我们讨论了利用一系列技术（包括化学气相沉积、酸氧化和探针尖端超声处理）合成单个石墨纳米杯的方法。通过柠檬酸盐还原HAuCl4，金纳米颗粒有效地封堵了石墨纳米杯，这归因于纳米杯的化学活性边缘。
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摘要
摘要
氮掺杂碳纳米管由许多杯状石墨结构单元组成，称为氮掺杂碳纳米管杯（NCNCs）。这些通过化学气相沉积法（CVD）合成的石墨纳米杯仅通过非共价相互作用以头尾相连的方式堆叠在一起。通过一系列化学和物理分离过程，可将单个NCNC从其堆叠结构中分离出来。首先，将合成的NCNC在强酸混合物中进行氧化，以在石墨层壁上引入含氧缺陷。随后，采用高强度探针式超声处理氧化后的NCNC，有效将其堆叠结构解离为单个石墨纳米杯。由于具有丰富的氧和氮表面官能团，所得的单个NCNC表现出高度亲水性，并可有效负载金纳米颗粒（GNPs），这些GNPs优先嵌入纳米杯的开口处，形如瓶塞。这种由GNPs封口的石墨纳米杯在纳米级容器和药物载体方面具有广阔的应用前景。
引言
由于具有固有的内部空腔和多样的表面化学性质，碳基中空纳米材料（如碳纳米管（CNTs））被认为是药物递送应用中的优良纳米载体1,2。然而，原始碳纳米管的纤维状结构其内部中空区域难以接近，且可能在生物系统中引发严重的炎症反应和细胞毒性效应3,4。相比之下，氮掺杂碳纳米管被发现比未掺杂的多壁碳纳米管（MWCNTs）具有更高的生物相容性5,6，并可能表现出更优的药物递送性能。将氮原子掺入纳米管的石墨晶格中，会形成类似堆叠杯状的分隔式中空结构，该结构可被分离得到单个氮掺杂碳纳米管杯（NCNCs），其典型长度小于200 nm7,8。这些单个石墨杯具有可及的内腔以及含氮官能团，可进一步进行化学功能化修饰，因此在药物递送应用中具有显著优势。
在氮掺杂碳纳米管的各种合成方法中，包括电弧放电法9 和直流磁控溅射，10 化学气相沉积（CVD）因其具有产率高、对纳米管生长条件易于控制等优势，已成为最常用的方法。气-液-固（VLS）生长机制常被用于理解氮掺杂碳纳米管的CVD生长过程。11 通常有两种不同的方案在生长过程中使用金属催化剂种子。在“固定床”方案中，首先通过五羰基铁的热分解合成具有确定尺寸的铁纳米颗粒，然后通过旋涂法将其负载在石英片上，用于后续的化学气相沉积生长。12 在“浮动催化剂”方案中，将铁催化剂（通常为二茂铁）与碳源和氮源前体混合并注入，二茂铁的热分解提供了 原位 在固定床催化剂上生成铁催化纳米颗粒，并在其上沉积碳和氮前驱体。尽管固定床催化剂对所得氮掺杂碳纳米管的尺寸控制更优，但产物的产率通常较低（<1 mg）相比，与漂浮催化剂方案（>5 mg）下获得。由于漂浮催化剂法同样能够提供较为均匀的NCNC尺寸分布，因此本文采用该方法进行NCNC的CVD合成。
化学气相沉积法（CVD）制备的NCNCs具有由多个堆叠杯状结构组成的原位合成纤维形态。尽管相邻杯状结构之间不存在化学键合8，但由于它们紧密地嵌入彼此的空腔中，并受到多重非共价相互作用以及外层无定形碳的束缚，因此有效分离单个杯状结构仍面临挑战8。分离堆叠杯状结构的尝试包括化学和物理方法。虽然在强酸混合物中进行氧化处理是切割碳纳米管（CNTs）并引入含氧官能团的典型方法13,14，但该方法也可用于将NCNCs切割成较短片段。微波等离子体刻蚀工艺也被证明可实现NCNCs的分离15。与化学方法相比，物理分离更为直接。我们之前的研究表明，仅通过研钵和研杵研磨，即可将单个NCNCs从其堆叠结构中部分分离出来7。此外，已有报道指出，高强度探头式超声处理能够有效切割单壁碳纳米管（SWCNTs）16，该方法也被证实对NCNCs的分离具有显著效果8。探头式超声将高强度超声能量传递至NCNCs溶液，实质上“震荡”堆叠的杯状结构，破坏维持杯体结合的弱相互作用力。尽管其他潜在的分离方法要么效率低下，要么对杯状结构具有破坏性，探头式超声则提供了一种高效、成本低廉且破坏性较小的物理分离方法，可用于获得单个石墨化杯状结构。
