Articolo metodologico

Luce visibile riduzione indotta di grafene ossido Usando nanoparticelle plasmoniche

DOI:

10.3791/53108

⸱

22 settembre 2015

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

In questo articolo

Sommario

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Un protocollo semplice per la preparazione di ossido di grafene ridotta utilizzando luce visibile e nanoparticelle plasmonica è descritto.

Abstract

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Attuale lavoro dimostra la, chimico libero, veloce e semplice metodo ad alta efficienza energetica per la produzione di ossido di grafene ridotta (r-GO) soluzione a temperatura ambiente usando irradiazione di luce visibile con nanoparticelle plasmoniche. Il nanoparticelle plasmonica è utilizzato per migliorare l'efficienza di riduzione di GO. Ci vogliono solo 30 minuti a temperatura ambiente illuminando le soluzioni con Xe-lampada, le soluzioni r-GO possono essere ottenuti rimuovendo completamente le nanoparticelle d'oro con una semplice fase di centrifugazione. Le nanoparticelle d'oro sferiche (AuNPs) rispetto alle altre nanostrutture plasmoniche è la nanostruttura più adatto per la preparazione r-GO. L'ossido di grafene ridotto preparato utilizzando la luce visibile e AuNPs era altrettanto qualitativa ridotto chimicamente ossido di grafene, che è stato sostenuto da varie tecniche analitiche come la spettroscopia UV-Vis, spettroscopia Raman, XRD in polvere e XPS. L'ossido di grafene ridotta preparato con la luce visibile mostra eccellenti proprietà di spegnimento sulla Fluormolecole escent modificati su ssDNA ed eccellente recupero di fluorescenza per il rilevamento del DNA bersaglio. Si trova il r-GO preparato da AuNPs riciclati per essere di stessa qualità con quella di una ridotta chimicamente r-GO. L'uso della luce visibile con nanoparticelle plasmonica dimostra il buon metodo alternativo per la sintesi r-GO.

Introduzione

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Il metodo 1 e vapori chimici basato il primo scotch sviluppato deposizione 2 erano ottimi metodi per produrre lo stato incontaminata di un grafene, ma la grande sintesi del grafene scala o grafene formazione strato sulla superficie con ampia area potuto essere considerato come una limitazione chiave di metodi precedenti. 3 Una delle possibili soluzioni per larga scala di sintesi r-GO sarà metodo sintetico wet-chimica che richiede dapprima le reazioni con forti ossidanti, vasta trattamenti fisici come la sonicazione per produrre GO foglio, e infine la riduzione di funzionalità ossigeno tali come idrossi, epossido e gruppi carbonilici in GO è essenziale al fine di recuperare le sue originali caratteristiche fisiche. 4 Principalmente, la riduzione di GO è stata effettuata con qualsiasi metodo chimico utilizzando idrazina o suoi derivati ​​5 o metodo di trattamento termico (550-1,100 ° C) in atmosfera inerte o riducente. 6

jove_content "> Questi processi richiedono le sostanze chimiche tossiche, i tempi di reazione lunghi e ad alta temperatura che ha aumentato la domanda totale di energia per la sintesi r-GO. 7 Mentre i processi di riduzione foto-irradiando, come, di processo 8 foto-termico indotto dai raggi UV utilizzando una xeno pulsata flash, 9 pulsata laser assistita 10 e foto-termico di riscaldamento con la macchina fotografica in flash luci 11 sono stati segnalati anche per la preparazione di r-GO. In generale, la scarsa efficienza di conversione dei metodi foto-indotta propagata per l'utilizzo di UV o pulsata irraggiamento laser in grado di fornire ad alta energia dei fotoni. L'energia a basso fotone di luce visibile ne limita l'uso e non ha attirato molto per la sintesi r-GO. Eccellenti proprietà di assorbimento della luce di nanoparticelle plasmoniche nelle regioni visibili e / o NIR può migliorare notevolmente gli inconvenienti attuali dell'uso della luce visibile per sintesi r-GO. 12,13 blande condizioni di reazione, tempo di reazione breve e di uso limitato ch tossiciemicals potrebbero fare la luce visibile plasmon indotta assistito riduzione fotocatalitica di GO come un metodo alternativo utile.

