A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

פרוטוקול נתיישב מוצג functionalize המשטחים של nanodiamonds עם polydopamine.

Abstract

Functionalization פני השטח של nanodiamonds (NDs) הוא עדיין מאתגר בשל המגוון של קבוצות פונקציונליות על משטחים ND. . הנה, נדגים פרוטוקול פשוט עבור שינוי פני השטח רב תכליתיים של NDs באמצעות ציפוי polydopamine בהשראה מאסל (PDA). בנוסף, השכבה פונקציונלי של כף היד על NDs יכול לשמש סוכן צמצום כדי לסנתז ולייצב את חלקיקי מתכת. דופמין (DA) ניתן עצמית פולימריזציה, באופן ספונטני בצורת כף יד שכבות על משטחים ND אם NDs ודופמין ביחד פשוט מעורבבים. העובי של שכבה PDA נשלטת על ידי משתנה הריכוז של המחוזי. תוצאה מראה כי עובי של ~ 5 ~ 15 ננומטר של השכבה מחשב כף יד ניתן להגיע על-ידי הוספת 50 ל- 100 µg/mL של DA 100 ננומטר ND המתלים. יתר על כן, כף היד-NDs משמשים כמו מצע להקטנת יונים מתכתיים, כגון Ag [(NH₃)₂]⁺, מכסף חלקיקים (AgNPs). הגדלים של AgNPs להסתמך על הריכוזים הראשונית של Ag [(NH₃)₂]⁺. יחד עם הגברת הריכוז של Ag [(NH₃)₂]⁺, גדל המספר של NPs, כמו גם הקוטר של NPs. לסיכום, במחקר זה לא רק מציג שיטה נתיישב שינוי המשטחים של NDs עם כף היד, אלא גם מדגים את הפונקציונליות המשופרת של NDs על ידי עיגון מינים שונים עניין (כגון AgNPs) עבור יישומים מתקדמים.

Introduction

Nanodiamonds (NDs), חומר פחמני הרומן, משכו תשומת לב רבה בשנים האחרונות לשימוש ביישומים שונים^1,2. למשל, פני שטחים גבוהה של NDs מספקות תמיכה זרז מצוין עבור חלקיקי מתכת (NPs) בגלל שלהם סופר לשחיקה, מוליכות חום³. יתר על כן, NDs לשחק תפקידים משמעותיים בהדמיה, חישה ביו ומסירת סמים עקב שלהם מצטיינים הביו ו- nontoxicity^4,5.

להאריך ביעילות היכולות שלהם, זה חשוב נזווג מינים פונקציונלי על המשטחים של NDs, כגון חלבונים, חומצות גרעין, חלקיקים⁶. למרות מגוון רחב של קבוצות פונקציונליות (למשל., הידרוקסיל, carboxyl, לקטון, וכו ‘) נוצרים על פני השטח של NDs במהלך טיהור שלהם, התשואות ההטיה של קבוצות פונקציונליות הם עדיין נמוך מאוד בגלל צפיפות נמוכה של כל אחד קבוצה כימית פעיל⁷. התוצאה היא NDs לא יציב, אשר נוטים הצבירה, הגבלת בהמשך יישום⁸.

כיום, שיטות הנפוצות ביותר נהגה functionalize NDs, הם ההטיה קוולנטיות באמצעות לחץ ללא נחושת כימיה⁹, הצמדה קוולנטיות של פפטיד חומצות גרעין (הרשות)¹⁰ו- DNA עצמית שהורכב¹¹. העטיפה קשרי ערכיות של NDs גם הוצע, לרבות פחמימות-השתנה BSA⁴ו ציפוי¹²HSA. עם זאת, מאחר ששיטות אלה הם זמן רב ולא יעיל, רצוי כי ניתן לפתח שיטה פשוטה חלים באופן כללי כדי לשנות המשטחים של NDs.

דופמין (DA)¹³, המכונה נוירוטרנסמיטר טבעי במוח, היה בשימוש נרחב עבור שמירה, functionalizing חלקיקים, כמו חלקיקי זהב (AuNPs)¹⁴, Fe₂O₃¹⁵SiO₂¹⁶ . שכבות PDA polymerized עצמית להעשיר אמינו בעל תאים פנוליים קבוצות, אשר יכול להיות עוד יותר מנוצל ישירות להפחית חלקיקי מתכת או בקלות לשתק תיול/אמין-המכילה מולקולות על פתרון מימית. גישה פשוטה זו הוחל לאחרונה על functionalize NDs מאת צ’ין ואח. ו שלנו^17,מעבדה¹⁸, למרות DA נגזרים הועסקו לשינוי NDs באמצעות לחץ על כימיה מחקרים קודמת^19,20.