所合成的纤维状NCNCs首先用浓H2SO4HNO3 在探针式超声处理分离之前，使用酸混合物进行预处理。所得分离的氮掺杂碳纳米角（NCNCs）具有高度亲水性，并能有效分散于水中。我们此前已鉴定出NCNCs上的氮官能团（如氨基），并利用其化学反应活性实现了NCNCs的功能化修饰。7,8,17 与我们先前报道的使用商业纳米颗粒封堵NCNCs的方法相比8 在此研究中，通过氯金酸的柠檬酸盐还原法，成功将金纳米颗粒（GNPs）锚定在杯状结构的表面。由于氮功能基团优先分布在NCNCs的开口边缘，所合成的GNPs 原位 由金前体制备的金纳米粒子倾向于与杯状结构的开口边缘产生更强的相互作用，从而在杯口形成金纳米粒子“塞子”。此类合成与功能化方法已成功制备出一种新型金纳米粒子-纳米杯复合纳米材料，具有作为药物递送载体的潜在应用前景。
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方案
1. 氮掺杂碳纳米管杯（NCNCs）的化学气相沉积合成
采用化学气相沉积（CVD）技术，在石英基底上利用液体前驱体合成了氮掺杂碳纳米管（NCNCs）（图1A）。
- 将一根长3英尺、内径2.5 cm的石英管放入Lindberg/Blue管式炉中作为反应腔。在石英管内放置一块1英寸×12英寸的石英板，作为产物收集的基底。使用自制的不锈钢端盖（内置气体和液体注入连接管/接口）密封石英管。
- 配制一种液态前驱体溶液，其中含0.75 wt%二茂铁、10 wt%乙腈和89.25 wt%二甲苯。在生长开始前，用与石英管入口相连的气密注射器吸取约5 mL液态前驱体溶液，并将该注射器安装到注射泵上。
- 组装CVD系统，连接所有气体进出口。通入Ar（845 sccm）以吹扫CVD系统，并使用Snoop液体检漏剂检查是否存在泄漏。吹扫20分钟后，打开H2，将H2流速设为37.5 sccm，Ar流速设为127 sccm。启动管式炉，将炉温升至800 °C，并等待温度稳定在800 °C。
- 使用注射泵将液态前驱体注入石英管中。初始以9 mL/hr的速率注入6分钟，以填满注入管的死体积。随后将注入速率降至1 mL/hr，用于NCNCs的生长。生长90分钟后，关闭注射泵和H2气流，停止加热炉。保持Ar持续通入，以维持惰性气氛，直至炉体冷却至室温。
- 断开所有气体进出口及注入系统，拆解CVD装置并取出石英板。使用单面剃须刀片将NCNCs薄膜从石英板上剥离下来。将收集的产物分散于乙醇中。若操作在通风橱外进行，需佩戴呼吸防护设备，以防吸入可能存在的碳材料。
2. 使用酸混合物氧化新合成的NCNCs
- 将约10 mg的合成后氮掺杂碳纳米角（NCNCs）转移至200 ml圆底烧瓶中。向烧瓶中加入7.5 ml浓HNO3。在水浴中超声处理混合物片刻以实现更好分散。然后缓慢加入22.5 ml浓H2SO4。（注意：强酸混合物具有强腐蚀性；操作时务必采取安全防护措施小心处理这些酸。）在室温下将反应混合物置于水浴中超声处理4小时。
- 将反应混合物置于冰浴中冷却的同时，加入100 ml水进行稀释。使用真空抽滤装置，通过孔径为220 nm的聚四氟乙烯（PTFE）膜过滤该混合物。
