Healthy Research Rewards
ResearchHub is incentivizing healthy research behavior. At this time, first authors of open access papers are eligible for rewards. Visit the publications tab to view your eligible publications.
Got it
ME
Mostafa El‐Sayed
Author with expertise in Plasmonic Nanoparticles: Synthesis, Properties, and Applications
Achievements
Cited Author
Key Stats
Upvotes received:
0
Publications:
69
(22% Open Access)
Cited by:
72,199
h-index:
130
/
i10-index:
500
Reputation
Biology
< 1%
Chemistry
< 1%
Economics
< 1%
Show more
How is this calculated?
Publications
0

Cancer Cell Imaging and Photothermal Therapy in the Near-Infrared Region by Using Gold Nanorods

Xiaohua Huang et al.Jan 21, 2006
Due to strong electric fields at the surface, the absorption and scattering of electromagnetic radiation by noble metal nanoparticles are strongly enhanced. These unique properties provide the potential of designing novel optically active reagents for simultaneous molecular imaging and photothermal cancer therapy. It is desirable to use agents that are active in the near-infrared (NIR) region of the radiation spectrum to minimize the light extinction by intrinsic chromophores in native tissue. Gold nanorods with suitable aspect ratios (length divided by width) can absorb and scatter strongly in the NIR region (650−900 nm). In the present work, we provide an in vitro demonstration of gold nanorods as novel contrast agents for both molecular imaging and photothermal cancer therapy. Nanorods are synthesized and conjugated to anti-epidermal growth factor receptor (anti-EGFR) monoclonal antibodies and incubated in cell cultures with a nonmalignant epithelial cell line (HaCat) and two malignant oral epithelial cell lines (HOC 313 clone 8 and HSC 3). The anti-EGFR antibody-conjugated nanorods bind specifically to the surface of the malignant-type cells with a much higher affinity due to the overexpressed EGFR on the cytoplasmic membrane of the malignant cells. As a result of the strongly scattered red light from gold nanorods in dark field, observed using a laboratory microscope, the malignant cells are clearly visualized and diagnosed from the nonmalignant cells. It is found that, after exposure to continuous red laser at 800 nm, malignant cells require about half the laser energy to be photothermally destroyed than the nonmalignant cells. Thus, both efficient cancer cell diagnostics and selective photothermal therapy are realized at the same time.
0

Preparation and Growth Mechanism of Gold Nanorods (NRs) Using Seed-Mediated Growth Method

Babak Nikoobakht et al.Apr 17, 2003
A method is used for preparing gold NRs with aspect ratios ranging from 1.5 to 10 for which the surface plasmon absorption maxima are between 600 and 1300 nm. This method has been adapted from a previously published seed-mediated growth method (Jana et al. Adv. Mater. 2001, 13, 1389). The disadvantages and limitations of the earlier method (i.e., formation of noncylindrical NRs, φ-shaped particles, and formation of a large fraction of spherical particles) have been overcome by use of a hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB)-capped seed instead of a citrate-capped one. In a single-component surfactant system, the silver content of the growth solution was used to grow NRs to a desired length. This results in reproducible formation of NRs with aspect ratios ranging from 1.5 to 4.5. To grow longer NRs with aspect ratios ranging from 4.6 to 10, a binary surfactant mixture composed of benzyldimethylhexadecylammoniumchloride (BDAC) and CTAB was used. NRs are grown in this mixture either by aging or by addition of a growth solution suitable to shorter NRs. Effects of the silver ion and the cosurfactant along with the growth mechanism of NRs are discussed.
0

Calculated Absorption and Scattering Properties of Gold Nanoparticles of Different Size, Shape, and Composition: Applications in Biological Imaging and Biomedicine

