedstawiono schematycznie na Rysunku 14. Pasmo stokesowskie powstaje wtedy, gdy molekuła znajdująca się na niższym poziomie energetycznym na skutek oddziaływania z padającym fotonem przechodzi na wirtualny stan wzbudzony, a następnie nie wraca do stanu początkowego, lecz przechodzi na pewien wyższy poziom energetyczny, czemu towarzyszy emisja fotonu o energii mniejszej niż energia fotonu padającego. Pasmo antystokesowkie powstaje wtedy, gdy cząsteczka znajdującą się w stanie wzbudzonym na skutek oddziaływania z padającym fotonem przechodzi na wirtualny stan wzbudzony, a następnie nie wraca z powrotem do stanu początkowego, lecz przechodzi na stan podstawowy (lub stan wzbudzony o niższej energii), czemu towarzyszy emisja fotonu o energii większej niż energia fotonu padającego. W temperaturze pokojowej bardzo niewiele cząstek znajduje się na wzbudzonym poziomie oscylacyjnym (dla typowych wartościach częstości oscylacji) dlatego pasma antystokesowkie są znacznie słabsze niż pasma stokesowkie. Rysunek 14. Schemat przedstawiający mechanizm powstawania rozproszenia ramanowskiego i rayleighowskiego. Od lewej: pasma stokesowskie, pasmo Rayleigha i pasma antystokesowkie. Źródło: http://chemfan.pg.gda.pl/badania/spektr.html. 37

Stosując spektroskopię Ramana można uzyskać informacje o strukturze zarówno elektronowych, oscylacyjnych i rotacyjnych poziomów energetycznych molekuły. W niniejszej pracy rejestrowano tylko oscylacyjne widma ramanowskie, tak więc, poniżej przedstawiono jedynie podstawową teorię opisującą oscylacyjny efekt Ramana. W oscylacyjnym efekcie Ramana obserwuje się pasma jedynie od oscylacji, w trakcie których zmienia się polaryzowalność molekuły w taki sposób, że nie ma ona ekstremum w położeniu równowagi. Innymi słowy oznacza to, że aktywne są jedynie drgania, dla których pochodna polaryzowalności (α) po współrzędnej normalnej drgania (Q) jest różna od zera w położeniu równowagi, zgodnie z wzorem: Oznacza to, że nie wszystkie drgania badanej cząsteczki będą widoczne w widmie Ramana. Dla molekuł posiadających środek symetrii (molekuł centrosymetrycznych) drgania, które dają pasma w widmie Ramana nie dają pasm w widmie podczerwienie, i na odwrót. Reguła ta znana jest jako zakaz alternatywny. Dlatego też mówimy, że spektroskopia Ramana jest komplementarna do spektroskopii w podczerwieni. Do pomiarów widm ramanowskich stosuje się często spektrometr ramanowski sprzężony z mikroskopem konfokalnym (taki układ wykorzystywałem również w swojej pracy). Zastosowanie mikroskopu konfokalnego umożliwia łatwy podgląd powierzchni badanej próbki i odpowiednie zogniskowanie wiązki laserowej. Użycie mikroskopu konfokalnego w porównaniu do zwykłego mikroskopu optycznego zapewnia większy kontrast i polepsza stosunek sygnału do szumu. Konfokalność systemu uzyskuje się poprzez umieszczenie na drodze wiązki światła tuż przed detektorem specjalnej przesłony z małym otworem. Przesłona ta "wycina" z wiązki światła wkład pochodzący spoza płaszczyzny ogniskowania. Aby odfiltrować światło rozproszone pochodzące ze źródła światła, taką samą przesłonę umieszcza się bezpośrednio za źródłem. Jako źródła promieniowania wzbudzającego stosuje się lasery. Przykładowo laser helowo neonowy emituje między innymi światło czerwone o długości fali 632,8 nm, zaś laser na bazie granatu itrowoglinowego (Nd:YAG) generuje wiązkę promieniowania o długości fali 1064 nm, zaś w trybie generowania drugiej harmonicznej emituje wiązkę o długości fali 532 nm. Wiązka światła wyemitowana przez laser przechodzi przez szczelinę konfokalną, a następnie pada na płytkę światłodzielącą, zwaną niekiedy beam-splitter. Płytka światłodzieląca część światła odbija, drugą zaś część przepuszcza. Odbita część promieniowania jest kierowana do obiektywu 38

mikroskopu i jest ogniskowana na próbce. W wyniku oddziaływania wiązki światła następuje jej rozproszenie we wszystkich kierunkach. Wstecznie rozproszone promieniowanie jest zbierane przez obiektyw mikroskopu i ponownie pada na płytkę światłodzielącą. Teraz wiązka kierowana jest do filtra typu notch (NF). Interferencyjny filtr typu notch ma za zadanie usunąć promieniowanie tworzące pasmo Rayleigha. Następnie wiązka światła pada na element dyspersyjny monochromatora, siatkę dyfrakcyjną. Wiązka światła zostaje rozszczepiona i promieniowanie o różnej długości fali pada na różne punkty detektora (we współczesnych spektrometrach jest to prawie zawsze element CCD - ang. charge coupled device). Detektor CCD składa się z wielu elementów światłoczułych i można go porównać do elektronicznej błony fotograficznej. Schemat przedstawiający budowę typowego spektrometru ramanowskiego sprzężonego z mikroskopem konfokalnym przedstawiony jest na Rysunku 15. Rysunek 15. Schemat przedstawiający budowę typowego spektrometru ramanowskiego sprzężonego z mikroskopem konfokalnym. Efektywność generowania typowego widma Ramana jest bardzo mała - typowy przekrój czynny na rozproszenie ramanowskie jest o 11 rzędów wielkości mniejszy niż typowy przekrój czynny na absorpcję promieniowania ultrafioletowego. Dlatego też, do pomiaru widm ramanowskich stosuje się zazwyczaj bardzo czułe detektory. 39

Jedną z możliwości zwiększenia intensywności światła rozproszonego jest zastosowanie rezonansowego efektu Ramana. Rezonansowy efekt Ramana uzyskuje się wtedy, gdy wiązka wzbudzająca ma częstotliwość dopasowaną do częstotliwości przejścia elektronowego badanej molekuły. 80 Zgodnie z równaniem Kramera-Heisenberga natężenie światła rozproszonego jest proporcjonalne do kwadratu modułu tensora polaryzowalności. Ze wzoru na tensor polaryzowalności wynika, że intensywność światła nieelastycznie rozproszonego rośnie (po pominięciu efektów tłumienia teoretycznie nawet do nieskończoności) gdy częstość wiązki wzbudzającej zbliża się do częstości pasma absorpcji. Dlatego też, dzięki zastosowaniu rezonansowego efektu Ramana, intensywność widma Ramana może w znaczący sposób wzrosnąć. Często rezonansowe widma Ramana mierzy się stosując przestrajalne lasery barwnikowe. Ich zastosowanie pozwala na łatwiejsze dopasowanie częstości promieniowania wiązki wzbudzającej do częstości pasma absorpcji badanej molekuły. Rezonansowa spektroskopia ramanowska jest często stosowana do badania analitów wykazujących pasma absorpcyjne w zakresie widzialnym (380-800 nm), natomiast dla substancji bezbarwnych (takich jak aminokwasy, białka, czy kwasy nukleinowe) trzeba stosować lasery ultrafioletowe jako źródła promieniowania wzbudzającego. Zjawiskiem utrudniającym tego typu pomiary jest fluorescencja, która powoduje zwiększenie tła w mierzonym widmie oraz zmniejszenie stosunku sygnału do szumu. Schemat pokazujący różnice między klasycznym rozproszeniem Ramana i rezonansowym rozproszeniem Ramana przedstawia Rysunek 16. Rysunek 16. Schemat pokazujący różnice pomiędzy klasycznym rozproszeniem Ramana i rezonansowym rozproszeniem Ramana. 40

2.5.3.1. Odkrycie i opis zjawiska SERS Jak wspomniałem powyżej, klasyczne rozproszenie ramanowskie ma bardzo małą efektywnością. Tak więc, mimo znacznego znaczenia dla rozwoju mechaniki kwantowej odkrycia tego efektu, rozproszenie ramanowskie miało na początku bardzo ograniczone zastosowanie praktyczne. Znaczne zwiększenie zainteresowania spektroskopią Ramana nastąpiło w latach 80 XX wieku, po zrozumieniu donośności obserwacji Fleischmana, Hendry i McQuillana, że można uzyskać bardzo silne widma ramanowskiego pirydyny zaadsorbowanej na elektrochemicznie schropowaconej powierzchni elektrody srebrnej. 81 Badacze ci błędnie wyjaśnili bardzo silny sygnał ramanowski obserwowany w przeprowadzonym przez siebie eksperymencie przez znaczne zwiększenie liczby molekuł pirydyny zaadsorbowanych na schropowaconej powierzchni elektrody, które są źródłem sygnału ramanowskiego. Dopiero kilka lat później dwie niezależne grupy badawcze prawidłowo wytłumaczyły ogromny wzrost intensywności sygnału ramanowskiego generowanego w tym układzie. Obie opracowane teorie zakładają istotny udział nanochropowatej powierzchni metalicznej, stąd nazwa opracowanej techniki spektroskopowej brzmi: powierzchniowo wzmocnione rozproszenie ramanowskie (SERS - akronim angielskiej nazwy metody: surface-enhanced Raman scattering). Pierwszy z modeli opracowany przez Jeanmaire a i van Duyne a 82 zakłada istotny udział we wzmocnieniu intensywności widma Ramana wzmocnienia natężenia pole elektrycznego indukowanego przez metal, stąd nazywany jest on modelem elektromagnetycznym. Drugi model zaproponowany przez Albrechta i Creightona 83 zakłada hybrydyzację orbitali molekularnych molekuł zaadsorbowanych na powierzchni metalu z orbitalami elektronów z pasma przewodnictwa metalu, co umożliwia przejście elektronu z zaadsorbowanej molekuły do metalu i z powrotem do zaadsorbowanej molekuły, lub też, z metalu do zaadsorbowanej molekuły i z powrotem do metalu (dzięki temu dla molekuły zaadsorbowanej na powierzchni metalu obserwowane jest zwiększenie efektywności generowania sygnału ramanowskiego w procesie podobnym do klasycznego rezonansowego efektu ramanowskiego), dlatego też, ten model nazywany jest efektem chemicznym lub efektem przeniesienia ładunku (CT ang. charge transfer). Dzięki zastosowaniu nanochropowaconych podłoży wykonanych z metali plazmonicznych takich jak miedź, złoto lub srebro możliwe jest uzyskanie wzmocnienia efektywności generowania sygnału ramanowskiego w eksperymencie SERS wynoszącego nawet 10 5-10 6. Tak duże współczynniki wzmocnienia efektywności generowania sygnału ramanowskiego pozwalają na 41

detekcję przy pomocy spektroskopii SERS analitu w bardzo niskich zakresach stężeń. 84,85 87 W literaturze opisano także z powodzeniem rejestrowanie sygnału SERS pochodzącego od pojedynczej molekuły analitu (tak zwane single molecule detection). 88,89,90 2.5.3.2. Teoria elektromagnetyczna tłumacząca zjawisko SERS Teoria elektromagnetyczna zakłada istotny udział we wzmocnieniu intensywności widma SERS kolektywnych drgań plazmy elektronowej (plazmonów powierzchniowych), czyli elektronów z pasma przewodzenia w nanocząstce metalicznej. Do wzbudzenia plazmonów dochodzi wtedy, gdy fala świetlna o odpowiedniej częstości pada na powierzchnię nanocząstki. Drgające elektrony powodują silny, lokalny wzrost natężenia pola elektromagnetycznego. Wzmocnienie rozproszenia ramanowskiego pochodzenia elektromagnetycznego jest w przybliżeniu proporcjonalne do 4 potęgi współczynnika wzmocnienia natężenia pola elektromagnetycznego, zgodnie ze wzorem: 6 gdzie: to wartość natężenia pola elektrycznego padającej wiązki wzbudzającej (wzmacnianego przez oddziaływanie z układem plazmonicznym), zaś to wartość natężenia pola elektrycznego wiązki rozproszonej (również wzmacnianego przez oddziaływanie z układem plazmonicznym). Obserwowane wzmocnienie mierzonego sygnału ramanowskiego jak więc dlatego tak wysokie, gdyż proces wzmacniania zachodzi jak gdyby dwa razy: za "pierwszym razem" wzmocnione zostaje natężenie pola elektrycznego wiązki wzbudzającej padającej na powierzchnię nanocząstki (człon ), wzmocnione zostaje również natężenie pola elektrycznego promieniowania rozproszonego (człon ). Natężenie lokalnie zwiększonego pola elektromagnetycznego szybko maleje (w funkcji odległości jak 1/r 3 ) wraz z oddalaniem się od nanocząstki plazmonicznej. 91 Wartość uśrednionej elektromagnetycznej składowej wzmocnienia widma SERS szacuje się w wielu przypadkach na 10 4. 42

