Name: Bio-inspirierte Polydopamine Oberflächenmodifizierung von Nano-Diamanten und der Reduktion von Silber-Nanopartikeln (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-11-14T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 58 s
Description: Erfahren Sie die bio-inspirierte Polydopamin-Oberflächenmodifizierung von Nanodiamanten zur kontrollierten Schichtdicke. Diese Methode ermöglicht präzise Funktionalisierung für Materialwissenschaft und Biomedizin.

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Diese Forschung wurde unterstützt durch die National Science Foundation (CCF-1814797) und University of Missouri Research Board, Material Research Center, und der Hochschule der Künste und Wissenschaft am Missouri University of Science and Technology

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.
<ol><li>Vorbereitung der Tris-HCl-Puffer<ol>
<li>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.</li>
		<li>Das Ausmaß der 250 mL in der volumetrischen Kolben zu 1,0 M Tris-Puffer fügen Sie entionisiertem H2O hinzu.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Verwenden Sie einen pH-Meter, um pH-Wert von 0,01 M Tris-HCl-Puffer zu kalibrieren.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Vorbereitung von ND-Suspensionen<ol>
<li>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.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Vorbereitung der Dopamin-Lösung<ol>
<li>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.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Vorbereitung der Ag [(NH3)2] OH Lösung<ol>
<li>Lösen Sie 100 mg von AgNO3 Feste in 10 mL entionisiertem H2O, 10 mg/mL AgNO3 Lösung geben.</li>
		<li>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.</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Synthese-PDA-Schicht auf der Oberfläche von NDs (PDA-NDs)
<ol><li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
</ol>3. Reduzierung des AgNPs auf der Oberfläche des PDA-NDs (AgNPs-PDA-NDs)
<ol><li>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).</li>
	<li>Die letzte Lautstärke bis 100 µL in einem 1,5 mL Zentrifugenröhrchen durch Zugabe von entionisiertem Wasser, gefolgt von Beschallung für 10 min.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Neu zerstreuen der AgNPs-PDA-NDs in 100 µL der Deionizedwater mit Beschallung für 30 s, für die weitere Verwendung vorzubereiten.</li>
</ol>4. Analyse der PDA-NDs und AgNPs-PDA-NDs-Cluster
<ol><li>Sichtbare Ultraviolett (UV) Spektren<ol>
<li>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.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Transmissions-Wahl-Mikroskopie (TEM)<ol>
<li>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.</li>
		<li>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.</li>
		<li>Visualisieren Sie die Proben durch TEM, in der Regel bei 38.000 X Vergrößerung. Arbeiten bei 200 KV.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

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</ol>

Die Autoren haben nichts preisgeben.

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...

Nano-Diamanten (NDs), ein Roman auf Kohlenstoff basierende Material, haben in den letzten Jahren für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen1,2großes 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 Nontoxicity4,-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 Labor17,18, obwohl DA Derivate beschäftigt waren, NDs über klicken Sie auf Chemie in früheren Studien19,20ändern.
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.

<table><tbody><tr><td>Nanodiamond</td><td>FND Biotech, Inc.</td><td>brFND-100</td><td>in Wasser dispergiert und ohne weitere Reinigung verwendet</td></tr><tr><td>Dopaminhydrochlorid</td><td>Sigma</td><td>H8502-25G</td><td>frisch</td></tr><tr><td>zubereiten Silbernitrat</td><td>Fisher</td><td>S181-25</td><td></td></tr><tr><td>Ammoniumhydroxid</td><td>Fisher</td><td>A669S-500</td><td>hochgiftiges</td></tr><tr><td>Trishydrochlorid</td><td>Fisher</td><td>BP153-500</td><td></td></tr><tr><td>TEM Gitter Kohlenstofffilm</td><td>Ted Pella</td><td>01843-F</td><td>300 Maschen Kupfer</td></tr></tbody></table>

bio-inspirierte polydopamine oberflächenmodifizierung von nano-diamanten und der reduktion von silber-nanopartikeln

Bio-inspired Polydopamine Surface Modification of Nanodiamonds and Its Reduction of Silver Nanoparticles

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.

