mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2020-2-116-126mateltech-377Research ArticleНаноматериалы и нанотехнологииNANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGYИсследование наностержней коллоидного золота в жидких дисперсиях методами, основанными на рассеянии светаStudy of colloidal dispersions of gold nanorods using light scattering methodsШалаевП. В.ShalaevP. V.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498

Шалаев Павел Владимирович — аспирант

1 Shokin Sq., Zelenograd, Moscow, 124498

Pavel V. Shalaev: PhD student

shalaev.pv@gmail.comМонаховаП. А.MonakhovaP. A.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498

Монахова Полина Андреевна — студент

1 Shokin Sq., Zelenograd, Moscow, 124498

Polina A. Monakhova: Student

mpolina09@mail.ruТерещенкоС. А.TereshchenkoS. A.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498

Терещенко Сергей Андреевич — доктор физ.-мат. наук, профессор

1 Shokin Sq., Zelenograd, Moscow, 124498

Sergey A. Tereshchenko: Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor 

tsa@miee.ruНациональный исследовательский университет «МИЭТ»РоссияNational Research University of Electronic TechnologyRussian Federation202008082020232116126Copyright © Шалаев П.В., Монахова П.А., Терещенко С.А., 20202020Шалаев П.В., Монахова П.А., Терещенко С.А.Shalaev P.V., Monakhova P.A., Tereshchenko S.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/377

Проведены исследования пяти образцов жидких дисперсий наностержней коллоидного золота с различными аспектными отношениями методами, основанными на рассеянии света. В качестве эталонного применялся метод просвечивающей электронной микроскопии. Показаны преимущества и недостатки применения методов динамического рассеяния света и анализа траекторий наночастиц при определении геометрических параметров наночастиц, их концентрации, степени монодисперсности образцов, а также при обнаружении крупных агрегатов частиц и квазисферических примесей. Показано, что для определения геометрических параметров жидких дисперсий наностержней коллоидного золота может применяться метод деполяризованного динамического рассеяния света. При этом на результаты измерений в значительной степени влияет наличие крупных примесей либо агрегатов частиц в образце. Наличие крупных частиц в дисперсии, в свою очередь, может быть определено при помощи методов динамического рассеяния света или анализа траекторий наночастиц. Причем метод динамического рассеяния света более чувствителен к наличию в образце даже небольшого количества крупных примесей либо агрегатов. Степень монодисперсности жидкой дисперсии наностержней также может быть оценена методами динамического рассеяния света и анализа траекторий наночастиц, причем, в сравнении с электронной микроскопией, результаты измерений можно считать в большей степени статистически достоверными, за счет анализа большего количества частиц. Установлено, что с увеличением концентрации сферических частиц в составной дисперсии наносфер и наностержней коллоидного золота, вклад вращательной моды в общую интенсивность рассеяния уменьшается. Представлены результаты измерения концентрации квазисферических примесей в образцах жидких дисперсий наностержней коллоидного золота на основе измерения степени деполяризации рассеянного света.

Five samples of colloidal dispersions of gold nanorods with various aspect ratio were studied using methods based on light scattering. Transmission electron microscopy was used as a reference method. The advantages and disadvantages of the dynamic light scattering and nanoparticle tracking analysis methods for determination of the geometric parameters of nanoparticles, their concentration, monodispersity, as well as for detection of large aggregates and quasispherical impurities were given. It was shown that the method of depolarized dynamic light scattering can be used for determination of the geometric parameters of liquid dispersions of colloidal gold nanorods. Moreover, it was found that the presence of large impurities or particle aggregates in the sample strongly affects the measurement results. The presence of large particles in the dispersion can be determined using dynamic light scattering or nanoparticle tracking analysis methods. The method of dynamic light scattering was also found to be more sensitive to the presence of even a small amount of large impurities or aggregates in the sample. The monodispersity of a liquid dispersion of nanorods can also be estimated by dynamic light scattering and nanoparticle tracking analysis methods, and, comparing to electron microscopy, the measurement results can be considered more statistically reliable due to the analysis of a larger number of particles. It was found that the increase of spherical particles concentration in the composite dispersion of nanospheres and nanorods leads to a decrease in the contribution of the rotational mode in the total scattering intensity. In addition, the concentration of quasispherical impurities in samples of liquid dispersions of colloidal gold nanorods was calculated based on measurements of the depolarization degree of scattered light.

