Лазерно-індукована агрегація в гібридній наносистемі “декстран–графт–PNIPAM/наночастинки срібла”: плазмонні ефекти
DOI:
https://doi.org/10.15407/ujpe65.3.254Ключові слова:
термочутливий полімер, наночастинки Ag, лазерно-індуковані структурні перетворення, плазмонний нагрів, оптичні силиАнотація
Було виявлено процеси лазерно-iндукованої агрегацiї в термочутливiй гiбриднiй наносистемi “декстран–графт–полi(N-iзопропiлакриламiд)/наночастинки Ag” (D–g–PNIPAM/НЧ Ag) у водi. Лазерно-iндуковане плазмонне нагрiвання НЧ Ag спричиняє конформацiйний LCST-перехiд у макромолекулах D–g–PNIPAM/НЧ Ag, якi стискаються пiд час переходу. Стиснення макромолекул приводить до рiзкого зменшення вiдстанi мiж наночастинками срiбла, що спричиняє початок процесiв агрегацiї наночастинок Ag та виникнення плазмонних оптичних сил притягання мiж НЧ. Показано, що наближення довжини хвилi лазера до поверхневого плазмонного резонансу в наночастинках Ag приводить до значного посилення процесiв агрегацiї, що пiдтверджує ї ї плазмонну природу. Лазерно-iндукованi перетворення в наносистемi D–g–PNIPAM/НЧ Ag виявилися суттєво незворотними, що принципово вiдрiзняє їх вiд термоiндукованих перетворень. Така принципова вiдмiннiсть доводить вирiшальну роль оптичних ефектiв, що виникають у дослiджуванiй гiбриднiй наносистемi внаслiдок збудження поверхневих плазмонiв в наночастинках Ag.
Посилання
M.A. Ward, T.K. Georgiu. Thermoresponsive polymers for biomedical applications. Polymer 3, 1215 (2011). https://doi.org/10.3390/polym3031215
M. Joglecar, B.G. Trewyn. Polymer-based simuli responsible nanosystems for biomedial applications. Biotechology J. 8, 931 (2013). https://doi.org/10.1002/biot.201300073
E. Cabane, X. Zhang, K. Langowska, C.G. Palivan, W. Meier. Stimuli responsible polymers and their application in nanomedicine. Biointerphases 7, 1 (2012). https://doi.org/10.1007/s13758-011-0009-3
C. Gong, T. Qi, X. Wei, Y. Qu, Q. Wu, F. Luo, Z. Qian. Thermosensitive polymeric hydrogeles as drug delivery systems. Current Med. Chem. 20, 79 (2016). https://doi.org/10.2174/0929867311302010009
V. Dal Lago, L. Fran¸ca de Oliveira, K. de Almeida Gon¸calves, J. Kobarg, M.B. Cardoso. Size-selective silver nanoparticles: Future of biomedical devices with enhanced bactericidal properties. J. Mater. Chem. 21, 2267 (2011). https://doi.org/10.1039/c1jm12297e
J.F. de Oliveira, M.B. Cardoso. Partial aggregation of silver nanoparticles induced by capping and reducing agents competition. Langmuir 30, 4879 (2014). https://doi.org/10.1021/la403635c
M.R. Aguilar, C. Elvira, A. Gallardo, B. V'azquez, J.S. Rom'an. Smart polymers and their applications as biomaterials. III Biomaterials. In: Topics in Tissue Engineering Eds. by N. Ashammakhi, R. Reis, E. Chiellini (URL, 2007), Vol. 3, Chapter 6.
