Artículo de método

Luz visible reducción inducida de grafeno Óxido Usando plasmónica de nanopartículas

DOI:

10.3791/53108

⸱

22 de septiembre de 2015

 ,  ,  , 
1KU-KIST Graduate School of Converging Science and Technology, Korea University, 2Department of BIN Fusion Technology, Chonbuk National University

En este artículo

Resumen

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Un protocolo sencillo para la preparación de la reducción de óxido de grafeno usando luz visible y de nanopartículas plasmónica se describe.

Resumen

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El presente trabajo demuestra la, y la energía método simple, libre de químicos, rápido eficiente para producir óxido de grafeno reducido (r-GO) solución a temperatura ambiente usando irradiación con luz visible con nanopartículas plasmónicas. La nanopartícula plasmónica se utiliza para mejorar la eficiencia de la reducción de GO. Sólo se tarda 30 min a TA mediante la iluminación de las soluciones con Xe-lámpara, las soluciones r-GO se pueden obtener mediante la eliminación total de las nanopartículas de oro por simple etapa de centrifugación. Las nanopartículas de oro esféricas (AuNPs) en comparación con las otras nanoestructuras es la nanoestructura plasmónica más adecuado para la preparación r-GO. El óxido de grafeno reducido preparado usando la luz visible y AuNPs fue igualmente cualitativa como reduce químicamente el óxido de grafeno, que fue apoyada por diversas técnicas analíticas como la espectroscopia UV-Vis, espectroscopia Raman, difracción de rayos X en polvo y XPS. El óxido de grafeno reducido preparado con luz visible muestra excelentes propiedades de enfriamiento sobre el fluormoléculas escent modificados en ssDNA y recuperación de fluorescencia excelente para la detección de ADN diana. Se encontró que la r-GO preparado por AuNPs reciclados para ser de la misma calidad con la de reducido químicamente r-GO. El uso de la luz visible con nanopartículas plasmónica demuestra el buen método alternativo para la síntesis de la r-GO.

Introducción

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Método 1 y el vapor químico a base La primera scotch-tape desarrollado deposición 2 eran excelentes métodos para producir el estado prístino de un grafeno, pero la formación de la capa síntesis a gran grafeno escala o de grafeno en la superficie con amplia área se han considerado como una limitación clave de la . los métodos anteriores 3 Uno de posible solución para gran escala la síntesis de r-GO será método sintético químico húmedo que requiere en primer lugar las reacciones con oxidantes fuertes, extensa tratamiento físico tales como sonicación para producir IR hoja, y finalmente la reducción de funcionalidades de oxígeno tales como hidroxilo, epóxido y grupos carbonilo en GO es esencial a fin de recuperar sus propiedades físicas originales. 4 En su mayoría, se llevó a la reducción de salir con cualquiera de los métodos químicos usando hidrazina o sus derivados 5 o por el método de tratamiento térmico (550-1,100 ° C) en una atmósfera inerte o reductora. 6

jove_content "> Estos procesos requieren los productos químicos tóxicos, largo tiempo de reacción y la temperatura alta que aumentó la demanda total de energía para la síntesis de la r-GO. 7 Si bien los procesos de reducción de foto-irradiación como, proceso 8 foto-térmica inducida por UV usando un xenón pulsada flash, 9 pulsos láser asistida 10 y foto-térmica de calefacción con luces de flash de la cámara 11 también han sido reportados para la preparación de r-GO. En general, la baja eficiencia de conversión de los métodos fotoinducidas propaga al uso de UV o pulsada irradiación láser que puede entregar alta energía fotónica. La baja energía de los fotones de la luz visible limita su uso y no llamaron mucho para la síntesis de la r-GO. Excelentes propiedades de absorción de la luz de las nanopartículas plasmónicas en las regiones visibles y / o NIR puede mejorar en gran medida los inconvenientes actuales del uso de la luz visible para la síntesis de la r-GO. 12,13 condiciones suaves de reacción, tiempo de reacción corto y el uso limitado de ch tóxicosemicals podrían hacer que el plasmón inducida luz visible asistida reducción fotocatalítica de GO como un método alternativo de utilidad.

