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Fluorescent gold clusters synthesized in a poly(ethyleneimine) modified reverse microemulsion
(2013)
This paper is focused on the formation of gold clusters in a tailor-made polyelectrolyte-modified reverse microemulsion using poly(ethyleneimine) (PEI) as a cationic polyelectrolyte. PEI incorporated into a ternary w/o microemulsion consisting of water/heptanol/zwitterionic surfactant 3-(N,N-dimethyl-dodecylammonio)-propanesulfonate (SB) acts as a reducing and stabilizing agent and shows an additional template effect. The nanoparticle synthesis is performed by a simple mixing of two microemulsions, one containing the PEI and the other one containing the gold chloride precursor. UV-vis measurements in the microemulsion show two pronounced absorption maxima, one at 360 nm and the other one at 520 nm, indicating two particle fractions. The absorption maximum at 360 nm in combination to the unique fluorescence properties indicate the formation of gold clusters. After a complete solvent evaporation the redispersed nanoparticles have been characterized by using UV-vis and fluorescence spectroscopy, in combination to dynamic light scattering and transmission electron microscopy (TEM). In addition to the gold nanoparticle fraction (>5 nm) the fluorescent gold cluster fraction (<2 nm) can be redispersed without particle aggregation. By means of asymmetric flow field flow fractionation (AF-FFF) two different cluster fractions with particle diameter (<2 nm) can be identified.
This paper is focused on the formation and recovery of cadmium sulfide (CdS) nanoparticles in two different types of polycation-modified reverse microemulsions using low molecular weight poly(diallyldimethylammonium chloride) (PDADMAC) and poly(ethyleneimine) (PEI). Both polymers were incorporated in a quaternary w/o microemulsion consisting of water, toluene-pentanol (1 : 1), and sodium dodecyl sulfate (SDS), as well as in a ternary w/o microemulsion consisting of water, heptanol, and 3( N,N-dimethyl-dodecylammonio)-propanesulfonate (SB). UV-vis and fluorescence measurements in the microemulsion illustrate the capping effect of the polycations on the formation of the CdS quantum dots. The nanoparticles are redispersed in water and characterized by using UV-vis and fluorescence spectroscopy, in combination with dynamic light scattering. From the quaternary microemulsion, only nanoparticle aggregates of about 100 nm can be redispersed, but, from the ternary microemulsion, well-stabilized polycation-capped CdS quantum dots can be obtained. The results show that the electrostatic interactions between the polycation and the surfactant are of high relevance especially in the solvent evaporation and redispersion process. That means only that in the case of moderate polycation-surfactant interactions a redispersion of the polymer-capped CdS quantum dots without problems of aggregation is possible.
Gegenstand der Dissertation ist die größen- und eigenschaftsoptimierte Synthese und Charakterisierung von anorganischen Nanopartikeln in einer geeigneten Polyelektrolytmodifizierten Mikroemulsion. Das Hauptziel bildet dabei die Auswahl einer geeigneten Mikroemulsion, zur Synthese von kleinen, stabilen, reproduzierbaren Nanopartikeln mit besonderen Eigenschaften. Die vorliegende Arbeit wurde in zwei Haupteile gegliedert. Der erste Teil befasst sich mit der Einmischung von unterschiedlichen Polykationen (lineares Poly (diallyldimethylammoniumchlorid) (PDADMAC) und verzweigtes Poly (ethylenimin) (PEI)) in verschiedene, auf unterschiedlichen Tensiden (CTAB - kationisch, SDS - anionisch, SB - zwitterionisch) basierenden, Mikroemulsionssysteme. Dabei zeigt sich, dass das Einmischen der Polykationen in die Wassertröpfchen der Wasser-in-Öl (W/O) Mikroemulsion prinzipiell möglich ist. Der Einfluss der verschiedenen Polykationen auf das Phasenverhalten der W/O Mikroemulsion ist jedoch sehr unterschiedlich. In Gegenwart des kationischen Tensids führen die repulsiven Wechselwirkungen mit den Polykationen zu einer Destabilisierung des Systems, während die ausgeprägten Wechselwirkungen mit dem anionischen Tensid in einer deutlichen Stabilisierung des Systems resultieren. Für das zwitterionische Tensid führen die moderaten Wechselwirkungen mit den Polykationen zu einer partiellen Stabilisierung. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einsatz der unterschiedlichen, Polyelektrolyt- modifizierten Mikroemulsionen als Templatphase für die Herstellung verschiedener, anorganischer Nanopartikel. Die CTAB-basierte Mikroemulsion erweist sich dabei als ungeeignet für die Herstellung von CdS Nanopartikeln, da zum einen nur eine geringe Toleranz gegenüber den Reaktanden vorhanden ist (Destabilisierungseffekt) und zum anderen das Partikelwachstum durch den Polyelektrolyt-Tensid-Film nicht ausreichend begrenzt wird. Zudem zeigt sich, dass eine Abtrennung der Partikel aus der Mikroemulsion nicht möglich ist. Die SDS-basierten Mikroemulsionen, erweisen sich als geeignete Templatphase zur Synthese kleiner anorganischer Nanopartikel (3 – 20 nm). Sowohl CdS Quantum Dots, als auch Gold Nanopartikel konnten erfolgreich in der Mikroemulsion synthetisiert werden, wobei das verzweigte PEI einen interessanten Templat-Effekt in der Mikroemulsion hervorruft. Als deutlicher Nachteil der SDS-basierten Mikroemulsionen offenbaren sich die starken Wechselwirkungen zwischen dem Tensid und den Polyelektrolyten während der Aufarbeitung der Nanopartikel aus der Mikroemulsion. Dabei erweist sich die Polyelektrolyt-Tensid-Komplexbildung als hinderlich für die Redispergierung der CdS Quantum Dots in Wasser, so dass Partikelaggregation einsetzt. Die SB-basierten Mikroemulsionen erweisen sich als günstige Templatphase für die Bildung von größen- und eigenschaftenoptimierten Nanopartikeln (< 4 nm), wobei insbesondere eine Modifizierung mit PEI als ideal betrachtet werden kann. In Gegenwart des verzweigten PEI gelang es erstmals ultrakleine, fluoreszierende Gold Cluster (< 2 nm) in einer SB-basierten Mikroemulsion als Templatphase herzustellen. Als besonderer Vorteil der SB-basierten Mikroemulsion zeigen sich die moderaten Wechselwirkungen zwischen dem zwitterionischen Tensid und den Polyelektrolyten, welche eine anschließende Abtrennung der Partikel aus der Mikroemulsion unter Erhalt der Größe und ihrer optischen Eigenschaften ermöglichen. In der redispergierten wässrigen Lösung gelang somit eine Auftrennung der PEI-modifizierten Partikel mit Hilfe der asymmetrischer Fluss Feldflussfraktionierung (aF FFF). Die gebildeten Nanopartikel zeigen interessante optische Eigenschaften und können zum Beispiel erfolgreich zur Modifizierung von Biosensoren eingesetzt werden.