Rysunek 17. Schematyczny rysunek przedstawiający wzbudzenie plazmonów powierzchniowych za pomocą padającego na powierzchnię nanocząstki światła z zakresu widzialnego. Drgające elektrony generują wytworzenie silnego pola elektromagnetycznego wokół nanocząstek. Częstość, dla której obserwuje się najefektywniejszy rezonans plazmonów powierzchniowych zależy od wielu czynników, między innymi: od wielkości i kształtu nanocząstek, od materiału, z którego są wykonane, od rozkładu różnych materiałów w nanocząstce (pasmo SPR będzie położone przy innych częstościach dla nanocząstek jednoelementowych np.: czyste srebro, inne zaś dla nanocząstek core-shell Au@Ag, a jeszcze inne dla nanocząstek stopowych Au-Ag) oraz od przenikalności dielektrycznej ośrodka otaczającego nanocząstki. 2.5.3.3. Teoria chemiczna (przeniesienia ładunku) tłumacząca zjawisko SERS Molekuły analitu mogą adsorbować się na powierzchni metalu za pomocą wolnych par elektronowych. Może wtedy dochodzić do nakładania się (hybrydyzacji) orbitali molekularnych zaadsorbowanych molekuł analitu oraz orbitali molekularnych w metalu. Do najbardziej efektywnego wzmocnienia mierzonego sygnału ramanowskiego może dojść w dwóch sytuacjach, gdy energia fotonów wiązki wzbudzającej dopasowana jest do różnicy energii między poziomem Fermiego w metalu, a najniższym nieosadzonym orbitalem molekularnym (LUMO) w zaadsorbowanej cząsteczce analitu, lub też, kiedy energia fotonów wiązki wzbudzającej jest dopasowana do różnicy energii między najwyższym obsadzonym orbitalem molekularnym (HOMO), a poziomem Fermiego w metalu (patrz Rysunek 18). 43

Może dochodzić wtedy do przeniesienia elektronu, co skutkuje wzrostem mierzonego sygnału ramanowskiego (jest to efekt analogiczny do klasycznego rezonansowego efektu ramanowskiego). Intensywność wzmocnienia pochodząca od członu chemicznego (chargetransfer) jest szacowana zazwyczaj na nie więcej jak 10 2. Rysunek 18. Schemat możliwych przejść elektronu skutkujących zwiększeniem intensywności mierzonego sygnału ramanowskiego: a) przejście elektronu z poziomu Fermiego w metalu na orbital LUMO w zaadsorbowanej cząsteczce analitu; b) przejście elektronu z orbitalu HOMO w zaadsorbowanej cząsteczce analitu na poziom Fermiego w metalu. Co istotne, wartość energii poziomu Fermiego w metalu może być kontrolowana poprzez zmianę potencjału elektrochemicznego. Pozwala to na dopasowanie różnic w poziomach energetycznych do energii fotonów używanej wiązki wzbudzającej. 44

Wyniki i wnioski 45

3. Opis wykorzystywanych materiałów i procedur eksperymentalnych 3.1. Materiały Azotan srebra (AgNO 3 ), cytrynian sodu (Na 3 C 6 H 5 O 7 ), metanol, etanol, propanol, izopropnol i 30% wodny roztwór nadtlenku wodoru zostały zakupione w Avantor Performance Materials Poland S.A. (dawne Polskie Odczynniki Chemiczne S.A.). Jodek sodu (NaI), kwas askorbinowy (C 6 H 8 O 6 ), kwas para-merkaptobenzoesowy (HSC 6 H 4 COOH, p- MBA,), 1,4-benzochinon (C 6 H 4 O 2 ), hydrochinon (C 6 H 4 (OH) 2 ), borowodorek sodu (NaBH 4 ), L-arginina (C 6 H 14 N 4 O 2 ), fiolet krystaliczny, rodamina 6G, poliwinylopirolidon (PVP) o masie cząsteczkowej 10 kg/mol oraz 40 kg/mol zostały zakupione w Sigma-Aldrich Polska. Gazowy argon (czystość 99.999%) zakupiono w Air Products. Blaszki platynowe na których osadzano monowarstwy p-mba zakupione zostały w Mennicy Polskiej. Wszystkie stosowane odczynniki stosowano bez dodatkowego oczyszczania i przygotowania. We wszystkich przeprowadzonych eksperymentach stosowano wodę dejonizowaną oczyszczaną systemem Millipore Milli-Q. 3.2. Wykorzystywane chemiczne metody syntezy nanocząstek Wykorzystywane w niniejszej pracy nanocząstki srebra otrzymywano przez redukcję roztworu zawierającego azotan srebra roztworem borowodorku sodu. Reakcje prowadzono wykorzystując roztwór zawierający azotanu srebra i cytrynian sodu albo roztwór zawierający: azotan srebra, cytrynian sodu, poliwinylopirolidon i nadtlenek wodoru. Nanocząstki srebra o średnicy większej niż 50 nm otrzymano przez redukcję roztworu azotanu srebra roztworem cytrynianu sodu prowadzoną w podwyższonej temperaturze. Wykorzystywane w eksperymentach opisanych w mojej pracy nanocząstki złota uzyskano przez redukcję roztworu kwasu chlorozłotowego roztworem borowodorku sodu. Szczegółowe opisy sposobów prowadzenia reakcji są umieszczone w poszczególnych rozdziałach opisujących eksperymenty prowadzone z danym typem nanocząstek. 3.3. Opis procedur eksperymentów fotochemicznych Wśród fotochemicznych metod syntezy nanocząstek srebra można wyróżnić dwa różne podejścia. Pierwszym z nich jest fotoprzekształcanie początkowo sferycznych nanocząstek srebra pod wpływem naświetlania. W wyniku naświetlania po pewnym czasie obserwuje się zmianę barwy (i oczywiście widm UV-Vis) zolu. Jak wspomniano w poprzednich rozdziałach nanocząstki srebra o różnej geometrii wykazują najbardziej 46

efektywny rezonans plazmonów powierzchniowych przy różnej długości fali. Dlatego też, zmiana barwy zolu nanocząstek pod wpływem naświetlania wskazuje na zajście procesu przekształcenia nanocząstek. Druga metoda fotochemicznej syntezy anizotropowych nanocząstek srebra jest podobna do chemicznej metody seed mediated growth. W metodzie tej do roztworu zawierającego jony srebra (zazwyczaj z dysocjacji AgNO 3 ) oraz jony cytrynianowe wprowadza się niewielki (zwykle 5-10%) dodatek uprzednio przygotowanych zarodków srebra. W wyniku naświetlania tak przygotowanej mieszaniny dochodzi do fotoredukcji jonów srebra na powierzchni nanocząstek srebra i do ich wzrostu. Rysunek 19. Schemat przedstawiający mechanizm procesu uruchamianej przez rezonans plazmonów powierzchniowych syntezy anizotropowych nanocząstek srebra. Małe, sferyczne nanocząstki srebra pod wpływem obecnego w roztworze tlenu ulegają powolnemu rozpuszczaniu, co powoduje pojawienie się w roztworze jonów srebra. Jony srebra w następnym etapie są selektywnie fotoredukowane na tych miejscach nanocząstek, gdzie występuje najsilniejsze natężenie pola elektromagnetycznego generowane pod wpływem padającego promieniowania. Finalną geometrię otrzymanych nanocząstek można kontrolować poprzez zmianę długości fali promieniowania użytego do naświetlania. W metodach chemicznych anizotropowy wzrost nanocząstki uzyskuje się poprzez dodatek odpowiedniej substancji do mieszaniny reakcyjnej (w której następuje wzrost nanocząstek). Niektóre substancje w sposób preferencyjny osadzają się na ścianach nanocząstki o wybranej orientacji, inne zaś ściany pozostają praktycznie "niepokryte", co może skutkować szybszym wzrostem nanocząstki w tych kierunkach. W przypadku wielu metod fotochemicznych końcowa geometria nanocząstek zależy od długości fali światła użytej do naświetlania. Przykładowo, naświetlając sferyczne zarodki Ag światłem niebieskim 47

(o długości fali 470 nm) uzyskuje się nanodziesięciościany, w przypadku zastosowania zaś światła zielonego (o długości fali 520 nm) jako produkt uzyskuje się głównie nanopryzmaty patrz Rysunek 19. Uzyskane metodą fotochemiczną anizotropowe nanocząstki srebra charakteryzują się często dużo wyższą czystością pozbawione są one bowiem dodatku substancji "blokującej" poszczególne ściany krystalograficzne (dodanie takich substancji jest często konieczne do przeprowadzenia syntezy nanocząstek anizotropowych standardowymi metodami chemicznymi), które to substancje są często dość trudne do usunięcia. Warto wspomnieć, że proces uruchamianej przez rezonans plazmonów powierzchniowych syntezy anizotropowych nanocząstek srebra zachodzi jedynie wtedy, kiedy w nanocząstce wzbudzone są plazmony powierzchniowe. Wzrost nanocząstki powoduje jednak przesunięcie częstości, dla której obserwuje się rezonans plazmonów powierzchniowych. Dlatego też, kiedy nanocząstka osiągnie pewną graniczną wielkość jej dalszy wzrost zostaje zahamowany. Dzięki temu zjawisku nanocząstki otrzymane metodą fotochemiczną cechują się małą dyspersją rozmiaru. 3.4. Opis wykorzystywanej aparatury badawczej Do rejestracji widm ekstynkcji zoli otrzymanych nanocząstek wykorzystano dwuwiązkowy spektrometr UV-Vis firmy Thermo Scientific model Evolution 201. Pomiary wykonywano w kwarcowych kuwetach o długości drogi optycznej 2 mm. Roztwory nanocząstek oczyszczano wykorzystując wirówki MPW-54 oraz MPW-251. Wytworzenie siły odśrodkowej poprzez wirowanie rotora powoduje sedymentację cięższych frakcji mieszaniny na dno probówki. Dzięki temu możliwe jest oczyszczenie nanocząstek ze związków organicznych oraz możliwe jest do pewnego stopnia rozdzielenie otrzymanych nanocząstek ze względu na ich wielkość. Do analizy strukturalnej otrzymanych nanocząstek wykorzystano transmisyjny mikroskop elektronowy (TEM - ang. transmission electron microscope) firmy Zeiss, model Libra 120, pracujący przy napięciu przyspieszającym 120 kev. Roztwory nanocząstek nanoszono na miedziane siateczki 300-mesh pokryte filmem formwarowym. Wszystkie pomiary ramanowskie zostały wykonane przy wykorzystaniu spektrometru LabRAM HR800 (firmy Horiba Jobin Yvon) sprzężonym z mikroskopem konfokalnym Olympus BX61. Spektrometr posiadał chłodzony termoelektrycznie detektor CCD. Stosowano dwie różne wiązki wzbudzające. Laser He-Ne emitujący światło o długości fali 632,8 nm (linia czerwona) oraz laser Nd:YAG pracujący w trybie generowania drugiej 48

harmonicznej o długości fali 532 nm (linia zielona). Stosowana siatka dyfrakcyjna posiadała 600 nacięć/mm. Układ kalibrowano wobec pasma krzemu przy 520 cm 1 (w tym celu wykonywano pomiar widma Ramana płytki krzemowej). W celu porównywania efektywności wzmacniania mierzonego sygnału ramanowskiego przez różnego rodzaju nanocząstki plazmoniczne opracowano następującą metodę pomiaru wzorcowej powierzchni monowarstwy p MBA na platynie, którą stosowaną w każdym eksperymencie. Blaszki platynowe przed pomiarem wyżarzano w płomieniu palnika gazowego, a następnie przetrzymywano przez 24 godziny w nasyconym roztworze p MBA. W tym przypadku dochodzi do chemisorpcji molekuł p MBA na powierzchni blaszki platynowej przez grupę tiolową. Po wyjęciu blaszki z roztworu dokładnie przemywano ją dużą ilością wody w celu odmycia nadmiaru molekuł p MBA z powierzchni blaszki. Dzięki temu na powierzchni platyny zostaną jedynie te molekuły, które są chemisorbowane (de facto molekuły te tworzą regularną monowarstwę). Następnie na tak przygotowaną powierzchnię nakraplano równe objętości (10 µl) różnych zoli srebra o takiej samej sumarycznej zawartości srebra. Schemat utworzonej powierzchni testowej pokazano na Rysunku 20. Blaszka platynowa praktycznie nie wykazuje właściwości plazmonicznych, dlatego też, obserwowane wzmocnienie sygnału SERS pochodzi praktycznie tylko od nałożonych plazmonicznych nanocząstek srebra. Stosowanie takiego modelowego układu do pomiarów widm SERS umożliwiło mi porównywanie efektywności jako nanorezonatorów do pomiarów SERS rożnego rodzaju nanocząstek. Rysunek 20. Schemat przedstawiający układ do pomiarów widm SERS pozwalających na porównywanie wielkości wzmocnienia generowanego przez różne nanocząstki. 49