En presente método, se describe el método sintético r-GO eficiente y sencilla utilizando nanopartículas plasmónicas y luz visible. Se encontró que el progreso de la reacción a ser fuertemente dependiente de las estructuras de nanopartículas plasmónicas tales como nanopartículas esféricas de oro (AuNPs), nanorods oro (AuNRs), y nanoestrellas de oro (AuNSs). El uso de AuNPs mostró la reducción más eficiente de GO y las nanopartículas son fácilmente extraíbles y reciclables para el uso repetido (Figura 1). El r-GO sintetizó usando luz visible y AuNPs mostró casi igual calidad en comparación con el r-GO preparado por método químico bien conocido (hidracina) como se ha demostrado mediante el uso de varias mediciones analíticas y el método de detección de ADN basado en la fluorescencia de temple / recuperación.

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Protocolo

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1. Preparación de Precursor

  1. Preparación de óxido de grafeno (GO):
    1. Preparación GO utilizando el método de Hummer 14 modificado
      1. Añadir 3,0 g de escamas de grafito a una mezcla de H 2 SO 4 concentrado / H 3 PO 4 (360: 40 ml) a TA. (Nota: Especial cuidado se debe tomar durante el uso de ácidos fuertes H 2 SO 4 y H 3 PO 4.)
      2. Añadir KMnO 4 (18,0 g) lentamente con agitación y enfriamiento en un baño de hielo para mantener la temperatura de la mezcla de reacción a <35 ° C. (La solución convertirse pegajosa con un mayor tiempo de reacción, la necesidad de utilizar el método adecuado para mantener la agitación eficiente.) (Nota: Especial cuidado se debe tener al tiempo que añade KMnO4 debido a la reacción exotérmica.)
      3. Se agita durante 12 horas a 50 ° C y luego se enfría hasta TA y verter mezcla de reacción sobre hielo (400 ml) que contenía 30% de H 2 O 2 (3 ml).
      4. Se filtra la reaction mezcla utilizando un metal US Standard prueba tamiz (300 micras) para eliminar el grafito que no ha reaccionado y centrifugar la (velocidad de 4722 xg durante 2 hr) filtrado para eliminar el sobrenadante.
      5. Repetir la etapa de centrifugación con 200 ml de agua, 200 ml de HCl al 30%, 200 ml de etanol, y agua destilada otra vez hasta pH del alcance solución a 5.0-6.0.
      6. Liofilizar las soluciones finales para producir un polvo GO esponjosa.
      7. Con el fin de obtener una solución de GO nanométricas, se disuelven 20 mg de polvo de GO en 40 ml triple del agua destilada (> 18 mO), y luego exfoliar por sonicación prolongada (35% de la amplitud, 500 W, 2 hr) hasta que toda la distribución del tamaño de convertirse por debajo de 150 nm, a continuación, centrifugar dos veces (que 10.625 xg velocidad, 15 min) para eliminar los precipitados (grandes hojas pasan ONU-exfoliada).
  2. Preparación de nanopartículas plasmónica
    1. Preparación de AuNPs
      1. Forma esférica nanopartículas de oro estabilizadas con citrato (AunPs, OD = 1,0) de 30 nm de tamaño de partículas se utilizó para la reducción de r-GO.
    2. Preparación de AuNRs 15
      1. Preparar la solución de semillas mediante la adición de una solución recién preparada 0,6 ml enfriada con hielo de NaBH 4 solución (0,01 M) en una solución acuosa de redacción solución mezcla de 0,25 ml de HAuCl4 (0,01 M) y 9,75 ml de bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB, 0,1 M ).
      2. Se agita la mezcla resultante vigorosamente durante 0,5 minutos y luego mantenerla a 28 ° C durante 3 horas.
      3. Preparar la solución de crecimiento mediante la mezcla de 475 ml de CTAB (0,1 M), 3 ml de AgNO 3 (0,01 M) y 20 ml de HAuCl4 (0,01 M).
      4. A continuación, añadir 3,2 ml recién preparada de ácido ascórbico (0,01 M) a la mezcla seguido por la adición de 0,8 ml de una solución acuosa de HCl (1,0 M).
      5. En el paso final añadir 3,2 ml de solución de semilla para la solución de crecimiento a 28 ° C y someter la mezcla de reacción a la inversión rápida durante unos segundos. Finalmente, keep la mezcla resultante en reposo durante al menos 6 h.
      6. Analizar los AuNRs preparados con espectroscopía UV-visible para los máximos de absorción (λ max) y el análisis TEM (típicamente la relación λ max y el aspecto se encontró que era 730 nm y 3,5, respectivamente).
    3. Preparación de AuNSs 16
      1. Preparar la solución acuosa de stock de 4- (2-hidroxietil) -1-piperazinetanosulfónico ácido (HEPES) con la concentración de 100 mM, y ajustar el pH a 7,4 a 25 ° C mediante la adición de solución de NaOH 1,0 M.
      2. Mezclar 20 ml de tampón de fosfato (100 mM) con 30 ml de ácido 2- [4- (2-hidroxietil) -1-piperazinil] etanosulfónico (100 mM).
      3. A continuación, añadir 500 l de trihidrato de cloruro de oro (III) (20 mM) a la mezcla anterior y mantenerla en 28,5 ° C durante 30 minutos en baño de agua. Después se pudieron observar cambios de color Solución de color amarillo claro a azul verdoso 30 min.
      4. Centrifugar la solución a una velocidad de 8928 xg durante 30 min y dispersarlos precipitados en agua destilada.
      5. Por último, analizar la AuNSs preparado con espectroscopía UV-visible para los máximos de absorción (λ max) y el análisis de TEM para la confirmación partículas de tamaño que se encontró que 740 nm y 30 nm, respectivamente.

