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Summary

Un protocole facile est présenté pour fonctionnaliser les surfaces des nanodiamonds avec polydopamine.

Abstract

Fonctionnalisation de surface des nanodiamonds (NDs) est encore difficile en raison de la diversité des groupes fonctionnels sur les surfaces de ND. Ici, nous démontrons un protocole simple pour la modification de surface multifonctionnelle de NDs en utilisant des moules d’inspiration polydopamine (PDA) revêtement. En outre, la couche fonctionnelle du PDA sur NDs pourrait servir d’agent réducteur de synthétiser et de stabiliser des nanoparticules métalliques. La dopamine (DA) peut se polymériser et spontanément forment des couches de PDA sur les surfaces de ND si la NDs et la dopamine sont simplement mélangés. L’épaisseur d’une couche de PDA est contrôlée en faisant varier la concentration de l’AA. Un résultat typique qui montre une épaisseur de 5 ~ à ~ 15 nm de la couche de PDA peut être atteint en ajoutant 50 à 100 µg/mL de DA aux suspensions de ND 100 nm. En outre, les PDA-NDs sont utilisés comme substrat pour réduire les ions métalliques, tels que Ag [(NH₃)₂]⁺, à l’argent des nanoparticules (AgNPs). Les tailles de l’AgNPs s’appuient sur les concentrations initiales des Ag [(NH₃)₂]⁺. Ainsi que l’augmentation de la concentration d’Ag [(NH₃)₂]⁺, le nombre de NPs augmente, ainsi que les diamètres de la SNPP. En résumé, cette étude ne présente une méthode facile pour modifier les surfaces de NDs avec PDA, mais montre également les fonctionnalités améliorées de NDs en ancrant les diverses espèces d’intérêt (par exemple l’AgNPs) pour des applications avancées.

Introduction

Nanodiamonds (NDs), un nouveau matériau à base de carbone, ont attiré une attention considérable ces dernières années pour une utilisation dans diverses applications^1,2. Par exemple, des surfaces élevées de NDs soutenir excellent catalyseur des nanoparticules métalliques (NPs) en raison de leur stabilité chimique Super et la conductivité thermique³. En outre, NDs jouent un rôle important en bio-imagerie, bio-sensing et délivrance de médicaments en raison de leur exceptionnelle biocompatibilité et non-toxicité^4,5.

Etendre efficacement leurs capacités, il est utile de conjuguer fonctionnels espèces sur les surfaces de NDs, tels que des protéines, acides nucléiques et nanoparticules⁶. Bien qu’une grande variété de groupes fonctionnels (p. ex.., hydroxyle, lactone, carboxyle, etc.) sont créés sur les surfaces de NDs pendant leur purification, les rendements de la conjugaison des groupes fonctionnels sont encore très faibles en raison de la faible densité de chacun groupe chimique actif⁷. Cela se traduit par NDs instables, qui tendent à agrégat, limitant davantage demande⁸.

Les méthodes les plus courantes utilisées pour fonctionnaliser NDs, actuellement conjugaison covalente à l’aide de cuivre-libre cliquez chimie⁹, liaison covalente de peptide d’acides nucléiques (PNA)¹⁰et auto-assemblés ADN¹¹. L’emballage non covalents de NDs a également été proposé, y compris les glucides modifiés BSA⁴et revêtement¹²HSA. Toutefois, parce que ces méthodes sont longues et inefficaces, il est souhaitable qu’une méthode simple et généralement applicable peut être développée pour modifier les surfaces de NDs.

