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Summary

Eine einfache Protokoll wird präsentiert, um die Oberflächen von Nano-Diamanten mit Polydopamine zu funktionalisieren.

Abstract

Oberfläche Funktionalisierung von Nano-Diamanten (NDs) ist immer noch schwierig aufgrund der Vielfalt an funktionellen Gruppen auf den ND-Oberflächen. Hier zeigen wir ein einfaches Protokoll für die multifunktionale Oberflächenmodifizierung von NDs mit Muschel-inspirierten Polydopamine (PDA) Beschichtung. Darüber hinaus könnte die Funktionsschicht PDA auf NDs dienen als Reduktionsmittel zu synthetisieren und Metall-Nanopartikeln zu stabilisieren. Dopamin (DA) kann selbst polymerisieren und spontan PDA Schichten auf ND Oberflächen bilden, wenn die NDs und Dopamin einfach miteinander vermischt sind. Die Dicke der Schicht PDA wird gesteuert durch die Variation der Konzentration der DA. Ein typisches Ergebnis zeigt, dass eine Dicke von ~ 5 bis ~ 15 nm der PDA Schicht erreicht werden kann, indem Sie 50 bis 100 µg/mL DA zu 100 nm ND Suspensionen. Darüber hinaus sind die PDA-NDs als Substrat verwendet, um Metall-Ionen, wie z. B. Ag zu reduzieren [(NH₃)₂]⁺, Silber-Nanopartikel (AgNPs). Die Größen der AgNPs verlassen sich auf die anfängliche Konzentrationen von Ag [(NH₃)₂]⁺. Zusammen mit einer Erhöhung der Konzentration der Ag [(NH₃)₂]⁺, die Anzahl der NPs erhöht sowie die Durchmesser der NPS. Zusammenfassend lässt sich sagen diese Studie nicht nur stellt eine einfache Methode zum Ändern der Oberflächen von NDs mit PDA, sondern zeigt auch die erweiterte Funktionalität des NDs durch Verankerung der verschiedenen Arten von Interesse (z. B. AgNPs) für anspruchsvolle Anwendungen.

Introduction

Nano-Diamanten (NDs), ein Roman auf Kohlenstoff basierende Material, haben in den letzten Jahren für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen^1,2großes Aufsehen. Beispielsweise unterstützen die hohe Flächen von NDs ausgezeichnete Katalysator für Metall-Nanopartikeln (NPs) wegen ihrer super-chemische Stabilität und thermische Leitfähigkeit³. Darüber hinaus spielen NDs bedeutende Rollen in Bio-Imaging, Bio-sensing und Drug-Delivery aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität und Nontoxicity^4,–⁵.

Um effizient ihre Fähigkeiten erweitern, ist es wertvoll, funktionelle Arten auf den Oberflächen von NDs, wie Proteinen, Nukleinsäuren und Nanopartikel⁶konjugieren. Obwohl eine Vielzahl von funktionellen Gruppen (zB., Hydroxyl, Carboxylgruppen, Lacton, etc.) entstehen auf den Oberflächen der NDs während ihrer Reinigung, Konjugation Erträge der funktionellen Gruppen sind immer noch sehr gering wegen der geringen Dichte der einzelnen aktive chemische Gruppe⁷. Dies führt zu instabilen NDs, die tendenziell Aggregat, Begrenzung weiter Anwendung⁸.

Die am häufigsten verwendeten Methoden zur NDs, funktionalisieren derzeit kovalente Konjugation mithilfe kupferfreie Klick Chemie⁹, kovalente Verknüpfung von Peptid-Nukleinsäuren (PNA)-¹⁰und selbst-zusammengebauten DNA-¹¹. Die nicht-kovalente Verhüllung des NDs ist auch vorgeschlagen worden, darunter Kohlenhydrat-modifizierte BSA⁴und HSA¹²Beschichtung. Da diese Methoden zeitaufwändig und ineffizient sind, ist es jedoch wünschenswert, dass eine einfache und allgemeingültige Methode entwickelt werden kann, um die Oberflächen von NDs zu ändern.

Dopamin (DA)¹³, bekannt als natürlichen Neurotransmitter im Gehirn, war am meisten benutzt für die Einhaltung und Funktionalisierung von Nanopartikeln, wie gold-Nanopartikeln (AuNPs)¹⁴, Fe₂O₃¹⁵und SiO₂¹⁶ . Selbst polymerisierte PDA Schichten bereichern Amino- und phenolische Gruppen, die weitere direkt metallische Nanopartikeln mindern oder Thiol/Amin-haltigen Biomoleküle in einer wässrigen Lösung leicht zu immobilisieren genutzt werden können. Dieser einfache Ansatz wurde vor kurzem angewandt, um NDs funktionalisieren von Qin Et Al. und unser Labor^17,18, obwohl DA Derivate beschäftigt waren, NDs über klicken Sie auf Chemie in früheren Studien^19,20ändern.

