Tuning der optischen Eigenschaften von metallischen Core-shell-Nanopartikeln mit Mehrfach-Hüllen erzeugt durch Mehrstufen-Mikroreaktionstechnik

• Applicants: Professor Dr. Wolfgang Fritzsche; Professor Dr. Johann Michael Köhler
• Subject Area: Technical Chemistry ; Mechanical Process Engineering ; Technical Thermodynamics
• Term: from 2009 to 2013
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 109076097

• Final Report Year: 2013

Final Report Abstract

Im Rahmen dieses Projektes konnte gezeigt werden, dass die Syntheseführung in einem kontinuierlichen Durchflussprozess unter Anwendung der Mikrofluid-Segmenttechnik, sowohl für Kern-Mehrfachhüllen- Edelmetallnanopartikel, als auch für Silbernanoprismen mit dreieckiger Grundfläche vorteilhaft ist. Hohe Mischraten aufgrund der segmentinternen Konvektion führen zu einer deutlichen Verbesserung der Partikelqualität im Vergleich zu konventionellen Synthesemethoden. Es konnten schmalere Teilchengrößenverteilungen, damit verbunden schmalere optische Absorptionsbanden der kolloidalen Produktlösungen und eine höhere Ausbeute der jeweils gewünschten Partikelspezies festgestellt werden. Neben der prinzipiellen Umsetzung der Partikelsynthesen im Mikrodurchflussystem konnte gezeigt werden, dass das Verfahren des mikrosegmentierten Flusses sich sehr gut für eine präzise Kontrolle der Partikeleigenschaften eignet. Durch entsprechende Variation der Reaktandenflussraten können die Konzentrationsverhältnisse der Edukte im Segment präzise einstellt und somit die Partikelgröße und die spektrale Lage des Absorptionsmaximums der Plasmonenresonanzbande im nm-Bereich durchgestimmt werden. So war es möglich, die Dicke der Silberhülle bei der Synthese von Gold/Silber-Kern/Hülle- Nanopartikeln zwischen 1,4 und 20 nm durch Variation der Flussratenverhältnisse der Reaktandenlösungen einzustellen oder die laterale Ausdehnung von Silber-Dreiecksprismen zwischen 25 und 250 nm zu variieren, was ein exaktes Durchstimmen der Hauptdipolmode im optischen Absorptionsspektrum zwischen 500 und 950 nm ermöglichte. Des Weiteren gelang ein Beitrag zur Aufklärung des Mechanismus der Formstabilitätserhaltung formanisotroper Metallnanopartikel, die in Gegenwart polyanionischer Makromoleküle synthetisiert werden. Es konnte festgestellt werden, dass die Reaktion von SCN- mit Silbernanoprismen zu einer Formumwandlung führt. Mittels online-Spektralphotometrie konnte gezeigt werden, dass der Formumwandlungsprozess einer Reaktionskinetik erster Ordnung folgt. Daher kann angenommen werden, dass die Formstabilität formanisotroper Nanopartikel auf spezifische elektronische Eigenschaften der Nanopartikel zurückzuführen ist, welche auf der Interaktion mit Ligandenmolekülen basieren. Zusätzlich wurde das sensorische Potential von Kern-Hülle-Nanopartikeln und Silber- Dreiecksprismen theoretisch simuliert, sowie mit realen bioanalytischen Systemen getestet. Mittels Kern-Hülle-Nanopartikeln und Silber-Dreiecksprismen konnten höhere Sensitivitäten erreicht werden.

Publications

• "Au/Ag/Au double shell nanoparticles with narrow size distribution obtained by continuous micro segmented flow synthesis", Chemical Engineering Journal, 2011, 166, 1164 – 1169
  A. Knauer, A. Thete, S. Li, H. Romanus, A. Csáki, W. Fritzsche, J. M. Köhler
  
• Molecular Plasmonics – light meets molecules at the nanoscale. Phil Trans A 369, 3483-3496 (2011)
  A. Csáki, T. Schneider, J. Wirth, Jahr N, Steinbrück A, Stranik O, Garwe F, Müller R and Fritzsche W
  
• Sensoric potential of gold–silver core–shell nanoparticles. Analytical and Bioanalytical Chemistry 2011, 401 (4), 1241-1249
  A. Steinbrück; Stranik, O.; Csáki, A.; Fritzsche, W.
  
• Micro continuous flow-through synthesis of triangular silver nanoprisms and their incorporation in complexly composed polymer microparticles, Chem. Eng. J. (2012)
  A. Knauer, A. Csáki, W. Fritzsche, C. A. Serra, N. Leclerc, J. M. Koehler
  
• Optical Properties of Core–Shell Gold–Silver and Silver–Gold Nanoparticles for Near UV and Visible Radiation Wavelengths. Plasmonics 2012, 7 (3), 469-474
  V. Pustovalov; Astafyeva, L.; Fritzsche, W.
  
• The Invention of Immersion Ultramicroscopy in 1912—The Birth of Nanotechnology? Angewandte Chemie International Edition 2012, 51 (45), 11208- 11212
  T. Mappes; Jahr, N.; Csáki, A.; Vogler, N.; Popp, J.; Fritzsche, W.
  
• “Microsegmented Flow-Through Synthesis of Silver Nanoprisms with Exact Tunable Optical Properties” J Phys Chem C, 2012, 116, 9251-9258
  A. Knauer, A. Csáki, F. Möller, C. Hühn, W. Fritzsche, J.M. Koehler
  
• “Screening of plasmonic properties of composed metal nanoparticles by combinatorial synthesis in micro-fluid segment sequences” Chem. Eng. J., 2012
  A. Knauer, F. Möller, S. Schneider, A. Csáki, W. Fritzsche, J.M. Koehler
  
• Polyacrylamid/Silver composit particles produced via microfluidic photopolymerization for single particle-based SERS microsensorics, Analytical Chem. 85 (2013), 313-318
  J.M. Köhler, A. März, J. Popp, A. Knauer, I. Kraus, J. Faerber, Ch. Serra
  
• Spontaneous transformation of polyelectrolyte-stabilized silver nanoprisms by interaction with thiocyanate” J Colloid Interf Sci, 2013, 394, 78-84
  A. Knauer, N. Visaveliya, J.M. Köhler
  
• „Screening of Multiparameter Spaces for Silver Nanoprism Synthesis by Microsegmented Flow Technique” Chemie Ingenieur Technik, 2013, 85, SI, 467-475
  A. Knauer, J.M. Köhler