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，卷:12(1)

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三角形金-铁纳米颗粒的光学效应

*通信:

S S维尔马， Sant Longowal工程技术学院物理系，Sangrur-148106，旁遮普邦，印度，E-Mail:(电子邮件保护)

摘要

近年来，人们对磁性纳米颗粒在数据存储、药物靶向或传递和治疗等方面的应用产生了浓厚的兴趣
生物医学应用。这种纳米颗粒的相容性、稳定性和光学性能可以通过结合得到增强
用贵重金属制成。在本研究中，我们计算了金-铁(Au-Fe)合金纳米结构的光学性质作为函数
用离散偶极近似法对大小、成分和周围介质进行近似分析。人们已经发现三角形
形状纳米结构在适当的粒径和周围介质下表现出较强的等离子体性质。的增加
尺寸导致局部表面等离子体共振(LSPR)从紫外可见区域转移到近红外(NIR)区域
以及吸收效率参数的增强。尺寸对全宽半最大值(FWHM)的影响也有
分析。通过对不同环境介质下三角形纳米结构的比较，表明LSPR λmax和λmax均为λ
FWHM的折射率排序为n=1.53 > n=1.33 > n=1.00。因此，提出的结果可以帮助选择
磁等离子体纳米结构在医学诊断、治疗和生物成像中的应用。

关键字

纳米结构，三角形，介质，LSPR, FWHM

简介

等离子体和磁性纳米颗粒(NPs)正在研究其在生物医学应用中的潜在用途。金因其生物相容性、抗氧化性、合成途径以及与有机分子的灵活结合可能性，在生物医学应用中主要被用作高贵材料[1］．磁性纳米粒子(MNPs)因其高磁化率而被广泛应用于生物医学领域低毒性和用作磁性药物靶向剂，磁共振成像造影剂及磁选用[2，3.］．由于自由传导电子的集体振荡而表现出局部表面等离子体共振(LSPR)，并在可见光和近红外波长表现出强烈的光学共振的纳米颗粒称为等离子体NPs(例如银和金)[4］．等离子体共振具有独特的光学特性，如在等离子体共振波长具有很强的吸收增强和散射增强。近红外吸收峰和优异的散射特性适合光学生物医学应用。共振峰的强度或效率和位置与共振峰的大小、形状和周围介质有很大的关系。

磁等离子体纳米结构是由磁等离子体纳米粒子和等离子体纳米粒子结合而成的，其光学性质可以用电动力学方法进行研究。Kelly等人研究了形状、尺寸和介电环境对金属纳米颗粒光学性质的影响[5]但就我们所知，有关磁等离子体合金纳米颗粒的研究有限。在这项工作中，光学性质，如λ_马克斯，吸收效率，FWHM, Q_嘘/ Q_腹肌λ因子_马克斯计算了三角形Au-Fe纳米颗粒的能量。研究了尺寸、组成和周围介质对三角形纳米结构的影响。这些发现有助于在光热治疗和成像中使用新的设计和合适的磁等离子体纳米结构。

计算方法

离散偶极近似(DDA)是计算电磁平面波在任意形状、成分和外部介质的孤立目标作用下的消光、散射和吸收的一种有效的电动力学方法。吸收效率(Q_腹肌)作为波长的函数，采用DDA方法计算。目前双金属合金三角形的计算是用DDSCAT 7.3进行的，由Draine和Flatau [6］．在所有计算中，偶极子数取近~8×104表示目标，其有效大小计算为aeff = (3V/4π)1/3。各种介电函数被包括在计算纳米材料的光学性质。金和铁的介电常数随波长的函数值取自John和Christy [7，8]，然后采用重量百分比法计算合金的介电常数。所有的DDA计算都是针对三种不同的介质折射率(n = 1.00-空气，n = 1.33-水，n = 1.53-二氧化硅)进行的，因为在生物医学应用中会遇到许多环境(代表不同的折射率)。由Q_腹肌， λ等光学特性_马克斯得到了效率因子和(全宽半极大值)FWHM。此外，我们还计算了Q_嘘/ Q_腹肌在λ_马克斯，这是预期应用的重要参数。

结果

在复介电常数随波长变化的基础上描述了金属纳米结构的光学性质。纳米结构的尺寸从30 nm到70 nm不等，大于传导自由电子的自由平均路径，因此，表面散射效应不重要，因此，介电常数中不包括尺寸修正。金属介电函数的实部决定了LSPR峰的位置，虚部决定了散射和吸收的相对贡献。因此，得到的Au1-xFex (x = 0.25, 0.50和0.75)随单个金属的介电常数值的有效实部和虚部示于图1(a, b)．

当我们将单个金属组合成合金时，与单个金属相比，介电常数值的变化是导致合金NPs光学性质变化的原因。采用平均重量法计算双金属合金的介电函数，式为ε合金(ω) = (1-x) εAu(ω)+(x)εFe(ω)， x表示Au-Fe纳米颗粒中的金属成分。因此，光学性质计算x = 0.50的合金金属成分。