La dopamine (DA)¹³, connu comme un neurotransmetteur naturel dans le cerveau, a été largement utilisé pour adhérer et fonctionnalisation de nanoparticules, comme les nanoparticules d’or (AuNPs)¹⁴, Fe₂O₃¹⁵et SiO₂¹⁶ . Auto polymérisés couches PDA enrichissent les groupes aminés et phénoliques, qui peuvent être utilisés davantage pour réduire directement les nanoparticules métalliques ou d’immobiliser facilement contenant du thiol/amine biomolécules sur une solution aqueuse. Cette approche simple a récemment appliquée pour fonctionnaliser NDs Qin et al. et notre laboratoire^17,18, bien que dérivés de DA ont été utilisées pour modifier NDs via chimie cliquez sur de précédentes études^19,20.

Nous décrivons ici une méthode axée sur les PDA simple modification de surface qui efficacement functionalizes NDs. En faisant varier la concentration de DA, nous pouvons contrôler l’épaisseur d’une couche de PDA de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres. En outre, les nanoparticules métalliques sont directement réduits et stabilisés sur la surface de PDA sans le besoin d’agents toxiques supplémentaires de réduction. La taille des nanoparticules d’argent dépendre les concentrations initiales des Ag [(NH₃)₂]⁺. Cette méthode permet le dépôt bien contrôlé de PDA sur les surfaces de la NDs et la synthèse de ND conjugué AgNPs, , qui prolonge considérablement la fonctionnalité de NDs que supporte l’excellents nano-plates-formes de catalyseur, bio-imagerie, et Bio-capteurs.

Protocol

1. Préparation des réactifs

ATTENTION : Veuillez lire et comprendre toutes les fiches signalétiques (FS) avant utilisation. Certains produits chimiques sont toxiques et volatils. Veuillez suivre les besoins de stockage et procèdes de manutention. Au cours de la procédure expérimentale, utiliser des équipements de protection individuelle, tels que des gants, des lunettes de sécurité et d’une blouse de laboratoire pour éviter les dangers potentiels.

1. Préparation de tampon Tris-HCl
   1. Dissoudre 30,29 g de poudre de Tris dans 100 mL de désionisée H₂O, veiller à ce que la poudre se dissout complètement et puis transvaser la solution dans un flacon 250 mL-volumétrique.
   2. Ajouter désionisée H₂O à l’échelle de 250 mL dans la fiole jaugée à donner de 1,0 M de tampon Tris.
   3. Diluer le tampon Tris de 1,0 M 100 fois pour donner un tampon Tris 0,01 M et ajuster le pH de 8,5 à l’aide de la solution étalon de 1,0 M HCl.
   4. Utiliser un pH-mètre pour calibrer la valeur pH du tampon Tris-HCl de M 0,01.
2. Préparation de suspensions de ND
   1. Diluer 100 nm de suspensions monocristallin ND (1,0 mg/mL) 50 fois avec le tampon Tris-HCl de M 0,01 à 0,02 mg/mL de suspensions de ND de donner.
3. Préparation de la solution de la dopamine
   1. Dissoudre 20 mg de chlorhydrate de dopamine dans 2,0 mL de 0,01 tampon Tris-HCl de M donner 10 mg/mL solution de DA.
      Remarque : La solution DA doit être fraîchement préparée et utilisée moins de 15 min.
4. Préparation de la solution de OH Ag [(NH₃)₂]
   1. Dissoudre 100 mg de AgNO₃ solides dans 10 mL de désionisée H₂O de donner 10 mg/mL solution₃ AgNO.
   2. Ajouter 1,0 M d’hydroxyde d’ammonium (NH₃· H₂O) goutte à goutte de la solution de₃ AgNO jusqu’au jaune précipiter les formes, puis continuer à ajouter le NH₃· Solution jusqu’à ce que disparaisse la précipitation de H₂O.
      Remarque : Vérifiez le volume minimal requis ; préparer immédiatement avant l’emploi et disposer immédiatement après utilisation.
      ATTENTION : Ajouter NH₃· H₂O sous hotte avec visage protège, gants et lunettes.