Hier beschreiben wir eine einfache PDA-basierte Oberflächenmodifizierung-Methode, die effizient NDs functionalizes. Durch die Variation der Konzentration von DA, können wir die Dicke der Schicht PDA von wenigen Nanometern bis zu zehn Nanometern steuern. Darüber hinaus sind die Metall-Nanopartikeln direkt reduziert und stabilisiert auf der PDA-Oberfläche ohne die Notwendigkeit für zusätzliche toxische Reduktionsmittel. Die Größen von silbernen-Nanopartikeln hängen die anfängliche Konzentrationen von Ag [(NH₃)₂]⁺. Diese Methode ermöglicht die kontrollierte Ablagerung von PDA auf den Oberflächen der NDs und die Synthese von ND konjugiert AgNPs, , die drastisch die Funktionalität des NDs erstreckt, wie ausgezeichnete Nano-Plattformen des Katalysators unterstützt, Bio-Imaging und Bio-Sensoren.

Protocol

1. Vorbereitung der Reagenzien

Achtung: Bitte lesen Sie und verstehen Sie alle relevanten Sicherheitsdatenblätter (SDB) vor dem Gebrauch. Einige der Chemikalien sind giftig und volatil. Bitte folgen Sie besondere Behandlung Verfahren und Speicheranforderungen. Während der Versuchsdurchführung verwenden Sie persönlichen Schutzausrüstung wie Handschuhe, Schutzbrille und einen Laborkittel, um mögliche Gefahren zu vermeiden.

1. Vorbereitung der Tris-HCl-Puffer
   1. Lösen Sie 30,29 g Tris-Pulver in 100 mL entionisiertem H₂O, sicherzustellen Sie, dass das Pulver vollständig auflöst und dann übertragen Sie die Lösung auf einem 250 mL-volumetrischen Kolben.
   2. Das Ausmaß der 250 mL in der volumetrischen Kolben zu 1,0 M Tris-Puffer fügen Sie entionisiertem H₂O hinzu.
   3. Verdünnen Sie den 1,0 M Tris-Puffer 100 Mal zu geben 0,01 M Tris-Puffer und stellen Sie den pH-Wert auf 8,5 mit 1,0 M HCl Standardlösung.
   4. Verwenden Sie einen pH-Meter, um pH-Wert von 0,01 M Tris-HCl-Puffer zu kalibrieren.
2. Vorbereitung von ND-Suspensionen
   1. Verdünnen Sie 100 nm von monokristallinen ND Suspensionen (1,0 mg/mL) 50 Mal mit 0,01 M Tris-HCl-Puffer, 0,02 mg/mL von ND Suspensionen zu geben.
3. Vorbereitung der Dopamin-Lösung
   1. Lösen Sie 20 mg Dopamin-Hydrochlorid in 2,0 mL 0,01 M Tris-HCl-Puffer zu 10 mg/mL Lösung DA auf.
      Hinweis: Die Lösung DA muss werden frisch zubereitet und innerhalb von 15 Minuten verwendet.
4. Vorbereitung der Ag [(NH₃)₂] OH Lösung
   1. Lösen Sie 100 mg von AgNO₃ Feste in 10 mL entionisiertem H₂O, 10 mg/mL AgNO₃ Lösung geben.
   2. Hinzufügen von 1,0 M Ammonium Hydroxid (NH₃· H₂O) tropfenweise zur AgNO₃ Lösung bis gelbe Niederschlag Formen, dann weiter nach Hinzufügen der NH₃· H₂O Lösung bis der Niederschlag verschwindet.
      Hinweis: Stellen Sie die minimale Lautstärke erforderlich; unmittelbar vor der Anwendung bereiten und sofort nach Gebrauch zu entsorgen.
      Achtung: Fügen Sie NH₃· H₂O unter Abzug mit Gesicht abschirmt, Handschuhe und Schutzbrillen.