W przypadku naświetlania zoli srebra światłem białym stosowano jako źródło światła sześć żarówek Philips Energy Saver o mocy 23 W marki Philips. W przypadku naświetlania zoli srebra światłem o charakterystyce zbliżonej do światła monochromatycznego stosowano diody LED generujące promieniowanie o różnych barwach: fioletowej (długość fali 440 nm), niebieskiej (długość fali 470 nm), zielonej (długość fali 520 nm), żółtej (długość fali 590 nm) oraz czerwonej (długość fali 660 nm) o typowej średniej intensywności strumienia światła 270 lumenów. 4. Uzyskane wyniki i ich analiza 4.1. Zmiana struktury zolu Ag w trakcie naświetlania 4.1.1. Fotochemiczna agregacja nanocząstek Ag i jej wpływ na aktywność nanocząstek Ag w pomiarach SERS Jak wspomniano w poprzednich rozdziałach w literaturze opisano wiele różnych metod syntezy zarówno izo- jak i anizotropowych nanocząstek metali szlachetnych, w tym srebra. Od dawna znane jest także zjawisko,,starzenia się'' koloidu zawierającego nanocząstki srebra. W trakcie długotrwałego przechowywania koloidy srebra ciemnieją, a po jakimś czasie można nawet zaobserwować widoczny gołym okiem osad. Opisane zmiany spowodowane są coraz większą agregacją nanocząstek, aż do ich precypitacji z roztworu, co powoduje duże zmiany właściwości optycznych koloidu. Jednym z głównych czynników powodujących starzenie się zolu nanocząstek srebra jest światło (w praktyce laboratoryjnej światło dzienne) padające na roztwór. Dlatego też, w celu zapobiegnięcia, a przynajmniej opóźnienia zachodzenia procesu starzenia koloidy srebrne przechowuje się w ciemnych pomieszczeniach lub naczynia, w których są przechowywane, owija się folią aluminiową, by w jak największym stopniu ograniczyć ekspozycję na światło słoneczne. W niektórych przypadkach osiągnięcie pewnego stopnia aglomeracja nanocząstek Ag jest jednak bardzo pożądane. Na przykład z literatury wiadomo, że w przypadku wykorzystywania nanocząstek srebra do lokalnego wzmacniania natężenia pola elektromagnetycznego (na przykład wtedy, gdy nanocząstki srebra są wykorzystywane jako podłoża do pomiaru widm SERS), współczynnik wzmocnienia intensywności pola elektromagnetycznego jest o wiele większy w wąskich szczelinach utworzonych między nanocząstkami srebra niż na powierzchni izolowanej nanocząstki. 1 Dlatego też, jednym ze sposobów zwiększenia intensywności rejestrowanego widma SERS w przypadku wykonywania pomiaru SERS dla substancji zaadsorbowanej na nanocząstkach Ag, jest 50

dodanie do zolu zawierającego nanocząstki srebra czynnika powodującego ich agregację, przykładowo: chlorku potasu lub azotanu potasu, 92,93 który zmienia siłę jonową roztworu oraz rozkład ładunku na powierzchni nanocząstek, tym samym w wielu przypadkach prowadząc do ich agregacji. Nierzadko jednak dodatek chemicznego czynnika powodującego agregację wpływa również na sposób oddziaływania molekuły analitu z powierzchnią nanocząstki, co może wpływać na uzyskane widmo SERS. Dlatego też, postanowiłem sprawdzić, czy nie można wykorzystać naświetlanie nanocząstek do zwiększenia ich aktywności jako podłóż do pomiarów widm SERS zamiast wykorzystywać w tym celu chemiczne czynniki powodujące częściową aglomerację zolu. Eksperymenty rozpocząłem od pomiarów wykonanych przy wykorzystaniu światła o barwie białej, stosując jako nanocząstki wyjściowe nanocząstki o średnicy 8 nm i 60 nm (czyli typowe nanocząstki otrzymywane szeroko stosowanymi w praktyce metodą borowodorkową i cytrynianową syntezy nanocząstek srebra). Jak wspomniano powyżej "mniejsze nanocząstki Ag" (o średnicy około 8 nm) otrzymano stosując metodę borowodorkową. W celu otrzymania takich nanocząstek do naczynia wprowadzono 50 ml wody destylowanej. Następnie wprowadzono 0,2 ml 1 mm roztworu AgNO 3 (źródło jonów srebra) i 0,9 ml 3 mm świeżo sporządzonego roztworu cytrynianu sodu (stabilizator). W celu zredukowania jonów srebra do metalicznej formy do roztworu wkroplono 1 ml roztworu borowodorku sodu otrzymanego przez rozpuszczenie 0,094 g borowodorku sodu w 100 ml lodowatej (o temperaturze bliskiej 0 o C) wody. Już po wprowadzeniu pierwszej kropli roztworu borowodorku sodu do roztworu zawierającego azotan srebra i cytrynian sodu barwa mieszaniny reakcyjnej zmienia się z bezbarwnej na jasno żółtą. Pojawienie się barwy sygnalizuje powstanie nanocząstek srebra. Wraz z dodawaniem kolejnych kropel roztworu borowodorku barwa mieszaniny reakcyjnej ciemnieje, ostatecznie ustala się na brązowo-żółtą. Analiza obrazów TEM uzyskanych nanostruktur (przykładowy obraz TEM przedstawia Rysunek 21a, zaś histogram przedstawiający rozkład wielkości otrzymanych nanocząstek przedstawia Rysunek 22a pozwoliła określić średni rozmiar uzyskanych nanocząstek na 7,8±0,7 nm. Nanocząstki srebra o średnicy około 60 nm uzyskano stosując metodę cytrynianową. Jony cytrynianowe w temperaturze pokojowej nie są w stanie zredukować obecnych w roztworze jonów srebra. Dlatego też, w metodzie cytrynianowej wodny roztwór azotanu srebra doprowadza się do wrzenia, a następnie wprowadza określoną ilość reduktora, którym jest cytrynian sodu (w metodzie tej jony cytrynianowe pełnią również rolę stabilizatora), po czym roztwór jeszcze przez pewien czas utrzymuje się w temperaturze wrzenia. W celu 51

uzyskania semi-sferycznych nanocząstek srebra o średnicy około 60 nm do 125 ml wody destylowanej wprowadzono 0,5 ml 5% roztworu azotanu srebra i całość doprowadzono do wrzenia pod chłodnicą zwrotną. Następnie porcjami wkroplono 10 ml 0,57% roztworu cytrynianu sodu. Roztwór po pewnym czasie zaczął zmieniać barwę z bezbarwnej na zielono szarą, co sygnalizuje powstanie nanocząstek srebra. Roztwór przez jeszcze pewien czas utrzymywano w temperaturze wrzenia w celu zredukowania praktycznie wszystkich obecnych w roztworze jonów srebra. Przykładowy obraz TEM nanocząstek uzyskanych metodą cytrynianową przedstawia Rysunek 21b, zaś histogram przedstawiający rozkład wielkości otrzymanych nanocząstek przedstawia Rysunek 22b. Na podstawie analizy obrazów TEM uzyskanych nanostruktur określiłem ich średni rozmiar na 56 ± 8 nm Rysunek 21. Obrazy TEM nanocząstek uzyskanych metodą borowodorkową (a) i cytrynianową (b). 52

Rysunek 22. Histogramy przygotowane na podstawie analizy obrazów TEM nanocząstek uzyskanych metodą borowodorkową (a) i cytrynianową (b). W następnym etapie uzyskane zole poddano naświetlaniu. W typowym eksperymencie do szklanego naczynia o objętości 100 ml i średnicy około 4 cm wprowadzono 80 ml zolu zawierającego jeden z rodzajów badanych nanocząstek. Całość mieszano na mieszadle magnetycznym na średnich obrotach i naświetlano światłem białym za pomocą sześciu 53

żarówek typu Philips Energy Saver o mocy 23 W każda. Przeprowadzano również naświetlania promieniowaniem o określonej barwie (generowanym przez układ diod LED - typowa szerokość połówkowa pasma emisji zestawu diod wynosiła 20-30 nm, stosowano zestawy diod o dominującej emisji przy następujących długościach fali: 470, 570, 625 i 660 nm). W tych przypadkach naświetlanie prowadzono w naczyniu o pojemności około 11 ml i o średnicy około 2 cm, do którego wprowadzałem 9 ml zolu nanocząstek Ag. W trakcie naświetlania próbki żarówki (lub diody LED) indukowały nagrzewanie się roztworu (typowo do około 30-35 o C) - dlatego też, w celu ograniczenia odparowywania wody naczynia zamknięto za pomocą parafilmu. Naświetlanie roztworów zawierających nanocząstki srebra prowadzono przez 7 dni - przy czym próbki naświetlanego roztworu były pobierane również po zdecydowanie krótszych czasach naświetlania. W przypadku zoli zawierających małe nanocząstki srebra (o średnicy około 8 nm) już po jednym dniu naświetlania światłem białym roztwór zmienił barwę z żółtej na jasno zieloną (patrz Rysunek 23). Towarzyszyło temu także powstanie nowego pasma na widmie UV-Vis położonego przy około 700 nm. W wyniku dalszego naświetlania roztwór stawał się coraz bardziej intensywnie zielony, a następnie niebiesko-brunatny. Zmiany barwy i towarzyszące temu zmiany widm UV-Vis w trakcie naświetlania zolu zawierającego małe nanocząstki są przedstawione na Rysunku 23. Natomiast w przypadku naświetlania światłem białym zoli zawierających nanocząstki większe (o średnicy około 60 nm) nie obserwowano istotnej zmiany barwy w trakcie naświetlania trwającego nawet 7 dni (patrz Rysunek 24, który pokazuje widna UV-Vis zoli naświetlanych przez różny okres czasu). Uzyskane wyniki w jednoznaczny sposób wskazują na fakt, iż rozmiar nanocząstek srebra ma bardzo duży wpływ na ich foto-stabilność. W przypadku naświetlania zolu nanocząstek o średnicy 60 nm roztwór praktycznie nie zmienia barwy (nie widać również znaczących zmian widm UV-Vis - patrz Rysunek 24), co wskazuje na brak znaczącej agregacji takich nanocząstek srebra nawet po 7 dniowym naświetlaniu roztworu. Dane te zostały potwierdzone przez wykonane pomiary TEM (nie zaobserwowałem znaczących różnic obrazów TEM nanocząstek przed naświetlaniem i naświetlanych przez 7 dni). Natomiast w przypadku naświetlania zolu zawierającego małe 8 nm nanocząstki, już po jednym dniu naświetlania roztwór w znaczący sposób zmienił barwę, co wskazuje na zmianę geometrii nanocząstek znajdujących się w zolu. 54

a) b) c) d) e) Rysunek 23. Zmiany barwy zolu naświetlania, c) roztwór po 2 dniach naświetlania, d) roztwór po 5 dniach naświetlania, e) roztwór po 7 dniach naświetlania. 55

Rysunek 24. Zmiany widma UV-Vis zolu zawierającego "duże" (o średnicy około 60 nm) semisferyczne nanocząstki srebra w trakcie naświetlania światłem białym; a) świeżo przygotowany roztwór nanocząstek o średnicy około 60 nm, b) roztwór po 1 dniu naświetlania, c) roztwór po 2 dniach naświetlania, d) roztwór po 5 dniach naświetlania, e) roztwór po 7 dniach naświetlania Pomiary TEM pokazały (patrz Rysunek 25), że w trakcie naświetlania światłem białym "małych nanocząstek Ag" najpierw w próbce powstają aglomeraty nanocząstek, a następnie w znacznej ilości tworzą się inne nanostruktury (na przykład nanopryzmaty lub nanopłytki). W przypadku zastosowania do naświetlania światła białego powstaje złożona mieszanina struktur o różnym kształcie (patrz Rysunek 25). W przypadku naświetlania promieniowaniem generowanym przez źródło o zdecydowanie mniejszej szerokości spektrum emisji (za wyjątkiem naświetlania promieniowaniem o barwie fioletowej) pierwszy etap fotoprzekształcenia jest analogiczny (powstają aglomeraty nanocząstek Ag). Naświetlanie zolu światłem o barwie fioletowej prowadzi zaś do utlenienia nanocząstek Ag i ich 56