2. Preparación de r-GO Usando luz visible y AuNPs

  1. Añadir 1 ml de nanopartículas plasmónicas (ABS 1.0 a 520 nm para AuNPs, Abs 1,0 a 750 nm para AuNRs, y Abs 1,0 a 730 nm para AuNSs, respectivamente) y 100 l de hidróxido de amonio (28%, w / v%) a 10 ml de solución GO (OD 1,0 a 230 nm, 0,125 mg ml -1) se coloca en un reactor de vidrio Pyrex equipado con una camisa de circulación de agua.
  2. Irradiar la mezcla con la lámpara de Xe (densidad de potencia de 1,56 W cm -2) durante 30 min con la circulación de agua a través de la chaqueta de circulación de agua para mantener la temperatura a 25 ° C y centrifugar la solución a una velocidad de 10.625 xg durante 15 min aeliminar las nanopartículas de oro.
  3. Tome el sobrenadante que contiene el r-GO para analizar con UV-Visible espectrofotómetro (r-GO debe mostrar la banda de absorción característica a 270 nm) en el rango de 200-900 nm preparado.

3. Objetivo Detección de ADN utilizando r-GO Solution 17

  1. Por extinción de fluorescencia, añadir 20 l de 10 -6 ssDNA modificado con Cy3 M (5'-CTT ATC ATC AAT TCA TAA CAA TAA TCC CTC-Cy3-3 ') en una solución de GO o r-GO contiene 25 l de GO (0.125 mg ml -1) o r-GO (0,125 mg ml -1) en 1,955 l de solución 0,3 M PBS (tampón fosfato 10 mM, NaCl 0,3 M) y se incuba durante 10 min a TA.
  2. Medir la intensidad de fluorescencia de estas muestras con espectrofluorómetro (λ = 529 nm ex).
  3. Para la detección de objetivos, añadir 200 l de solución de oligonucleótido diana (5'-GAG GGA TTA TTG TTA AAT TCA GAT AAG GAT- 3 ') en tres concentraciones diferentes (10 -6 </ sup> M, 10 -7 M, 10 -8 M) en la solución o r GO-GO que contiene 20 l de 10 -6 M ssDNA-Cy3, 25 l de GO o r-GO (0,125 mg ml -1) y 1.755 l de 0,3 M de PBS para el experimento de recuperación de fluorescencia. 17
    Notas:
    Fuentes de luz y Reactor
    La luz visible (400-780 nm) de origen. La luz visible irradia a través del reactor vidrio Pyrex (diámetro ventana = 1,1 cm) que contiene la solución GO utilizando lámpara de Xe (1,56 W / cm2 de potencia). La energía fotónica aplicada al reactor se calcula que es 4,8 × 10 21 fotones por min (Figura 2A-2C).
    Infrarrojo cercano (NIR) láser. Láser NIR (diámetro ventana = 13,2 cm) con una densidad de potencia de 0,36 W / cm2, y longitud de onda de funcionamiento de 808 nm se ha utilizado como la fuente de luz del infrarrojo cercano para reacciones de reducción GO (Figura 2E). La energía de los fotones se calcula para ser 2,43 × 10 21 fotones por min.
    Reactor: reactor de vidrio Pyrex (diámetro ventana = 1,1 cm; volumen de reacción = 10 ml) equipado con una camisa de circulación de agua se utiliza tanto para la luz visible y la luz NIR irradiados reacciones de reducción GO (Figura 2F).