2. Synthese-PDA-Schicht auf der Oberfläche von NDs (PDA-NDs)

1. Fügen Sie die frisch zubereitete DA Lösung (10 mg/mL) für die ND-Suspensionen, geben vielfältige Endkonzentrationen von 50, 75, 100 µg/mL DA. Die gesamte Reaktion Lautstärke bis 1,0 mL auf 10 mL-Reagenzglas übertragen und kräftig rühren, bei 25 ° C im Dunkeln für 12 h.
2. Die PDA-NDs-Lösung für 2 h bei 16.000 x g Zentrifugieren, überstand zu entfernen und waschen dreimal mit entionisiertem Wasser für 1 h bei 16, 000 X g jedes Mal.
3. Neu verteilen die PDA-NDs in 200 µL deionisiertes Wasser mit Beschallung für 30 s. Die PDA – beschichtete NDs werden für die weitere Verwendung bereit.

3. Reduzierung des AgNPs auf der Oberfläche des PDA-NDs (AgNPs-PDA-NDs)

1. Verdünnen Sie 40 µL bereits synthetisierten PDA-NDs in Schritt 2.3 zweimal mit entionisiertem Wasser. Add Ag [(NH₃)₂] OH Lösung zu verschiedenen Endkonzentrationen der Ag [(NH₃)₂]⁺ (0,08, 0,16 0,24, 0,40 und 0,60 mg/mL).
2. Die letzte Lautstärke bis 100 µL in einem 1,5 mL Zentrifugenröhrchen durch Zugabe von entionisiertem Wasser, gefolgt von Beschallung für 10 min.
3. Zentrifuge AgNPs-PDA-NDs für 15 min bei 16.000 X g um die kostenlose Silber-Ionen zu entfernen, den Überstand nach Zentrifugation entsorgen 100 µL deionisiertes Wasser hinzufügen und dreimal mit entionisiertem Wasser bei 16.000 X g für 5 min jedes Mal waschen.
4. Neu zerstreuen der AgNPs-PDA-NDs in 100 µL der Deionizedwater mit Beschallung für 30 s, für die weitere Verwendung vorzubereiten.

4. Analyse der PDA-NDs und AgNPs-PDA-NDs-Cluster

1. Sichtbare Ultraviolett (UV) Spektren
   1. Verwenden Sie die UV-Spektren, um die Durchschnittsgröße Verteilung der AgNPs auf PDA-ND Oberflächen zu überwachen. Übertragen Sie die AgNPs-PDA-NDs-Proben mit unterschiedlichen Konzentrationen von Ag [(NH₃)₂] OH in 1 cm-Quarz-Küvette in Schritt 3.4 vorbereitet und überwachen die Absorption bei einer Scan-Wellenlänge von 250 bis 550 nm.
2. Transmissions-Wahl-Mikroskopie (TEM)
   1. Legen Sie die Kohlenstoff beschichtet Kupfer Raster auf einen Glasobjektträger gewickelt mit Parafilm die Netze in Position zu halten. Der Objektträger mit angehängten TEM Gitter in das Plasma Reiniger einsetzen. Aktivieren Sie das Plasma Reiniger und die Vakuumpumpe. Schalten Sie nach 5 min das Plasma und Entlastung der Netze mit mittlerer Leistungsstufe 3 min.
   2. Kaution 5 µL der Proben auf der Carbon-Folie beschichtet Cu-Grids für 3 min. Einsatz Filterpapier, Docht Weg zusätzliche Probe vom Rand des Rasters. Dann einzahlen einen Tropfen deionisiertes Wasser in der Startaufstellung für 15 s, Salze, entfernen dann Docht aus dem Wasser mit Filterpapier. Wiederholen Sie den Waschvorgang zweimal und lassen Sie das Gitter an der Luft trocknen für die weitere Verwendung.
   3. Visualisieren Sie die Proben durch TEM, in der Regel bei 38.000 X Vergrößerung. Arbeiten bei 200 KV.