2. Couche de PDA de synthèse sur la Surface de NDs (PDA-NDs)

1. Ajouter la solution fraîchement préparée de DA (10 mg/mL) pour les suspensions de ND de donner varié la concentration finale de 50, 75, 100 µg/mL de l’AA. Régler le volume de réaction totale à 1,0 mL, transférer à un tube de 10 mL-test et remuer vigoureusement à 25 ° C, dans l’obscurité pendant 12 h.
2. Centrifuger la solution PDA-NDs pendant 2 h à 16 000 x g, éliminer le surnageant et laver trois fois avec de l’eau désionisée pendant 1 h à 16, 000 x g chaque fois.
3. Re-disperser les PDA-NDs dans 200 µL d’eau déionisée à sonication pendant 30 s. Le PDA – enduit NDs sera prêt pour une utilisation ultérieure.

3. Réduction de l’AgNPs sur la Surface du PDA-NDs (AgNPs-PDA-NDs)

1. Diluer 40 µL du PDN PDA préalablement synthétisée au point 2.3 étape deux fois avec de l’eau désionisée. Ajouter Ag [(NH₃)₂] OH solution donner diverses concentrations finales des Ag [(NH₃)₂]⁺ (0.08, 0,16, 0,24, 0,40 et 0,60 mg/mL).
2. Ajuster le volume final de 100 µL dans un tube de 1,5 mL-centrifuge en ajoutant de l’eau désionisée, suivie par sonication pendant 10 min.
3. Centrifuger l’AgNPs-PDA-NDs à 16 000 x g pendant 15 minutes pour enlever les ions d’argent gratuit, jeter le surnageant après centrifugation, ajouter 100 µL d’eau désionisée et laver trois fois avec de l’eau déionisée à 16 000 x g pendant 5 minutes chaque fois.
4. Re-disperse l’AgNPs-PDA-NDs dans 100 µL de deionizedwater avec la sonication pendant 30 s à préparer pour une utilisation ultérieure.

4. Analyse de PDA-NDs et Clusters AgNPs-PDA-NDs

1. Spectres UV-visible (UV)
   1. Les spectres UV permet de contrôler la distribution de taille moyenne de AgNPs sur des surfaces de PDA-ND. Transférer les échantillons de AgNPs-PDA-NDs établis à l’étape 3.4 avec des concentrations variées d’Ag [(NH₃)₂] OH dans 1 cuvette cm-quartz et surveiller l’absorption à une longueur d’onde de scan de 250 à 550 nm.
2. Microscopie d’élection de transmission (TEM)
   1. Placez les grilles de cuivre recouvert de carbone sur une lame de verre enveloppée avec du parafilm pour maintenir les grilles en place. Insérez la lame de verre avec des grilles de TEM ci-joint dans le plasma cleaner. Allumez le plasma plus propre et la pompe à vide. Après 5 min, allumez le plasma et décharger les grilles avec un niveau de puissance moyenne pendant 3 min.
   2. Déposez 5 µL des échantillons sur le film de carbone enduit Cu-grilles pour 3 min. Utilisez du papier filtre à mèche au large de l’échantillon supplémentaire entre le bord de la grille. Ensuite, déposez une goutte d’eau déionisée sur la grille pendant 15 s pour enlever les sels, puis évacue hors de l’eau avec du papier filtre. Répéter la procédure de nettoyage deux fois et laissez la grille dans l’air sec pour une utilisation ultérieure.
   3. Visualiser les échantillons de TEM, généralement à un grossissement de X 38 000. Exploitée à 200 KV.

