Synthese und Funktionalisierung von Stickstoff-dotierten Kohlenstoffnanoröhrchen Cups mit Gold-Nanopartikel als Korken

Das übergeordnete Ziel des folgenden Experiments besteht darin, einzelne hydrophile, graphitische Nanotassen herzustellen, die aus mit Stickstoff dotierten Kohlenstoffnanoröhren isoliert und anschließend mit Goldnanopartikeln als Korkverschlüsse funktionalisiert werden. Zunächst erfolgt die Synthese stickstoffdotierter Kohlenstoffnanoröhren, die aus gestapelten Nanotassen bestehen, mittels chemischer Gasphasenabscheidung. Im zweiten Schritt werden die gestapelten Nanotassen einer Behandlung mit starker Säureoxidation sowie gelegentlichem Beschallung unterzogen, wodurch die einzelnen Nanotassen effektiv aus ihren Stapeln isoliert werden.

Anschließend werden Gold-Nanopartikel durch Natriumcitrat-Reduktion von Chloraursäure in Gegenwart der isolierten Nanotassen synthetisiert, um die Nanotassen an ihrer Öffnung zu verstopfen. Die erhaltenen Ergebnisse zeigen, dass die Gold-Nanopartikel die Öffnung der Nanotassen effektiv verschließen, basierend auf Charakterisierungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie und UV/Vis-Spektroskopie. Wir hatten zuerst die Idee, die Kohlenstoffröhrentassen zu trennen und zu verschließen, als wir die Transmissionselektronenmikroskop-Aufnahmen von stickstoffdotierten Kohlenstoffröhren analysierten und bemerkten, dass sie aus einzelnen, tassenförmigen Segmenten bestehen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Bereich der Nanowissenschaft und Nanotechnologie zu beantworten, beispielsweise bezüglich der Eigenschaften von Nanostrukturen mit kontrollierter Form und Funktionalität.

Die Bedeutung dieser Technik erstreckt sich auf die Herstellung von nanoskaligen Behältern und Trägersystemen für die Arzneimittelabgabe, da die Nano-Tassen im Vergleich zu anderen Nanomaterialien eine einzigartige Form und vielseitigere Funktionen aufweisen. Zur Initiierung der Synthese wird eine Quarzplatte mit einer Größe von einem Zoll mal zwölf Zoll in ein drei Fuß langes Quarzrohr mit einem Innendurchmesser von einem Zoll eingebracht. Anschließend wird das Quarzrohr mit Stahlkappen verschlossen, die integrierte Anschlüsse für die Einspeisung von Gasen und Flüssigkeiten besitzen.

Stellen Sie das Quarzrohr in ein Lindberg-Blaurohr. Bereiten Sie anschließend eine Lösung aus flüssigem Precursor, die Ferne, Acetyl­nitril und Xylole enthält. Ziehen Sie etwa fünf Milliliter der flüssigen Precursorlösung in eine gasdichte Spritze.

Platzieren Sie die Spritze auf einer Spritzenpumpe und verbinden Sie sie mit dem Einlass des Quarzrohrs. Bauen Sie zu diesem Zeitpunkt das CVD-System zusammen, indem Sie alle Gaszuführungen und -abgänge verbinden. Leiten Sie 845 Standardkubikzentimeter pro Minute Argon durch das System, um es 20 Minuten lang zu spülen, und prüfen Sie nach Abschluss des Spülens auf Dichtheit.

Starten Sie einen Fluss von molekularem Wasserstoff mit 37,5 standard Kubikzentimeter pro Minute und stellen Sie das Argon auf einen Fluss von 127 standard Kubikzentimeter pro Minute ein. Schalten Sie den Ofen ein und stellen Sie die Temperatur auf 800 Grad Celsius ein, sobald diese stabil ist. Stellen Sie die Injektionsrate der Spritzenpumpe sechs Minuten lang auf neun Milliliter pro Stunde ein.

Nach sechs Minuten stellen Sie die Injektionsrate auf einen Milliliter pro Stunde für das Wachstum von stickstoffdotierten Kohlenstoff-Nanoröhren-Bechern ein. Nach 90 Minuten Wachstum schalten Sie die Spritzenpumpe und den Wasserstoffgasfluss aus und fahren Sie den Ofen herunter. Lassen Sie Argon weiterfließen, um eine innere Atmosphäre aufrechtzuerhalten, bis der Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt ist.