כאן, אנו מתארים שיטה שינוי פני השטח מבוססת-מחשב כף יד פשוט כי ביעילות functionalizes NDs. על ידי שינוי הריכוז של אבא, אנחנו יכולים לשלוט העובי של שכבה PDA של ננומטר כמה עשרות ננומטר. בנוסף, חלקיקי מתכת ישירות מופחתת, התייצב על פני כף היד ללא צורך סוכני הפחתת רעילים נוספים. הגדלים של סילבר חלקיקים תלויים הריכוזים הראשונית של Ag [(NH₃)₂]⁺. שיטה זו מאפשרת בתצהיר ומבוקרות היטב של כף היד על פני השטח של NDs, הסינתזה של ND מצומדת AgNPs, אשר מרחיב באופן דרמטי את הפונקציונליות של NDs כמו ננו-פלטפורמות מעולה של זרז תומך, הדמיה, ו ביו-חיישנים.

Protocol

1. הכנה של ריאגנטים

אזהרה: נא לקרוא ולהבין כל גליונות נתונים גשמי בטיחות (MSDS) לפני השימוש. כמה הכימיקלים הם רעילים ולא יציבה. אנא עקוב אחר טיפול מיוחד נהלים ודרישות האחסון. במהלך ההליך ניסיוני, להשתמש ציוד מגן אישי, כגון כפפות, משקפי חלוק מעבדה כדי למנוע מפגעים פוטנציאליים.

1. הכנת מאגר טריס-HCl
   1. להמיס 30.29 גר’ אבקה טריס ב- 100 מ של יונים H₂O להבטיח האבקה מתמוסס לחלוטין, ואז להעביר את הפתרון 250 מ”ל-סטריליות.
   2. הוסף יונים H₂O בהיקף 250 מ ל סטריליות לתת 1.0 M טריס המאגר.
   3. לדלל את המאגר טריס 1.0 M 100 פעמים כדי לתת 0.01 M טריס מאגר ולהתאים את ה-pH ל 8.5 באמצעות 1.0 M HCl פתרון רגיל.
   4. להשתמש מד pH כדי לכייל את ערך ה-pH של המאגר טריס-HCl M 0.01.
2. הכנה של המתלים ND
   1. לדלל 100 ננומטר של המתלים monocrystalline ND (1.0 mg/mL) 50 פעמים עם המאגר 0.01 M טריס-HCl כדי לתת 0.02 נקודות מ”ג/מ”ל של המתלים ND.
3. הכנה של דופמין פתרון
   1. לפזר 20 מ ג של דופמין הידרוכלוריד ב mL 2.0 מאגר 0.01 M טריס-HCl כדי לתת 10 מ”ג/מ”ל DA פתרון.
      הערה: הפתרון DA חייב להיות טרי מוכן ולא להשתמש בו בתוך 15 דקות.
4. הכנה של Ag [(NH₃)₂] או פתרון
   1. להמיס 100 מ ג של AgNO₃ מוצק ב 10 מ”ל של יונים H₂O לתת 10 מ”ג/מ”ל AgNO₃ פתרון.
   2. להוסיף 1.0 M אמוניה מימית (NH₃· H₂O) dropwise כדי הפתרון₃ AgNO עד צהוב לזרז את הטפסים ולאחר מכן להמשיך להוסיף את ·₃NH פתרון₂O H עד המשקעים נעלם.
      הערה: להפוך את אמצעי האחסון המזערי הנדרש; להכין מיד לפני השימוש ולפנות מיד לאחר השימוש.
      התראה: להוסיף NH₃· H₂O בשכונה fume עם הפנים מגן, כפפות, משקפי מגן.

