[論文レビュー] Quantifying the Blue Shift in the Light Absorption of Small Gold Nanoparticles

Roumen Tsekov, Peter A. Georgiev+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2017

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications参考文献 17被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、UV-Vis分光法、DLS、TEM、AFMを用いて、小規模な金ナノ粒子（GNPs）のサイズが小さくなるにつれて表面プラズモン共鳴（SPR）周波数が青シフトすることを実験的に定量的に評価した。著者らは、周囲の媒体の誘電率という1つの自由パラメータを用いたサイズ依存SPRモデルを導出し、GNPsの表面シェルの屈折率を正確に特定することを可能にした。

ABSTRACT

The dependence of the surface plasmons resonance (SPR) frequency on the size of gold nanoparticles (GNPs) is experimentally studied. The measured data for the SPR frequency by UV-Vis spectroscopy and GNPs diameter by Dynamic Light Scattering (DLS), Transmission Electron Microscopy (TEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) are collected in the course of classical citrate GNPs synthesis. The relationship between the GNPs size and the blue shift of the light absorption is presented. They are fitted by an equation with a single free parameter, the dielectric permittivity of the surrounding media. Thus, the refractive index of the surrounding media is determined, which characterizes the GNPs surface shell.

研究の動機と目的

• カルボキシル酸修飾金ナノ粒子のサイズ依存性に起因する表面プラズモン共鳴（SPR）周波数の変化を調査すること。
• 複数の特性評価手法を用いて得られた実験的SPR吸収ピークとナノ粒子径の相関関係を特定すること。
• 周囲の媒体の誘電率という1つの自由パラメータを用いて、GNPのサイズとSPR周波数を結びつける定量的モデルを構築すること。
• SPRシフトに寄与するGNPsの表面シェルの屈折率を特定すること。
• サイズと局所的誘電環境を制御することでSPRをチューニングする予測可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 古典的シトラート還元法を用いて金ナノ粒子を合成した。
• さまざまなナノ粒子サイズにおいて、UV-Vis分光法を用いて表面プラズモン共鳴（SPR）周波数を測定した。
• 動的光散乱（DLS）、透過型電子顕微鏡（TEM）、および原子間力顕微鏡（AFM）を用いてナノ粒子径を決定した。
• 実験的SPR周波数とサイズのデータを、周囲の媒体の誘電率という1つの自由パラメータを有する理論モデルにフィットさせた。
• フィットされた誘電率を用いて、GNPsの表面シェルの屈折率を推定した。
• 複数のサイズ測定法と分光データポイントにおけるモデルの一貫性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小規模な金ナノ粒子の表面プラズモン共鳴（SPR）周波数は、サイズが小さくなるにつれてどのように変化するか？
• RQ2 シトラートキャップ付き金ナノ粒子のSPR周波数と水動的径の間には、定量的な関係があるか？
• RQ3 観察された青シフトを最もよく説明する周囲の媒体（表面シェルを含む）の誘電率は何か？
• RQ4 1パラメータモデルが、複数の実験的手法にわたるサイズ依存SPRシフトを正確に記述できるか？
• RQ5 GNPsの表面シェルの屈折率は、観察された吸収の青シフトにどのように寄与しているか？

主な発見

• 20 nm未満の金ナノ粒子において、明確なSPR周波数の青シフトが観察された。
• SPR周波数のシフトは、周囲の媒体の誘電率という1つの自由パラメータを用いたモデルで定量的に記述可能である。
• フィットされた誘電率は、GNPsの表面シェルの屈折率が約1.6～1.8に相当することを示しており、構造的またはリガンドが豊富な界面層が存在することを示唆している。
• DLS、TEM、AFMによるサイズ測定結果と実験データが良好に一致しており、複数の特性評価手法間でのモデルの一貫性が確認された。
• 青シフトは、20 nm未満の粒子における量子サイズ効果および表面散乱の増加に起因し、誘電環境が重要な役割を果たしている。
• 本研究は、サイズと局所的誘電環境を制御することでSPR吸収をチューニングするための予測可能なフレームワークを提供した。