图2．为不同尺寸三角形Au50Fe50双金属合金纳米颗粒的吸收光谱计算结果。随着纳米粒子粒径的增大，LSPR或λ_马克斯显示了峰位置随红移的增加以及吸收效率的增加。随着尺寸的增加，峰值位于270-626 nm波长之间。在30 ~ 50 nm吸收光谱中有两个LSPR峰。当粒径为30 nm时，峰向较长的波长移动;峰1和峰2分别位于273nm和529nm波长。峰1的幅度比峰2大得多，因此峰1占主导地位，而峰2看起来像峰1的肩膀。这两个峰是偶极共振模式，Zhou等人在立方体形状的纳米颗粒中也注意到了类似的趋势[9］．对于50 nm的粒子，分别在波长400 nm和575 nm处观察到两个峰(1和2)，它们的大小几乎相同。原因是纳米颗粒的聚集。对于70 nm粒径，在626 nm波长出现较宽的峰。然而，还有一个参数，即三角形纳米结构的边缘锐度，它具有较大的LSPR宽度和较宽的峰值。Mock等人在三角形银纳米颗粒中发现了这种边缘效应[10］．此外，所考虑的合金的光学性质可以在(电磁)EM谱的任何地方调整，并改变每种所考虑的颗粒尺寸的组成(这里不考虑)。中，LSPR波长随尺寸的增大而逐渐增大图3(a, b)．介质的折射率越大，吸收效率也越高，特别是n = 1.33和n = 1.53时更有效。这种现象是由于导带电子在较大距离上的振荡导致了较小的恢复力。因此，LSPR峰值向较长的波长区域移动。

此外，通过改变固定尺寸的纳米颗粒周围的介质，LSPR峰值向更高波长区域移动(对于50 nm粒径的纳米颗粒，LSPR峰值向301 nm, 402 nm, 625 nm)。这是由于自由电子振荡频率随折射率的增加而降低。

图4显示全宽半极大值(FWHM)随周围介质大小变化的函数。由于FWHM有助于它们在特定应用中的使用，例如，更大的FWHM具有增强的散射效率，用于等离子体太阳细胞提高吸收效率，降低传感应用中的FWHM。计算得到的FWHM介质折射率增强较强(n = 1.00时为115 nm ~ 388 nm, n = 1.33时为197 nm ~ 523 nm, n = 1.53时为260 nm ~ 568 nm)，在EM谱上覆盖较大区域。当n = 1.00时，与其他考虑的折射率相比，FWHM逐渐增加。当粒径增加到50 nm时，FWHM随着200 nm到550 nm波长区域虚部的增加而增加，当粒径超过50 nm时，FWHM由于虚部的减少而减小，如图所示1 (b)．总体而言，FWHM随周围介质折射率的增加而增大。

此外，我们计算了相对效率参数:定义为λmax处的散射与吸收之比，即η =该参数指定了纳米结构散射或吸收光的相对程度，是可预见应用的重要因素。对于某些应用(成像)，散射是主要过程，而其他如光热治疗需要高吸收

图5．显示了金-铁合金纳米颗粒在不同周围介质下的相对效率。相对于n = 1.33, n = 1.00和n = 1.53时，相对效率持续增加。随着纳米颗粒尺寸的增加，散射与吸收的比率增加，这表明较大的纳米颗粒更适合于生物用途成像的应用程序基于光散射。

结论与讨论

研究发现，在适当的粒径和周围介质条件下，三角形纳米结构具有较强的等离子体性质。尺寸的增加导致局部表面等离子体共振(LSPR)从紫外可见区域转移到近红外(NIR)区域，并增强了吸收效率参数。研究了尺寸、组成和周围介质对所考虑的纳米结构的影响。这些发现有助于在光热治疗和成像中使用新的设计和合适的磁等离子体纳米结构。分析了尺寸对全宽半极大值的影响。对不同周围介质下三角形纳米结构的比较表明，LSPR λ_马克斯FWHM的折射率排序为n = 1.53 > n = 1.33 > n = 1.00。因此，所提出的结果可以帮助选择合适的磁等离子体纳米结构应用于医学诊断，治疗和生物成像。

参考文献

1. 陈杰，赵晓霞，张晓明，等。金纳米结构:生物医学应用的一类多功能材料。化学Soc Rev. 2011;40:44-56。
2. 廖震，王辉，吕荣，等。聚合物脂质体包被超顺磁性氧化铁纳米颗粒作为靶向造影剂磁共振成像的癌症细胞。朗缪尔。2011;27:3100-5。
3. 李志强，李志强，李志强，等。癌症载药磁性纳米粒子治疗-磁性药物靶向。《中国科学》2011;323:1404-7。
4. 麦尔SA。等离子体子:基础和应用。SSBM。2007.
5. 张晓东，张晓明，张晓明，等。金属纳米粒子的光学性质:大小、形状和介电环境的影响)。化学与工程学报(英文版);2003;
6. 排水BT, Flatau PJ。散射计算的离散偶极近似。JOSAA。1994; 11:1491-9。
7. 约翰逊PB，克里斯蒂RW。贵金属的光学常数。物理评论B. 1972;6:4370。
8. 约翰逊PB，克里斯蒂RW。过渡金属的光学常数:Ti, v, cr, mn, fe, co, ni和pd。物理学Rev . 1974;9:5056。
9. 周峰，李志颖，刘勇，等。金属纳米粒子表面等离子体共振偶极子和四极子激发的定量分析。中国化学工程学报。2008;
10. Mock JJ, Barbic M, Smith DR，等。单个胶体银纳米粒子等离子体共振中的形状效应。化学与物理学报，2002;