Wenn das System Raumtemperatur erreicht hat, trennen Sie unter einem Abzug oder mit Atemschutz alle Gaszuführungen und -abgänge sowie das Injektionssystem ab. Bauen Sie das CVD-System auseinander und nehmen Sie die Quarzplatte heraus. Verwenden Sie eine einseitig geschärfte Rasierklinge, um den mit Stickstoff dotierten Kohlenstoff-Nanoröhren-Cups-Film vorsichtig von der Platte abzulösen.

Überführen Sie den Film mit einer Pinzette und einer antistatischen Pistole zur Dispergierung in Ethanol für den Oxidationsprozess. Schützen Sie sich zunächst angemessen, um hochkorrosive Flüssigkeiten sicher zu handhaben. Übertragen Sie etwa 10 Milligramm der hergestellten NC-NCS in einen 200-Milliliter-Rundkolben.

Geben Sie 7,5 Milliliter konzentrierte Salpetersäure zum Kolben hinzu. Sonifizieren Sie das Gemisch kurz in einem Wasserbad zur besseren Dispergierung. Fügen Sie anschließend langsam 22,5 Milliliter konzentrierte Schwefelsäure hinzu, wobei sich das Reaktionsgemisch in einem Wasserbad bei Raumtemperatur befindet, und sonifizieren Sie vier Stunden lang.

Anschließend das Reaktionsgemisch mit 100 Milliliter Wasser verdünnen und das Gemisch in ein Eisbad geben. Nachdem das Gemisch auf Raumtemperatur abgekühlt ist, das Gemisch mit einer Wasserstrahlpumpe durch eine POLYTETRAFLUOROETHYLEN- oder PTFE-Membran mit einer Porengröße von 220 Nanometern filtrieren. Das Material auf der Filtermembran mit 200 Milliliter 0,01-molarer Natriumhydroxidlösung waschen, um säurehaltige Nebenprodukte zu entfernen.

Waschen Sie das Material anschließend mit 200 Milliliter einer 0,01-molaren Salzsäurelösung. Danach waschen Sie das Material mit Wasser, bis die Filtratlösung einen neutralen pH-Wert aufweist. Schließlich geben Sie das oxidierte NC NCS in 50 Milliliter Wasser.

Schallen Sie die Mischung, um das Material zu dispergieren. Typischerweise etwa fünf Minuten; die resultierende Suspension kann für Experimente bei Raumtemperatur aufbewahrt werden. Um die NC-Nanopartikel zu trennen, geben Sie die Suspension des oxidierten Materials in Wasser in einen 100-Milliliter-Kunststoffbecher, der in einem Eisbad steht.

Füllen Sie den Plastikbecher mit Wasser bis zur 50-Milliliter-Marke. Rüsten Sie einen Probenhomogenisator mit einer Titan-Mikrosonde mit einem Viertelzoll Durchmesser aus und stellen Sie ihn auf 60 % der maximalen Leistungsstärke ein. Tauchen Sie die Mikrosonde für 12 Stunden in die Mitte der Lösung ein, wobei ein Ein-Aus-Intervall von 1/32 verwendet wird.

Ersetzen Sie das Eis alle 30 Minuten, um eine Überhitzung zu verhindern. Nach 12 Stunden beenden Sie die Beschallung. Filtern Sie die NC-NC-Suspension durch eine PTFE-Filtermembran mit einer Porengröße von 220 Nanometern, um größere Partikel zu entfernen. Die resultierenden NC-NC-Proben können erneut bei Raumtemperatur für weitere Anwendungen gelagert werden.

Die Analyse beginnt mit der Herstellung von zwei Reagenzien, A und B. Reagenz A enthält Phenol, Ethanolpurin und Hydrantdinin in Wasser. Reagenz B ist Hyran in Ethanol gelöst.

Füllen Sie kleine Reagenzgläser mit 600 Mikroliter Ethanol. Geben Sie 400 Mikroliter NC NNC-Lösung oder als Kontrollen 400 Mikroliter Wasser zu jedem der Gläser hinzu. Fügen Sie 100 Mikroliter Reagenz A und 25 Mikroliter Reagenz B zu den Gläsern hinzu.