Representative Results

Discussion

Dieser Artikel enthält ein detailliertes Protokoll der Oberfläche Funktionalisierung von NDs mit Self polymerisierten DA Beschichtung und zur Verringerung der Ag [(NH₃)₂]⁺ , AgNPs auf PDA Schichten (Abbildung 3). Die Strategie ist in der Lage, verschiedene dicken von PDA-Schichten zu produzieren, indem Sie einfach die Konzentration der DA. Die Größe der AgNPs kann auch gesteuert werden, durch Veränderung der ursprünglichen Konzentration der Metallionen Lösung. Das TEM-Bild in Abbildung 1A zeigt den unbeschichteten 100 nm NDs die Form Mikrokügelchen und Aggregate gepflegt. Wenn NDs mit PDA vergossen wurden, runden die PDA-Schichten als einen dünnen Ring zeigte der NDs. Die dicken der PDA Schichten, gemessen in TEM Bilder wurden ca. 5 nm, 10 nm und 15 nm, was die DA Endkonzentrationen von 50 µg/mL, 75 µg/mL und 100 µg/mL, bzw. entsprach. Die Farbe der NDs-Suspension wurde beobachtet von farblos zu dunklen folgenden PDA Beschichtung, zeigt die erfolgreiche Verhüllung des PDA auf ND Oberflächen und zeigen, dass die Dicke der PDA abhängig von der Konzentration des DA. war ändern Bitte beachten Sie: der kritische Faktor, die DA Polymerisation beeinflusst, ist der pH-Zustand (der günstigste Wert beträgt 8,5²³). Der genaue pH-Wert einer Lösung ist vorteilhaft für die Steuerung der dicken von PDA-Schichten. Schnelle Erregung während der Polymerisation ist darüber hinaus notwendig für die Aufschlüsselung der NDs und die Bildung einer uniformierten PDA-Schicht. Daher ist diese Methode nicht effektiv für alle Partikel, die in alkalischen Lösungen instabil sind.

Um die Einflussfaktoren zu beschreiben, die auf die Dicke des PDA beigetragen haben, stellen wir Gleichung (1( ), die Bildung einer PDA-Schicht auf ND Oberflächen zu beschreiben. Dies basiert auf der kinetische Gleichung von PDA Ablagerung auf Nanopartikel aus früheren Berichten^21,22. Die anfängliche Konzentrationen von DA (C-₁, m/V), Reaktionszeit (t) und die Dicke der Schicht PDA (d), sind wie folgt:

(1)

R ist der Radius des NDs (unter der Annahme NDs sind Kugeln), p₁ ist die Dichte der PDA V₁ ist das Reaktionsvolumen, N-₁ ist die Anzahl der NDs und k-₁ ist eine konstante, die im Zusammenhang mit pH-Werten, teilweise Druck von O₂, Umgebungstemperatur und Lichtstärke²³. Daher kann die Dicke der Schicht PDA als geschrieben werden Gleichung (2( )

(2)

Oder wenn wir umschreiben Gleichung (1( ), ()3):

(3)

D³ und 3d²R dann, beseitigen, weil d weit weniger als R ist (d<<R).

Endlich, das d ausgedrückt werden kann, als Gleichung (4( )

(4)

Der Beschichtungsprozess erforderlich, 12 h, mit dem DA völlig verbraucht und überwacht durch UV-Vis-Spektren. Daher war eine konstante, und der Wert von d war direkt proportional zu der anfängliche Konzentrationen von DA (C₁), die durch unsere experimentelle Ergebnisse (Tabelle 1) bestätigt wurden. Bitte beachten Sie, dass mit der Erhöhung der dicken der PDA-Schichten Ansammlung Geschwindigkeiten der Schichten wegen der Zunahme der Flächen des NDs-PDA langsamer waren.

Das Vorhandensein der Brenzcatechins Gruppen in PDA hat sich gezeigt, um das Wachstum der Nanopartikel auf die Reduzierung von Metall Vorstufen und deren Immobilisierung auf einem PDA-beschichtete Oberfläche^{24,25,26direkt zu induzieren, 27}. Nach Beschichtung 100 nm NDs mit einer PDA-Schicht (~ 15 nm), die daraus resultierende PDA-NDs dienten als Substrat, um AgNPs aus einer Metall-Ion Lösung mit Hilfe von Ultraschall zu synthetisieren. Wie in Abbildung 2, mit der Zunahme der [Ag (NH₃)₂]⁺ Konzentration, erhöht die Größe des AgNPs von ~ 24 nm bis ~ 28 nm und die Anzahl der NPs von 97 bis 117, angehoben entspricht [Ag (NH₃)₂] ⁺ Konzentration von 0,4 bis 0,6 mg/mL, beziehungsweise. Dieses Phänomen kann auch durch UV-Vis Spektroskopie charakterisiert werden. Die Extinktion Spitze von Nanopartikeln allmählich erschien als die Konzentration von [Ag (NH₃)₂]⁺ erhöht (Abbildung 4). Zum Beispiel die maximale Absorption von Nanopartikeln, gebildet durch die Reduzierung von 0,4 bis 0,6 mg/mL [Ag (NH₃)₂]⁺, 410 und 430 nm, das entspricht AgNPs mit einem Durchmesser von ∼20 und ∼30 nm, bzw. ist. Dies steht im Einklang mit TEM Beobachtung¹⁷.