rozpuszczenia. W dalszym etapie naświetlania promieniowaniem o określonej barwie powstają zaś bardziej jednorodne mieszaniny nanocząstek, na przykład w przypadku zastosowania do naświetlania promieniowania o długości fali 570 nm powstaje mieszanina zawierająca głównie nanopryzmaty, podczas gdy w przypadku zastosowania promieniowania o długości fali 660 nm powstaje mieszanina zawierająca głównie nanopłytki (patrz Rysunek 26). Bardziej szczegółowa analiza wpływu długości fali promieniowania użytego do naświetlania roztworu na postać i wielkość uzyskiwanych nanocząstek jest przedstawiona w rozdziale 4.1.3. Warto również podkreślić, że prowadząc proces naświetlania światłem żółtym (o długości fali odpowiadającej maksimum emisji 570 nm) w wyższej temperaturze (50 o C) udało mi się po raz pierwszy otrzymać w wyniku procesu fotochemicznego nanocząstki z wnęką w środku - więcej szczegółów znajduje się w następnym rozdziale 4.1.2. Jak wspomniano powyżej, procesem o dużym potencjalnie znaczeniu praktycznym, który obserwowałem w trakcie naświetlania zolu srebra, jest tworzenie się aglomeratów nanocząstek Ag. Wytwarzanie aglomeratów nanocząstek Ag jest w wielu przypadkach przeprowadzane specjalnie (przez dodanie odpowiedniego czynnika wywołującego aglomerację - aglomeraty Ag są na przykład wytwarzane jako podłoża do pomiarów SERS 92,94 ). Związane jest to z tym, że wzmacnianie natężenia pola elektromagnetycznego obserwowane na powierzchni pojedynczej nanocząsteczki plazmonicznej jest zazwyczaj znacznie mniejsze niż w przypadku, gdy z nanocząstek plazmonicznych wytworzy się dimery lub inne aglomeraty. W tych przypadkach największe wzmocnienie natężenia pola elekromagnetycznego obserwuje się w wąskich szczelinach między nanocząstkami plazmonicznymi. Jak można przypuszczać, aglomeracja nanocząstek powoduje więc znaczne zwiększenie efektywności nanocząstek jako podłóż w pomiarach SERS. W przypadku aglomeracji nanocząstek generowanej przez naświetlanie układu nie ma jednak potrzeby dodawania substancji generującej aglomeracje, która mogłaby wpłynąć na adsorpcję molekuł, których widmo SERS jest analizowane. Zmierzone przeze mnie zmiany aktywności nanocząstek w pomiarach SERS są w pełni zgodne ze wcześniejszymi doniesieniami, że aglomeracja nanocząstek Ag prowadzi do zwiększeniu efektywności układu jako podłoża do pomiarów widm SERS (patrz Rysunek 27). Naświetlanie układu przez dwa dni prowadzi do wzrostu o współczynnik 2 efektywności zolu Ag jako podłoża do pomiarów SERS, zaś dalsze naświetlanie prowadzi do wzrostu o rząd wielkości efektywności zolu jako podłoża SERS. Zwiększanie efektywności zolu Ag jako podłoża do pomiarów SERS w wyniku naświetlania zoli Ag trwającego przez kilka dni związane jest najprawdopodobniej nie tylko z aglomeracją 57

nanocząstek, ale również z powstawaniem silnie anizotropowych nanocząstek w formie nanopryzmatów. Rysunek 25. Obrazy TEM zolu nanocząstek srebra o średniej średnicy około 8 nm przed naświetlaniem (a) i naświetlanego przez (b) 2 dni, (c) 7 dni. 58

Rysunek 26. Obrazy TEM nanocząstek Ag powstałych przez naświetlanie przez 7 dni promieniowaniem o długości fali (a) 570 nm i (b) 660 nm zolu nanocząstek srebra o początkowej średniej średnicy około 8 nm. W celu oszacowania błędu pomiaru w opisanym eksperymencie SERS wykreślono zależność (w serii powtarzanych eksperymentów) logarytmu intensywności pasma rodaminy 6G położonego przy 1362 cm 1 dla eksperymentu wykonanego przy wykorzystaniu każdego rodzaju użytych nanocząstek, to jest: dla świeżo otrzymanych nanocząstek Ag, nanocząstek Ag naświetlanych przez 2 dni oraz nanocząstek Ag naświetlanych przez 7 dni. Każdy pomiar powtórzony 25 razy w różnych punktach otrzymanego filmu nanocząstek. Uzyskane dane są 59

przedstawione na Rysunku 28. Jak widać z tego rysunku, zmiana efektywności nanocząstek Ag jako nanorezonatrów do pomiarów SERS (można założyć, że efektywność ta jest proporcjonalna do intensywności pasma rodaminy 6G położonego przy 1362 cm 1 ) jest znacznie większa niż błąd pojedynczego pomiaru. Rysunek 27. Widma SERS sub-monowarstwy chlorowodorku rodaminy 6G (jedna nanocząstka rodaminy 6G przypada na 17 nm 2 powierzchni) naniesionej na film nanocząstek srebra na szklanym podłożu. (a) Film otrzymany ze świeżo zsyntetyzowanych nanocząstek Ag, (b) film otrzymany z nanocząstek oświetlanych przez 2 dni, (c) film otrzymany z nanocząstek oświetlanych przez 7 dni. Pomiar wykonano przy wykorzystaniu linii wzbudzającej o długości fali 532 nm. 60

Rysunek 28. Logarytm intensywności pasma rodaminy 6G położonego przy 1362 cm 1 dla widma SERS rejestrowanego na: filmie świeżo otrzymanych nanocząstek Ag, filmie nanocząstek srebra naświetlanych przez 2 dni, filmie nanocząstek srebra naświetlanych przez 7 dni. Według mnie tworzenie aglomeratów nanocząstek srebra związane jest z tym, że w przypadku zbliżenia się do siebie dwóch naświetlanych nanocząstek Ag, w obszarze między nanocząstkami wystąpi znaczne zwiększenie natężenia pola elektromagnetycznego, co powoduje, że na tym obszarze nanoukładu znaczne zwiększy się efektywność katalitycznej fotoredukcji obecnych w roztworze jonów srebra, preferencyjne osadzanie srebra w szczelinie między nanocząstkami spowoduje zaś trwałe złączenie nanocząstek Ag. W trakcie prowadzonych badań sprawdziłem także wpływ stężenia poszczególnych reagentów na przebieg fotochemicznej agregacji nanocząstek srebra. Za najciekawsze spostrzeżenie uważam obserwację, że gdy stężenie jonów cytrynianowych pełniących rolę stabilizatora przekroczy wartość 30 mm, to efektywność przekształcenia nanocząstek gwałtownie spada. 61

4.1.2. Fotochemiczna synteza nanocząstek z wnęką w środku Tak jak wspomniano poprzednio, poza pierwszym etapem fotoprzekształcania - prowadzącym do powstania agregatów nanocząstek, przebieg dalszych etapów przekształcania zolu jest silnie zależny od warunków prowadzenia procesu. Zaobserwowałem, że gdy prowadziłem fotoprzekształcanie zolu małych nanocząstek Ag w wyższej temperaturze (około 50 o C zamiast 30-35 o C, w której to temperaturze typowo prowadziłem ten proces) przy wykorzystaniu promieniowania o barwie żółtej (o długości fali 570 nm) powstaje widoczna ilości nanocząstek z wnęką w środku. Rysunek 29 przedstawia schematyczną ilustrację mechanizmu, według którego uzyskuje się nanocząstki z wnęką w środku metodą fotochemiczną, zaś Rysunek 30 obraz TEM otrzymanego produktu. Rysunek 29. Proponowana schematyczna ilustracja przebiegu procesu uzyskiwania nanocząstek srebra z wnęką w środku metodą fotochemiczną. Zaobserwowany przeze mnie sposób otrzymywania nanocząstek srebra z wnęką w środku nie wydaje się jednak być konkurencyjny w porównaniu do innych metod syntezy tego typu układów, na przykład w porównaniu do metody opisanej przez Moshe i Markovitza, w szczególności, że jak widać z Rysunku 30, nie wszystkie otrzymane nanocząstki są z wnęką w środku. Tak więc, zaobserwowany proces fotochemicznego powstawania tego typu nanocząstek należy raczej traktować jako ciekawostkę naukową. Rysunek 31 przedstawia obraz TEM nanocząstek srebra z wnęką w środku otrzymanych jedną ze standardowych metod syntezy tego typu układu, to jest metodą Moshe i Markovitza. 43 W metodzie Moshe i Markovitza 43 syntezę "pustych w środku" nanocząstek Ag prowadzi się w trzech etapach: (i) otrzymuje się "pierwotne" nanocząstki srebra, (ii) utlenienia się w środowisku alkalicznym i w obecności L glutationu "pierwotne" nanocząstek Ag do nanocząstek Ag 2 O, (iii) przeprowadza się redukcję nanocząstek Ag 2 O prowadzącą w pierwszej kolejności do pokrycia 62

nanocząstek Ag 2 O warstwą srebra, której grubość stopniowo rośnie. Ponieważ objętość mola Ag 2 O jest wyraźnie większa niż objętość dwóch moli Ag, tak więc, w wyniku prowadzenia redukcji nanocząstek Ag 2 O otrzymuje się nanocząstki srebra z wnęką w środku. Rysunek 30. Obraz TEM nanocząstek srebra z wnęką w środku uzyskanych metodą fotochemiczną. Jak widać z porównania obrazów TEM nanocząstek otrzymanych metodą fotochemiczną i metodą Moshe i Markovitza (porównaj obrazy TEM pokazane na Rysunkach 30 i 31) produkt otrzymany metodą Moshe i Markovitza praktycznie nie zawiera nanocząstek litych, podczas gdy w produkcie wytworzonym metodą fotochemiczną zawartość nanocząstek litych jest znaczna. Innymi standardowymi metodami otrzymywania nanocząstek srebra z wnęką w środku jest osadzenie na "nanocząstkach pomocniczych" warstwy srebra, a następnie na rozpuszczeniu pomocniczego jądra 95,96, lub też, na przeprowadzeniu wymiany galwanicznej między pomocniczymi jądrami otrzymanymi z metalu mniej szlachetnego i roztworem soli srebra 97 (w niektórych przypadkach dodaje się mniejszą niż stechiometryczną ilość soli metalu szlachetnego, a następnie rozpuszcza pozostałości nieprzereagowanego jądra 98 ). Niewątpliwie główną zaletą zaobserwowanego procesu fotochemicznego jest wyższa 63

"czystość chemiczna" uzyskanych nanocząstek srebra niż w przypadku chemicznych metod pozwalających uzyskać nanocząstki srebra z wnęką w środku - nanocząstki otrzymane w wyniku tego procesu mogą być jedynie zanieczyszczone produktami utleniania jonów cytrynianowych. Otrzymany produkt jest niestety silnie zanieczyszczony litymi nanocząstkami srebra. Rysunek 31. Obrazy TEM nanocząstek srebra z wnęką w środku otrzymanych metodą Moshe i Markovitza. Jak wynika z pomiarów TEM produktów przejściowych, w pierwszym etapie fotochemicznej syntezy nanocząstek srebra z wnęką w środku powstają nanoagregaty "standardowych" nanocząstek srebra. W przypadku obecności w roztworze utleniacza (jakim jest rozpuszczony tlen z powietrza - po odtlenieniu roztworu proces fotoprzekształcania ustaje) następuje rozpuszczanie nanoagregatów srebra na całej ich powierzchni, natomiast osadzanie srebra w wyniku fotoredukcji następuje tylko tam, gdzie jest dostarczany reduktor (jony cytrynianowe) - czyli na powierzchni aglomeratu (reduktor obecny w środku aglomeratu jest szybko usuwany w pierwszym etapie procesu). W efekcie występuje transport srebra ze środka aglomeratu na jego powierzchnię i tworzone są w ten sposób nanocząstki 64

puste w środku. Bardziej szczegółowo mechanizm przeniesienia materii w procesie fotoprzekształcania jest omówiony w rozdziale 2.4.3 i w następnym rozdziale 4.1.3. Na podstawie zmierzonych obrazów TEM wykonałem histogramy przedstawiające rozrzut średnicy zewnętrznej i wewnętrznej nanocząstek srebra z wnęką w środku uzyskanych metodą fotochemiczną (patrz Rysunek 32). Analiza statystyczna wykazała, że średnica zewnętrzna uzyskanych nanocząstek wynosi 40 ± 8 nm, zaś średnica wewnętrzna wynosi 22 ± 5 nm. Pozwala to oszacować średnią grubość skorupki na 18 nm. Rysunek 32. Histogram przedstawiający rozrzut średnicy zewnętrznej (czarne słupki) i średnicy wewnętrznej (czerwone słupki) nanocząstek srebra z wnęką w środku otrzymanych metodą fotochemiczną. Jak wspomniano we wcześniejszym rozdziale częstość, przy której obserwuje się rezonans plazmonów powierzchniowych, zależy od wielu czynników m.in.: kształtu i wielkości nanocząstek. Również w przypadku nanocząstek z wnęką w środku obserwuje się przesunięcie częstości rezonansu plazmonowego w stosunku do nanocząstek srebra pełnych (litych) o takiej samej średnicy. Widma ekstynkcji UV-Vis zmierzone dla obu rodzajów nanocząstek przedstawia Rysunek 33. Pasmo plazmonowe dla nanocząstek pełnych (litych) o 65