Representative Results

Discussion

Cet article fournit un protocole détaillé pour la fonctionnalisation de surface de NDs avec Self polymérisé DA enduit et la réduction des Ag [(NH₃)₂]⁺ à AgNPs sur couches de PDA (Figure 3). La stratégie est capable de produire différentes épaisseurs de couches de PDA en changeant simplement la concentration de l’AA. La taille de l’AgNPs peut également être contrôlée en modifiant la concentration initiale de solution d’ions métalliques. L’image TEM dans la Figure 1A montre les non couché 100 nm NDs, qui tendent à amas de forme et d’agrégats. Lorsque NDs étaient encapsulés avec PDA, les couches de PDA a montré comme un mince anneau autour des NDs. Les épaisseurs des couches PDA, tel que mesuré dans les images TEM, étaient d’environ 5 nm, 10 nm et 15 nm, ce qui correspondait à la DA la concentration finale de 50 µg/mL, 75 µg/mL et 100 µg/mL, respectivement. La couleur de la suspension de NDs a été observée à changer d’incolore à foncé PDA suivant revêtement, indiquant l’emballage réussie de PDA sur les surfaces de ND et montrant que l’épaisseur du PDA était dépendante de la concentration de l’AA. Veuillez noter : le facteur déterminant qui influence la polymérisation de la DA est la condition de pH (la valeur plus favorable est 8,5²³). La valeur de pH exacte d’une solution est bénéfique pour le contrôle de l’épaisseur des couches de PDA. En outre, une agitation rapide durant la polymérisation est nécessaire pour la ventilation de la NDs et la formation d’une couche de PDA en uniforme. Par conséquent, cette méthode n’est pas efficace pour toutes les particules qui sont instables dans les solutions alcalines.

Pour décrire les facteurs d’influence qui ont contribué à l’épaisseur du PDA, nous introduisons équation (1) pour décrire la formation d’une couche de PDA sur les surfaces de ND. Celle-ci repose sur l’équation cinétique des dépôts de PDA sur les nanoparticules de précédents rapports^21,22. Les concentrations initiales de DA (C₁, m/v), temps de réaction (t) et l’épaisseur de la couche de PDA (d), sont les suivantes :

(1)

R est le rayon de NDs (en supposant que NDs sont des sphères), p₁ est la densité du PDA, V₁ est le volume réactionnel, N₁ est le nombre de PDN et k₁ est une constante liée aux valeurs de pH, partielles pression d’O₂, température ambiante et de l’intensité lumineuse²³. Par conséquent, l’épaisseur d’une couche de PDA peut être écrite comme équation (2)

(2)

Ou si nous réécrire équation (1) ()3) :

(3)

Puis, éliminer d³ et 3d²R car d est beaucoup moins que R (d<<R).

Enfin, le d peut être exprimé comme équation (4)

(4)

Le procédé de revêtement requis 12 h, avec le DA étant complètement consommé et surveillés par des spectres UV-visible. Par conséquent, a été une constante, et la valeur de d était directement proportionnelle aux concentrations initiales de DA (C₁), qui ont été confirmées par nos résultats expérimentaux (tableau 1). Veuillez noter, ainsi que l’augmentation de l’épaisseur des couches PDA, des vitesses de l’accumulation des couches étaient plus lents à cause de l’augmentation des surfaces du NDs-PDA.

La présence des groupes catéchol dans PDA a été montrée pour induire directement la croissance des nanoparticules sur la réduction des précurseurs métalliques et leur immobilisation sur un PDA-enduit surface^{24,25,26, 27}. Après enduction 100 nm NDs avec une couche de PDA (~ 15 nm), les PDA-NDs qui en résultent ont été utilisés comme substrat pour synthétiser l’AgNPs d’une solution d’ions métalliques, avec l’aide de la sonication. Comme on le voit dans la Figure 2, avec l’augmentation de [Ag (NH₃)₂]⁺ la concentration, la taille de l’AgNPs est passée de ~ 24 nm à environ 28 nm et le nombre de NPs passe de 97 à 117, correspondant à la [Ag (NH₃)₂] ⁺ concentration de 0,4 à 0,6 mg/mL, respectivement. Ce phénomène peut aussi être caractérisé par spectroscopie UV-visible. Le pic d’absorbance des nanoparticules est apparu progressivement comme la concentration de [Ag (NH₃)₂]⁺ a augmenté (Figure 4). Par exemple, l’absorbance maximale de nanoparticules, formé par la réduction de 0,4 et 0,6 mg/mL de [Ag (NH₃)₂]⁺, est de 410 et 430 nm, qui correspond à l’AgNPs avec les diamètres de ∼20 et ∼30 nm, respectivement. Cela est compatible avec le TEM observation¹⁷.