Der Durchmesser des reduzierten AgNPs folgt der erste Auftrag linearen Differential Gleichung (5(), das ist ähnlich wie die gesäten Wachstum Synthese von AuNPs²⁸, wo S ist die Fläche des PDA-NDs, C₂  die anfängliche Konzentrationen von Ag [(NH₃)₂]⁺, t ist die Reaktionszeit, R ist der Radius des AgNPs, k-₂ ist eine konstante, p₂ ist die Dichte der Ag, V₂ ist das Reaktionsvolumen, N₂ ist die Anzahl der AgNPs und entspricht S · n, n ist die durchschnittliche Anzahl der aktiven Brenzcatechins Gruppen reduzieren Ag [(NH₃)₂]⁺. Die AgNPs sind als Kugeln behandelt:

(5)

In der Gleichung nahm die Zahl der AgNPs direkt proportional zur Fläche der PDA, sein, abhängig von der Dicke der PDA Schichten. Auf der Oberfläche der PDA-Schichten, die AgNPs wuchs mit der kontinuierlichen Reduzierung der Ag [(NH₃)₂]⁺, zwar die Metall (0) Anleihen bei der O-Seite des PDA diente als Vorläufer der AgNPs Samen. Die Anzahl der AgNPs ist proportional zu der O-Seite auf PDA, ist direkt proportional zu der Fläche^23,29,30,31. Auf der anderen Seite der reduzierten AgNPs verteilen sich gleichmäßig auf den PDA-Oberfläche weil der Ag [(NH₃)₂]⁺ verringerte sich von den uniformierten Brenzcatechins Gruppen auf den PDA-Layern. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass je höher die anfängliche Konzentrationen von Ag [(NH₃)₂]⁺ waren, desto größer waren die AgNPs, aber mit einer ähnlichen Anzahl von NPs auf jeder ND. Das Verhältnis der anfängliche Konzentrationen von [Ag (NH₃)₂]⁺ (C₂) Verhältnis (0,6 mg / mL: 0,4 mg / mL = 1,5) stimmten mit der durchschnittlichen Radius cubed [(14/12)³= 1.588]. Daher, wenn eine höhere Dichte der Partikel auf den PDA-NDs gewünscht wird, sollte eine dickere Schicht von PDA-NDs ausgewählt werden, aber wenn größere Größen des NPs benötigt werden, würde eine längere Dauer der Reduzierung der Anforderung genügen.

Zu entfernen, die nicht umgesetztes [Ag (NH₃)₂]⁺ während des Reinigungsprozesses, empfiehlt sich eine hohe Zentrifugation Geschwindigkeit wegen der geringen Dichte von NDs. Je höher die Zentrifugation Geschwindigkeit ist, desto kürzer die Dauer der Reinigung werden bessere Kontrolle über die Größe der AgNPs bieten wird. Darüber hinaus ist die Beschallung ein unverzichtbares Ansatz für den Erhalt der einheitlichen AgNPs. Proben sollten für mehrere Minuten zunächst vor Ag sonorisiert [(NH₃)₂]⁺ Lösungen werden hinzugefügt.

Wir haben eine einfache Methode zur Oberflächenmodifizierung von NDs mit Self polymerisierten PDA demonstriert. Im Vergleich zur klicken Sie auf Chemie-Methode, diese Strategie nicht nur ND Dispersität und Stabilität verbessert, sondern bietet auch eine reaktive Plattform (PDA-Layer) für mögliche Post-Änderung durch die Reduzierung der Metall-Nanopartikeln oder Verknüpfung mit amino/Thiol befestigt Spezies. Die Dicke der Schicht PDA und die Größe der Nanopartikel auf ND Oberflächen können geändert werden, durch Variation PDA und Ag [(NH₃)₂]⁺ Konzentrationen. Sie können auch verwendet werden, um AuNPs oder andere Edelmetall-NPs zu verringern. Durch die Kombination der Vielfalt der PDA Chemie und die einzigartigen Eigenschaften des NDs, öffnet diese Methode die Tür für die Erweiterung ND Anwendungen im Katalysator, Energie- und biomedizinischen Bereichen.

Materials

Nanodiamond	FND Biotech, Inc.	brFND-100	dispersed in water, and used without further purification
Dopamine hydrochloride	Sigma	H8502-25G	prepare freshly
Silver Nitrate	Fisher	S181-25
Ammonium Hydroxide	Fisher	A669S-500	highly toxic
Tris Hydrochloride	Fisher	BP153-500
TEM grid carbon film	Ted Pella	01843-F	300 mesh copper