Nel presente metodo, si descrive il metodo sintetico r-GO efficiente e semplice utilizzando nanoparticelle plasmoniche e la luce visibile. L'andamento della reazione è risultata essere fortemente dipendente dalle strutture di nanoparticelle plasmoniche come nanoparticelle sferiche di oro (AuNPs), nanorods oro (AuNRs) e nanostars oro (AuNSs). L'uso di AuNPs mostrato riduzione più efficiente di GO e nanoparticelle sono facilmente smontabili e riciclabili per l'uso ripetuto (Figura 1). La r-GO sintetizzato utilizzando la luce visibile e AuNPs ha mostrato quasi pari qualità rispetto alla r-GO preparati dal noto metodo chimico (idrazina) come dimostrato mediante l'uso di varie misure analitiche e il metodo di rilevamento del DNA basato sulla fluorescenza estinzione / recupero.

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Protocollo

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1. Preparazione del precursore

  1. Preparazione di ossido di grafene (GO):
    1. Preparazione GO utilizzando modificato il metodo di Hummer 14
      1. Aggiungere 3,0 g di scaglie di grafite ad una miscela di H 2 SO 4 concentrato / H 3 PO 4 (360: 40 ml) a temperatura ambiente. (Nota: Particolare cura deve essere presa durante l'utilizzo di acidi forti H 2 SO 4 e H 3 PO 4).
      2. Aggiungere KMnO 4 (18,0 g) lentamente sotto agitazione e raffreddamento in un bagno di ghiaccio per mantenere la temperatura della miscela di reazione a <35 ° C. (La soluzione diventerà appiccicoso con aumento del tempo di reazione, è necessario utilizzare il metodo corretto per mantenere agitazione efficiente.) (Nota: Particolare cura deve essere presa, mentre l'aggiunta KMnO 4 a causa della reazione esotermica.)
      3. Agitare per 12 ore a 50 ° C e poi raffreddare a RT e versando miscela di reazione su ghiaccio (400 ml) contenente 30% H 2 O 2 (3 ml).
      4. Filtrare la rmiscela eaction utilizzando un metallo standard USA testare setaccio (300 micron) per rimuovere la grafite non reagito e centrifugare la (velocità 4.722 xg per 2 ore) filtrato per rimuovere il surnatante.
      5. Ripetere la fase di centrifugazione con 200 ml di acqua, 200 ml di HCl al 30%, 200 ml di etanolo e acqua distillata fino a pH di nuovo soluzione portata a 5,0-6,0.
      6. Lyophilize le soluzioni finali per produrre una polvere GO soffice.
      7. Al fine di rendere la soluzione GO nanometriche, sciogliere 20 mg di polvere GO in 40 ml di acqua tripla distillata (> 18 MW), e poi esfoliare per sonicazione prolungato (35% di ampiezza, 500 W, 2 ore) finché l'intero distribuzione dimensionale diventa di sotto di 150 nm, quindi centrifugare è due volte (velocità 10.625 xg, 15 min) per rimuovere precipitati (grandi fogli di carta non-espansa).
  2. Preparazione di nanoparticelle plasmoniche
    1. Preparazione di AuNPs
      1. Citrato stabilizzato forma sferica oro nanoparticelle (aunPs, OD = 1.0) del 30 dimensione particelle nm è stato utilizzato per la riduzione r-GO.
    2. Preparazione di AuNRs 15
      1. Preparare la soluzione di semi con l'aggiunta di un 0,6 ml di soluzione ghiacciata appena preparato di NaBH 4 soluzione (0,01 M) in una soluzione acquosa miscela di composizione di 0,25 ml di HAuCl4 (0,01 M) e 9,75 ml di cetiltrimetilammonio bromuro (CTAB, 0,1 M ).
      2. Mescolare la miscela risultante vigorosamente per 0,5 minuti e poi la tiene a 28 ° C per 3 ore.
      3. Preparare la soluzione di crescita mescolando 475 ml di CTAB (0,1 M), 3 ml di AgNO 3 (0,01 M) e 20 ml di HAuCl4 (0,01 M).
      4. Quindi aggiungere appena preparato 3,2 ml di acido ascorbico (0,01 M) alla miscela seguita dalla aggiunta di 0,8 ml di una soluzione acquosa di HCl (1,0 M).
      5. Nella fase finale aggiungere 3,2 ml di soluzione seme alla soluzione di crescita a 28 ° C e sottoporre la miscela di reazione rapida inversione per pochi secondi. Infine, keep la miscela risultante indisturbati per almeno 6 ore.
      6. Analizzare i AuNRs preparati con spettroscopia UV-Visibile per massimi di assorbimento (λ max) e l'analisi TEM (in genere il rapporto λ max e l'aspetto è risultato essere 730 nm e 3,5, rispettivamente).
    3. Preparazione di AuNSs 16
      1. Preparare la soluzione acquosa magazzino di 4- (2-idrossietil) -1-acido piperazineethanesulfonic (HEPES) con una concentrazione di 100 mm, e regolare il pH a 7,4 a 25 ° C con l'aggiunta di 1,0 M di NaOH soluzione.
      2. Mescolare 20 ml di tampone fosfato (100 mM) con 30 ml di 2- [4- (2-idrossietil) -1-piperazinil] acido etansolfonico (100 mM).
      3. Poi aggiungere 500 ml di triidrato oro (III) cloruro (20 mM) alla miscela di cui sopra e mantenerlo a 28,5 ° C per 30 minuti in bagno d'acqua. Cambiamenti di colore soluzione dal giallo chiaro al blu verdastro dopo 30 minuti potrebbero essere osservate.
      4. Centrifugare la soluzione a velocità 8.928 xg per 30 min e disperdereprecipitati in acqua distillata.
      5. Infine, analizzare il AuNSs preparato con spettroscopia UV-Visibile per massimi di assorbimento (λ max) e analisi TEM per le dimensioni delle particelle di conferma che si trova ad essere 740 nm e 30 nm, rispettivamente.