несферические наночастицынаностержниколлоидное золотодинамическое рассеяние светаанализ траекторий наночастицдеполяризация светаnonspherical nanoparticlesnanorodscolloidal golddynamic light scatteringnanoparticle tracking analysisdepolarization of lightРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 14.584.21.0021, идентификатор RFMEFI58417X0021).ReferencesHuang X., Neretina S., El-Sayed M. Gold nanorods: from synthesis and propertiesto biological and biomedical applications // Adv. Mater. 2009. V. 21, Iss. 48. P. 4880—4910. DOI: 10.1002/adma.200802789Huang X., Neretina S., El-Sayed M. Gold nanorods: from synthesis and propertiesto biological and biomedical applications. Adv. Mater. 2009, vol. 21, no. 48, pp. 4880—4910. DOI: 10.1002/adma.200802789Хлебцов Н. Г. Оптика и биофотоника наночастиц с плазмонным резонансом // Квантовая электроника. 2008. Т. 38, № 6. С. 504—529.Khlebtsov N. Optics and biophotonics of nanoparticles with a plasmon resonance. Quantum Electronics. 2008, vol. 38, no. 6, pp. 504—529. (In Russ.). DOI: 10.1070/QE2008v038n06ABEH013829Lee K. C. J., Chen Y.-H., Lin H.-Y., Cheng C.-C., Chen P.-Y., Wu T.-Y., Shih M.-H., Wei K.-H., Li L.-J., Chang C.-W. Plasmonic gold nanorods coverage influence on enhancement of the photoluminescence of two-dimensional MoS2 monolayer // Sci. Rep. 2015. V. 5. Art. No. 16374. DOI: 10.1038/srep16374Lee K. C. J., Chen Y.-H., Lin H.-Y., Cheng C.-C., Chen P.-Y., Wu T.-Y., Shih M.-H., Wei K.-H., Li L.-J., Chang C.-W. Plasmonic gold nanorods coverage influence on enhancement of the photoluminescence of two-dimensional MoS2 monolayer. Sci. Rep. 2015, vol. 5, p. 16374. DOI: 10.1038/srep16374Liang Z., Sun J., Jiang Y., Jiang L., Chen X. Plasmonic enhanced optoelectronic devices // Plasmonics. 2014. V. 9. P. 859—866. DOI: 10.1007/s11468-014-9682-7Liang Z., Sun J., Jiang Y., Jiang L., Chen X. Plasmonic enhanced optoelectronic devices. Plasmonics. 2014, vol. 9, pp. 859—866. DOI: 10.1007/s11468-014-9682-7Reiser B., González-García L., Kanelidis I., Maurera J. H. M., Kraus T. Gold nanorods with conjugated polymer ligands: sintering-free conductive inks for printed electronics // Chem. Sci. 2016. Iss. 7. P. 4190—4196. DOI: 10.1039/c6sc00142dReiser B., González-García L., Kanelidis I., Maurera J. H. M., Kraus T. Gold nanorods with conjugated polymer ligands: sintering-free conductive inks for printed electronics. Chem. Sci. 2016, no. 7, pp. 4190—4196. DOI: 10.1039/c6sc00142dWu B., Liu D., Mubeen S., Chuong T. T., Moskovits M., Stucky G. D. Anisotropic growth of TiO2 onto gold nanorods for plasmon-enhanced hydrogen production from water reduction // J. Am. Chem. Soc. 2016. V. 138, Iss. 4. P. 1114—1117. DOI: 10.1021/jacs.5b11341Wu B., Liu D., Mubeen S., Chuong T. T., Moskovits M., Stucky G. D. Anisotropic growth of TiO2 onto gold nanorods for plasmon-enhanced hydrogen production from water reduction. J. Am. Chem. Soc. 2016, vol. 138, no. 4, pp. 1114—1117. DOI: 10.1021/jacs.5b11341Shen G., Chen D. One-dimensional nanostructures for electronic and optoelectronic devices // Front. Optoelectron. China. 2010. V. 3, Iss. 2. P. 125—138. DOI: 10.1007/s12200-010-0001-4Shen G., Chen D. One-dimensional nanostructures for electronic and optoelectronic devices. Front. Optoelectron. China. 2010, vol. 3, no. 2, pp. 125—138. DOI: 10.1007/s12200-010-0001-4Mahmoud A. Y., Zhang J., Ma D., Izquierdo R., Truong V.