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Summary

Se presenta un protocolo fácil para funcionalizar las superficies de nano-diamantes con polydopamine.

Abstract

Funcionalización superficial de nano-diamantes (NDs) es todavía un reto debido a la diversidad de grupos funcionales en las superficies de ND. Aquí, demostramos un protocolo simple para la modificación de superficie multifuncional de NDs mediante el uso de capa de polydopamine inspirado en mejillón (PDA). Además, la capa funcional del PDA en NDs podría servir como un agente de reducción para sintetizar y estabilizar las nanopartículas metálicas. Dopamina (DA) puede uno mismo-polimerizarse y espontáneamente forman capas de PDA en superficies ND si el NDs y dopamina simplemente se mezclan. El espesor de una capa de PDA es controlado variando la concentración de DA. Un resultado típico muestra un espesor de ~ 5 ~-15 nm de la capa PDA se puede llegar mediante la adición de 50 a 100 μg/mL de DA a suspensiones de ND de 100 nm. Por otra parte, el PDA-NDs se utilizan como sustrato para reducir los iones metálicos, tales como Ag [(NH₃)₂]⁺, para las nanopartículas (AgNPs) de plata. Los tamaños de las AgNPs dependen de las concentraciones iniciales de Ag [(NH₃)₂]⁺. Junto con un aumento en la concentración de Ag [(NH₃)₂]⁺, el número de NPs aumenta, así como los diámetros de lo NPs. En Resumen, este estudio no sólo presenta un método fácil para modificar las superficies de NDs con PDA, sino que también demuestra la funcionalidad mejorada de NDs por anclaje de diversas especies de interés (como AgNPs) para aplicaciones avanzadas.

Introduction

Nano-diamantes (NDs), un nuevo material basado en el carbón, han atraído una atención considerable en los últimos años para su uso en diversas aplicaciones^1,2. Por ejemplo, las altas áreas superficiales de NDs apoyar excelente catalizador de nanopartículas metálicas (NPs) debido a su estabilidad química súper y conductividad térmica³. Además, NDs juegan un papel importante en la proyección de imagen de bio, bio-detección y administración de fármacos debido a su excelente biocompatibilidad y nontoxicity^4,5.

Para eficientemente ampliar sus capacidades, es valiosa para conjugar especies funcionales en las superficies de NDs, como proteínas, ácidos nucleicos y nanopartículas⁶. Aunque una variedad de grupos funcionales (por ej., hidroxilo, carboxilo, lactona, etc.) se crean en las superficies de NDs durante su purificación, los rendimientos de la conjugación de los grupos funcionales son todavía muy bajos debido a la baja densidad de cada uno grupo químico activo⁷. Esto se traduce en NDs inestables, que tienden a agregado, limitar la aplicación⁸.

Actualmente, los métodos más comunes utilizados para funcionalizar NDs, son Conjugación covalente mediante el uso de química cobre-libre clic⁹, acoplamiento covalente de péptidos ácidos nucleicos (PNA)¹⁰y uno mismo-montado ADN¹¹. También se ha propuesto la envoltura no covalentes de NDs, incluyendo hidratos de carbono modificados BSA⁴y la capa de¹²HSA. Sin embargo, porque estos métodos son lentos e ineficientes, es deseable que se puede desarrollar un método simple y de aplicación general para modificar las superficies de NDs.

Dopamina (DA)¹³, conocido como un neurotransmisor natural en el cerebro, era ampliamente utilizado para adherir y funcionales nanopartículas, nanopartículas de oro (AuNPs)¹⁴, Fe₂O₃¹⁵y SiO₂¹⁶ . Capas de PDA Auto polimerizadas enriquecen los grupos aminos y fenólicos, que pueden ser utilizados además para reducir directamente nanopartículas metálicas o fácilmente inmovilizar biomoléculas tiol/amina-que contiene en solución acuosa. Este enfoque simple se aplicó recientemente para funcionalizar NDs por Qin et al. y nuestro laboratorio^17,18, aunque DA derivados fueron empleados para modificar NDs vía química clic en anteriores estudios^19,20.

Aquí, describimos un método simple modificación superficial basado en PDA que eficientemente functionalizes NDs. Variando la concentración de DA, podemos controlar el espesor de una capa de PDA de unos pocos nanómetros a decenas de nanómetros. Además, las nanopartículas metálicas son directamente reducidas y estabilizadas en la superficie de la PDA sin necesidad de agentes de reducción tóxicos adicionales. Los tamaños de las nanopartículas de plata dependen de las concentraciones iniciales de Ag [(NH₃)₂]⁺. Este método permite la deposición bien controlada de PDA en las superficies de la NDs y la síntesis de ND conjugado AgNPs, , que extiende notablemente la funcionalidad de NDs como excelentes nano-plataformas de catalizador, la bio-proyección de imagen, y Bio-sensores.