2. Preparazione di r-GO Utilizzo di Luce e AuNPs visibile

  1. Aggiungere 1 ml di nanoparticelle plasmoniche (Abs 1.0 a 520 nm per AuNPs, Abs 1.0 a 750 nm per AuNRs, e Abs 1.0 a 730 nm per AuNSs, rispettivamente) e 100 ml di idrossido di ammonio (28%, w / v%) a 10 ml di soluzione GO (OD a 230 nm 1,0, 0,125 mg ml -1) posto in un reattore in vetro Pyrex munito di camicia a circolazione di acqua.
  2. Irradiare la miscela con lampada Xe (densità di potenza di 1,56 W cm -2) per 30 min a circolazione d'acqua tramite il rivestimento a ricircolo per mantenere la temperatura a 25 ° C e centrifugare la soluzione a velocità 10.625 xg per 15 min arimuovere le nanoparticelle d'oro.
  3. Prendere il surnatante contenente la r-GO per analizzare con spettrofotometro UV-Visibile (r-GO dovrebbe mostrare la banda di assorbimento caratteristico a 270 nm) nell'intervallo di 200-900 nm preparati.

3. Obiettivo di rilevazione del DNA con R-GO Solution 17

  1. Per quenching di fluorescenza, aggiungere 20 ml di 10 -6 ssDNA M Cy3-modificato (5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC CTC-Cy3-3 ') nella soluzione GO o r-GO contenente 25 ml di GO (0,125 mg ml -1) o r-GO (0,125 mg ml -1) a 1.955 ml di 0,3 M soluzione di PBS (tampone fosfato 10 mM, 0,3 M NaCl) e incubare per 10 minuti a temperatura ambiente.
  2. Misurare l'intensità di fluorescenza di questi campioni con spettrofluorimetro (λ = 529 nm ex).
  3. Per il rilevamento di destinazione, aggiungere 200 ml di soluzione di destinazione oligonucleotidi (5'-GAG GGA TTA TTG TTA AAT ATT GAT AAG GAT- 3 ') in tre diverse concentrazioni (10 -6 </ sup> M, 10 -7 M, 10 -8 M) nella soluzione GO o r-GO contenente 20 ml di 10 -6 M ssDNA-Cy3, 25 ml di GO o r-GO (0,125 mg ml -1) , e 1.755 ml di 0,3 M PBS per esperimento recupero di fluorescenza. 17
    Note:
    Sorgenti luminose e reattore
    La luce visibile (400-780 nm) fonte. La luce visibile irradia attraverso reattore di vetro Pyrex (diametro finestra = 1,1 cm) contenenti soluzione GO con lampada Xe (1.56 W / cm 2 di potenza). L'energia fotonica applicata al reattore è calcolato essere 4,8 × 10 21 fotoni al minuto (Figura 2A-2C).
    Vicino infrarosso (NIR) laser. NIR laser (diametro = 13.2 cm finestra) con densità di potenza di 0,36 W / cm 2, e lunghezza d'onda di funzionamento di 808 nm è stato utilizzato come sorgente di luce a infrarossi per reazioni di riduzione GO (figura 2e). L'energia del fotone è calcolata per essere 2,43 × 10 21 fotoni al min.
    REACtor: reattore in vetro Pyrex (diametro finestra = 1,1 cm, volume di reazione = 10 ml) munito di camicia a ricircolo d'acqua viene utilizzato sia per la luce visibile e NIR luce irradiata reazioni di riduzione GO (Figura 2F).

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Risultati

