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Absorptionsspektrum und geometrische Größe von Gold-Nanostäbchen

31.12.2012

Gold-Nanostäbchen mit Längen von einigen zehn Nanometern und Durchmessern von etwa 15 bis 25 nm werden zunehmend in der biomedizinischen Forschung eingesetzt, wobei insbesondere die optischen Eigenschaften dieser Nanomaterialien neue Möglichkeiten für die Untersuchung biologischer Prozesse eröffnen. Gold-Nanostäb­chen zeigen ausgeprägte optische Plasmonen-Resonanzen in einem weiten Spektralbereich vom sichtbaren bis in den Nahinfrarotbereich und eignen sich daher gut als optische Marker zum ortsaufgelösten Nachweis biomolekularer Stoffe. Dabei zeigen sie keine Ausbleicheffekte wie es bei den üblicherweise verwendeten organischen Farbstoffen der Fall ist. Sie sind nicht toxisch, haben eine ausgezeichnete Biokompatibilität und eignen sich deshalb insbesondere für in-vivo Untersuchungen.  Resonanzen im Infrarotbereich erlauben die Untersuchung auch tiefer liegenden biologischen  Materials, und aufgrund ihrer kleinen Größe können sie leicht z.B. in Zellen eintreten.

Die Lage der Plasmonen-Resonanzen wird wesentlich durch die Geometrie der Gold-Nanostäbchen bestimmt  und kann daher durch geeignete Herstellung quasi „eingestellt“ werden. Wesentlicher Parameter ist das sogenannte „Aspektverhältnis“, d.h. das Verhältnis zwischen Länge und Durchmesser der Gold-Nanostäbchen: Je größer das Aspektverhältnis, desto größer ist die Resonanz-Wellenlänge der Oberflächen-Plasmonen. Auf internationaler Ebene (ISO und VAMAS [1]) gibt es Bestrebungen, die Bestimmung des Aspektverhältnis der Gold-Nanostäbchen über die Lage der Resonanzwellenlänge zu standardisieren.

Abb. 1. Foto der drei Proben (Bezeichnung: Nr. 6, 7 und 8) mit den Gold-Nanostäbchen

Im Rahmen dieser internationalen Aktivitäten hat die PTB an drei verschiedenen Proben Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen dem optischen Absorptionsspektrum und der geometrische Größe der Gold-Nanostäbchen durchgeführt. Die Proben wurden für die optischen Messungen in wässriger Suspension (siehe Abbildung 1) präpariert. Bereits visuell ist die unterschiedliche Färbung der Proben erkennbar.

Die PTB hat mit einem Spektralphotometer das Absorptionsspektrum der drei Proben gemessen und das sogenannte TSEM-Verfahren (Transmission Scanning Electron Microscopy) [2] eingesetzt, um die Geometrie (Länge und Durchmesser) der Goldstäbchen zu bestimmen. Das Ergebnis der spektralphotometrischen Messungen (Abbildung 2) zeigt deutlich unterschiedliche Absorptionsspektren. Die Lage des Maximums im Absorptionsspektrum ist die Messgröße, die mit dem Aspektverhältnis korreliert ist. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen exemplarische TSEM-Aufnahmen der Proben Nr. 6 und 8. Man erkennt, dass die Nanostäbchen der Probe Nr. 8 deutlich gestreckter sind als die der Probe Nr. 6. Man sieht aber auch, dass die Längen und Durchmesser der Nanostäbchen etwas variieren. Die quantitative Ausmessung zeigt eine entsprechende Variation des Aspektverhältnis. Als Beispiel ist in Abbildung 5 die Verteilung des Aspektverhältnisses für Probe Nr. 8 dargestellt.

Abbildung 6 zeigt den Zusammenhang zwischen der Lage des Absorptionsmaximums und des Modalwerts des Aspektverhältnisses. In guter Näherung ergibt sich eine lineare Beziehung zwischen den beiden Größen. Daraus lässt sich folgern, dass die vergleichsweise einfache und schnell auszuführende spektralphotometrische Messung eine Bestimmung des geometrischen Aspektverhältnis der Gold-Nanostäbchen ermöglicht.

Abb. 2. Gemessene Absorptionsspektren der drei Proben

Abb. 3. TSEM-Aufnahme der Probe Nr. 6

Abb. 4. TSEM-Aufnahme der Probe Nr. 8

Abb. 5. Verteilung des Aspektverhältnis der Nanostäbchen aus Probe Nr. 8

Abb. 6. Zusammenhang zwischen dem Maximum des Absorptionsspektrums und dem Modalwert des geometrischen Aspektverhältnis


[1]       Versailles Project on Advanced Materials and Standards (VAMAS), www.vamas.org

[2]       T. Klein, E. Buhr, K.-P. Johnsen, C. G. Frase: Traceable measurement of nanoparticle size using a SEM in transmission mode (TSEM), Meas. Sci. Technol. 22, 094002 (9p), (2011)