Die Bildung von PDA-Schichten auf ND Oberflächen analysiert wurden durch TEM (Abbildung 1). Verschiedene dicken PDA Schichten wurden als höhere Konzentrationen von DA führte zu dickeren PDA Schichten beobachtet. Darüber hinaus nach eine Verkapselung Reaktion, die Farbe der NDs-Lösung von geändert farblos bis dunkel, während die höheren die Ausgangskonzentration des DA war, desto dunkler die Lösung wurde.
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Eine einfache Protokoll wird präsentiert, um die Oberflächen von Nano-Diamanten mit Polydopamine zu funktionalisieren.

Bio-inspirierte Polydopamine Oberflächenmodifizierung von Nano-Diamanten und der Reduktion von Silber-Nanopartikeln

Surface functionalization of nanodiamonds (NDs) is still challenging due to the diversity of functional groups on the ND surfaces. Here, we demonstrate a ...

Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen zur effektiven Oberflächenfunktionalisierung von Nanodiamanten zu beantworten, die breite Anwendungen in der Materialwissenschaft und Biomedizin haben. Diese Methode kann für Nanodiamanten verwendet werden. Es kann auch für andere Materialien wie Metall-Nanopartikel, magnetische Nanopartikel oder Oberflächen, die eine aktive Biopolymerbeschichtung benötigen, angewendet werden.Bei dieser Methode werden Nanodiamanten mit einer Beschichtung aus Polydopamin, einem universellen Klebstoff, funtionalisiert. Die Dicke der PDA-Schicht wird gut durch Variation der Konzentration von Dopamin gesteuert. Zu Beginn 30,29 Gramm Tris HCl Pulver in 100 Mikroliter entionisiertem Wasser auflösen.Übertragen Sie die Lösung in einen 250 Milliliter Volumetkolben. Füllen Sie den Kolben bis zur Linie mit entionisiertem Wasser, und mischen Sie ihn, um einen ein molaren Tris HCl Puffer zu erhalten. Aus dieser Lagerlösung 20 Milliliter 0,1 Moltris HCl Puffer durch serielle Verdünnung vorbereiten.Stellen Sie bei der Überwachung des Puffers mit einem pH-Meter den pH-Wert mit einer Molaren-Salzsäure auf 8,5 ein. Als nächstes verdünnen Sie 0,02 Milliliter einer ein Milligramm pro Milliliter Suspension von 100 Nanometer monokristallinen Nanodiamanten auf einen Milliliter mit dem pH 8,5 Tris Puffer. Rühren Sie die Mischung für 10 Minuten, um eine 0,02 Milligramm pro Milliliter Nanodiamant Suspension zu erhalten.Dann lösen Sie 20 Milligramm Dopaminhydrochlorid in zwei Milliliter pH 8,5 Tris Puffer, durch Wirbeln für 30 Sekunden, um eine gepufferte 10 Milligramm pro Milliliter Dopaminhydrochlorid Lösung zu erhalten. Fügen Sie der Nanodiamant-Lösung fünf, 7,5 oder 10 Mikroliter der frisch zubereiteten Dopaminlösung hinzu, je nachdem, ob eine endgültige Dopaminhydrochloridkonzentration von 50, 75 oder 100 Milligramm pro Milliliter gewünscht wird. Nach der Einstellung des Reaktionsvolumens die Mischung bei 25 Grad Celsius 12 Stunden lang im Dunkeln kräftig rühren.Dann die Suspension von polydopaminbeschichteten Nanodiamanten auf ein 1,5-Milliliter-Zentrifugenrohr übertragen und zwei Stunden lang bei 16 000 g zentrifugieren. Entfernen Sie den Überstand und waschen Sie die Nanodiamanten dreimal mit einem Milliliter Portionen entionisiertem Wasser bei 16.000 g für jeweils eine Stunde. Dann 200 Mikroliter deionisiertes Wasser in die gewaschenen Feststoffe geben und die Mischung 30 Sekunden lang beschallen, um die polydopaminbeschichteten Nanodiamanten neu zu dispergieren.40 Mikroliter einer Suspension polydopaminbeschichteter Nanodiamanten zweimal mit entionisiertem Wasser zweimal verdünnen. Dann lösen Sie 100 Milligramm Silbernitrat in 10 Milliliter entionisiertem Wasser durch Wirbel. In einer Dunstabzugshaube ein molförmiges wässriges Ammoniak tropfenweise in die Silbernitratlösung geben, bis sich ein gelber Niederschlag bildet und die Lösung periodisch schüttelt.Setzen Sie das Hinzufügen von