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方法文章

受生物启发的纳米金刚石多巴胺表面修饰及其银纳米颗粒的还原作用

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DOI：

10.3791/58458

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2018年11月14日

 ,  , 
1Department of Chemistry, Missouri University of Science and Technology, 2Center for Research in Energy and Environment, Department of Chemistry, Missouri University of Science and Technology

本文内容

摘要

本文介绍了一种简便的方案，用于通过聚多巴胺对纳米金刚石表面进行功能化修饰。

摘要

由于纳米金刚石（NDs）表面存在多种官能团，其表面功能化仍然具有挑战性。本文展示了一种基于贻贝仿生多巴胺（PDA）包覆技术实现纳米金刚石多功能表面修饰的简便方法。此外，NDs表面的PDA功能层还可作为还原剂，用于合成并稳定金属纳米颗粒。当将纳米金刚石与多巴胺（DA）简单混合时，DA可发生自聚合反应，并在NDs表面自发形成PDA包覆层。通过调节DA的浓度可控制PDA层的厚度。典型结果表明，在100 nm的ND悬浮液中加入50至100 µg/mL的DA，可获得约5至约15 nm厚的PDA层。进一步地，PDA修饰的NDs可作为基底用于还原金属离子，例如Ag[(NH3)2]+，生成银纳米颗粒（AgNPs）。AgNPs的尺寸取决于Ag[(NH3)2]+的初始浓度：随着Ag[(NH3)2]+浓度的增加，纳米颗粒的数量及其直径均随之增大。综上所述，本研究不仅提供了一种简便的PDA修饰NDs表面的方法，还展示了通过锚定多种目标物质（如AgNPs）以增强NDs功能性的潜力，为其在先进应用中的使用奠定了基础。

引言

纳米金刚石（NDs）是一种新型的碳基材料，近年来因其在多种应用中的潜力而受到广泛关注1,2。例如，由于纳米金刚石具有极高的化学稳定性和热导率，其高比表面积可为金属纳米颗粒（NPs）提供优异的催化载体支持3。此外，纳米金刚石因其出色的生物相容性和无毒性，在生物成像、生物传感和药物递送领域也发挥着重要作用4,5。

为了有效拓展其功能，将功能性物质（如蛋白质、核酸和纳米颗粒）共价连接到金刚石纳米颗粒（NDs）表面具有重要意义。6. 尽管存在多种官能团（例如羟基、羧基、内酯 等等。在纳米金刚石（NDs）的纯化过程中，其表面会形成缺陷，但由于每种活性化学基团的密度较低，功能基团的偶联产率仍然很低7这会导致不稳定的纳米颗粒（NDs）易于聚集，从而限制其进一步应用8.

目前，用于功能化纳米金刚石（NDs）的最常见方法包括使用无铜点击化学进行共价偶联9、肽核酸（PNA）的共价连接10以及自组装DNA11。此外，也已提出非共价包裹NDs的方法，包括碳水化合物修饰的牛血清白蛋白（BSA）4和人血清白蛋白（HSA）12包覆。然而，由于这些方法耗时且效率较低，因此亟需开发一种简便且具有普适性的方法来修饰NDs的表面。

多巴胺（DA）13，作为大脑中的一种天然神经递质，被广泛用于纳米颗粒（如金纳米颗粒，AuNPs）的粘附与功能化14，Fe2O315，和 SiO216自聚合的PDA层富含氨基和酚基，可进一步用于直接还原金属纳米颗粒，或在水溶液中轻松固定含巯基/氨基的生物分子。这种简单的方法 recently 被Qin用于功能化NDs。 等以及我们的实验室17,18，尽管使用了多巴胺衍生物来修饰纳米金刚石 通过 早期研究中的点击化学19,20.