-V. Optically-enhanced performance of polymer solar cells with low concentration of gold nanorods in the anodic buffer layer // Organic Electron. 2012. V. 13, Iss. 12. P. 3102—3107. DOI: 10.1016/j.orgel.2012.09.015Mahmoud A. Y., Zhang J., Ma D., Izquierdo R., Truong V.-V. Optically-enhanced performance of polymer solar cells with low concentration of gold nanorods in the anodic buffer layer. Organic Electron. 2012, vol. 13, no. 12, pp. 3102—3107. DOI: 10.1016/j.orgel.2012.09.015Liu C., Zhao C., Zhang X., Guo W., Liu K., Ruan S. Unique gold nanorods embedded active layer enabling strong plasmonic effect to improve the performance of polymer photovoltaic devices // J. Phys. Chem. C. 2016. V. 120, Iss. 11. P. 6198—6205. DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b00459Liu C., Zhao C., Zhang X., Guo W., Liu K., Ruan S. Unique gold nanorods embedded active layer enabling strong plasmonic effect to improve the performance of polymer photovoltaic devices. J. Phys. Chem. C. 2016, vol. 120, no. 11, pp. 6198—6205. DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b00459Chon J. W. M., Bullen C., Zijlstra P., Gu M. Spectral encoding on gold nanorods doped in a silica sol-gel matrix and its application to high-density optical data storage // Adv. Funct. Mater. 2007. V. 17, Iss. 6. P. 875—880. DOI: 10.1002/adfm.200600565Chon J. W. M., Bullen C., Zijlstra P., Gu M. Spectral encoding on gold nanorods doped in a silica sol-gel matrix and its application to high-density optical data storage. Adv. Funct. Mater. 2007, vol. 17, no. 6, pp. 875—880. DOI: 10.1002/adfm.200600565Zijlstra P., Chon J., Gu M. Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods // Nature. 2009. V. 459. P. 410—413. DOI: 10.1038/nature08053Zijlstra P., Chon J., Gu M. Five-dimensional optical recording mediated by surface plasmons in gold nanorods. Nature. 2009, vol. 459, pp. 410—413. DOI: 10.1038/nature08053Du Y., Jiang Q., Beziere N., Song L., Zhang Q., Peng D., Chi C., Yang X., Guo H., Diot G., Ntziachristos V., Ding B., Tian J. DNA-nanostructure—gold-nanorod hybridsfor enhanced in vivo optoacoustic imaging and photothermal therapy // Adv. Mater. 2016. V. 28, Iss. 45. P. 10000—10007. DOI: 10.1002/adma.201601710Du Y., Jiang Q., Beziere N., Song L., Zhang Q., Peng D., Chi C., Yang X., Guo H., Diot G., Ntziachristos V., Ding B., Tian J. DNA-nanostructure—gold-nanorod hybridsfor enhanced in vivo optoacoustic imaging and photothermal therapy. Adv. Mater. 2016, vol. 28, no. 45, pp. 10000—10007. DOI: 10.1002/adma.201601710Li Z., Huang H., Tang S., Li Y., Yu X.-F., Wang H., Li P., Sun Z., Zhang H., Liu C., Chu P. K. Small gold nanorods laden macrophagesfor enhanced tumor coverage in photothermal therapy // Biomaterials. 2016. V. 74. P. 144—154. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2015.09.038Li Z., Huang H., Tang S., Li Y., Yu X.-F., Wang H., Li P., Sun Z., Zhang H., Liu C., Chu P. K. Small gold nanorods laden macrophagesfor enhanced tumor coverage in photothermal therapy. Biomaterials. 2016, vol. 74, pp. 144—154. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2015.09.038Jain P. K., Lee K. S., El-Sayed I. H., El-Sayed M. A. Calculated absorption and scattering properties of gold nanoparticles of different size, shape, and composition: applications in biological imaging and biomedicine // J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110, Iss. 14. P. 7238—7248. DOI: 10.1021/jp057170oJain P. K., Lee K. S., El-Sayed I. H., El-Sayed M. A. Calculated absorption and scattering properties of gold nanoparticles of different size, shape, and composition: applications in biological imaging and biomedicine. J. Phys. Chem. B. 2006, vol. 110, no. 14, pp. 7238—7248. DOI: 10.1021/jp057170oDavis M., Chen Z., Shin D. Nanoparticle therapeutics: an emerging treatment modality for cancer // Nature Rev. Drug Discovery. 2008. V. 7, Iss. 9. P. 771—782. DOI: 10.1038/nrd2614Davis M., Chen Z., Shin D. Nanoparticle therapeutics: an emerging treatment modality for cancer. Nature Rev. Drug Discovery. 2008, vol. 7, no. 9, pp. 771—782. DOI: 10.1038/nrd2614Mackey M., Ali M., Austin L., Near R., El-Sayed M. The most effective gold nanorod size for plasmonic photothermal therapy: theory and in vitro experiments // J. Phys. Chem. B. 2014. V. 118, Iss. 5. P. 1319—1326. DOI: 10.1021/jp409298fMackey M., Ali M., Austin L., Near R., El-Sayed M. The most effective gold nanorod size for plasmonic photothermal therapy: theory and in vitro experiments. J. Phys. Chem. B. 2014, vol. 118, no. 5, pp. 1319—1326. DOI: 10.1021/jp409298fБуров А. М., Ханадеев В. А., Хлебцов Б. Н., Хлебцов Н. Г. Настройка плазмонного резонанса золотых наностержней методом контролируемого травления // Коллоидный журнал. 2015. Т. 77, № 5. С. 659—668.Khanadeev V., Khlebtsov N., Burov A., Khlebtsov B. Tuning of plasmon resonance of gold nanorods by controlled etching. Colloid Journal. 2015, vol. 77, no. 5, pp. 652—660. DOI: 10.1134/S1061933X15050117Xu R. Light scattering: A review of particle characterization applications // Particuology. 2014. V. 18. P. 11—21. DOI: 10.1016/j.partic.2014.05.002Xu R. Light scattering: A review of particle characterization applications. Particuology. 2014, vol. 18, pp. 11—21. DOI: 10.1016/j.partic.2014.05.002Lehner D., Lindner H., Glatter O. Determination of the translational and rotational diffusion coefficients of rod-like particles using depolarized dynamic light scattering // Langmuir. 2000. V. 16, Iss. 4. P. 1689—1695. DOI: 10.1021/la9910273Lehner D., Lindner H., Glatter O. Determination of the translational and rotational diffusion coefficients of rod-like particles using depolarized dynamic light scattering. Langmuir. 2000, vol. 16, no. 4, pp. 1689—1695. DOI: 10.1021/la9910273Tirado M., Martínez C., de la Torre J. G. Comparison of theories for the translational and rotational diffusion coefficients of rod-like macromolecules. Application to short DNA fragments // J. Chem. Phys. 1984. V. 81, Iss. 4. P. 2047—2052. DOI:10.1063/1.447827Tirado M., Martínez C., de la Torre J. G. Comparison of theories for the translational and rotational diffusion coefficients of rod-like macromolecules. Application to short DNA fragments. J. Chem. Phys. 1984, vol. 81, no. 4, pp. 2047—2052. DOI:10.1063/1.447827Терещенко С., Бурнаевский И., Долгушин С., Шалаев П. Определение состава жидких полидисперсий цилиндроподобных микроорганизмов по степени деполяризации лазерного излучения // Медицинская техника. 2016. № 6. С. 17—21.Tereshchenko S., Burnaevsky I., Dolgushin S., Shalaev P. Determination of the composition of liquid polydispersions of cylinder-like microorganisms from the laser depolarization degree. Biomedical Engineering. 2017, vol. 50, no. 6, pp. 385—389. DOI: 10.1007/s10527-017-9661-3

The authors declare that there are no conflicts of interest present.