A. Gandhi, A. Paul, S.O. Sen, K.K. Sen. Studies on thermoresponsive polymers: Phase behaviour, drug delivery and biomedical applications. Asian J. of Pharmaceutical Sci. 10, 99 (2015). https://doi.org/10.1016/j.ajps.2014.08.010
O. Sedl'acek, P. Cernoch, J. Kucka et al. Thermoresponsive polymers for nuclear medicine: which polymer is the best? Langmuir 32, 6115 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b01527
H. Du, R. Wickramasinghe, X. Qian. Effects of salt on the lower critical solution temperature of poly (N-isopropylacrylamide). J. Phys. Chem. B 114, 16594 (2010). https://doi.org/10.1021/jp105652c
O.A. Yeshchenko, A.P. Naumenko, N.V. Kutsevol, D.O. Maskova, I.I. Harahuts, V.A. Chumachenko, A.I. Marinin. Anomalous inverse hysteresis of phase transition in thermosensitive dextran-graft-PNIPAM copolymer/Au nanoparticles hybrid nanosystem. J. Phys. Chem. C 122, 8003 (2018). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b01111
V. Chumachenko, N. Kutsevol, Iu. Harahuts, D. Soloviov, L. Bulavin, O. Yeshchenko, A. Naumenko, O. Nadtoka, A. Marinin. Temperature driven transformation in dextran-graft-PNIPAM/embedded silver nanoparticle hybrid system. Int. J. Polymer Sci. 2019, 3765614 (2019). https://doi.org/10.1155/2019/3765614
V.A. Turek, S. Cormier, B. Sierra-Martin, U.F. Keyser, T. Ding, J.J. Baumberg. The crucial role of charge in thermoresponsive-polymer-assisted reversible dis/assembly of gold nanoparticles. Advanced Optical Materials 2018, 1701270 (2018). https://doi.org/10.1002/adom.201701270
S.T. Jones, Z. Walsh-Korb, S.J. Barrow, S.L. Henderson, J. del Barrio, O.A. Scherman. The importance of excess poly(N-isopropylacrylamide) for the aggregation of poly(N-isopropylacrylamide)-coated gold nanoparticles. ACS Nano 10, 3158 (2016). https://doi.org/10.1021/acsnano.5b04083
Y.M. Ma, D.X. Wei, H. Yao, L.P. Wu, G.Q. Chen. Synthesis, characterization and application of thermoresponsive polyhydroxyalkanoate-graft-poly(N-isopropylacrylamide). Biomacromolecules 17, 2680 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.biomac.6b00724
K.N. Plunkett, X. Zhu, J.S. Moore, D.E. Leckband. PNIPAM chain collapse depends on the molecular weight and grafting density. Langmuir 22, 4259 (2006). https://doi.org/10.1021/la0531502
A. Galperin, T.J. Long, B.D. Ratner. Degradable, thermo-sensitive poly(N-isopropyl acrylamide)-based scaffolds with controlled porosity for tissue engineering applications. Biomacromolecules 11, 2583 (2010). https://doi.org/10.1021/bm100521x
G. Graziano. On the temperature-induced coil to globule transition of poly-N-isopropylacrylamide in dilute aqueous solutions. Int. J. of Biological Macro-molecules 27, 89 (2000). https://doi.org/10.1016/S0141-8130(99)00122-1
V.C. Lopez, J. Hadgraft, M.J. Snowden. The use of colloidal microgels as a (trans)dermal drug delivery system. Intern. J. Pharmaceutics 292, 137 (2005). https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2004.11.040
A. Khanal, M.-P. N. Bui, S.S. Seo. Microgel-encapsulated methylene blue for the treatment of breast cancer cells by photodynamic therapy. J. Breast Cancer 17, 18 (2014). https://doi.org/10.4048/jbc.2014.17.1.18
W. Tao, L. Yan. Thermogelling of highly branched poly(N-isopropylacrylamide). J. Appl. Polymer Sci. 118, 3391 (2010). https://doi.org/10.1002/app.32410
E.C. Dreaden, L.A. Austin, M.A. Mackey, M.A. El-Sayed. Size matters: gold nanoparticles in targeted cancer drug delivery. Therapeutic Delivery 3, 457 (2012). https://doi.org/10.4155/tde.12.21
R. Mendes, P. Pedrosa, J.C. Lima, A.R. Fernandes, P.V. Baptista. Photothermal enhancement of chemotherapy in breast cancer by visible irradiation of gold nanoparticles. Sci. Reports 7, 10872 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-11491-8