Protocol

1. Preparación de los reactivos

PRECAUCIÓN: Por favor lea y entienda todas las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) antes de su uso. Algunos de los productos químicos son tóxicos y volátiles. Por favor, siga los procedimientos especiales de manejo y almacenamiento requisitos de almacenamiento. Durante el procedimiento experimental, utilizar equipo de protección personal como guantes, gafas de seguridad y una bata de laboratorio para evitar los posibles peligros.

1. Preparación del tampón Tris-HCl
   1. Disolver 30,29 g de Tris en polvo en 100 mL de desionizada H₂O, que el polvo se disuelva por completo y luego transferir la solución a un matraz de 250 mL-volumétrico.
   2. Añadir desionizada H₂O a la escala de 250 mL en el matraz aforado a 1,0 M de tampón Tris.
   3. Diluir el tampón Tris de 1,0 M 100 veces a dar 0.01 M Tris buffer y ajustar el pH a 8.5 con solución estándar de HCl de 1.0 M.
   4. Utilice un medidor de pH para calibrar el pH del buffer 0.01 M Tris-HCl.
2. Preparación de suspensiones de ND
   1. Diluir 100 nm de monocristalino ND suspensiones (1.0 mg/mL) 50 veces con el buffer M Tris-HCl 0,01 a 0,02 mg/mL de suspensiones de ND.
3. Preparación de solución de dopamina
   1. Disolver 20 mg de clorhidrato de dopamina en 2,0 mL de 0.01 M Tris-HCl buffer DA solución a 10 mg/mL.
      Nota: La solución DA debe ser recién preparada y utilizada dentro de 15 minutos.
4. Preparación de solución de Ag [(NH₃)₂] OH
   1. Disolver 100 mg de AgNO₃ sólido en 10 mL de desionizada H₂O a 10 mg/mL solución de AgNO₃ .
   2. Añadir 1,0 M hidróxido de amonio (NH₃· H₂O) gota a gota a la solución de AgNO₃ hasta amarillo precipitar las formas y, a continuación, continúe agregando el NH₃· H₂O la solución hasta que desaparezca la precipitación.
      Nota: Haga el volumen mínimo requerido; preparar inmediatamente antes de su uso y desechar inmediatamente después del uso.
      Atención: Añadir NH₃· H₂O en campana con cara protectores, guantes y gafas.

2. Síntesis PDA capa en la superficie de NDs (PDA-NDs)

1. Añadir la solución recién preparada de DA (10 mg/mL) para las suspensiones de ND para dar variadas concentraciones finales de 50, 75, 100 μg/mL de DA. Ajustar el volumen de reacción total a 1,0 mL, transferir a un tubo de 10 mL-ensayo y revuelva vigorosamente a 25 ° C, en la oscuridad durante 12 h.
2. Centrifugue la solución PDA-NDs por 2 h a 16.000 x g, quite el sobrenadante y lavar tres veces con agua desionizada por 1 h a 16, 000 x g cada vez.
3. Volver a dispersar las PDA-NDs en 200 μL de agua desionizada con sonicación durante 30 s. El PDA recubierto NDs estará listo para su uso posterior.

3. Reducción de AgNPs sobre la superficie del PDA-NDs (AgNPs-PDA-NDs)

1. Diluya 40 μl de las PDA-NDs previamente sintetizadas en 2.3 paso dos veces con agua desionizada. Solución de OH de [(NH₃)₂] agregar Ag a diferentes concentraciones finales de Ag [(NH₃)₂]⁺ (0.08, 0.16, 0.24, 0,40 y 0,60 mg/mL).
2. Ajustar el volumen final a 100 μL en un tubo de 1,5 mL-centrífuga mediante la adición de agua desionizada, seguido de sonicación durante 10 minutos.
3. Centrifugue las AgNPs-PDA-NDs durante 15 min a 16.000 x g para eliminar los iones de plata libre, descartar el sobrenadante después de centrifugación, añadir 100 μl de agua desionizada y lavar tres veces con agua desionizada a 16.000 x g durante 5 minutos cada vez.
4. Volver a dispersar las AgNPs-PDA-NDs en 100 μl de deionizedwater con la sonicación durante 30 s para preparar para su uso posterior.