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Figura 1 mostra lo schema generale per la luce visibile e la reazione plasmonica nanoparticelle basato r-GO riduzione. La Figura 2 mostra la configurazione strumentale per le reazioni. Dopo la reazione, è richiesta la fase di centrifugazione per rimuovere il fotocatalizzatore usato (AuNSs, AuNRs o AuNPs) come mostrato nella Figura 3A. L'analisi HRTEM mostra la rimozione completa delle nanoparticelle nel supernatante (r-GO) (figura 3B), ...

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Discussione

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Visibile irradiazione luce su GO soluzione per 30 minuti con nanoparticelle d'oro (AuNPs, AuNSs e AuNRs) ha mostrato i cambiamenti di colore rapidi dalla luce giallo-marrone di colore nero (Figura 1). Per ottenere altamente puro prodotto r-GO con alta resa, ci sono due fattori importanti devono seguire. Uno è l'uso di AuNPs come un efficiente catalizzatore plasmonica, poiché AuNPs possono assorbire fortemente la luce visibile tra le altre strutture (cioè AuNRs, AuNSs). Un altro è l'...

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Dichiarazioni

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Non abbiamo nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questo lavoro è stato sostenuto dalla Fondazione di Ricerca Nazionale di Corea (2013R1A1A1061387) e fondo di ricerca KU-KIST.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Cy3 modifeid ssDNAIDT(Iowa, USA)HPLC purificato da
nanoparticelle di IDT Gold (30  TedPella, Inc (Redding, CA, USA).15706-20soluzione colloidale
acido 4-(2-idrossietil)-1-piperazineetano solfonico (HEPES) (99,5%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7365-45-9
idrato di cloruro d'oro (III) (99,999%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)  27988-77-8
Boroidruro di sodio fortemente igroscopico (99,99%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)16940-66-2
Bromuro di esadeciltrimetilammonio (≥ 99%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)57-09-0
Acido L-Ascorbico(≥ 99,0%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)50-81-7
Cloruro di sodio (99,5%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7647-14-5
Nitrato d'argento  (≥ 99,0%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7761-88-8
GrafiteSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7782-42-5
Acido solforicoSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7664-93-9
Acido foforicoSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7664-38-2
Permanganato di potassioSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7722-64-7
Perossido di idrogenoJUNSEI23150-0350
Idrossido di ammonioSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)1336-21-6
Xe-lamp  Cermax, Waltham, USA
Laser NIRdi classe IV, laser di santità, Shanghai, Cina.da 6 W (potenza in uscita
) S-3100, SINCO, Corea
Microscopia elettronica a trasmissioneH-7650, Hitachi, Giappone
Spectro FluorimeterJasco FP-6500, Tokyo, Giappone
Spettrometro fotoelettronico a raggi XAXIS– NOVA, KRATOS Inc., Regno Unito
Spettrofotometro UV-Vis del Sud

Riferimenti

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