Le diamètre de l’AgNPs réduite suit le différentiel linéaire de premier ordre équation (5), qui est semblable à la synthèse de la croissance de semis de AuNPs²⁸, où le S est la surface du PDA-NDs, C₂  est la concentration initiale des Ag [(NH₃)₂]⁺, t est le temps de réaction, r est le rayon de l’AgNPs, k₂ est une constante, p₂ est la densité des Ag, V₂ est le volume réactionnel, N₂ est le nombre de AgNPs et égale à S · n, où n est le nombre moyen de catéchol active les groupes qui peut réduire les Ag [(NH₃)₂]⁺. L’AgNPs sont considérées comme des sphères :

(5)

Dans l’équation, le nombre de AgNPs a été supposé être directement proportionnelle à la surface des PDA, qui dépend de l’épaisseur des couches PDA. Sur la surface des couches PDA, l’AgNPs a grandi avec une diminution continue des Ag [(NH₃)₂]⁺, alors que les liens de métal (0) sur le site d’O du PDA a été le précurseur de la graine de l’AgNPs. Le nombre de AgNPs est proportionnel à l’O-site sur PDA, qui est directement proportionnelle à la superficie^23,29,30,31. En revanche, l’AgNPs réduites sont réparties uniformément sur la surface de PDA parce que l’Ag [(NH₃)₂]⁺ a été réduite par les groupes de catéchol en uniforme sur les couches de PDA. Les résultats expérimentaux ont montré que plus les concentrations initiales de Ag [(NH₃)₂]⁺ ont été confirmés, plus l’AgNPs, mais avec un nombre similaire de NPs sur chaque ND. Le rapport des concentrations initiales [Ag (NH₃)₂]⁺ (C₂) ratio (0,6 mg / mL : 0,4 mg / mL = 1,5) étaient compatibles avec le rayon moyen coupé en cubes [(14/12)³= 1,588]. Donc, si vous souhaitez une densité plus élevée de particules sur les PDA-NDs, une couche plus épaisse de la PDA-NDs il faut choisir, mais si grandes tailles de NPs sont nécessaires, une plus longue durée de réduction respecterait l’exigence.

Pour supprimer la n’a pas réagi [Ag (NH₃)₂]⁺ pendant le processus de purification, une vitesse de centrifugation élevé est recommandée en raison de la faible densité de NDs. Plus la vitesse de centrifugation est, le plus court la durée de la purification sera, qui offrira un meilleur contrôle des tailles des AgNPs. En outre, sonication est une démarche indispensable pour l’obtention de AgNPs uniforme. Les échantillons devraient être sonication pendant plusieurs minutes au départ avant Ag [(NH₃)₂]⁺ solutions sont ajoutées.

Nous avons démontré une méthode facile pour la modification de surface de NDs avec PDA autonome polymérisé. Comparée à la méthode de chimie de clic, cette stratégie, non seulement améliore la polydispersité ND et la stabilité, mais fournit également une plate-forme réactive (couche PDA) potentiels après modification en réduisant les nanoparticules métalliques ou en liaison avec amino/thiol attaché espèces. L’épaisseur d’une couche de PDA et de la taille des nanoparticules sur des surfaces de ND peuvent être modifiées en faisant varier PDA et Ag [(NH₃)₂]⁺ concentrations. Ils peuvent aussi servir à réduire les AuNPs ou autres NPs de métal noble. En combinant la diversité de la chimie de PDA et les propriétés uniques du NDs, cette méthode ouvrira la porte permettant d’étendre les applications de ND dans le catalyseur, l’énergie et les domaines biomédicaux.

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