4. Análisis de PDA-NDs y racimos AgNPs-PDA-NDs

1. Espectros ULTRAVIOLETA-visible (UV)
   1. Utilizar los espectros de UV para supervisar la distribución de tamaño medio de AgNPs sobre superficies de PDA-ND. Transferir las muestras AgNPs-PDA-NDs preparadas en el paso 3.4 con diversas concentraciones de Ag [(NH₃)₂] OH en 1 cubeta de cuarzo de cm y monitorear la absorción en una longitud de onda de la exploración de 250 a 550 nm.
2. Microscopía de la elección de transmisión (TEM)
   1. Coloque las rejillas de cobre recubiertas de carbón sobre un portaobjetos de vidrio envuelto con parafilm para mantener las rejillas en su lugar. Inserte el portaobjetos de vidrio con rejillas TEM de adjunto en el limpiador de plasma. Encienda el limpiador de plasma y la bomba de vacío. Después de 5 minutos, encienda el plasma y las rejillas con un nivel de potencia media durante 3 minutos la descarga.
   2. Depósito 5 μl de las muestras en la película de carbón recubierto Cu-rejillas para papel de filtro de uso de 3 minutos a la mecha de la adicional de la muestra del borde de la rejilla. Luego, depositar una gota de agua desionizada en la parrilla por 15 s para eliminar las sales, entonces mecha fuera del agua con papel de filtro. Repita el procedimiento de lavado dos veces y deje que la rejilla de aire seco para su uso posterior.
   3. Visualizar las muestras por TEM, típicamente con 38.000 aumentos. Operar a 200 KV.

Representative Results

Discussion

Este artículo proporciona un protocolo detallado para la funcionalización de superficies de NDs con auto polimerizado DA capa y la reducción de Ag [(NH₃)₂]⁺ a AgNPs sobre capas de PDA (figura 3). La estrategia es capaz de producir diferentes espesores de capas de PDA simplemente cambiando la concentración de DA. El tamaño de las AgNPs también puede controlarse mediante la alteración de la concentración original de solución del ion del metal. La imagen TEM en la figura 1 muestra las NDs de nm 100 sin recubrimiento que forma micromasas y agregados. Cuando NDs fueron encapsulados con PDA, las capas de PDA demostradas como un fino anillo alrededor de las NDs. Los espesores de las capas de la PDA, medida en las imágenes TEM, fueron alrededor de 5 nm, 10 nm y los 15 nm, lo que correspondió a las final DA las concentraciones de 50 μg/mL, 75 μg/mL y 100 μg/mL, respectivamente. El color de la suspensión de la NDs se observó que cambia de incoloro a PDA siguiente oscura capa, indicando la envoltura éxito de PDA en superficies de ND y demostrando que el grueso de la PDA era dependiente en la concentración de DA. Nota: el factor crítico que influye en la polimerización DA es la condición de pH (el valor más favorable es 8,5²³). El valor de pH exacto de una solución es beneficioso para el control de los espesores de las capas de la PDA. Además, es necesario el desglose de la NDs y la formación de una capa uniforme de PDA rápida agitación durante la polimerización. Por lo tanto, este método no es eficaz para todas las partículas que son inestables en soluciones alcalinas.

Para describir los factores influyentes que contribuyeron al grueso de la PDA, introducimos ecuación (1) para describir la formación de una capa de PDA en superficies de ND. Esto se basa en la ecuación cinética de la deposición de PDA en nanopartículas de anteriores informes^21,22. Las concentraciones iniciales de DA (C₁, m/v), tiempo de reacción (t) y el espesor de la capa PDA (d), son los siguientes:

(1)

R es el radio de NDs (NDs suponiendo que son esferas), p₁ es la densidad de la PDA, V₁ es el volumen de reacción, N₁ es el número de NDs y k₁ es una constante relacionada con valores de pH, parciales presión de O₂, temperatura, intensidad luminosa²³. Por lo tanto, el espesor de una capa de PDA puede ser escrito como ecuación (2)

(2)

O si nos reescribir ecuación (1) () 3):

(3)

A continuación, eliminar d³ y 3d²R ya que d es mucho menor que R (d<<R).

Por último, la d puede ser expresado como ecuación (4)

(4)

El proceso de recubrimiento requiere 12 h, con el DA está totalmente consumido y monitoreado por espectros UV-vis. Por lo tanto, fue una constante, y el valor de d fue directamente proporcional a la concentración inicial de la DA (C₁), que fueron confirmada por los resultados experimentales (tabla 1). Tenga en cuenta, junto con el aumento de los espesores de las capas de la PDA, la velocidad de acumulación de las capas era más lenta debido a los aumentos en las superficies de la NDs-PDA.