本文介绍了一种基于多巴胺（PDA）的简单表面修饰方法，可高效地对纳米金刚石（NDs）进行功能化。通过调节多巴胺的浓度，可将PDA层的厚度控制在几纳米至数十纳米范围内。此外，金属纳米颗粒可直接在PDA表面还原并稳定存在，无需额外使用有毒的还原剂。银纳米颗粒的尺寸取决于Ag[(NH3)2]+的初始浓度。该方法实现了在纳米金刚石表面精确可控地沉积PDA，并合成ND偶联的AgNPs，从而显著拓展了纳米金刚石作为优异纳米平台在催化剂载体、生物成像和生物传感器等领域的功能应用。

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方案

1 . 试剂的制备

警告：使用前请阅读并理解所有相关的材料安全数据表（MSDS）。部分化学品具有毒性且易挥发。请遵循特殊的处理程序和储存要求。实验过程中应佩戴个人防护装备，如手套、护目镜和实验服，以避免潜在危险。

  1. Tris-HCl 缓冲液的制备
    1. 将 30.29 g Tris 粉末溶解于 100 mL 去离子 H2O 中，确保粉末完全溶解，然后将溶液转移至 250 mL 容量瓶中。
    2. 向容量瓶中加入去离子 H2O 至 250 mL 刻度线，得到 1.0 M Tris 缓冲液。
    3. 将 1.0 M Tris 缓冲液稀释 100 倍，得到 0.01 M Tris 缓冲液，并使用 1.0 M HCl 标准溶液调节 pH 至 8.5。
    4. 使用 pH 计校准 0.01 M Tris-HCl 缓冲液的 pH 值。
  2. 纳米金刚石（ND）悬浮液的制备
    1. 用 0.01 M Tris-HCl 缓冲液将 100 nm 单晶纳米金刚石悬浮液（1.0 mg/mL）稀释 50 倍，得到 0.02 mg/mL 的 ND 悬浮液。
  3. 多巴胺溶液的制备
    1. 将 20 mg 盐酸多巴胺溶解于 2.0 mL 0.01 M Tris-HCl 缓冲液中，得到 10 mg/mL 的 DA 溶液。
      ​注意：DA 溶液必须现配现用，且在 15 分钟内使用完毕。
  4. Ag[(NH3)2]OH 溶液的制备
    1. 将 100 mg AgNO3 固体溶解于 10 mL 去离子 H2O 中，得到 10 mg/mL AgNO3 溶液。
    2. 逐滴加入 1.0 M 氨水（NH3·H2O）至 AgNO3 溶液中，直至生成黄色沉淀，然后继续添加 NH3·H2O 溶液，直至沉淀消失。
      注意：仅制备所需最小体积；现配现用，使用后立即废弃。
      警告：应在通风橱内操作，佩戴面罩、手套和护目镜，小心添加 NH3·H2O。

2 . 在纳米金刚石表面合成聚多巴胺层（PDA-NDs）

  1. 将新配制的DA溶液（10 mg/mL）加入ND悬浮液中，使DA的终浓度分别为50、75、100 µg/mL。调节总反应体积至1.0 mL，转移至10 mL试管中，在25 °C避光条件下剧烈搅拌12 h。
  2. 将PDA-NDs溶液在16,000 × g条件下离心2 h，弃去上清液，并用去离子水在16,000 × g条件下每次离心1 h，洗涤三次。
  3. 将PDA-NDs用200 µL去离子水通过超声处理重新分散30 s。包覆PDA的NDs即可用于后续实验。

3 . 在PDA-NDs表面还原AgNPs（AgNPs-PDA-NDs）

  1. 将步骤 2.3 中预先合成的 PDA-NDs 取 40 µL，用去离子水稀释两倍。加入 Ag[(NH3)2]OH 溶液，使 Ag[(NH3)2]+ 的终浓度分别为 0.08、0.16、0.24、0.40 和 0.60 mg/mL。
  2. 用去离子水将终体积调至 100 µL，置于 1.5 mL 离心管中，随后超声处理 10 分钟。
  3. 将 AgNPs-PDA-NDs 在 16,000 × g 条件下离心 15 分钟，以去除游离的银离子；离心后弃去上清液，加入 100 µL 去离子水，在 16,000 × g 条件下每次离心 5 分钟，共洗涤三次。
  4. 将 AgNPs-PDA-NDs 重新分散于 100 µL 去离子水中，超声 30 秒，以备后续使用。

