(PhysOrg.com) -- Ze zien eruit als fruit, en inderdaad hebben de sterren op nanoschaal van nieuw onderzoek aan de Rice University smakelijke implicaties voor medische beeldvorming en chemische detectie.

Starfruit-vormige gouden nanostaafjes gesynthetiseerd door chemicus Eugene Zubarev en Leonid Vigderman, een afgestudeerde student in zijn laboratorium bij Rice's BioScience Research Collaborative, zou toepassingen kunnen voeden die afhankelijk zijn van oppervlakteversterkte Raman-spectroscopie (SERS).

Het onderzoek verscheen deze maand online in het tijdschrift American Chemical Society Langmuir .

De onderzoekers ontdekten dat hun deeltjes signalen 25 keer sterker teruggaven dan vergelijkbare nanostaafjes met gladde oppervlakken. Dat maakt het uiteindelijk mogelijk om zeer kleine hoeveelheden van organische moleculen zoals DNA en biomarkers te detecteren, gevonden in lichaamsvloeistoffen, voor bepaalde ziekten.

“Er is veel interesse in sensing-applicaties, " zei Zubarev, een universitair hoofddocent scheikunde. “SERS maakt gebruik van het vermogen van goud om elektromagnetische velden lokaal te versterken. Velden zullen zich concentreren op specifieke defecten, zoals de scherpe randen van onze nanostarfruits, en dat zou kunnen helpen om de aanwezigheid van organische moleculen in zeer lage concentraties te detecteren.”

SERS kan zelf organische moleculen detecteren, maar de aanwezigheid van een gouden oppervlak versterkt het effect enorm, zei Zubarev. "Als we het spectrum van organische moleculen in oplossing nemen en het vergelijken met wanneer ze worden geadsorbeerd op een gouddeeltje, het verschil kan miljoenen keren zijn, ' zei hij. Het potentieel om dat sterkere signaal met een factor 25 verder te versterken is aanzienlijk, hij zei.

Zubarev en Vigderman kweekten batches van de stervormige staven in een chemisch bad. Ze begonnen met zaaddeeltjes van zeer gezuiverde gouden nanostaafjes met vijfhoekige doorsneden, ontwikkeld door het laboratorium van Zubarev in 2008 en voegden ze toe aan een mengsel van zilvernitraat, ascorbinezuur en goudchloride.

Meer dan 24 uur, de deeltjes werden tot 550 nanometer lang en 55 nanometer breed, veel met puntige uiteinden. De deeltjes nemen over hun lengte ribbels aan; tip-down gefotografeerd met een elektronenmicroscoop, ze zien eruit als stapels stervormige kussens.

Waarom de vijfhoeken in sterren veranderen, is nog steeds een beetje een mysterie, Zubarev zei, maar hij was bereid te speculeren. “Al heel lang onze groep is geïnteresseerd in de grootteversterking van deeltjes, ' zei hij. “Voeg gewoon goudchloride en een reductiemiddel toe aan gouden nanodeeltjes, en ze worden groot genoeg om gezien te worden met een optische microscoop. Maar in aanwezigheid van zilvernitraat- en bromide-ionen, dingen gebeuren anders.”

Toen Zubarev en Vigderman een gewone oppervlakteactieve stof toevoegden, cetyltrimethylammoniumbromide (ook bekend als CTAB), naar de mix, het bromide gecombineerd met de zilverionen om een ​​onoplosbaar zout te produceren. "We denken dat er zich een dunne film van zilverbromide vormt op de zijvlakken van staven en deze gedeeltelijk blokkeert, ', zei Zubarev.

Dit vertraagde op zijn beurt de afzetting van goud op die platte oppervlakken en stelde de nanostaafjes in staat meer goud te verzamelen op de punten van het pentagon, waar ze groeiden in de richels die de staven hun sterachtige doorsnede gaven. "Zilverbromide blokkeert waarschijnlijk vlakke oppervlakken efficiënter dan scherpe randen ertussen, ' zei hij.

De onderzoekers probeerden zilver te vervangen door andere metaalionen zoals koper, kwik, ijzer en nikkel. Alle produceerden relatief gladde nanostaafjes. “In tegenstelling tot zilver, geen van deze vier metalen vormen onoplosbare bromiden, en dat kan verklaren waarom de versterking zeer uniform is en leidt tot deeltjes met gladde oppervlakken, ' zei hij.

De onderzoekers kweekten ook langere nanodraden die, samen met hun optische voordelen, kan unieke elektronische eigenschappen hebben. Lopende experimenten met Stephan Link, een assistent-professor scheikunde en chemische en biomoleculaire engineering, zal helpen bij het karakteriseren van het vermogen van de starfruit-nanodraden om een ​​plasmonisch signaal uit te zenden. Dat kan handig zijn voor golfgeleiders en andere opto-elektronische apparaten.

Maar het belangrijkste interessegebied in het laboratorium van Zubarev is biologisch. "Als we de oppervlakteruwheid zodanig kunnen wijzigen dat biologische moleculen van belang selectief zullen adsorberen op het oppervlak van onze robuuste nanostaafjes, dan kunnen we gaan kijken naar zeer lage concentraties DNA of biomarkers voor kanker. Er zijn veel kankers waarbij de diagnostiek afhankelijk is van de laagste concentratie van de biomarker die kan worden opgespoord.”