抗菌奈米金銀離子捕蚊燈之合成設計
109年10月15日
【本報導由化學系 陳家俊教授研究團隊提供】 「金銀奈米捕蚊燈」(Au-Ag nanozapper)具有可調控的吸收波長和空腔大小，其長方結構的外框可捕捉不同能量的光子，並在內部的孔隙間激發近場電場的大幅增強。利用其獨特的物理和光學性質，此表面電漿子奈米材料在螢光增強、光化學催化、生物分子檢測、光電元件、光熱轉換和藥物輸送等應用有很大的潛力。 利用化學方法進行金屬奈米晶體和金屬陽離子的置換反應，可以穩定且大量的製備具有核殼多孔性結構的金屬奈米捕蚊燈。此外，理論計算的預測和實驗結果的比較分析，有助於對材料性質的探討與研究。金銀奈米捕蚊燈的合成技術，可以更進一步的應用於新型金屬奈米結構的合成，配合理論計算的分析，有利於探索其發展與應用。 「金銀奈米捕蚊燈」(Au-Ag nanozapper) (圖1)，是以金和銀為材料所組成的新型金屬奈米結構，利用其可調控的物理和光學性質，在化學催化、生物技術、電子元件和光學應用等領域有很大的潛力。隨著奈米技術的進步，各種具有特殊結構的金屬奈米材料的合成受到了廣泛的關注和研究。不同外形和尺寸的金屬奈米晶體具有不同的表面電漿共振吸收，在溶液中呈現有不同的顏色，意味著其光學吸收性質的改變。金屬奈米晶體的表面電漿共振吸收可受到奈米晶體的尺寸大小、型態結構和元素組成所控制。利用化學合成方法可以穩定且大量的製備各式各樣的金屬奈米晶體，不僅有助於材料性質的探討與研究，更有利於各個領域的發展應用。 多孔性的金屬奈米捕蚊燈，由於內部所具備的空腔結構，在不改變材料外部尺寸的情況下，可調控光學特徵吸收，以增加對於不同波段的光譜吸收；其內部的空腔結構也可提供額外的表面電漿振動模式和大幅增強的局域電場強度，進而提升金屬奈米捕蚊燈的光催化效果或修飾於內部的螢光分子的發光強度。藉著調整光學吸收到近紅外光的位置，可更進一步的減少生物組織和水分子的背景吸光干擾，同時利用內部的空腔結構容納、攜帶不同的藥物或生物分子，進而實現各種檢測和藥物輸送的應用以及表面增強光譜的研究。 我們團隊利用金銀奈米核殼結構的合成技術並結合賈凡尼置換反應（galvanic replacement），成功的合成了以金銀為主體的金屬奈米捕蚊燈，其結構看起來像是燈籠內點了一支蠟燭。賈凡尼置換反應為不同金屬之間的氧化還原電位差異，所導致的離子和金屬原子的置換反應，在置換的過程中，由於金屬原子和空位的遷移，會影響金屬的結晶型態並向外生長，導致空腔結構的產生。利用賈凡尼置換反應，可進一步設計各種多孔性的金屬奈米核殼結構，並調控金屬的組成比例，製備出利用其他合成方法難以達成的材料組成和結構型態。我們分析合成的金銀奈米捕蚊燈，發現其結構上產生可見光至紅外光吸收光譜的變化，並改變其溶液顏色(圖2)。配合理論模型的計算結果，探討奈米結構與光學吸收變化的原因，並藉由控制實驗合成的條件來改變奈米捕蚊燈的三維空間結構，比較其光學吸收波長變化的理論模型預測和實際測量結果。 金銀奈米捕蚊燈其長方體結構的外框可用來捕捉光子，而中間的金棒負責控制捕蚊燈的形狀和尺寸。和中空的奈米核殼結構相比，其金屬核、殼之間所產生的熱點（hot-spot），在螢光增強、光化學催化、生物分子檢測、光電元件、光熱轉換和藥物輸送等研究應用具有極大的潛力。我們預期運用金屬奈米捕蚊燈的合成技術，進一步的發展新型奈米合金結構，研究其物理性質的變化，並探索於各領域的應用發展。 圖1：「金銀奈米捕蚊燈」（Au-Ag nanozapper）隨著金和銀置換程度的不同，其表面電漿共振吸收(localized surface plasmon resonance, LSPR) 會逐漸的從可見光位移至近紅外光波段。 圖2：「金銀奈米捕蚊燈」（Au-Ag nanozapper）的溶液顏色會隨著金和銀置換程度的不同而發生變化。 文章來源：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.9b08167