Prashant Jain et al.Mar 18, 2006
The selection of nanoparticles for achieving efficient contrast for biological and cell imaging applications, as well as for photothermal therapeutic applications, is based on the optical properties of the nanoparticles. We use Mie theory and discrete dipole approximation method to calculate absorption and scattering efficiencies and optical resonance wavelengths for three commonly used classes of nanoparticles: gold nanospheres, silica−gold nanoshells, and gold nanorods. The calculated spectra clearly reflect the well-known dependence of nanoparticle optical properties viz. the resonance wavelength, the extinction cross-section, and the ratio of scattering to absorption, on the nanoparticle dimensions. A systematic quantitative study of the various trends is presented. By increasing the size of gold nanospheres from 20 to 80 nm, the magnitude of extinction as well as the relative contribution of scattering to the extinction rapidly increases. Gold nanospheres in the size range commonly employed (∼40 nm) show an absorption cross-section 5 orders higher than conventional absorbing dyes, while the magnitude of light scattering by 80-nm gold nanospheres is 5 orders higher than the light emission from strongly fluorescing dyes. The variation in the plasmon wavelength maximum of nanospheres, i.e., from ∼520 to 550 nm, is however too limited to be useful for in vivo applications. Gold nanoshells are found to have optical cross-sections comparable to and even higher than the nanospheres. Additionally, their optical resonances lie favorably in the near-infrared region. The resonance wavelength can be rapidly increased by either increasing the total nanoshell size or increasing the ratio of the core-to-shell radius. The total extinction of nanoshells shows a linear dependence on their total size, however, it is independent of the core/shell radius ratio. The relative scattering contribution to the extinction can be rapidly increased by increasing the nanoshell size or decreasing the ratio of the core/shell radius. Gold nanorods show optical cross-sections comparable to nanospheres and nanoshells, however, at much smaller effective size. Their optical resonance can be linearly tuned across the near-infrared region by changing either the effective size or the aspect ratio of the nanorods. The total extinction as well as the relative scattering contribution increases rapidly with the effective size, however, they are independent of the aspect ratio. To compare the effectiveness of nanoparticles of different sizes for real biomedical applications, size-normalized optical cross-sections or per micron coefficients are calculated. Gold nanorods show per micron absorption and scattering coefficients that are an order of magnitude higher than those for nanoshells and nanospheres. While nanorods with a higher aspect ratio along with a smaller effective radius are the best photoabsorbing nanoparticles, the highest scattering contrast for imaging applications is obtained from nanorods of high aspect ratio with a larger effective radius.
0

Noble Metals on the Nanoscale: Optical and Photothermal Properties and Some Applications in Imaging, Sensing, Biology, and Medicine

Prashant Jain et al.May 1, 2008
Noble metal nanostructures attract much interest because of their unique properties, including large optical field enhancements resulting in the strong scattering and absorption of light. The enhancement in the optical and photothermal properties of noble metal nanoparticles arises from resonant oscillation of their free electrons in the presence of light, also known as localized surface plasmon resonance (LSPR). The plasmon resonance can either radiate light (Mie scattering), a process that finds great utility in optical and imaging fields, or be rapidly converted to heat (absorption); the latter mechanism of dissipation has opened up applications in several new areas. The ability to integrate metal nanoparticles into biological systems has had greatest impact in biology and biomedicine. In this Account, we discuss the plasmonic properties of gold and silver nanostructures and present examples of how they are being utilized for biodiagnostics, biophysical studies, and medical therapy. For instance, taking advantage of the strong LSPR scattering of gold nanoparticles conjugated with specific targeting molecules allows the molecule-specific imaging and diagnosis of diseases such as cancer. We emphasize in particular how the unique tunability of the plasmon resonance properties of metal nanoparticles through variation of their size, shape, composition, and medium allows chemists to design nanostructures geared for specific bio-applications. We discuss some interesting nanostructure geometries, including nanorods, nanoshells, and nanoparticle pairs, that exhibit dramatically enhanced and tunable plasmon resonances, making them highly suitable for bio-applications. Tuning the nanostructure shape (e.g., nanoprisms, nanorods, or nanoshells) is another means of enhancing the sensitivity of the LSPR to the nanoparticle environment and, thereby, designing effective biosensing agents. Metal nanoparticle pairs or assemblies display distance-dependent plasmon resonances as a result of field coupling. A universal scaling model, relating the plasmon resonance frequency to the interparticle distance in terms of the particle size, becomes potentially useful for measuring nanoscale distances (and their changes) in biological systems. The strong plasmon absorption and photothermal conversion of gold nanoparticles has been exploited in cancer therapy through the selective localized photothermal heating of cancer cells. For nanorods or nanoshells, the LSPR can be tuned to the near-infrared region, making it possible to perform in vivo imaging and therapy. The examples of the applications of noble metal nanostructures provided herein can be readily generalized to other areas of biology and medicine because plasmonic nanomaterials exhibit great range, versatility, and systematic tunability of their optical attributes.
0

Spectral Properties and Relaxation Dynamics of Surface Plasmon Electronic Oscillations in Gold and Silver Nanodots and Nanorods