R.S. Riley, E.S. Day. Gold nanoparticle-mediated photothermal therapy: Applications and opportunities for multimodal cancer treatment. WIREs Nanomedic. and Nanobiotech. 9, e1449 (2017). https://doi.org/10.1002/wnan.1449
M.R.K. Ali, I.M. Ibrahim, H.R. Ali, S.A. Selim, M.A. El-Sayed. Treatment of natural mammary gland tumors in canines and felines using gold nanorods-assisted plasmonic photothermal therapy to induce tumor apoptosis. Intern. J. Nanomedicine 11, 4849 (2016). https://doi.org/10.2147/IJN.S109470
L. Mei, Z. Lu, X. Zhang, C. Li, Y. Jia. Polymer-Ag nanocomposites with enhanced antimicrobial activity against bacterial infection. ACS Applied Materials & Interfaces, 6, 15813 (2014). https://doi.org/10.1021/am502886m
S.A. Abouelmagd, H. Hyun, Y. Yeo. Extracellularly activatable nanocarriers for drug delivery to tumors. Expert Opinion on Drug Delivery 11 (10), 1601 (2014). https://doi.org/10.1517/17425247.2014.930434
H. Hatakeyama. Recent advances in endogenous and exogenous stimuli-responsive nanocarriers for drug delivery and therapeutics. Chemical and Pharmaceutical Bulletin 65, 612 (2017). https://doi.org/10.1248/cpb.c17-00068
N. Kutsevol, A. Naumenko, V. Chumachenko, O. Yeshchenko, Yu. Harahuts, V. Pavlenko. Aggregation processes in hybrid nanosystem Polymer/Nanosilver/Cisplatine. Ukr. J. Phys. 63, 513 (2018). https://doi.org/10.15407/ujpe63.6.513
O. Yeshchenko, A.P. Naumenko, N.V. Kutsevol, I.I. Harahuts. Laser-driven structural transformations in dextran-graft-PNIPAM copolymer/Au nanoparticles hybrid nanosystem: the role of plasmon heating and attractive optical forces. RSC Advances 8, 38400 (2018). https://doi.org/10.1039/C8RA07768A
T. Ding, V.K. Valev, A.R. Salmon, C.J. Forman, S.K. Smoukov, O.A. Scherman, D. Frenkel, J.J. Baumberg. Light-induced actuating nanotransducers. Proceedings of Nat. Acad. Sci. of U.S.A. 113, 5503 (2016). https://doi.org/10.1073/pnas.1524209113
I. Aibara, S. Mukai, S. Hashimoto. Plasmonic-heating-induced nanoscale phase separation of free poly(Nisopropylacrylamide) molecules. J. Phys. Chem. C 120, 17745 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b04265
I. Aibara, J. Chikazawa, T. Uwada, S. Hashimoto. Localized phase separation of thermoresponsive polymers induced by plasmonic heating. J. Phys. Chem. C 121, 22496 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b07187
S. Murphy, S. Jaber, C. Ritchie, M. Karg, P. Mulvaney. Laser flash photolysis of Au-PNIPAM core-shell nanoparticles: dynamics of the shell response. Langmuir 32, 12497 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.6b02781
A.O. Govorov, W. Zhang, T. Skeini, H. Richardson, J. Lee, N.A. Kotov. Gold nanoparticle ensembles as heaters and actuators: melting and collective plasmon resonances. Nanoscale Res. Lett. 1, 84 (2006). https://doi.org/10.1007/s11671-006-9015-7
A.O. Govorov, H.H. Richardson. Generating heat with metal nanoparticles. Nano Today 2, 30 (2007). https://doi.org/10.1016/S1748-0132(07)70017-8
M.L. Brongersma, N.J. Halas, P. Nordlander. Plasmon-induced hot carrier science and technology. Nature Nanotechn. 10, 25 (2015). https://doi.org/10.1038/nnano.2014.311
G. Baffou, R. Quidant. Thermo-plasmonics: Using metallic nanostructures as nano-sources of heat. Laser & Photonics Reviews 7, 171 (2013). https://doi.org/10.1002/lpor.201200003
Z. Fang, Y.R. Zhen, O. Neumann, A. Polman, F.J. Garc'ıa de Abajo, P. Nordlander, N.J. Halas. Evolution of light-induced vapor generation at a liquid-immersed metallic nanoparticle. Nano Letters 13, 1736 (2013). https://doi.org/10.1021/nl4003238
O.A. Yeshchenko, V.V. Kozachenko. Light-induced heating of dense 2D ensemble of gold nanoparticles: dependence on detuning from surface plasmon resonance. J. Nanopart. Res. 17, 296 (2015). https://doi.org/10.1007/s11051-015-3101-7
O.A. Yeshchenko, N.V. Kutsevol, A.P. Naumenko. Light-induced heating of gold nanoparticles in colloidal solution: dependence on detuning from surface plasmon resonance. Plasmonics 11, 345 (2016). https://doi.org/10.1007/s11468-015-0034-z