Se ha demostrado la presencia de los grupos catecol en PDA para directamente inducir el crecimiento de las nanopartículas en la reducción de los precursores metálicos y su inmovilización en una PDA-revestido superficial^{24,25,26, 27}. Después de la capa 100 nm NDs con una capa de PDA (~ 15 nm), el PDA-NDs resultantes fueron utilizados como sustrato para sintetizar AgNPs desde una solución de iones metálicos, con la ayuda de sonicación. Como se ve en la figura 2, con el aumento de [Ag (NH₃)₂]⁺ concentración, aumentar el tamaño de AgNPs de ~ 24 nm a ~ 28 nm y el número de NPs elevado del 97 al 117, correspondiente a la [Ag (NH₃)₂] ⁺ concentración de 0.4 a 0.6 mg/mL, respectivamente. Este fenómeno también puede ser caracterizado por espectroscopía UV-vis. El pico de absorción de las nanopartículas gradualmente apareció como la concentración de [Ag (NH₃)₂]⁺ aumentado (figura 4). Por ejemplo, la absorbancia máxima de las nanopartículas, formado por reducción de 0.4 y 0.6 mg/mL de [Ag (NH₃)₂]⁺, es 410 y 430 nm, que corresponde a AgNPs con los diámetros de ∼20 y ∼30 nm, respectivamente. Esto es consistente con TEM observación¹⁷.

El diámetro de reducción AgNPs sigue el diferencial lineal de primer orden ecuación (,5), que es similar a la síntesis de crecimiento semillas de AuNPs²⁸, donde S es la superficie de PDA-NDs, C₂  es la concentración inicial de Ag [(NH₃)₂]⁺, t es el tiempo de reacción, r es el radio de AgNPs, k₂ es una constante, p₂ es la densidad de Ag, V₂ es el volumen de reacción, N₂ es el número de AgNPs, y equivale a S · n, donde n es el número promedio de catecol activo grupos que puede reducir Ag [(NH₃)₂]⁺. Las AgNPs se tratan como esferas:

(5)

En la ecuación, el número de AgNPs fue asumido para ser directamente proporcional a la superficie del PDA, que depende de los espesores de las capas de la PDA. En la superficie de las capas de la PDA, el AgNPs creció con la continua reducción de Ag [(NH₃)₂]⁺, mientras que los bonos de metal (0) en el sitio O de la PDA que sirve como el precursor de la semilla del AgNPs. El número de AgNPs es proporcional a la web O en el PDA, que es directamente proporcional a la superficie^23,29,30,31. Por otro lado, las reducida AgNPs se distribuyen uniformemente en la superficie de la PDA porque el Ag [(NH₃)₂]⁺ fue reducido por los grupos catecol uniformados en las capas de la PDA. Los resultados experimentales mostraron que cuanto mayor sea la inicial concentración de Ag [(NH₃)₂]⁺ eran, cuanto mayor sea las AgNPs, pero con un número similar de NPs en cada ND. La relación de las concentraciones iniciales de [Ag (NH₃)₂]⁺ (C₂) relación (0.6 mg / mL: 0.4 mg / mL = 1.5) eran constantes con el radio promedio de cubitos de [(14/12)³= 1.588]. Por lo tanto, si se desea una mayor densidad de partículas en las PDA-NDs, debe seleccionarse una capa más gruesa de PDA-NDs pero, si se necesitan grandes tamaños de NPs, una mayor duración de la reducción sería cumplir con el requisito.

Para eliminar el [Ag (NH₃)₂]⁺ durante el proceso de purificación, se recomienda una velocidad de centrifugación alta debido a la baja densidad de NDs. Cuanto mayor es la velocidad de centrifugación, cuanto menor sea la duración de la purificación será, lo que proporciona mejor control de los tamaños de AgNPs. Además, la sonicación es un enfoque indispensable para la obtención de AgNPs uniforme. Muestras deben ser sonicadas durante varios minutos al principio antes de Ag [(NH₃)₂]⁺ soluciones se agregan.

Hemos demostrado un método fácil para la modificación superficial de NDs con PDA Auto polimerizado. En comparación con el método de la química Click, esta estrategia no sólo mejora dispersity ND y la estabilidad, pero también proporciona una plataforma reactiva (capa de PDA) para potencial modificación posterior mediante la reducción de las nanopartículas metálicas o enlazando con amino/tiol Unido especies. El espesor de una capa de la PDA y el tamaño de las nanopartículas en las superficies de la ND se pueden cambiar variando la PDA y Ag [(NH₃)₂]⁺ concentraciones. También puede utilizarse para reducir AuNPs u otros NPs de metal noble. Al combinar la diversidad de la química del PDA y las propiedades únicas de NDs, este método abrirá la puerta para ampliar aplicaciones del ND en el catalizador, energía y áreas biomédicas.

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