Stephan Link et al.Sep 10, 1999
The field of nanoparticle research has drawn much attention in the past decade as a result of the search for new materials. Size confinement results in new electronic and optical properties, possibly suitable for many electronic and optoelectronic applications. A characteristic feature of noble metal nanoparticles is the strong color of their colloidal solutions, which is caused by the surface plasmon absorption. This article describes our studies of the properties of the surface plasmon absorption in metal nanoparticles that range in size between 10 and 100 nm. The effects of size, shape, and composition on the plasmon absorption maximum and its bandwidth are discussed. Furthermore, the optical response of the surface plasmon absorption due to excitation with femtosecond laser pulses allowed us to follow the electron dynamics (electron−electron and electron−phonon scattering) in these metal nanoparticles. It is found that the electron−phonon relaxation processes in nanoparticles, which are smaller than the electron mean free path, are independent of their size or shape. Intense laser heating of the electrons in these particles is also found to cause a shape transformation (photoisomerization of the rods into spheres or fragmentation), which depends on the laser pulse energy and pulse width.
0

Shape and size dependence of radiative, non-radiative and photothermal properties of gold nanocrystals

Stephan Link et al.Jul 1, 2000
Driven by the search for new materials with interesting and unique properties and also by the fundamental question of how atomic and molecular physical behaviour develops with increasing size, the field of nanoparticle research has grown immensely in the last two decades. Partially for these reasons, colloidal solutions of metallic (especially silver and gold) nanoparticles have long fascinated scientists because of their very intense colours. The intense red colour of colloidal gold nanoparticles is due to their surface plasmon absorption. This article describes the physical origin of the surface plasmon absorption in gold nanoparticles with emphasis on the Mie and also the Maxwell-Garnett theory and reviews the effects of particle size and shape on the resonance condition. A better understanding of the relationship between the optical absorption spectrum (in particular, the plasmon resonance) and such particle properties as its dimensions or surrounding environment can prove fruitful for the use of the plasmon absorption as an analytical tool. The plasmon resonance has also had a great impact on the Raman spectrum of surface-adsorbed molecules and a large enhancement of the fluorescence quantum yield of gold nanorods is observed. Furthermore, following the changes in the plasmon absorption induced by excitation (heating) with ultrashort laser pulses allows one to monitor the electron dynamics (electron-electron and electron-phonon interactions) in real time, which is important in understanding such fundamental questions regarding the thermal and electrical conductivity of these nanoparticles. Very intense heating with laser pulses leads to structural changes of the nanoparticles (nuclear rearrangements in the form of melting and fragmentation).
0

Gold and Silver Nanoparticles in Sensing and Imaging: Sensitivity of Plasmon Response to Size, Shape, and Metal Composition

Kyeong-Seok Lee et al.Sep 6, 2006
Plasmonic metal nanoparticles have great potential for chemical and biological sensor applications, due to their sensitive spectral response to the local environment of the nanoparticle surface and ease of monitoring the light signal due to their strong scattering or absorption. In this work, we investigated the dependence of the sensitivity of the surface plasmon resonance (frequency and bandwidth) response to changes in their surrounding environment and the relative contribution of optical scattering to the total extinction, on the size and shape of nanorods and the type of metal, that is, Au vs Ag. Theoretical consideration on the surface plasmon resonance condition revealed that the spectral sensitivity, defined as the relative shift in resonance wavelength with respect to the refractive index change of surrounding materials, has two controlling factors: first the bulk plasma wavelength, a property dependent on the metal type, and second on the aspect ratio of the nanorods which is a geometrical parameter. It is found that the sensitivity is linearly proportional to both these factors. To quantitatively examine the dependence of the spectral sensitivity on the nanorod metal composition and the aspect ratio, the discrete dipole approximation method was used for the calculation of optical spectra of Ag-Au alloy metal nanorods as a function of Ag concentration. It is observed that the sensitivity does not depend on the type of the metal but depends largely on the aspect ratio of nanorods. The direct dependence of the sensitivity on the aspect ratio becomes more prominent as the size of nanorods becomes larger. However, the use of larger nanoparticles may induce an excessive broadening of the resonance spectrum due to an increase in the contribution of multipolar excitations. This restricts the sensing resolution. The insensitivity of the plasmon response to the metal composition is attributable to the fact that the bulk plasma frequency of the metal, which determines the spectral dispersion of the real dielectric function of metals and the surface plasmon resonance condition, has a similar value for the noble metals. On the other hand, nanorods with higher Ag concentration show a great enhancement in magnitude and sharpness of the plasmon resonance band, which gives better sensing resolution despite similar plasmon response. Furthermore, Ag nanorods have an additional advantage as better scatterers compared with Au nanorods of the same size.
Load More