Synthesis and their Theranostic Applications of Plasmonic Gold-Silver Alloy Nanoparticles and Porous Nanostructures

La recherche sur les nanoparticules (NP) métalliques plasmoniques est florissante au cours des dernières décennies. Parmi les NP plasmoniques, les NPs d'or (Au) et d'argent (Ag) et d'autres métaux nobles sont les plus étudiées en raison de leurs propriétés optiques exceptionnelles et de leur polyvalence. Leur interaction avec la lumière, la diffusion et la concentration de la lumière à proximité de la particule augmentent leur contraste sous illumination, ainsi que l'amélioration du champ de surface proche a permis la détectabilité dans le champ proche. Ces propriétés uniques peuvent promouvoir et permettre des applications dans divers domaines, notamment l'imagerie et la détection biomédicales, le domaine énergétique pour les cellules solaires et les catalyseurs ainsi que le stockage et le cryptage d'informations. Certes, les NPs Au et Ag ont été exploitées dans diverses applications, tandis que leur alliage avec une autre dimension d'ajustabilité offre plus d'opportunités. Le rapport de composition réglable permet des propriétés optiques réglables, résultant directement en des couleurs contrôlables, et peut être appliqué pour la construction de structures plus complexes. Sur la base de la dépendance structurelle des propriétés optiques, diverses nanostructures et le contrôle de la synthèse ont été explorés. Les NP plus grandes (> 50 nm) avec une forte diffusion et une capacité d'amélioration ont été synthétisées par notre précédent collègue David Rioux, ce qui a ouvert la voie à leur utilisation en imagerie et potentiellement pour d'autres applications. Sur la base de l'approche de synthèse déjà publiée, il y a plus d'optimisation à faire pour un contrôle fin, ce qui facilite des applications plus pratiques. En outre, l'applicabilité de l'imagerie doit être prouvée dans des diagnostics pratiques tels que des tests de cytopathologie clinique. De plus, les NP Au-Ag de dimension et de composition ajustables contiennent un potentiel beaucoup plus important dans la construction de structures irrégulières, ce qui peut apporter des propriétés plus sophistiquées et une plus grande multifonctionnalité. L'amélioration du champ est la propriété la plus attendue des NP plasmoniques, et l'amélioration amplifie fortement le signal du champ proche, ce qui entraînerait des sondes ou des détecteurs sensibles.

Abstract

The research on plasmonic-metal nanoparticles (NPs) is thriving during the last several decades. Among plasmonic NPs, gold (Au) and silver (Ag) NPs and other noble metals are the most studied due to their exceptional optical properties and versatility. Indeed, upon their interaction with light, strong scattering and concentration of light near the particle can boost their contrast in imaging, as well as the near surface field enhancement enabled the detectability in the near field. These unique properties can promote and enable applications in diverse fields, including biomedical imaging and sensing, energy for solar cells and catalysts as well as information storage and encryption. Even if Au and Ag NPs have been exploited in various applications, the synthesis of their alloys open up another dimension of adjustability, thus offering more opportunities. Indeed, the regulatable composition ratio enables tunable optical properties, directly resulting in controllable colors, and can be applied for more complexed structure building. Based on the structure dependence of optical properties, various nanostructures and the control of synthesis have been explored. The larger (> 50 nm) NPs with strong scattering and enhancing ability has been synthesized by our previous colleague David Rioux, which opened the window for the new strategies in imaging and other applications. Based on the published synthesis approach, more optimization is needed for finely control the process and nanostructures propreties, thus facilitating more practical applications. Indeed, for example, the imaging applicability has to be proven in practical diagnostics such as clinical cytopathology tests. Moreover, the Au-Ag NPs with adjustable dimension and composition contain much greater potential in irregular structure building, which may bring more unique properties and multifunctionality. In addition, the field enhancement is the most anticipated property of the plasmonic NPs, and the enhancement strongly amplifies the signal from near field, which would result in sensitive probes or detectors. This thesis focuses on the optimization of Au-Ag alloy NPs synthesis, and the multiplexing applications of the solid NPs; exploring surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) probing by structural design with Au-Ag alloy NPs and their potential for multifunctional platform. The first part of this thesis focuses on the optimization the synthesis through studying the detailed mechanism of seeded growth and coreduction of Au-Ag. To facilitate further applications, the standard synthesis approach and the precise control on the size and composition has been developed in details.