2. סינתזה PDA שכבה על פני השטח של NDs (מחשב כף יד-NDs)

1. להוסיף שזה עתה הוכנו DA לפתרון (10 mg/mL) המתלים ND לתת מגוון ריכוזים הסופי של 50, 75, 100 µg/mL של המחוזי. לכוונן את עוצמת התגובה הכולל עד 1.0 מ”ל, להעביר אותו מ ל 10-מבחנה, ומערבבים נמרצות 25 ° c, בחושך במשך 12 שעות.
2. Centrifuge הפתרון PDA-NDs עבור 2 h ב 16,000 x g, להסיר את תגובת שיקוע ולשטוף שלוש פעמים עם מים יונים עבור h 1 בגיל 16, g 000 x בכל פעם.
3. לפזר מחדש את מחשב כף היד-NDs ב 200 µL של מים יונים עם sonication ב-30 s. מחשב כף יד – מצופה NDs יהיה מוכן לשימוש נוסף.

3. הפחתה של AgNPs על פני השטח של מחשב כף יד-NDs (AgNPs-מחשב כף יד-NDs)

1. למהול 40 µL של כף היד-NDs מראש מסונתז ב 2.3 שלב שתי פעמים עם מים יונים. הוסף Ag [(NH₃)₂] פתרון או לתת ריכוזים שונים הסופי של Ag [(NH₃)₂]⁺ (0.08 0.16, 0.24, 0.40, 0.60 מ”ג/מ”ל).
2. לכוון את עוצמת הקול הסופי כדי µL 100 צינור 1.5 mL-צנטריפוגה על-ידי הוספת מים יונים, ואחריו sonication למשך 10 דקות.
3. Centrifuge את AgNPs-מחשב כף יד-NDs למשך 15 דקות ב 16,000 x g כדי להסיר את יוני כסף חינם, למחוק את תגובת שיקוע לאחר צנטריפוגה, להוסיף 100 µL של מים יונים ו לשטוף שלוש פעמים עם מים יונים ב- 16,000 x g עבור 5 דקות בכל פעם.
4. לפזר מחדש את AgNPs-מחשב כף יד-NDs ב 100 µL של deionizedwater עם sonication ב-30 s כדי להכין לשימוש נוסף.

4. ניתוח של מחשב כף יד-NDs ואשכולות AgNPs-מחשב כף יד-NDs

1. ספקטרום גלוי אולטרה סגול (UV)
   1. השתמש ספקטרום UV כדי לפקח על התפלגות גודל ממוצע של AgNPs על כף היד-ND משטחים. העברת דגימות AgNPs-מחשב כף יד-NDs המבושלות 3.4 שלב עם ריכוזים מגוונת של Ag [(NH₃)₂] או ב- 1 ס מ קוורץ cuvette ולנטר את הספיגה-אורך גל סריקה של 250 עד 550 ננומטר.
2. שידור הבחירות מיקרוסקופ (TEM)
   1. מקם את רשתות נחושת פחמן מצופה על משטח זכוכית עטופים עם מצלמות-מיקרוסקופים כדי לשמור את הרשתות במקום. הכנס את השקופית זכוכית עם רשתות TEM המצורפת פלזמה מנקה. להפעיל פלזמה מנקה את משאבת ואקום. לאחר 5 דקות, להפוך על מסך הפלזמה, לשחרר את הרשתות עם רמת כוח בינונית למשך 3 דקות.
   2. הפקדה 5 µL של הדגימות על הסרט פחמן מצופה Cu-רשתות מינימלית 3 שימוש במסנן נייר עד לפתיל את המדגם נוספת מן הקצה של הרשת. לאחר מכן, להפקיד טיפת מים יונים על הרשת 15 s כדי להסיר מלחי, ואז לפתיל מעל לפני המים עם נייר סינון. חזור על הפעולות כביסה פעמיים ולאפשר הרשת כדי אוויר יבש לשימוש נוסף.
   3. דמיינו את הדגימות מאת TEM, בדרך כלל 38,000 X הגדלה. פועלים עם 200 KV.