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Resultados

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La figura 1 muestra el esquema general para la luz visible y la reacción de reducción r-GO plasmónica de nanopartículas a base. La figura 2 muestra la configuración fundamental para las reacciones. Después de la reacción, se requiere la etapa de centrifugación para eliminar el fotocatalizador utilizado (AuNSs, AuNRs, o AuNPs) como se muestra en la Figura 3A. El análisis HRTEM muestra la eliminación completa de las nanopartículas en el sobrenadante (r-GO) (Figura...

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Discusión

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Irradiación de luz visible sobre una solución GO durante 30 minutos con nanopartículas de oro (AuNPs, AuNSs y AuNRs) mostró los rápidos cambios de color de la luz de color amarillo-marrón a negro (Figura 1). Para obtener el producto r-GO de alta pureza con un alto rendimiento, existen dos factores importantes necesitan seguir. Uno de ellos es el uso de AuNPs como un catalizador de plasmónica eficiente, ya AuNPs pueden absorber fuertemente la luz visible entre otras estructuras (es decir, AuNRs,...

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Divulgaciones

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No tenemos nada que revelar.

Agradecimientos

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Investigación de Corea (2013R1A1A1061387) y fondo de investigación KU-KIST.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Cy3 modifeid ssDNAIDT (Iowa, EE. UU.)HPLC purificado por
nanopartículas de oro IDT (30  nm)Ted Pella, Inc (Redding, CA, EE. UU.).15706-20solución coloidal
4-(2-hidroxietil)-1-piperazineetano ácido sulfónico (HEPES) (99,5%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)7365-45-9
Hidrato de cloruro de oro (III) (99,999%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)  27988-77-8fuertemente higroscópico
(99,99%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)16940-66-2
Bromuro de hexadeciltrimetilamonio (≥ 99%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)57-09-0
Ácido L-ascórbico(≥ 99.0%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)50-81-7
Cloruro de sodio (99.5%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)7647-14-5
Nitrato de plata  (≥ 99.0%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)7761-88-8
GrafitoSigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)7782-42-5
Ácido sulfúricoSigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)7664-93-9
Ácido fosfóricoSigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)7664-38-2
Permanganato de potasioSigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)7722-64-7
Peróxido de hidrógenoJUNSEI23150-0350
Hidróxido de amonioSigma-Aldrich (St. Louis, MO, EE. UU.)1336-21-6
Lámpara Xe&nbsp; Cermax, Waltham, EE. UU.
Láser NIRde clase IV, láser de santidad, Shanghai, China  6W (potencia de salida)
Espectrofotómetro UV-Vis S-3100, SINCO, Corea
Microscopía electrónicade transmisión H-7650, Hitachi, Japón
Fluorímetro espectralJasco FP-6500, Tokio, Japón
Espectrómetro fotoelectrónico de rayos XAXIS&NDASH; NOVA, KRATOS Inc., Reino Unido
borohidruro de sodio del Sur