J.J. Kingsley-Smith, M.F. Picardi, L. Wei, A.V. Zayats, F.J. Rodr'ıguez-Fortu˜no. Optical forces from near-field directionalities in planar structures. Phys. Rev. B 99, 235410 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.235410
K. Svoboda, S.M. Block. Optical trapping of metallic Rayleigh particles. Optics Letters 19, 930 (1994). https://doi.org/10.1364/OL.19.000930
S. Sato, Y. Harada, Y. Waseda. Optical trapping of microscopic metal particles. Optics Letters 19, 1807 (1994). https://doi.org/10.1364/OL.19.001807
J.R. Arias-Gonz'alez, M. Nieto-Vesperinas. Optical forces on small particles: Attractive and repulsive nature and plasmon-resonance conditions. J. Opt. Soc. of America A 20, 1201 (2003). https://doi.org/10.1364/JOSAA.20.001201
P. Chu, D.L. Mills. Laser-induced forces in metallic nanosystems: the role of plasmon resonances. Phys. Rev. Lett. 99, 127401 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.99.127401
J. Ng, R. Tang, C.T. Chan. Electrodynamics study of plasmonic bonding and antibonding forces in a biosphere. Phys. Rev. B 77, 195407 (2008). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.77.195407
A.J. Hallock, P.L. Redmond, L.E. Brus. Optical forces between metallic particles. Proceedings of Nat. Acad. of Sci. of U.S.A. 102, 1280 (2005). https://doi.org/10.1073/pnas.0408604101
A.S. Urban, S. Carretero-Palacios, A.A. Lutich, T. Lohm¨uller, J. Feldmann, F. J¨ackel. Optical trapping and manipulation of plasmonic nanoparticles: fundamentals, applications, and perspectives. Nanoscale 6, 4458 (2014). https://doi.org/10.1039/c3nr06617g
Y. Arita, G. Tkachenko, N. McReynolds, N. Marro, W. Edwards, E.R. Kay, K. Dholakia. Optical trapping of ultrasmooth gold nanoparticles in liquid and air. APL Photonics 3, 070801 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5030404
H. Xu, M. Kall. Surface-plasmon-enhanced optical forces in silver nanoaggregates. Phys. Rev. Lett. 89, 246802 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.89.246802
F. Svedberg, Z. Li, H. Xu, M. Kall. Creating hot nanoparticle pairs for surface-enhanced Raman spectroscopy through optical manipulation. Nano Letters 6, 2639 (2006). https://doi.org/10.1021/nl062101m
D. Fava, M.A. Winnik, E. Kumacheva. Photothermally triggered self-assembly of gold nanorods. Chem. Commun. 18, 2571 (2009). https://doi.org/10.1039/b901412h
K. Murakoshi, Y. Nakato. Formation of linearly arrayed gold nanoparticles on gold single-crystal surfaces. Adv. Materials 12, 791 (2000). https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-4095(200006)12:11<791::AID-ADMA791>3.0.CO;2-L
V. Chumachenko, N. Kutsevol, Y. Harahuts, M. Rawiso, A. Marinin, L. Bulavin. Star-like dextran-graft-PNiPAM copolymers. Effect of internal molecular structure on the phase transition. J. Mol. Liq. 235, 77 (2017). https://doi.org/10.1016/j.molliq.2017.02.098
A. Scotti, W. Liu, J.S. Hyatt et al. The CONTIN algorithm and its application to determine the size distribution of microgel suspensions. J. Chem. Phys. 142, 234905 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4921686
O. Pe˜na-Rodr'ıguez, P.P. Gonz'alez P'erez, U. Pal. MieLab: A software tool to perform calculations on the scattering of electromagnetic waves by multilayered spheres. Intern. J. Spectroscopy 2011, 583743, (2011). https://doi.org/10.1155/2011/583743
Downloads
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна
Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:
1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.
2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.
3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.
4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.
5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.
6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.
.png){kind=small}