Verschließen Sie die Reagenzgläser mit Stopfen und erhitzen Sie sie 10 Minuten lang in einem Ölbad mit 100 Grad Celsius. Filtern Sie die Probe mithilfe eines Spritzfilters, um feste Partikel zu entfernen, und sammeln Sie die Filtratlösung zur Analyse. Nehmen Sie sichtbare Spektren der Filtrate mit und ohne NC NCS auf und verwenden Sie die Colorimetrie.

Notieren Sie die Absorption der bei 570 Nanometern zentrierten Spitze zur Verwendung mit dem Beer-Lambert-Gesetz, um die Aminbeladungen zu berechnen, die zur Einführung von Goldpartikeln in die NC-NCS erforderlich sind. Beginnen Sie mit vier Milliliter wässriger Suspension, die getrennte NC-NCS mit einer Konzentration von 0,01 Milligramm pro Milliliter enthält.

Sonifizieren Sie die Suspension in einem Wasserbad-Sonifikator für fünf Minuten. Während der letzten Minute der Sonifikation fügen Sie einen Milliliter einer Lösung mit einem Milligramm pro Milliliter hinzu. Wässrige Lösung von Chloro ORIC Säure.

Wenn fertig, die Lösung auf ein Rührgerät mit Heizplatte bei 70 Grad Celsius stellen. Unter starker Rührung 250 µL einer 1 Gew.-%igen wässrigen Zitronensäure-Natrium-Lösung tropfenweise hinzufügen. Das Reaktionsgemisch zwei Stunden lang auf der Heizplatte rühren.

Als Nächstes zentrifugieren Sie die Reaktionsmischung bei 3.400 U/min für 15 Minuten. Entfernen Sie anschließend den Überstand, um das Präzipitat zurückzulassen, das die mit Gold-Nanopartikeln funktionalisierten NC-NCS enthält. Dispergieren Sie das Präzipitat in vier Milliliter Wasser und zentrifugieren Sie erneut. Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt erneut die faserartige Struktur der stickstoffdotierten Nanoröhren, ihre typische Länge von mehreren Mikrometern sowie Durchmesser von 20 bis 30 Nanometern.

Höher aufgelöste Bilder zeigen die Nanoröhrchen-Cups, die aufeinander gestapelt sind. Hier zeigen die Aufnahmen der Transmissionselektronenmikroskopie die NC-NCS nach der Säureoxidation. Der Oxidationsprozess hat die Fasern in Abschnitte von jeweils einem Mikrometer Länge zerschnitten, doch nach Probenspitzen, Beschallung und Filtration erscheinen die NC-NCS aufgrund der weiterhin gestapelten IC-Cups als einzelne Cups mit einer Länge von weniger als 200 Nanometern.

Der Oxidationsprozess führt zu einer Änderung des Zeta-Potentials der NC NCS von positiv zu negativ. Wie auf der linken Seite dargestellt, zeigt das Diagramm rechts, dass gemäß dem Kaiser-Test die intrinsischen Aminogruppen der NC NCS unverändert blieben, wie auf der linken Seite zu sehen ist. Als die NC NCS mit Goldnanopartikeln funktionalisiert wurden, erhielt nahezu jede der NC NCS einen solchen Partikel.

Viele der gebildeten Gold-Nanopartikel verschlossen die Becher wie hier rechts dargestellt. Die vergrößerte Aufnahme zeigt den Farbunterschied nach der Zentrifugation zwischen den freien Gold-Nanopartikeln im Überstand auf der linken Seite und den Gold-Nanopartikeln auf dem NNC NCS auf der rechten Seite. Die stärker violette Färbung entspricht einer Rotverschiebung des Oberflächenplasmon-Resonanzbands von Gold im sichtbaren Spektrum, wie in den Daten zu sehen ist.

Wenn man die Technik einmal beherrscht, kann sie an einem Tag durchgeführt werden, sofern sie ordnungsgemäß durchgeführt wird. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Kohlenstoff-Nanomaterialien gefährlich sein kann, und ergreifen Sie Vorsichtsmaßnahmen wie beispielsweise den Einsatz von Atemschutzmasken, während Sie dieses Verfahren nach seiner Entwicklung anwenden. Diese Technik ebnete den Forschern auf dem Gebiet der Nanowissenschaften und insbesondere der Nanomedizin den Weg, Anwendungen dieser funktionalen Nanotransporter für gezielte Therapeutika und kontrollierte Arzneimittelfreisetzung zu erforschen.