- 用200 ml 0.01 M NaOH溶液洗涤滤膜上的材料，以去除任何酸性残留副产物。18 然后用200 ml 0.01 M HCl溶液洗涤，再用大量水冲洗，直至滤液呈中性。通过超声将所得材料（氧化态NCNCs）分散于20 ml水中。所得悬浮液可在室温下保存，用于后续实验。
3. 通过探针尖端超声处理对NCNCs进行物理分离
- 将氧化的NCNC水悬浮液转移至置于冰浴中的100 ml塑料杯中。加水至塑料杯的50 ml刻度线处。设置配备直径为1/4英寸钛合金微探头的探头式超声仪，输出功率为最大功率的60%（12 W）。将微探头浸入溶液中心，以30秒开启/30秒关闭的间歇模式超声处理12小时。每30分钟更换一次冰，以防止过热。
- 停止超声处理。将NCNC悬浮液通过孔径为220 nm的PTFE滤膜过滤，以去除任何大颗粒。所得的NCNC样品可在室温下保存，用于后续应用。
- （可选）作为对比实验，将另一份合成后的NCNC样品分散于DMF中，并在与上述相同的参数条件下，使用探头式超声直接对悬浮液进行12小时的超声处理。
4. 通过凯撒试验对NCNCs上的胺基官能团进行定量分析
- 配制试剂A：将1 g苯酚和250 μl乙醇溶于2.5 ml吡啶中，加入50 μl 0.01 M连苯三酚氢（hydrindantin）水溶液2O 加入混合物中。制备试剂 B：将茚三酮（50 mg）溶解于 1 ml 乙醇中。
- 在微型天平上称取NCNCs样品（约0.5 mg），分散于装有1 ml 3:2乙醇/水溶液的小试管中。向样品悬液中加入100 μl试剂A和25 μl试剂B。用Parafilm封口膜密封试管，于100 °C油浴中加热10分钟。用注射器滤器过滤样品以去除固体颗粒，收集滤液。
- 用未添加NCNCs且经相同步骤制备的空白样品作参比，对滤液进行可见光光谱比色分析。记录570 nm波长处吸收峰的吸光度，并根据比尔-朗伯定律计算胺载量。
5. 用金纳米颗粒对氮掺杂碳纳米笼进行功能化修饰
- 使用水浴超声仪对含有分离的 NCNCs（0.01 mg/ml）的 4 ml 水悬浮液进行超声处理 5 分钟，以获得均匀分散。
- 在超声处理过程中，向 NCNC 悬浮液中加入 1 ml HAuCl4 水溶液（1 mg/ml）。然后逐滴加入 250 μl 1 wt% 的三钠柠檬酸水溶液。将反应混合物在 70 °C 的加热板上剧烈搅拌 2 小时。
- 将反应混合物在 3,400 rpm 下离心 15 分钟。收集沉淀中带有金纳米颗粒（GNPs）功能化的 NCNCs，并通过离心用水洗涤。将沉淀物重新分散于水（4 ml）中。
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结果
通过化学气相沉积法（CVD）生长得到的氮掺杂碳纳米杯（NCNCs）在石英基底上呈现为黑色绒状材料。使用剃刀刮取可获得数毫克重的NCNCs厚膜（图1B）。透射电子显微镜（TEM）图像展示了不同放大倍数下合成态NCNCs的形貌（图1）。在较低放大倍数下（图1C），合成态NCNCs均呈现出纤维状结构，长度通常为数微米，直径为20–30 nm。与未掺杂碳纳米管（CNTs）的连续管状结构不同，NCNC纤维被分隔成多个杯状节段。对NCNC纤维末端的高分辨TEM成像揭示了相互堆叠的纳米碳管杯具有弯曲的石墨结构（图1D）。
图2A 显示了纳米碳管经酸氧化后的透射电子显微镜（TEM）图像。氧化过程将长纤维切割成长度约为 1 μm 的较短片段，其中石墨杯状结构仍保持堆叠状态。氧化后的纳米碳管在水中形成稳定的悬浮液，随后通过探头式超声处理。经过 12 小时超声处理和过滤后，TEM 图像显示纳米碳管的长度显著减小（图2B<...