średnicy około 60 nm znajduje się przy 400 nm. W przypadku syntezy nanocząstek z wnęką w środku o podobnej średnicy zewnętrznej obserwuje się przesunięcie maksimum tego pasma w stronę długofalową do 480 nm. Rysunek 33. Widma UV-Vis dla nanocząstek litych i "pustych w środku" o podobnej średnicy zewnętrznej. Podsumowując ten rozdział, według mojej wiedzy po raz pierwszy udało się metodą fotochemiczną uzyskać nanocząstki srebrne z wnęką środku. 4.1.3. 1,4 Benzochinon jako nowy utleniacz do prowadzenia procesu kontrolowanego przez rezonans plazmonów powierzchniowych przekształcania nanostruktur srebra Jak wspomniano w rozdziale 2.4.3 kontrolowane przez rezonans plazmonów powierzchniowych przekształcania nanostruktur ze srebra polega na przeniesieniu atomów srebra z jednego miejsca nanocząstki do innego miejsca. Proces ten składa się z dwóch zachodzących po sobie dla danego atomu srebra etapów. W pierwszym etapie dochodzi do utlenienia obecnego na powierzchni nanocząstki atomu srebra i do przejście uzyskanego w ten sposób jonu srebra do roztworu, w drugim zaś etapie dochodzi do katalitycznej fotoredukcji jonu srebra preferencyjnie na tych miejscach nanocząstki, gdzie obserwuje się najwyższy wzrost natężenia pola elektromagnetycznego. Aby proces fotoprzekształcenia 66

mógł zachodzić potrzebna jest obecność w roztworze zarówno substancji mogącej pełnić rolę utleniacza nanocząstek srebrnych jak i reduktora kationów Ag +. Według mojej wiedzy we wszystkich opisanych przed publikacją mojej pracy 99 eksperymentach dotyczących fotoprzekształcenia nanocząstek Ag rolę utleniacza nanocząstek Ag pełnił tlen, który rozpuszczał się w mieszaninie reakcyjnej w wyniku kontaktu z powietrzem. W wielu publikacjach dotyczących fotoprzekształcania nanocząstek Ag rola tlenu (medium będącego utleniaczem nanocząstek) nie była w ogóle zauważana, 100 w niektórych jednak pracach można było znaleźć informację, że odtlenienie roztworu całkowicie zahamowuje proces fotoprzekształcania. 101,102 W swojej pracy postanowiłem więc sprawdzić, czy istnieje możliwość zastąpienia rozpuszczonego w roztworze tlenu innym indywiduum chemicznym pełniącym taką samą rolę i jak zamiana utleniacza wpłynie na morfologię otrzymanego produktu. Proces foto-transformacji prowadzono podobnie jak opisano w rozdziale 4.1.1. dla eksperymentów, w których wykorzystano źródła LED (w reaktorze o objętości około 11 ml i średnicy 2 cm) - wykorzystano jednak inne źródła światła - dwa klastry diod LED, każdy generujący strumień światła o intensywności 210 lm. Główną różnicą między dwoma metodami prowadzenia reakcji fototransformacji było jednak to, że do 8,6 ml zolu małych sferycznych nanocząstek srebra (patrz poniżej) dodawano 0,1 ml 5 mm roztworu L argininy. We wcześniejszych eksperymentach zaobserwowano bowiem, że dodanie nawet niewielkiej ilości L argininy do naświetlanego zolu nanocząstek Ag w znaczący sposób podnosi wydajności foto-transformacji oraz zwiększa anizotropię uzyskiwanych nanocząstek. Zastosowano również inne reflektory LED, które generowały światło o czterech różnych długościach fali: 660 nm (światło czerwone), 520 nm (światło zielone), 470 nm (światło niebieskie) oraz 440 nm (światło fioletowe). Stosowane reflektory LED generowały promieniowanie o relatywnie małej szerokości spektralnej (Δλ < 20 nm). Proces naświetlania prowadzono przez 24 godziny, w trakcie naświetlania roztwór mieszano na mieszadle magnetycznym. Eksperymenty rozpocząłem od potwierdzenia wcześniejszych doniesień literaturowych, iż proces uruchamianej przez rezonans plazmonów powierzchniowych syntezy różnych nanostruktur ze srebra nie zachodzi, kiedy w roztworze zawierającym nanocząstki Ag nie ma rozpuszczonego tlenu. Ponieważ moje wcześniejsze eksperymenty pokazały, że łatwiej ulegają przekształceniu nanocząstki Ag o mniejszej średnicy, jako nanocząstki wyjściowe zastosowałem nanocząstki o jak najmniejszej średnicy. Do otrzymania 67

takich nanocząstek zastosowałem metodę borowodorkową: do 100 ml 0,1 mm roztworu AgNO 3 oraz 3 mm roztworu cytrynianu sodu dodałem 0,8 ml lodowatego (o temperaturze bliskiej 0 o C) 10 mm świeżo sporządzonego roztworu borowodorku sodu. Po dodaniu czynnika redukującego roztwór przyjmuje jasno żółte zabarwienie charakterystyczne dla małych sferycznych nanocząstek Ag. Analiza obrazów TEM wykazała, iż średni rozmiar uzyskanych nanocząstek to 2,8 ± 0,6 nm. Przykładowy obraz TEM otrzymanych nanocząstek srebra oraz przygotowany na podstawie obrazów TEM histogram wielkości otrzymanych nanocząstek przedstawiono na Rysunku 34. W celu potwierdzenia wcześniejszych doniesień, że rozpuszczony w roztworze tlen jest niezbędny do zajścia procesu fototransformacji wprowadziłem do dwóch szklanych reaktorów takie same objętości zolu zawierającego wyjściowe nanocząstki srebra. Następnie przez jeden roztwór przez 45 minut przepuszczano azot o dużej czystości (99,999%) i reaktor szczelnie zamknięto, podczas gdy roztwór w drugim reaktorze przez cały czas miał kontakt z powietrzem. Następnie oba roztwory naświetlano w takich samych warunkach przez 24 godziny światłem niebieskim o długości fali 470 nm. Po tym czasie roztwór odpowietrzony pozostał jasno żółty (praktycznie nie zmieniło się położenie pasma plazmonowego w zarejestrowanym widmie ekstynkcji - patrz Rysunek 35), podczas gdy roztwór zawierający rozpuszczony tlen stał się pomarańczowo - czerwony. Zmiana barwy zolu wskazuje na zmianę geometrii nanocząstek obecnych w roztworze. W celu potwierdzenia braku reakcji w roztworze odtlenionym wykonałem pomiary obrazów TEM nanocząstek przed i po naświetlaniu. Nie zaobserwowałem wyraźnych różnic między wyglądem na obrazach TEM nanocząstek przed i po naświetleniu, co jest zgodne ze wspomnianym wcześniej brakiem istotnej różnicy widm ekstynkcji zolu srebra przed i po naświetlaniu. 68

Rysunek 34. Obraz TEM przedstawiające uzyskane semi-sferyczne nanozarodki srebra (górny obraz) oraz sporządzony na ich podstawie histogram przedstawiający wielkość uzyskanych nanocząstek (dolny obraz). 69

Rysunek 35. Widma UV-Vis wyjściowego zolu srebra przed naświetlaniem (linia niebieska) oraz odtlenionego wyjściowego zolu srebra naświetlanego przez 24 godziny światłem niebieskim o długości fali 470 nm. Uzyskane przeze mnie wyniki potwierdziły wcześniejsze doniesienia, że aby zaszło przekształcenie nanocząstek srebra znajdujących się roztworze wodnym zawierającym tylko dodatek cytrynianu sodu konieczne jest rozpuszczenie w roztworze pewnej ilości tlenu. W przypadku odtlenienia takiego roztworu fotochemiczna przebudowa nanocząstek srebra nie zachodzi. Dzieje się tak dlatego, że w odtlenionym roztworze zolu srebra bardzo spada stężenie jonów Ag + obecnych w roztworze - przez co praktycznie nie ma w roztworze srebra, które ponownie mogłoby się osadzić na nanocząstkach. W celu oszacowania spadku stężenia jonów Ag + po odtlenieniu roztworu wyznaczyłem potencjometrycznie (przez pomiar potencjału elektrody srebrnej zanurzonej w badanym roztworze w odniesieniu do potencjału chlorosrebrowej elektrody odniesienia) stężenie jonów srebra w koloidzie Ag stabilizowanym cytrynianem zawierającym rozpuszczony tlen i w koloidzie odtlenionym. W roztworze nasyconym tlenem pod ciśnieniem 0,2 bar stężenie jonów Ag + zostało wyznaczone jako równe 3 10 6 M (warto podkreślić, że Xue i współpracownicy otrzymali podobną wartość stężenia jonów Ag +, tj. 2 10 6 M, w roztworze zolu Ag i 0,3 mm cytrynianu sodu 70

nasyconym tlenem pod ciśnieniem 0,2 bar 102 ) podczas gdy stężenie jonów Ag + w roztworze odtlenionym zostało wyznaczone jako równe 2 10 10 M. Następnie zbadałem wpływ długości fali światła użytego do naświetlania zolu nanocząstek Ag na przebieg procesu fototransformacji. Rysunek 36 przedstawia zdjęcie fotograficzne oraz widma UV-Vis nanocząstek Ag przed naświetlaniem oraz po naświetlaniu przez 24 godziny światłem o różnej barwie. Rysunek 36. Zdjęcie fotograficzne oraz widma UV-Vis nanocząstek Ag przed naświetlaniem (a) oraz po naświetlaniu przez 24 godziny światłem o różnej barwie: (b) światło czerwone ( = 660 nm), (c) światło zielne ( = 520 nm), (d) światło niebieskie ( = 470 nm), (e) światło fioletowe ( = 440 nm). 71

Jak widać z Rysunku 36 barwa światła wykorzystywanego do naświetlanie bardzo wpływa na właściwości przekształconego zolu. W celu bardziej szczegółowego określenia różnic między nanocząstkami uzyskanymi w wyniku naświetlania promieniowaniem o różnej barwie przeprowadziłem analizę obrazów TEM uzyskanych nanocząstek. Podsumowanie uzyskanych wyników przedstawiono w Tabeli 1. Tabela 1. Tabela przedstawiająca dominujący kształt regularnych nanocząstek i ich wielkość oraz pozycję pasma plazmonowego zolu po jego naświetlaniu światłem o różnej długości fali. Eksperyment prowadziłem dla zolu, w którym był rozpuszczony tlen z powietrza. Długość fali światła [nm] Położenie piku SPR [nm] Dominujący kształt regularnych nanocząstek Średnia długość krawędzi lub średnica [nm] 660 900 Sferyczne 19 520 570 Pryzmaty 112 470 497 Sferyczne 18 440 482 Dziesięciościany 33 Następnie przeprowadziłem analizę jakim związkiem chemicznym można zastąpić tlen obecny w roztworze w trakcie procesu fotoprzekształcania. Związek ten powinien pozwolić na uzyskanie podobnego stężenia w roztworze jonów Ag + jak w zolu Ag, w którym rozpuszczono tlen z powietrza. Dodany związek nie może również redukować jonów srebra, gdyż wtedy do zajścia procesu redukcji nie będzie potrzebne światło i reakcja straci swój fotochemiczny charakter. Dodatkowo, wybrany związek nie powinien silnie adsorbować się na nanocząstkach, tak aby nie wpływać na zachodzący proces fotoredukcji jonów srebra oraz nie powinien indukować agregacji/aglomeracji zolu Ag. Po analizie potencjałów redoks rożnych układów postanowiłem wykorzystać 1,4 benzochinon - wzór strukturalny tego związku przedstawia Rysunek 37. Wstępne badania pokazały, że jeśli zol Ag jest zabezpieczony przed dostępem światła, to dodanie niewielkiej ilości 1,4 benzochinonu do zolu sferycznych nanocząstek srebra nie wpływa ani na ich kształt ani na ich stabilność. 72

Rysunek 37. Wzór strukturalny molekuły 1,4 benzochinonu. Fotoprzekształcania z wykorzystaniem chinonu wykonywałem w sposób analogiczny do poprzednich eksperymentów, z tą różnicą, że do reaktora o objętości około 11 ml wprowadziłem 8,6 ml zolu małych (o średniej średnicy około 3 nm) sferycznych nanocząstek srebra, 0,1 ml 5 mm roztworu L argininy (jak wspomniano poprzednio dodanie nawet niewielkiej ilości L argininy w znaczący sposób podnosi wydajność fotoprzekształcania oraz anizotropię uzyskiwanych nanocząstek), a następnie dodałem także 0,4 ml 3 mm wodnego roztworu 1,4 benzochinonu. Po wprowadzeniu wszystkich reagentów przez otrzymany roztwór przed 45 minut przepuszczano azot o wysokiej czystości (99,999%), a następnie reaktor szczelnie zamknięto w celu zabezpieczenia roztworu przed dostępem tlenu. Następnie roztwory naświetlano w takich samych warunkach jak nanocząstki przekształcane w warunkach tlenowych. Po 24 godzinach zaobserwowano znaczącą zmianę barwy, a także związaną z tym zmianę widma UV-Vis. Dla wszystkich przekształcanych próbek wykonano pomiary TEM. Analiza uzyskanych wyników wykazała, iż proces foto-transformacji małych, sferycznych nanocząstek może zachodzić w warunkach beztlenowych jeśli do roztworu wprowadzi się molekuły 1,4 benzochinonu. Tabela 2 przedstawia w sposób sumaryczny uzyskane wyniki. Tabela 2. Tabela przedstawiająca porównanie kształtu i wielkości nanocząstek po naświetlaniu światłem zielonym ( =520nm) i niebieskim ( =470nm) w warunkach tlenowych i beztlenowych po dodaniu chinonu. Długość fali światła [nm] Dominujący kształt Warunki regularnych nanocząstek 520 tlenowe Pryzmaty 112 520 chinon Pryzmaty 35 470 tlenowe Dziesięciościany 33 470 chinon Sferyczne 22 73 Średnia długość krawędzi lub średnica [nm]