4 . PDA-NDs 和 AgNPs-PDA-NDs 簇的分析

  1. 紫外-可见（UV）光谱
    1. 使用UV光谱监测PDA-ND表面AgNPs的平均尺寸分布。将步骤3.4中以不同浓度Ag[(NH3)2]OH制备的AgNPs-PDA-NDs样品转移至1 cm石英比色皿中，在250至550 nm扫描波长范围内监测吸光度。
  2. 透射电子显微镜（TEM）
    1. 将碳支持膜铜网置于用Parafilm包裹的载玻片上，以固定铜网。将附有TEM铜网的载玻片放入等离子清洗仪中。打开等离子清洗仪和真空泵。5分钟后，开启等离子体，以中等功率对铜网放电处理3分钟。
    2. 取5 µL样品滴加于碳膜覆盖的铜网上，静置3分钟。用滤纸从铜网边缘吸去多余样品。随后在铜网上滴加一滴去离子水，清洗15秒以去除盐分，再用滤纸吸去水分。重复该洗涤步骤两次，待铜网自然晾干后用于后续观察。
    3. 通过TEM观察样品，通常使用38,000倍放大倍数，工作电压为200 kV。

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结果

通过透射电子显微镜（TEM）分析了在ND表面形成PDA层的情况（图1）。随着DA浓度升高，观察到PDA层的厚度增加。此外，在包覆反应后，ND溶液的颜色由无色变为深色，且DA的初始浓度越高，溶液颜色越深。

图2 描述了在100 nm PDA-ND表面将Ag[(NH3)2]+还原为AgNPs的过程。通过TEM计算的AgNPs尺寸分布，用于确定Ag[(NH3)2]+初始浓度对AgNPs尺寸的影响。

图3中的流程图展示了通过PDA对NDs表面...

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讨论

本文提供了一种利用多巴胺（DA）自聚合涂层对纳米金刚石（NDs）进行表面功能化的详细实验方案，并在聚多巴胺（PDA）层上将Ag[(NH3)2]+还原为银纳米粒子（AgNPs）（图3）。该策略可通过简单调节DA的浓度，实现不同厚度PDA层的制备。同时，通过改变金属离子溶液的初始浓度，也可调控AgNPs的尺寸。如图1A中的透射电子显微镜（TEM）图像所示，未经包覆的100 nm NDs倾向于形成微簇和聚集体。当NDs被PDA包覆后，PDA层在NDs周围呈现为一圈薄环状结构。根据TEM图像测定，PDA层的厚度分别约为5 nm、10 nm和15 nm，对应DA的终浓度分别为50 µg/mL、75 µg/mL和100 µg/mL。NDs悬浮液的颜色在PDA包覆后由无色逐渐变为深色，表明PDA已成功包覆在ND表面，且PDA层的厚度依赖于DA的浓度。请注意：影响DA聚合的关键因素是溶液pH值（最适pH为8.5

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披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

本研究由美国国家科学基金会（CCF 1814797）、密苏里大学研究委员会、材料研究中心以及密苏里科学技术大学文理学院资助

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
纳米金刚石FND Biotech, Inc.brFND-100分散于水中，未经进一步纯化直接使用
盐酸多巴胺SigmaH8502-25G现配现用
硝酸银FisherS181-25
氢氧化铵FisherA669S-500剧毒
三羟甲基氨基甲烷盐酸盐FisherBP153-500
透射电镜碳膜载网Ted Pella01843-F300目铜网

参考文献

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