Nanomaterials and clusters. Properties, applications and mass spectrometry

Nagender Reddy Panyala, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

PhD disertace se zabývá vybranými nanomateriály a klastry, jejich charakterizací, toxikologickými aspekty některých nano-částic a aplikacemi hmotnostní spektrometrie s analyzátorem doby letu (TOF MS) pro hmotnostně-spektrometrickou analýzu těchto materiálů a také pro laserové ablační syntézy. Byly vypracovány a publikovány 3 rozsáhlé review týkající se nano-stříbra, nano-zlata a uhlíkových nano-trubek, kde byly popsány jejich aplikace v nano-technologiích, bio-analytice a medicíně a zhodnoceny toxikologické vlastnosti těchto nano-částic. Zdravotní risika neuvážených aplikaci anti-mikrobiálních částic nano-stříbra a toxicity uhlíkových nanotrubek pro lidské zdraví a kontaminaci životního prostředí jsou varující. Nadruhé straně se zdá, že zatím nejsou známa toxikologická či zdravotní risika nanočástic zlata, jejichž rozsáhlé aplikace v medicíně jsou v disertaci podrobně shrnuty. Experimentálně je pak LDI (nebo MALDI) TOF MS metodikou studována laserová ablace, desorpce a ionizace celé řady látek především nano-zlata, nano aluminium nitride a prekursorů pro laserové ablační syntézy. Byla vypracována modifikovaná metoda přípravy nano-zlata ve vodných roztocích a popsána tvorba Aum (m = 1-55) klastrů zlata při laserové desorpci. Bylo ukázáno, že nano-zlato lze v MALDI použít jako matrici a že může sloužit jako vhodný standard pro kalibraci hmotnostních spekter. Výsledky podrobného studia LDI nano-AlN a určení složení desítek vznikajících klastrů AlmNn, má význam pro technologii pulzní laserové deposice nano-AlN. Studiem hmotnostních spekter laserové ablace směsí nano-zlata a nano-diamantů nebo nano-zlata a červeného fosforu byla nalezena řada dosud nepopsaných klastrů karbidů AumCn± či fosfidů AumPn± zlata, které mohou mít význam pro nano-technologii a přípravu nových materiálů.

Abstract:

PhD Thesis deals with selected nano-materials and clusters, theirs characterization, toxicological aspects of some nano-particles and applications of mass spectrometry with time-of- flight analyzer (TOF MS) for mass-spectrometric analysis of these materials and also for laser ablation synthesis. Three extensive reviews dealing with nano-silver, nano-gold and carbon nano-tubes were worked out and published. Applications in nano-technology, bio-analytics and in medicine were described and toxicological properties evaluated. Health risks of not well considered applications of anti-microbial nano-silver for human health and environmental contamination are worrying. On the other hand, it seems that no toxicological or health risks concerning nano-gold are described up to now. Extensive applications of nano-gold in medicine are summarized and reviewed in details. Experimentally, using LDI (or MALDI) TOF MS methodology, the laser ablation, desorption and ionization of several compounds, first of all nano-gold, nano aluminium nitride and of some precursors for laser ablation synthesis, was studied. Modified method for synthesis of nano-gold in aqueous solution was worked out and formation of Aum (m = 1-55) gold clusters during laser desorption ionization was described. It was shown that nano-gold is possible to use as a matrix in MALDI and also that can be applied as suitable standard for mass spectra calibration. The results of detailed LDI study of nano-AlN and determination of composition of ten’s AlmNn, clusters is significant for pulsed laser deposition of nano-AlN. Study of mass spectra during laser ablation of (nano-gold + nano-diamond) or (nano-gold + red phosphorus) mixtures a series of up to now not AumCn± carbides or AumPn± phosphides of gold were described. They might have significance for nano-technology and synthesis of new materials.

Keywords

Klíčová slova v češtině, hmotnostní spektrometrie, klastry, nanočástice, laserová ablace, laserová desorpce a ionizace Klíčová slova v angličtině, mass spectrometry, clusters, nanoparticles, laser ablation, laser desorption and ionization

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 11. 2011

Thesis defence

• Date of defence: 18. 1. 2012
• Supervisor: prof. RNDr. Josef Havel, DrSc.
• Reader: doc. Ing. Petr Němec, Ph. D., prof. Dr. Victoria Salvado, prof. RNDr. Jiří Patočka, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Analytical Chemistry