Dane przedstawione w Tabeli 2 pokazują, iż nanocząstki uzyskane w wyniku fotoprzekształcenia w obecności tlenu są zdecydowanie większe niż nanocząstki uzyskane w warunkach beztlenowych po dodaniu chinonu. W przypadku produktów otrzymanych w wyniku naświetlania światłem zielonym o długości fali 520 nm zarówno w przypadku prowadzenia procesu w warunkach tlenowych jak i beztlenowych (po dodaniu chinonu) wśród nanocząstek o regularnym kształcie jest znaczny procent nanopryzmatów, aczkolwiek uzyskane nanopryzmaty znacznie różnią się wielkością (obraz TEM pokazujący porównanie uzyskanych nanocząstek pokazany jest na Rysunku 38). Rysunek 38. Obrazy TEM nanocząstek Ag otrzymanych w wyniku fotoprzekształcenia prowadzonego w obecności rozpuszczonego tlenu (a) oraz prowadzonego w warunkach beztlenowych po dodaniu chinonu (b). Naświetlanie prowadzono światłem zielonym o długości fali 520 nm. 74

Postanowiłem również porównać aktywność jako podłóż w spektroskopii SERS mniejszych nanocząstek Ag uzyskanych w warunkach beztlenowych w obecności chinonu i większych nanocząstek Ag uzyskanych w warunkach tlenowych (z powodu podobnego kształtu nanocząstek uzyskanych w warunkach beztlenowych i w obecności tlenu w przypadku, gdy do naświetlania stosuje się promieniowanie o długości fali 520 nm, do dalszych prac wykorzystano zole przekształcone przy wykorzystaniu takiego właśnie promieniowania). Przekształcone zole Ag zawierające taką samą liczbę moli srebra w postaci nanocząstek Ag przekształconych w obecności tlenu i przekształconych w warunkach beztlenowych w obecności chinonu naniesiono na taką samą powierzchnię płytki platynowej, roztwór odparowano, uzyskując film nanocząstek. Następnie na uzyskane filmy nanocząstek nanoszono w podobny sposób roztwory 3 wzorcowych analitów: fioletu krystalicznego, rodaminy 6G i kwasu para-merkaptobenzoesowego. Stwierdziłem, że naniesione filmy nanocząstek w centralnym obszarze (w pewnej odległości od granicy obszaru, na który naniesiono nanocząstki) są relatywnie powtarzalne - dla dużych serii wykonywanych pomiarów SERS stosunek intensywności widma o największej zmierzonej intensywności w serii i o najmniejszej intensywności w serii nie przekraczał 3. Stwierdziłem, że średnia intensywność widma SERS zmierzonego z wykorzystaniem nanocząstek przekształconych w warunkach beztlenowych w roztworze zawierającym 1,4 benzochinon jest około 2 3 razy większa niż intensywność widma SERS zmierzonego z wykorzystaniem nanocząstek przekształconych w obecności powietrza (przykładowe zmierzone widma SERS w pomiarach z wykorzystaniem fioletu krystalicznego przedstawia Rysunek 39). Rysunek 40 przedstawia widma zmierzone dla filmu nanocząstek plazmonicznych przed naniesieniem na ten film wybranego analitu (czyli widma tła). Jak widać z Rysunku 40 zarejestrowane widmo tła w obecności 1,4 benzochinonu nie zawiera żadnych innych wyraźnych dodatkowych pasm niż widmo zmierzone przy wykorzystaniu nanocząstek przekształconych bez chinonu. Oznacza to, że molekuły chinonu (i innych związków powstałych z jego przekształcenia) nie generują żadnych istotnych pasm w mierzonych widmach SERS (wynika to albo ze słabej adsorpcji tego typu związków na powierzchni nanocząstek, albo z małego przekroju czynnego na rozproszenie ramanowskie). Warto również podkreślić (co pokazano na z Rysunku 41), że intensywność większości mierzonych widm jest niewiele różna od wartości średniej. Obliczyłem, że odchylenie standardowe wartości średniej intensywności w tego typu pomiarach nie przekracza 15% tej wartości. 75

Większa intensywność widm SERS mierzonych przy wykorzystaniu nanocząstek przekształconych w warunkach beztlenowych w porównaniu do widm SERS mierzonych przy wykorzystaniu nanocząstek przekształconych w roztworze zawierającym rozpuszczony tlen jest najprawdopodobniej związana z mniejszym rozmiarem tych pierwszych nanocząstek, a co za tym idzie, z ich większą gęstością powierzchniową (liczbą nanocząstek na jednostkę powierzchni) w utworzonym filmie. Jak pokazało wiele poprzednich eksperymentów i symulacji teoretycznych, zdecydowanie większe współczynniki wzmocnienia widma SERS osiąga się dla molekuł znajdujących się w szczelinie między silnie anizotropowymi nanocząstkami plazmonicznymi, niż na powierzchni izolowanych nanocząstek anizotropowych. 1 Znaczne zwiększenie liczby nanocząstek silnie anizotropowych (powinno pewnego zmniejszenia ich wielkości) powinno według mnie znacznie zwiększyć liczbę wąskich szczelin znajdujących się w filmie osadzonych nanocząstek, co musi skutkować zwiększeniem aktywności jako podłóż do pomiarów widm SERS osadzonego filmu nanocząstek. Rysunek 39. Widma SERS fioletu krystalicznego na filmach utworzonych z różnego rodzaju nanocząstek Ag ma podłożu platynowym. a) Film utworzony z wyjściowych nanocząstek semisferycznych, b) film utworzony z nanocząstek przekształconych w roztworze zawierającym rozpuszczony tlen, c) film utworzony z nanocząstek przekształconych w roztworze odtlenionym ale z dodatkiem 1,4 benzochinonu. W obu przypadkach fotochemiczne przekształcanie prowadzono przez naświetlanie światłem zielonym o długości fali 520 nm. 76

Rysunek 40. Widma tła ramanowskiego zmierzone dla oby rodzaju nanocząstek: uzyskanych w obecności rozpuszczonego tlenu (widmo narysowane kolorem niebieskim) i uzyskanych w roztworze odtlenionym, do którego dodano chinonu (widmo narysowane kolorem czerwonym). Rysunek 41. Zmierzony w kolejnych eksperymentach logarytm z intensywności pasma ramanowskiego przy 916 cm 1 pochodzącego od molekuł fioletu krystalicznego zaadsorbowanego na filmie uzyskanym z nanocząstek srebra: ( ) świeżo zsyntetyzowanych, ( ) przekształconych w warunkach tlenowych, ( ) przekształconych w warunkach beztlenowych w obecności chinonu. 77

Podsumowując badania opisane w tym rozdziale: odtlenienie zolu nanocząstek Ag stabilizowanych przez cytrynian sodu powoduje to, że zol ten praktycznie nie ulega fotoprzekształceniu. Powodem tego jest brak utleniacza, który umożliwiałby powierzchniowe rozpuszczanie nanocząstek srebra, w wyniku czego do roztworu efektywnie nie przechodzą jony Ag +. Dodanie 1,4 benzochinonu do tak stabilizowanego zolu Ag nie wpływa na stabilność zolu, w przypadku, gdy jest on przechowywany bez dostępu światła. Naświetlanie odtlenionego roztworu zolu Ag, do którego dodano 1,4 benzochinon, powoduje jednak efektywne fotoprzekształcanie nanocząstek Ag. Według mojej wiedzy jest to pierwszy opisany przypadek przeprowadzenia fotoprzekształcanie nanocząstek Ag w środowisku beztlenowym. Nanocząstki przekształcone w warunkach beztlenowych są wyraźnie mniejsze niż nanocząstki przekształcone w roztworze, w którym był rozpuszczony tlen. Na podstawie przeprowadzonych eksperymentów stwierdziłem, że w przypadku wykorzystania przekształconych nanocząstek do konstrukcji podłóż do pomiarów SERS, średnia intensywność widma SERS zmierzonego z wykorzystaniem nanocząstek przekształconych w warunkach beztlenowych w roztworze zawierającym 1,4 benzochinon jest około 2 3 razy większa niż intensywność widma SERS zmierzona z wykorzystaniem nanocząstek przekształconych w obecności powietrza. Zmiana efektywności uzyskanych nanocząstek w pomiarach SERS może być wytłumaczona większą liczbą nanocząstek (aczkolwiek trochę mniejszych) wytwarzanych z danej ilości srebra w warunkach beztlenowych, co pozwala na wytworzenie większej liczby wąskich szczelin między nanocząstkami w filmach tworzonych z mniejszych nanocząstek. 4.2. Wpływ kształtu wykorzystywanych zarodków na geometrię nanocząstek otrzymanych w wyniku fotochemicznego wzrostu nanocząstek srebra Inną powszechnie stosowaną metodą fotochemicznej syntezy nanocząstek srebra, która wykorzystuje rezonans plazmonów powierzchniowych, jest wprowadzenie małych nanocząstek srebra do roztworu zawierającego źródło kationów srebra i ich odpowiedni reduktor (stosowany reduktor powinien fotokatalitycznie redukować jony Ag + na powierzchni nanocząstek Ag, bez naświetlania reakcja ta nie powinna jednak zachodzić). Zhang i współpracownicy pokazali, że gdy zastosuje się różne nanocząstki srebra jako zarodki, na których następuje dalsze narastanie metalicznego srebra, otrzymuje się różne nanostruktury Ag. 73 Na przykład, kiedy zastosuje się jako zarodki, na których dalej tworzone są nanostruktury srebra, nanocząstki zawierające defekt w postaci uskoku sieci krystalicznej 78

tworzone są nanopryzmaty, 101 podczas kiedy zastosuje się jako zarodki nanokryształy będące pięciokątnymi strukturami bliźniaczymi rosną nanocząstki w postaci nanoprętów. 73 Wykorzystywane różne nanozarodki srebra były jednak otrzymywane przy pomocy odmiennych metod, dlatego też, na ich powierzchni powinny być zaadsorbowane różne indywidua, co mogło być powodem tego, że dalszy wzrost zarodków następował w inny sposób. Dlatego też, postanowiłem sprawdzić, czy również na rożnych nanozarodkach srebra stabilizowanych w taki sam sposób będą formowane różne nanocząstki. W tym celu postanowiłem zsyntetyzować nanocząstki srebra o różnym kształcie stosując ten sam zestaw odczynników. Na podstawie przeglądu literaturowego stwierdziłem, że najbardziej obiecującą metodą otrzymania za pomocą jednego zestawu odczynników zdecydowanie różnych nanocząstek srebra jest redukcja soli srebra (azotanu srebra) za pomocą borowodorku sodu prowadzona w obecności poliwinylopirolidonu i nadtlenku wodoru. 103 Różnice w kształcie nanocząstek uzyskiwałem przez dodatek trochę innej ilości czynnika redukującego - borowodorku sodu. Borowodorek sodu nie ma praktycznie wpływu na skład końcowej mieszaniny reakcyjnej, gdyż w środowisku wodnym ulega on rozkładowi. Nanocząstki srebra o różnej geometrii uzyskiwałem poprzez dodanie do 43 ml 0,11 mm roztworu azotanu srebra 3,7 ml 30 mm roztworu cytrynianu sodu, 3,7 ml 2% roztworu poliwinylopirolidonu oraz 0,12 ml 30% roztworu H 2 O 2. Następnie do tak przygotowanych roztworów wprowadzano różne ilości (0,145, 0,155, 0,17, 0,19, 0,34, 0,48 ml) świeżo sporządzonego 0,10 M roztworu borowodorku sodu. Natychmiast po dodaniu borowodorku roztwory przyjmowały lekko żółtą barwę charakterystyczną dla sferycznych nanocząstek srebra o małej średnicy. W zależności od ilości dodanego borowodorku sodu roztwory w czasie zmieniały barwę na pomarańczową, czerwoną, fioletową, niebieską oraz zieloną. Rysunek 42 przedstawia zdjęcia uzyskanych zoli oraz ich widma UV-Vis, zaś Rysunek 43 obrazy TEM nanocząstek obecnych w wybranych zolach (o barwie zielonej, czerwonej i niebieskiej). 79

Rysunek 42. Zdjęcie oraz widma UV-Vis zoli srebra otrzymanych przez dodanie do mieszaniny 43 ml 0,11 mm roztworu azotanu srebra, 3,7 ml 30 mm roztworu cytrynianu sodu, 3,7 ml 2% roztworu poliwinylopirolidonu oraz 0,12 ml 30% roztworu H 2 O 2 różnych ilości świeżo sporządzonego 0,10 M roztworu borowodorku sodu. Dodane objętości roztworu borowodorku sodu: (a) 0,145; (b) 0,155; (c) 0,17; (d) 0,19; (e) 0,34 i (f) 0,48 ml. 80

Rysunek 43. Obrazy TEM nanocząstek obecnych w zolach srebra otrzymanych przez dodanie do mieszaniny 43 ml 0,11 mm roztworu azotanu srebra, 3,7 ml 30 mm roztworu cytrynianu sodu, 3,7 ml 2% roztworu poliwinylopirolidonu oraz 0,12 ml 30% roztworu H 2 O 2 różnych ilości świeżo sporządzonego 0,10 M roztworu borowodorku sodu. Dodane objętości roztworu borowodorku sodu: (a) 0,48 ml - zol zielony, (b) 0,17 ml - zol czerwony i (c) 0,34 ml - zol niebieski. 81

