Gold Nanorods: From Synthesis and Properties to Biological and Biomedical Applications

Abstract

Noble metal nanoparticles are capable of confining resonant photons in such a manner as to induce coherent surface plasmon oscillation of their conduction band electrons, a phenomenon leading to two important properties. Firstly, the confinement of the photon to the nanoparticle's dimensions leads to a large increase in its electromagnetic field and consequently great enhancement of all the nanoparticle's radiative properties, such as absorption and scattering. Moreover, by confining the photon's wavelength to the nanoparticle's small dimensions, there exists enhanced imaging resolving powers, which extend well below the diffraction limit, a property of considerable importance in potential device applications. Secondly, the strongly absorbed light by the nanoparticles is followed by a rapid dephasing of the coherent electron motion in tandem with an equally rapid energy transfer to the lattice, a process integral to the technologically relevant photothermal properties of plasmonic nanoparticles. Of all the possible nanoparticle shapes, gold nanorods are especially intriguing as they offer strong plasmonic fields while exhibiting excellent tunability and biocompatibility. We begin this review of gold nanorods by summarizing their radiative and nonradiative properties. Their various synthetic methods are then outlined with an emphasis on the seed-mediated chemical growth. In particular, we describe nanorod spontaneous self-assembly, chemically driven assembly, and polymer-based alignment. The final section details current studies aimed at applications in the biological and biomedical fields.

Unraveling the Evolution and Nature of the Plasmons in (Au Core)–(Ag Shell) Nanorods

“…The shift behaviors of the peaks 1 and 2 verify again the role of the material change on the plasmonic properties of the (Au core) − (Ag shell) nanorods, because the longitudinal dipolar plasmon wavelength usually exhibits a linear relationship with the aspect ratio for nanorods made of a single metal. [ 11 ] The peaks 3 and 4 exhibit very small red shifts as the aspect ratio is reduced. We also obtained the changes of the extinction intensities as functions of the particle volume (Figure 3 E).…”

Uso de nanobastões de ouro para o desenvolvimento de aulas práticas de nanotecnologia

“…O CTAB é essencial para a síntese controlada em forma de bastões, devido ao fenômeno de ligação preferencial às diferentes faces dos bastões após o início do crescimento das sementes. 14 Quanto à propriedade de SPR e sua aplicabilidade como sensores, as nanoesferas de ouro apresentam uma banda de absorção plasmônica na região do espectro visível, em torno de 520 nm. Por outro lado, os nanobastões exibem duas bandas de SPR, visto que a oscilação coletiva dos elétrons pode ocorrer em dois sentidos, dependendo da polarização da luz incidente.…”

“…A ligação de uma molécula ao nanobastão causa uma ligeira mudança no ambiente dielétrico próximo e consequentemente um desvio no pico de absorção da banda longitudinal, alteração que pode ser facilmente observada por meio da análise espectrofotomé-trica. 14,19 Assim, as medidas de absorção óptica podem ser realizadas nas suspensões coloidais de nanobastões puros e acoplados a diversos ligantes e/ou agentes biológicos. O mesmo não é possível com nanoesferas de ouro, já que possuem apenas uma banda de absorção plasmônica que não sofre deslocamento após tais interações.…”

“…Portanto, os nanobastões de ouro oferecem alta sensibilidade de absorção óptica após qualquer ligação física ou química na sua superfície, alterando de maneira mensurável o pico de absorção óptica relacionado ao modo longitudinal. 12,14,17 Para que as nanopartículas de ouro apresentem aplicabilidade, o CTAB empregado na síntese deve ser removido ou substituído antes das etapas de funcionalização química com ligantes e/ou moléculas de interesse, tais como polietileno glicol (PEG), oligonucleotídeos, peptídeos, polímeros ou sílica inorgânica. 14,19 Moléculas bi-funcionais são amplamente empregadas (Tabela 1), e geralmente possuem grupos de ácido carboxílico que atuam como ligantes químicos para bioconjugação através de acoplamento mediado por carbodiimida via amina primária.…”

“…12,14,17 Para que as nanopartículas de ouro apresentem aplicabilidade, o CTAB empregado na síntese deve ser removido ou substituído antes das etapas de funcionalização química com ligantes e/ou moléculas de interesse, tais como polietileno glicol (PEG), oligonucleotídeos, peptídeos, polímeros ou sílica inorgânica. 14,19 Moléculas bi-funcionais são amplamente empregadas (Tabela 1), e geralmente possuem grupos de ácido carboxílico que atuam como ligantes químicos para bioconjugação através de acoplamento mediado por carbodiimida via amina primária. 20 Todos os eventos de funcionalização descritos acima podem ser facilmente monitorados através da ressonância plasmônica de superfície, já que a ligação de biomoléculas na superfície das nanopartículas altera o ambiente circundante e afeta a densidade de cargas dos elétrons ali presentes, o que acarreta em deslocamento da banda de absorção longitudinal.…”