Representative Results

Discussion

מאמר זה מספק נוהל מפורט של functionalization משטח של NDs עם ציפוי DA polymerized עצמית, ההפחתה של Ag [(NH₃)₂]⁺ כדי AgNPs בשכבות PDA (איור 3). האסטרטגיה הוא מסוגל לייצר חומרי גלם בעוביים שונים של כף היד שכבות פשוט על ידי שינוי הריכוז של המחוזי. גודל AgNPs יכולים גם להיות נשלט על ידי שינוי הריכוז המקורי של יון מתכת הפתרון. תמונת TEM איור 1א’ תציג את ללא ציפוי 100 ננומטר NDs אשר נטו טופס microclusters, אגרגטים. כאשר NDs היו אנקפסולציה עם מחשב כף יד, הרבדים PDA הראה כמו טבעת דק עגול של NDs. עוביים של השכבות PDA, כפי שנמדד בתמונות TEM, היו בסביבות 5 nm, 10 nm ו- 15 ננומטר, אשר תאמו הסופי DA ריכוזי µg 50/mL, µg 75/mL, 100 µg/mL, בהתאמה. הצבע של המתלה NDs נצפתה כדי לשנות מן השקופה למחשב כף היד הבאה כהים ציפוי, המציין את העטיפה מוצלחת של כף היד על משטחים ND, מראה כי העובי של כף היד הייתה תלויה הריכוז של המחוזי. שימו לב: הגורם הקריטי המשפיע את הפילמור דא הוא התנאי pH (ערך חיובי ביותר הוא 8.5²³). ערך pH מדויקות של פתרון מועיל לשליטה של עוביים של שכבות PDA. בנוסף, עצבנות מהר בזמן הפילמור הוא הכרחי עבור disaggregation של NDs ואת היווצרות שכבה PDA במדים. לכן שיטה זו אינה יעילה עבור כל חלקיקים יציבים בפתרונות אלקליין.

כדי לתאר את הגורמים המשפיעים תרמו העובי של כף, אנחנו מציגים את המשוואה (1) כדי לתאר את היווצרות שכבה PDA על משטחים ND. זה מבוסס על המשוואה קינטי של PDA התצהיר על חלקיקים מתוך דוחות קודמים^21,22. הריכוזים הראשונית של DA (ג₁, m/v), זמן התגובה (t), עובי השכבה PDA (d), הינם כדלקמן:

(1)

R הוא הרדיוס של NDs (בהנחה NDs הם הספירות) p₁ היא הצפיפות של כף היד, V₁ הוא אמצעי התגובה, N₁ הוא המספר של NDs, k₁ הוא קבוע הקשורים ערכי pH, חלקית הלחץ של₂O, טמפרטורת הסביבה ועוצמת הארה²³. לכן, ניתן לכתוב את העובי של שכבה PDA כמו המשוואה (2)

(2)

או אם אנחנו לשכתב את המשוואה (1) (3):

(3)

לאחר מכן, לחסל d³ ו- 3d²R כי ד’ היא הרבה פחות ממה. R (d<<R).

סוף סוף, d ניתן לבטא המשוואה (4)

(4)

תהליך ציפוי הנדרש 12 שעות, עם התובע להיות נצרך לחלוטין, בפיקוח ספקטרום UV-vis. לכן, היה קבוע, הערך של d היה ביחס ישר הריכוזים הראשונית של DA (ג₁), אשר היו מאושרות על ידי תוצאות הניסוי שלנו (טבלה 1). שימו לב, יחד עם הגידול בעוביים של השכבות PDA, מהירויות הצטברות של השכבות היו איטיים יותר בגלל העליות באזורים משטח של NDs-כף.

הנוכחות של הקבוצות catechol PDA הוכח לגרום ישירות את הצמיחה של חלקיקים על ההפחתה של מבשרי מתכת ו שלהם הנייח על מצופים PDA משטח^{24,25,26, 27}. אחרי ציפוי NDs 100 ננומטר עם שכבה PDA (~ 15 ננומטר), וכתוצאה מכך כף היד-NDs שימשו מצע לסנתז AgNPs פתרון יון מתכת, בסיוע sonication. כפי שניתן לראות באיור 2, עם העלייה של [Ag (NH₃)₂]⁺ ריכוז, בגודל של AgNPs עלה מ ~ 24 nm ~ 28 ננומטר, ואת המספר של NPs בחזקת מתוך 97 117, התואם [Ag (NH₃)₂] ⁺ ריכוז של 0.4 ל- 0.6 מ”ג/מ”ל, בהתאמה. תופעה זו יכולה להיות מאופיינת גם UV-vis ספקטרוסקופיה. פסגת ספיגת חלקיקי בהדרגה הופיע בתור הריכוז [Ag (NH₃)₂]⁺ מוגברת (איור 4). לדוגמה, ספיגת המרבי של חלקיקים, שהוקמה על ידי הפחתת 0.4 0.6 מ”ג/מ”ל של [Ag (NH₃)₂]⁺, הוא 410 ו 430 ננומטר, אשר תואמת את AgNPs הקוטר של nm ∼20 ו∼30, בהתאמה. . זה עקבי עם תצפית TEM¹⁷.