Jak widać z Rysunku 42, nanocząstki uzyskane w wyniku dodania różnej ilości roztworu borowodorku sodu zdecydowanie różnią się widmami UV-Vis. Również analiza obrazów TEM otrzymanych nanocząstek (patrz Rysunek 43) potwierdziła, iż otrzymane nanocząstki w znaczący sposób różnią się geometrią. Analiza obrazów TEM wykazała, iż żółty roztwór nanocząstek srebra zawierał ponad 50% sferycznych nanocząstek srebra o średnicy mieszczącej się w przedziale 4-6 nm, przy czym prawie wszystkie (więcej niż 99%) nanocząstek miało średnicę mniejszą niż 12 nm. Zol nanocząstek srebra o barwie pomarańczowej otrzymany po dodaniu 0,155 ml 0,10 M roztworu borowodorku sodu (linia b na Rysunku 42) zawiera sferyczne nanocząstki o średnicy w przedziale 8-12 nm, natomiast zol o barwie zielonej uzyskany po dodaniu 0,48 ml 0,10 M roztworu borowodorku sodu (linia f na Rysunku 42) zawiera dwie frakcje semi-sferycznych nanocząstek: o mniejszej średnicy około 4-8 nm, oraz o większej średnicy wynoszącej około 20 nm - patrz Rysunek 43a. W przypadku zolu o barwie czerwonej uzyskanego po dodaniu 0,17 ml 0,10 M roztworu borowodorku sodu uzyskano krótkie nanopręty srebra (dla większości uzyskanych nanocząstek iloraz długości nanocząstki do jej szerokości przekracza wartość 2) - patrz Rysunek 43b. W zolach o barwie niebieskiej i fioletowej dominują silnie anizotropowe cienkie nanopłytki (patrz Rysunek 43c). Uzyskane bardzo podobnymi metodami nanocząstki srebra o różnej geometrii wykorzystałem jako zarodki w procesie fotochemicznego dalszego narastania srebra. W tym celu do szklanego naczynia o objętości 11 ml i średnicy wynoszącej 2 cm, wprowadziłem 0,45 ml (5%) zolu zarodków srebra oraz 8,55 ml roztworu 0,1 mm azotanu srebra oraz 0,3 mm cytrynianu sodu. Tak przygotowane roztwory naświetlano przez 4 godziny światłem z klastrów LED generujących promieniowanie o długościach fali: 470 nm, 560 nm lub 660 nm. W czasie naświetlania roztwory mieszano na mieszadle magnetycznym. Już po krótkim czasie (około 20-25 minut) początkowo praktycznie bezbarwne roztwory (ze względu na niskie stężenie zredukowanego srebra) przyjmowały różne intensywne barwy, jednoznacznie wskazując na wzrost nanocząstek srebra. Zaobserwowano, iż w zależności od początkowej geometrii użytych zarodków w wyniku naświetlania światłem o tej samej długości fali uzyskuje się różne końcowe kształty nanocząstek. Przykładowo, w wyniku naświetlania,,żółtych zarodków światłem niebieskim (o długości fali 470 nm) uzyskuje się w dużej mierze nanodziesięciościany, natomiast naświetlanie w tych samych warunkach zarodków,,niebieskich prowadzi do silnej 82

zaglomerowanej mieszaniny nanocząstek o różnych kształtach obrazy TEM uzyskanych nanocząstek pokazano na Rysunku 44. Dokładniejsza analiza uzyskanych obrazów TEM nanodziesięciościanów Ag pozwoliła określić ich średnią długość krawędzi na 44 nm. Rysunek 44. Obrazy TEM nanocząstek srebra uzyskanych w tak samo przeprowadzonych procesach (przez naświetlanie światłem niebieskim o długości fali 470 nm) roztworu 0,1 mm azotanu srebra oraz 0,3 mm cytrynianu sodu do którego dodano zol nanocząstek a),,żółtych i b),,niebieskich. Jak wspominano wcześniej chemicznie zsyntetyzowany żółty zol nanocząstek zawiera małe sferyczne nanocząstki, w większości o średnicy 4-6 nm. Analiza obrazów TEM produktu uzyskanego po naświetlaniu roztworu zawierającego takie nanocząstki i azotan srebra światłem o długości fali 560 nm pozwala stwierdzić, że naświetlanie takiej mieszaniny prowadzi do uzyskania nanocząstek sferycznych o średnicy wynoszącej około 16 nm. Zmiana wielkości nanocząstek przed i po naświetlaniu zolu nanocząstek żółtych z dodatkiem roztworu azotanu srebra światłem o długości fali 560 nm pokazana jest w formie histogramu na Rysunek 45. Podobny wzrost wielkości nanocząstek obserwowałem w przypadku naświetlania roztworu zawierającego inne zarodki o kształcie sferycznym - to jest w przypadku wykorzystania jako źródła zarodków zolu o barwie zielonej. Zmiana wielkości nanocząstek przed i po naświetlaniu zolu nanocząstek zielonych z dodatkiem roztworu azotanu srebra światłem o długości fali 560 nm pokazana jest w formie histogramu na Rysunek 46. Zestawienie widm UV-Vis roztworu 0,1 mm AgNO 3 i 0,3 mm cytrynianu sodu z dodatkiem 5% różnych zoli srebra wykorzystywanych jako źródło zarodków przed i po 83

naświetlaniu światłem niebieskim o długości fali 470 nm jest pokazane na Rysunku 47. Eksperyment wykonano wykorzystując zole będące źródłem zarodków o różnej barwie: żółtej, pomarańczowej, zielonej, niebieskiej, czerwonej i fioletowej. Rysunek 45. Histogram pokazujący zmianę wielkości nanocząstek,,żółtych'' przez i po naświetlaniu światłem o długości fali 560 nm. Histogram dla nanocząstek przed naświetlaniem przedstawiony jest za pomocą prostokątów o barwie czarnej, zaś histogram dla nanocząstek po naświetlaniu przedstawiony jest za pomocą prostokątów o barwie żółtej. 84

Rysunek 46. Histogram pokazujący zmianę wielkości nanocząstek,,zielonych'' przez i po naświetlaniu światłem o długości fali 560 nm. Histogram dla nanocząstek przed naświetlaniem przedstawiony jest za pomocą prostokątów o barwie czarnej, zaś histogram dla nanocząstek po naświetlaniu przedstawiony jest za pomocą prostokątów o barwie żółtej. 85

Rysunek 47. Widma ekstynkcji w zakresie UV-Vis roztworu 0,1 mm AgNO 3 i 0,3 mm cytrynianu sodu z dodatkiem 5% różnych zoli srebra wykorzystywanych jako źródło zarodków, na których następuje dalsze osadzanie srebra. Widma zmierzone dla roztworu przed naświetlaniem (1) i naświetlanego przez 4 godziny światłem niebieskim o długości fali 470 nm. (A) Wyniki dla roztworu po dodaniu zolu o barwie: (y1, y2) żółtej, (o1, o2) pomarańczowej, (g1, g2) zielonej. (B) Wyniki dla roztworu po dodaniu zolu o barwie: (b1, b2) niebieskiej, (r1, r2) czerwonej, (p1, p2) fioletowej. 86

Uzyskane przeze mnie wyniki pokazują, iż nawet w tych samych warunkach i przy użyciu tej samej długości fali światła wykorzystywanego do naświetlania roztworu azotanu srebra i cytrynianu sodu, do którego dodano nanozarodki Ag, w zależności od początkowej geometrii zarodków uzyskuje się różną geometrię końcowych nanocząstek. 4.3. Wybrane fotochemiczne właściwości nanocząstek Au-Ag Analizowane przez wiele grup badawczych przekształcanie nanocząstek srebra pod wpływem naświetlania jest wykorzystywane praktycznie do syntezy różnego rodzaju anizotropowych nanostruktur Ag. W wielu przypadkach proces indukowanego przez promieniowanie przekształcania się nanocząstek srebra jest jednak bardzo niekorzystny. Na przykład, w przypadku wykorzystywania nanocząstek Ag jako nanorezonatorów do lokalnego wzmacniania natężenia pola elektromagnetycznego (z takim zastosowaniem nanocząstek Ag mamy do czynienia w niektórych pomiarach spektroskopowych), zmiana kształtu nanocząstek w wyniku ich naświetlania powoduje zmianę efektywności nanocząstek jako nanorezonatorów elektromagnetycznych, a przez to nawet znaczną zmianę w funkcji czasu intensywności mierzonego widma (na przykład widma SERS). Wspomniany proces jest na przykład jednym z głównych problemów w ilościowych pomiarach SERS - fotochemiczne przekształcanie nanocząstek Ag w znaczny sposób wpływa bowiem na efektywność nanocząstek jako nanorezonatorów do pomiarów SERS. Postanowiłem więc sprawdzić, w jaki sposób można zwiększyć "odporność nanocząstek Ag" na naświetlanie. Jednym z możliwych sposobów jest wspomniane poprzednio - patrz rozdział 4.1.1 - zastosowanie nanocząstek Ag o większej średnicy (o średnicy powyżej kilkudziesięciu nanometrów). Innym testowanym przeze mnie rozwiązaniem było zastosowanie jako podłoży do pomiarów SERS zamiast nanocząstek "czysto" srebrnych nanocząstek typu core-shell z jądrem Au i z warstwą zewnętrzną z Ag. Ponieważ w dużym zakresie spektralnym światła widzialnego złoto słabiej podtrzymuje rezonans plazmonów powierzchniowych niż srebro, 104 miałem nadzieję, że zastosowanie jądra ze złota spowoduje pewne zmniejszenie efektywności uzyskanych nanocząstek jako nanorezonatorów, co zmniejszy tendencję nanocząstek do przekształcania się, zaś zewnętrzna warstwa ze srebra dalej pozwoli na badanie oddziaływań analitów właśnie z powierzchnią srebra. Eksperymenty rozpocząłem od syntezy sferycznych nanocząstek Au. Nanocząstki złota uzyskano w wyniku wprowadzenia do 37 ml wody 1 ml 10 mm roztworu HAuCl 4, 1 ml 10 mm roztworu cytrynianu sodu oraz na końcu 1 ml świeżo przygotowanego w zimnej 87

wodzie (o temperaturze około 2-6 o C) 0,1 M roztworu borowodorku sodu. W trakcie dodawania roztworów mieszanina reakcyjna była intensywnie mieszana. Po dodaniu borowodorku sodu barwa mieszaniny reakcyjnej zmienia się z bezbarwnej na purpurową, charakterystyczną dla nanocząstek złota. Następnie na tak wytworzonych nanocząstkach Au osadzono metodą chemiczną warstwę srebra tworząc nanocząstki typu core-shell - Au@Ag. Proces przeprowadzono w następujący sposób: do 10 ml zolu semi-sferycznych nanocząstek złota dodano 0,15 ml roztworu kwasu askorbinowego o stężeniu 0,38 mol dm 3. Następnie, do tak przygotowanego roztworu, dodawano różne objętości (0,05 ml, 0,1 ml, 0,2 ml, 0,3 ml lub 0,4 ml) roztworu azotanu srebra o stężeniu 0,38 mmol dm 3. Praktycznie bezpośrednio po dodaniu roztworu azotanu srebra obserwowano zmianę barwy mieszaniny reakcyjnej. Zmiana barwy była najbardziej widoczna w zolach o największej zawartości dodanych jonów Ag +. Analiza obrazów TEM wykazała, że w miarę dodawania coraz większej ilości azotanu srebra średnica nanocząstek rośnie, zaś maksimum absorpcji uzyskanych nanocząstek core-shell przesuwa się w stronę krótkofalową widma, przez co w pewnym stopniu uzyskane nanocząstki upodabniają swoje właściwości plazmonowe do jednoelementowych nanocząstek srebra. Na Rysunku 48 przedstawiono obrazy TEM nanocząstek złota przed pokryciem warstwą srebra oraz po pokryciu warstwą srebra uzyskaną po dodaniu 0,4 ml roztworu azotanu srebra o stężeniu 0,38 mmol dm 3. Przedstawiono także histogram pokazujący zmianę wielkości nanocząstek po pokryciu warstwą srebra. Widma UV-Vis uzyskanych nanocząstek core-shell przedstawiono na Rysunku 49, zaś dane dotyczące zależności między ilościami wprowadzonych reagentów, a wielkością nanocząstek, przedstawiono w Tabeli 3. 88

a) b) 89

c) d) Rysunek 48. Obrazy TEM przedstawiające: a) początkowe jednoelementowe nanocząstki złota, c) nanocząstki Au@Ag (uzyskane po dodaniu do 10 ml zolu semi-sferycznych nanocząstek złota 0,4 ml 0,38 mm roztworu AgNO 3 ). (b) Histogram pokazujący rozkład wielkości nanocząstek Au, i (d) histogram pokazujący rozkład wielkości nanocząstek Au@Ag. 90