Referencias

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  1. Novoselov, K. S., et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  2. Obraztsov, A. N. Chemical Vapour Deposition Making Graphene on a Large Scale. Nat Nanotechnol. 4 (4), 212-213 (2009).
  3. Choi, W., Lahiri, I., Seelaboyina, R., Kang, Y. S. Synthesis of Graphene and Its Applications A Review. Crit Rev Solid State Mater Sci. 35 (1), 52-71 (2010).
  4. Zhou, Y., et al. Microstructuring of Graphene Oxide Nanosheets Using Direct Laser Writing. Adv Mater. 22 (1), 67-71 (2010).
  5. Stankovich, S., et al. Graphene Based Composite Materials. Nature. 442 (7100), 282-286 (2006).
  6. Becerril, H. A., et al. Evaluation of Solution-Processed Reduced Graphene Oxide Films as Transparent Conductors. ACS Nano. 2 (3), 463-470 (2008).
  7. Wang, X., Zhi, L., Müllen, K. Transparent Conductive Graphene Electrodes for Dye Sensitized Solar Cells. Nano Lett. 8 (1), 323-327 (2007).
  8. Sungjin, P., Ruoff, R. S. Chemical Methods for the Production of Graphenes. Nat Nanotechnol. 4 (4), 217-224 (2009).
  9. Akhavan, O., Ghaderi, E. Photocatalytic Reduction of Graphene Oxide Nanosheets on TiO2 Thin Film for Photoinactivation of Bacteria in Solar Light Irradiation. J Phys Chem C. 113 (47), 20214-20220 (2009).
  10. Huang, L., et al. Pulsed Laser Assisted Reduction of Graphene Oxide. Carbon. 49 (7), 2431-2436 (2011).
  11. Cote, L. J., Cruz-Silva, R., Huang, J. Flash Reduction and Patterning of Graphite Oxide and Its Polymer. Composite. J. Am. Chem. Soc. 131 (31), 11027-11032 (2009).
  12. Wu, T., et al. Surface plasmon resonance-induced visible light photocatalytic reduction of graphene oxide: Using Ag nanoparticles as a plasmonic photocatalyst. Nanoscale. 3 (5), 2142-2144 (2011).
  13. Kumar, D., Kaur, S., Lim, D. K., et al. Plasmon-assisted and visible-light induced graphene oxide reduction and efficient fluorescence quenching. Chem. Commun. 50 (88), 13481-13484 (2014).
  14. Gilje, S., et al. Photothermal Deoxygenation of Graphene Oxide for Patterning and Distributed Ignition Applications. Adv. Mater. 22 (3), 419-423 (2010).
  15. Cote, L. J., Kim, F., Huang, J. Langmuir−Blodgett Assembly of Graphite Oxide Single Layers. J. Am. Chem. Soc. 131 (3), 1043-1049 (2008).
  16. Ming, T., et al. Experimental Evidence of Plasmophores: Plasmon-Directed Polarized Emission from Gold Nanorod–Fluorophore Hybrid Nanostructures. Nano Lett. 11 (6), 2296-2303 (2011).
  17. Xie, J., Lee, J. Y., Seedless Wang, D. I. C. Surfactantless, High-Yield Synthesis of Branched Gold Nanocrystals in HEPES Buffer Solution. Chem. Mater. 19 (11), 2823-2830 (2007).
  18. Ferrari, A. C., Robertson, J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamond like carbon. Phys. Rev. B. 64 (7), 075414-1-075414-13 (2000).
  19. Tian, J., et al. One–pot green hydrothermal synthesis of CuO–Cu2O–Cu nanorod–decorated reduced graphene oxide composites and their application in photocurrent generation. Catal. Sci. Technol. 2 (11), 2227-2230 (2012).
  20. Liu, S., Tian, J., Wang, L., Sun, X. A method for the production of reduced graphene oxide using benzylamine as a reducing and stabilizing agent and its subsequent decoration with Ag nanoparticles for enzymeless hydrogen peroxide detection. CARBON. 49 (10), 3158-3164 (2011).
  21. Tian, J., et al. Environmentally Friendly, One–Pot Synthesis of Ag Nanoparticle Decorated Reduced Graphene Oxide Composites and Their Application to Photocurrent Generation. Inorg. Chem. 51 (8), 4742-4746 (2012).
  22. Tian, J., et al. Three–Dimensional Porous Supramolecular Architecture from Ultrathin gC3N4 Nanosheets and Reduced Graphene Oxide: Solution Self-Assembly Construction and Application as a Highly Efficient Metal–Free Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (2), 1011-1017 (2014).
  23. Liu, S., et al. Stable Aqueous Dispersion of Graphene Nanosheets: Noncovalent Functionalization by a Polymeric Reducing Agent and Their Subsequent Decoration with Ag Nanoparticles for Enzymeless Hydrogen Peroxide Detection. Macromolecules. 43 (23), 10078-10083 (2010).
  24. Li, H., et al. Photocatalytic synthesis of highly dispersed Pd nanoparticles on reduced graphene oxide and their application in methanol electro–oxidation. Catal. Sci. Technol. 2 (6), 1153-1156 (2012).

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