הקוטר של AgNPs מופחת מלווה דיפרנציאלית ליניארית הראשון את סדר המשוואה (5), הדומה הסינתזה צמיחה הזריעה של AuNPs²⁸, איפה ה- S הוא שטח הפנים של כף היד-NDs, C₂  הוא ריכוזי Ag הראשונית [(NH₃)₂]⁺, t הוא זמן תגובה, r הוא הרדיוס של AgNPs, k₂ הוא קבוע, p₂ היא הצפיפות של Ag, V₂ הוא אמצעי תגובה N₂ הוא מספר AgNPs, שווה ערך ל- S · n, שבו n הוא המספר הממוצע של catechol פעיל קבוצות. המצמצמים Ag [(NH₃)₂]⁺. AgNPs נחשבים הספירות:

(5)

במשוואה, המספר של AgNPs הייתה ההנחה תהיה מידתית ישירות פני השטח של מחשב כף יד, אשר תלויים עוביים של השכבות PDA. על פני השטח של השכבות מחשב כף יד, AgNPs גדלה עם ההפחתה רציפה של Ag [(NH₃)₂]⁺, בעוד הקשרים מטאל (0)-O-האתר של כף המוגשת כמבשר זרע AgNPs. מספר AgNPs הוא יחסי אל אתר O-PDA, אשר היא מידתית ישירות פני השטח^23,29,30,31. מצד שני, AgNPs מופחת מפוזרים באופן אחיד על פני מחשב כף יד כי היועץ המשפטי לממשלה [(NH₃)₂]⁺ צומצם על ידי הקבוצות catechol במדים על הרבדים PDA. תוצאות הניסוי הראו כי גבוה יותר הריכוזים הראשונית של Ag [(NH₃)₂]⁺ היו, היו AgNPs גדול יותר, אבל עם מספר דומה של NPs על כל ND. היחס בין ריכוזי הראשונית [Ag (NH₃)₂]⁺ (C₂) יחס (0.6 מ”ג / מ”ל: 0.4 מ”ג / מ”ל = 1.5) עלו בקנה אחד עם הרדיוס הממוצע לקוביות [(14/12)³= 1.588]. לכן, אם צפיפות גבוהה יותר של חלקיקים רצוי על כף היד-NDs, יש לבחור שכבה עבה יותר של מחשב כף יד-NDs אך, אם המידות הגדולות יותר של NPs נדרשים, משך זמן ארוך יותר הפחתת לפגוש את הדרישה.

כדי להסיר את unreacted [Ag (NH₃)₂]⁺ במהלך תהליך טיהור, מהירות צנטריפוגה גבוהה מומלץ בגלל צפיפות נמוכה של NDs. גבוה יותר מהירות צנטריפוגה היא, קצר יותר משך טיהור יהיה, אשר תספק שליטה טובה יותר של הגדלים של AgNPs. בנוסף, sonication היא גישה הכרחית להשגת AgNPs אחיד. דוגמאות צריך להיות sonicated למשך מספר דקות בתחילה לפני Ag [(NH₃)₂]⁺ פתרונות נוספים.

הראו לנו שיטה נתיישב שינוי פני השטח של NDs עם PDA polymerized עצמית. לעומת השיטה לחץ על כימיה, אסטרטגיה זו, משפר ND dispersity ויציבות אלא גם מספק פלטפורמה תגובתי (שכבה PDA) פוטנציאל השינוי שלאחר באמצעות הפחתת את חלקיקי מתכת או קישור עם אמינו/תיול מצורף מינים. ניתן לשנות את העובי של שכבה PDA ואת גודל חלקיקים על משטחים ND על ידי שינוי מחשב כף יד ו- Ag [(NH₃)₂]⁺ ריכוזים. הם יכולים לשמש גם כדי להפחית את AuNPs או אחרים NPs מתכת אצילה. על ידי שילוב המגוון של כימיה PDA ואת תכונותיו הייחודיות של NDs, שיטה זו יפתח את הדלת עבור הרחבת יישומי של יצחק זרז, אנרגיה, ואזורי ביו.

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