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讨论
我们实验的主要目标是利用氮掺杂碳纳米管（CNTs）高效制备石墨化纳米杯。然而，在化学气相沉积（CVD）合成过程中引入氮掺杂并不能保证形成堆叠的杯状结构。根据前驱体的化学组成及其他生长条件，所得产物的形貌可能会有显著差异19。氮源浓度是影响结构的首要因素，因为分隔结构的形成源于氮原子在石墨晶格中的不相容性20。通常情况下，随着前驱体中氮浓度的增加，分隔单元的长度会减小。在较高浓度下，侧向分层结构变得不规则且起皱，均匀的杯状分隔结构因而丧失19。在本实验中，我们采用10%乙腈（MeCN）作为前驱体，获得了直径均一的规则杯状结构。碳源是影响氮掺杂纳米杯（NCNC）合成的另一个关键因素。以往使用乙醇作为碳源时，所得NCNC中有时会形成不规则的泪滴状片段12，这可能是由于乙醇引入了氧缺陷所致。改用二甲苯作为碳源后，不再出现任何不规则形状。此外，降低二茂铁浓度（0.75 wt%）有助于形成尺寸小且均匀的铁催化剂纳米颗粒，而相对较低的载气流速则有利于垂直生长。上述所有因素共同作用，最终获得了直径更均一、产率更高的NCNC。
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披露
作者声明不存在竞争性财务利益。
致谢
本工作得到了美国国家科学基金会职业奖（NSF CAREER Award）No. 0954345 的资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 试剂 | |||
| H2 | Valley National Gases | Grade 5.0 | |
| Ar | Valley National Gases | Grade 5.0 | |
| 二茂铁 | Sigma-Aldrich | F408-500G | |
| 二甲苯 | Fisher Scientific | X5-500 | |
| 乙腈 | EMD | AXO149-6 | |
| H2SO4 | Fisher Scientific | A300-500 | |
| HNO3 | EMD | NX0409-2 | |
| DMF | Fisher Scientific | D119-500 | |
| 乙醇 | Decon | 2716 | |
| 苯酚 | Sigma-Aldrich | P1037-100G | |
| 吡啶 | EMD | PX2020-6 | |
| 氢化茚二酮 | Sigma-Aldrich | H2003-10G | |
| 茚三酮 | Alfa Aesar | 43846 | |
| HAuCl4 | Sigma-Aldrich | 52918-1G | |
| 柠檬酸钠 | SAFC | W302600 | |
| 设备 | |||
| CVD 炉 | Lindberg/Blue | ||
| 透射电子显微镜（低分辨率） | FEI Morgagni | ||
| 透射电子显微镜（高分辨率） | JOEL | 2100F | |
| 探头式超声仪 | Qsonica | XL-2000 | |
| 紫外-可见分光光度计 | Perkin-Elmer | Lambda 900 | |
| Zeta 电位分析仪 | Brookheaven | ZetaPlus | |
| EDX 能谱仪 | Phillips | XL30 FEG |
参考文献
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