Ammoniak fort, bis der Niederschlag verschwindet, um eine Lösung von Diaminsilberhydroxid zu erhalten. Sofort 4,3 oder 6,4 Mikroliter der Diaminsilberlösung sofort auf 40 Mikroliter der verdünnten Nanodiamantdispersion für eine Endkonzentration von 0,4 bzw. 0,6 Milligramm pro Milliliter hinzufügen. Danach stellen Sie die Lautstärke auf 100 Mikroliter mit entionisiertem Wasser ein.Beschallen Sie die Mischung für 10 Minuten. Zentrifugieren Sie dann die Dispersion für 15 Minuten bei 16.000 g, um freie Silberionen zu entfernen. Entsorgen Sie den Überstand und waschen Sie die silbern nanopartikelbeschichteten polydopaminbeschichteten Nanodiamanten, indem Sie sie dreimal in 100 Mikroliter Portionen entionisiertem Wasser bei 16 000 g jeweils fünf Minuten zentrifugieren.100 Mikroliter entionisiertes Wasser zu den mit Silber verzierten Nanopartikeln hinzufügen und 30 Sekunden lang durch Beschallung wieder dispergieren. Charakterisieren Sie die Nanodiamanten mit UV-Vis-Spektroskopie-Scanning von 250 bis 550 Nanometer. Als nächstes legen Sie fünf Mikroliter der silbern nanopartikelverzierten Nanodiamanten auf plasmagereinigte kohlenstoffbeschichtete Kupfergitter ab und lassen sie drei Minuten sitzen.Dann ableiten überschüssige Lösung mit Filterpapier. Waschen Sie jedes Gitter dreimal, indem Sie einen Tropfen entionisiertes Wasser auftragen, es 15 Sekunden sitzen lassen und es dann mit Filterpapier ableiten. Lassen Sie die Gitter lufttrocknen, bevor Sie die Proben mit Transmissionselektronenmikroskopie visualisieren.Die unbeschichteten Nanodiamanten bildeten tendenziell Mikrocluster und Aggregate, während polydopaminbeschichtete Nanodiamanten gute Dispersionen bildeten. Höhere Dopaminkonzentrationen führten zur Bildung dickerer Polydopaminschichten in den Nanodiamant-Oberflächen. Die unbeschichtete Nanodiamantdispersion war klar und farblos.Beim Beschichten der Nanodiamanten mit einer fünf Nanometer dicken Polydopaminschicht erschien die Dispersion trüb und braun. Das Dispersionsbild wurde mit dickeren Polydopamin-Beschichtungen zunehmend dunkler. Die Reduktion von Diaminsilber auf Nanodiamanten, die mit einer 15 Nanometer dicken Polydopaminschicht beschichtet waren, war am erfolgreichsten, als die Diaminesilberhydroxidkonzentration 0,4 bis 0,6 Milligramm pro Milliliter betrug.Die nanodiamanten, die in niedrigeren Konzentrationen gebildet wurden, waren zu klein, um effektiv untersucht zu werden. Die maximalen Absorptionswerte zeigten, dass die Nanopartikel, die sich zwischen 0,4 und 0,6 Milligramm pro Milliliter-Lösung bildeten, Durchmesser von etwa 20 bzw. 30 Nanometern hatten. TEM zeigte, dass die Silber-Nanopartikel, die aus der 0,4 Milligramm pro Milliliter-Diaminsilberlösung erzeugt wurden, etwa 24 Nanometer breit waren, während die aus der 0,6 Milligramm pro Milliliter-Lösung erzeugten Nanopartikel etwa 28 Nanometer breit waren.Die Anzahl der Nanopartikel auf den Nanodiamant-Oberflächen war auch bei der höheren Diaminsilberkonzentration größer. Nach diesem Verfahren wurden gut dispergierte Nanodiamanten mit einer kontrollierbaren PDA-Dicke gebildet. Diese Technik ebnet Forschern den Weg, Nanodiamant-Anwendungen für Katalysatoren, Biosensoren und Nanoträger zu erforschen.Ohne zusätzliches Reduktionsmittel kann der PDA-unterstützte Materialisierungsprozess die Bildung von Silber-Nanopartikeln bei der Reduktion von Metallvorläufern induzieren und auf der PDA-beschichteten Oberfläche immobilisieren. Darüber hinaus enthalten die PDA-Schichten offene funktionelle Gruppen, die weiter zum Konjugieren von seriellen und aminmodifizierten Biomolekülen genutzt werden können.

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Research

Forschung

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Chemistry

Chemie

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