Rysunek 49. Widma UV-Vis uzyskanych jednoskładnikowych nanocząstek złota oraz nanocząstek Au@Ag (legenda przy rysunku podaje objętość 0,38 mm roztworu azotanu srebra dodanego do 10 ml początkowego zolu nanocząstek Au). Tabela 3. Średnia wielkość i położenie pasma od rezonansu plazmonowego dla nanocząstek Au i nanocząstek Au@Ag. Rożne nanocząstki Au@Ag określono przez podanie objętości dodanego 0,38 mm roztworu azotanu srebra do 10 ml początkowego zolu nanocząstek Au. Rodzaj nanocząstek Średnica [nm] Maksimum SPR [nm] Au 16,0 ± 2,0 525 Au@Ag (0,05) 17,9 ± 1,9 521 Au@Ag (0,1) 18,3 ± 1,7 519 Au@Ag (0,2) 19,3 ± 1,7 516 Au@Ag (0,3) 19,9 ± 1,6 509 Au@Ag (0,4) 20,0 ± 1,8 505 Z Rysunku 48 oraz z danych przedstawionych w Tabeli 3 wyraźnie widać następujący wzrost średnicy nanocząstek po pokryciu ich warstwą srebra. Początkowa średnica jednoelementowych nanocząstek złota wynosi 16 nm, zaś po osadzeniu na nich najgrubszej z testowanych warstw srebra średnica nanocząstek rośnie do 20 nm. Z literatury wiadomo, że nanocząstki złota o takiej samej średnicy jak nanocząstki srebra wykazują dużo większą stabilność. W celu potwierdzenia wysokiej stabilności uzyskanych nanocząstek złota 91

naświetlałem je światłem zielonym o długości fali 520 nm przez okres trzech dni. Wyniki eksperymentu potwierdziły doniesienia literaturowe o dużej fotostabilności nanocząstek Au. Zarówno widma UV-Vis (patrzy Rysunek 50) jak i analiza obrazów TEM wykonana dla nanocząstek Au przed i po naświetlaniu nie wykazała żadnych istotnych zmian morfologii układu. Rysunek 50. Widma UV-Vis nanocząstek złota przed i po naświetlaniu przez 3 dni światłem zielonym o długości fali 520 nm. Jak wiadomo z literatury nanocząstki srebra w porównaniu z nanocząstki złota o tym samym kształcie i wielkości wykazują znacznie silniejsze właściwości plazmonowe. Przykładowo, na nanocząstkach srebra uzyskuje się znacznie wyższe współczynniki wzmocnienia widma SERS niż na analogicznych nanocząstkach złota. 104 Dlatego też, postanowiłem sprawdzić fotostabilność otrzymanych nanocząstek Au@Ag (można było oczekiwać, że wprowadzony rdzeń ze złota znacznie zmniejszy podatność takich nanocząstek na fotoprzekształcenie). W celu przeprowadzenia sprawdzenia fotostabilności zolu nanocząstek Au@Ag do szklanego naczynka o średnicy 2 cm i o całkowitej objętości 11 ml wprowadzono 9 ml różnego rodzaju zolu nanocząstek Au@Ag. Następnie roztwory te naświetlano za pomocą światła zielonego o długości fali 520 nm. Roztwór w trakcie naświetlania mieszano na mieszadle magnetycznym. Stwierdziłem, że nawet po trzech dniach naświetlania nie obserwuje się żadnych istotnych zmian w barwie naświetlanych roztworów, ani w ich widmach UV-Vis (patrzy Rysunek 51). Także analiza obrazów TEM wykazała, iż 92

nanocząstki tego typu nie ulegają w obserwowalnym stopniu fotoprzekształceniu. Oznacza to, że "wprowadzenie do nanocząstek srebra złotego rdzenia" znacznie polepsza ich fotostabilność i zapobiega zmianie kształtu w trakcie naświetlania. Rysunek 51. Widma UV-Vis nanocząstek Au@Ag przed i po naświetlaniu przez 3 dni światłem zielonym o długości fali 520 nm. Jak widać z porównania danych przedstawionych na Rysunku 23 i Rysunku 51 uzyskane nanocząstki Au@Ag są zdecydowanie bardziej odporne na działanie promieniowania elektromagnetycznego niż jednoskładnikowe nanocząstki Ag. Przeprowadzone przeze mnie testy uzyskanych nanocząstek Au@Ag jako podłóż do pomiarów SERS również wypadły bardzo pomyślnie - przykładowe widmo SERS uzyskane przy pomocy takich nanocząstek przedstawia Rysunek 52. Pozwala to sądzić, że nanocząstki Au@Ag mogą być bardzo interesującymi podłożami do przeprowadzania ilościowych pomiarów SERS, ze względu na to, że w znacznym stopniu został dla tych nanocząstek ograniczony efekt ich przebudowywania się w trakcie naświetlania. 93

Rysunek 52. Przykładowe widmo SERS kwasu para-merkaptobenzoesowego zarejestrowane na uzyskanych nanocząstkach Au@Ag. Grubość pokrywającej warstwy srebra została oszacowana na około 2 nm. 4.4. Fotochemiczna transformacja nanocząstek złota Jak wspomniano we wstępie synteza anizotropowych nanocząstek srebra za pomocą kontrolowanej przez rezonans plazmonowy transformacji "pierwotnych" nanocząstek srebra została odkryta w 2001 roku przez Jin'a i współpracowników. 74 Od tego czasu podejmowano liczne próby przeprowadzenia analogicznego procesu dla nanocząstek złota (ja również podejmowałem takie próby w trakcie swoich studiów doktoranckich). Niestety, z tego co wiem, prace takie nie zakończyły się sukcesem. W 2016 roku ukazała się jednak bardzo ciekawa praca Wei i współpracowników pokazująca możliwość wykorzystania kontrolowanego przez rezonans plazmonowy fotochemicznie indukowanego wzrostu nanocząstek złota do przeprowadzenia takiej syntezy. 105 W procesie tym naświetla się roztwór soli złota (wykorzystywano kwas chlorozłotowy) do którego dodano zol zawierający wyjściowe nanocząstki złota (zarodki, na których następuje osadzanie się złota). Ponieważ w wyniku tego procesu można otrzymać zole nanocząstek złota zawierające w miarę homogeniczne nanocząstki Au o kształcie graniastosłupa o podstawie trójkątnej albo sześciokątnej (w zależności od różnych modyfikacji szczegółowej procedury eksperymentalnej) postanowiłem przeprowadzić taką syntezę w praktyce, a następnie porównać aktywność jako nanorezonatorów do wzmacniania intensywności widma SERS 94

złotych standardowych sferycznych nanocząstek oraz nanocząstek o kształcie graniastosłupa. Chciałem sprawdzić, czy podobnie jak to obserwowałem dla nanocząstek srebrnych, nanocząstki o wielu ostrych wierzchołkach i krawędziach (na których obserwuje się znacznie większy lokalny współczynnik wzmocnienia natężenia pola elektromagnetycznego niż na pozostałych częściach nanocząstki) są lepszymi podłożami do wykonywania pomiarów SERS niż nanocząstki sferyczne. Fotochemiczną syntezę anizotropowych nanocząstek złota przeprowadziłem w następujący sposób: do szklanego naczynka wprowadziłem roztwór 5 mg poliwinylopirolidonu w 10 ml wody. Do tego roztworu dodałem 2 µl zolu semi-sferycznych nanocząstek Au (opis sposobu syntezy tych nanocząstek oraz analiza statystyczna ich wielkości jest podana w rozdziale 4.3., patrz również Rysunek 48 i Tabela 3), 0,8 ml 10 mm wodnego roztworu kwasu chlorozłotowego, 1 ml metanolu oraz 20 µl 10 mm roztworu jodku sodu. Następnie tak przygotowaną mieszaninę naświetlałem przez 2 godziny światłem o długości fali 520 nm. Roztwór w trakcie naświetlania był intensywnie mieszany przy pomocy mieszadła magnetycznego. Początkowo mieszanina reakcyjna miała słabo widoczne jasno żółte zabarwienie (zabarwienie to pochodziło od niewielkiej ilości obecnego w roztworze kwasu chlorozłotowego). Już po krótkim czasie prowadzenia naświetlania - po około 15 minutach - zaobserwowałem jednak znaczącą zmianę barwy z lekko żółtej na fioletowo - czerwoną. Wraz ze wzrostem czasu naświetlania barwa roztworu stawała się intensywniejsza. W trakcie prowadzenia naświetlania co 15 minut pobierałem niewielką próbkę roztworu w celu pomiaru widma UV-Vis, co pozwoliło na oszacowanie szybkości procesu fotoprzekształcania (uzyskane dane przedstawiłem na Rysunku 53). Jak widać pasmo absorpcyjne przy około 310 nm pochodzące od obecnego w roztworze kwasu chlorozłotowego (widmo roztworu kwasu chlorozłotowego jest również przedstawione na Rysunku 53) zmniejsza swoją intensywność w trakcie naświetlania roztworu, jednocześnie obserwujemy powstawanie nowego pasma absorpcyjnego położonego w długofalowej części widma przy około 590 nm. Pasmo plazmonowego fotochemicznie tworzonych nanostruktur złota ma jednak inne położenie niż pasmo plazmonowe obserwowane dla użytego "zarodkowego" zolu semi-sferycznych nanocząstek złota (dla nanocząstek "zarodkowych" maksimum pasma plazmonowego obserwowane jest przy 525 nm, podczas gdy dla nanocząstek otrzymanych fotochemicznie przy 590 nm). Reasumując, pomiary widm UV-Vis pokazały, że w warunkach prowadzenia tego procesu kwas chlorozłotowy ulega redukcji, przy czym jednocześnie ulega zmianie morfologia obecnych w roztworze nanocząstek złota. 95

Zaobserwowałem, że prowadzenie naświetlania mieszaniny reakcyjnej przez czas dłuższy niż 2 godziny prowadzi do powstawania w znacznej ilości agregatów nanocząstek, dlatego też, po 2 godzinach przerywałem naświetlanie pomimo tego, że jak widać z pomiarów natężenia pasma absorpcyjnego od kwasu chlorozłotowego (patrz Rysunek 53), tylko około połowa początkowo obecnego w roztworze kwasu chlorozłotowego uległa redukcji. Sprawdziłem również, czy można metanol (związek taki był stosowany w początkowych eksperymentach Wei i współpracowników 105 ) zastąpić innym alkoholem (mniej toksycznym). W przeprowadzonych przeze mnie eksperymentach, gdzie zamiast metanolu zastosowałem etanol, propanol i izo-propanol, uzyskiwałem analogiczne nanocząstki złota - co znaczy, że alkohole te mogą być zastosowane zamiast metanolu. Rysunek 53. Widmo UV-Vis roztworu kwasu chlorozłotowego (widmo narysowane linią ciemnoniebieską, w którym pasmo przy długości fali 310 nm ma największą intensywność), oraz widma UV-Vis po różnym czasie naświetlania mieszaniny reakcyjnej powstałej przez zmieszanie następujących roztworów: 5 mg poliwinylopirolidonu w 10 ml wody, 2 µl zolu semi-sferycznych nanocząstek Au, 0,8 ml 10 mm wodnego roztworu kwasu chlorozłotowego, 1 ml metanolu oraz 20 µl 10 mm roztworu jodku sodu. Naświetlanie prowadzono światłem o długości fali 520 nm, pomiary widma mieszaniny reakcyjnej wykonywano co 15 minut dla czasów naświetlania 0-120 minut. 96

Uzyskane nanocząstki oczyszczano przez wirowanie. Po zwirowaniu nanocząstek supernatant usuwano, zaś do odwirowanych nanocząstek dodano wodę w takiej ilości aby uzyskać taką samą objętość zolu jak przed wirowaniem. Oczyszczony produkt poddawano analizie TEM. Na uzyskanych obrazach (Rysunek 54 przedstawia przykładowy obraz TEM) widać, że głównym produktem tej syntezy są nanocząstki złota w kształcie sześciokątnych płytek. Zmierzyłem, że średnia długości krawędzi płytki wynosi 53 nm. Rysunek 54. Obrazy TEM przedstawiające główny produkt procesu fotochemicznej redukcji kwasu chlorozłotowego na wprowadzonych nanozarodkach złota. Naświetlanie prowadzono przed 2 godziny światłem o długości fali 520 nm. Uzyskane heksagonalne nanopłytki złota postanowiłem wykorzystać jako nanorezonatory do pomiarów SERS. Na płaską blachę platynową, na której wytworzono monowarstwę kwasu para-merkaptobenzoesowego naniosłem takie same objętości zoli standardowych semi-sferycznych nanocząstek Au (wykorzystywanych jako nanozarodki w procesie fotowzrostu) i nanocząstek uzyskanych po fotochemicznej redukcji. Rozpuszczalnik powoli odparowałem uzyskując film nanocząstek złota naniesionych na monowarstwę uzyskaną z kwasu para-merkaptobenzoesowego na platynie. Naniesione próbki zoli nanocząstek zawierały takie same liczby moli złota. Na tak przygotowanych próbkach zmierzyłem widma Ramana - przykładowe uzyskane widma przedstawiono na Rysunku 55. Jak widać z tego rysunku, nanocząstki złota w kształcie płytek sześciokątnych generują widmo Ramana o ponad rząd wielkości bardziej intensywne niż standardowe nanocząstki semi-sferyczne Z literatury wiadomo, że miejsca o szczególnie wysokich współczynnikach wzmocnienia widma SERS (tzw. hot-spoty) występują na rogach i ostrych krawędziach 97