Un protocollo facile è presentato per funzionalizzare le superfici di nanodiamanti con polydopamine.
Funzionalizzazione superficiale di nanodiamanti (NDs) è comunque impegnativa a causa della diversità di gruppi funzionali sulle superfici ND. Qui, dimostriamo un protocollo semplice per la modifica di superficie multifunzionale di NDs tramite rivestimento cozza-ispirato polydopamine (PDA). Inoltre, il livello funzionale di PDA su NDs potrebbe servire come un agente riducente per sintetizzare e stabilizzare nanoparticelle metalliche. Dopamina (DA) può auto-polimerizzare e spontaneamente formare strati di PDA su superfici ND se il NDs e dopamina sono semplicemente mescolati insieme. Lo spessore di uno strato di PDA è controllato variando la concentrazione di DA. Un risultato tipico dimostra che uno spessore di 5 ~ a ~ 15 nm dello strato PDA è raggiungibile con l’aggiunta di 50 a 100 µ g/mL di DA alle sospensioni di ND 100 nm. Inoltre, il PDA-NDs sono usati come substrato per ridurre ioni metallici, come ad esempio Ag [(NH3)2]+, all’argento nanoparticelle (AgNPs). Le dimensioni dell’AgNPs si basano sulle concentrazioni iniziali di Ag [(NH3)2]+. Con un aumento della concentrazione di Ag [(NH3)2]+, aumenta il numero di NPs, così come i diametri di NPs. In sintesi, questo studio non solo presenta un metodo facile per modificare le superfici di NDs con PDA, ma dimostra anche la funzionalità avanzata di NDs ancorando varie specie di interesse (ad esempio AgNPs) per applicazioni avanzate.
Nanodiamanti (NDs), un nuovo materiale a base di carbonio, hanno attratto l’attenzione considerevole negli ultimi anni per l’uso in varie applicazioni1,2. Per esempio, le alte superfici di NDs forniscono supporto eccellente catalizzatore per nanoparticelle metalliche (NPs) a causa della loro stabilità Super-chimica e conducibilità termica3. Inoltre, NDs gioca un ruolo significativo nel bio-imaging, biosensori e consegna della droga a causa della loro eccezionale biocompatibilità e nontoxicity4,5.
Per estendere in modo efficiente le loro capacità, è prezioso per coniugare specie funzionale sulle superfici di NDs, come proteine, acidi nucleici e nanoparticelle6. Anche se una varietà di gruppi funzionali (ad es., ossidrile, carbossilico, lattone, ecc.) vengono creati sulle superfici del NDs durante la loro purificazione, i rendimenti di coniugazione di gruppi funzionali sono ancora molto bassi a causa della bassa densità di ciascuno gruppo chimico attivo7. Questo si traduce in NDs instabili, che tendono ad aggregare, limitando ulteriormente applicazione8.
Attualmente, i metodi più comuni utilizzati per funzionalizzare NDs, sono coniugazione covalente utilizzando clic esente da rame chimica9, covalente di peptidi acidi nucleici (PNA)10e auto-assemblati DNA11. È stato proposto anche l’avvolgimento non-covalente di NDs, compreso carboidrato-modificato BSA4e rivestimento12HSA. Tuttavia, poiché questi metodi sono molto tempo e inefficiente, è auspicabile che un metodo semplice e generalmente applicabile può essere sviluppato per modificare le superfici di NDs.
Dopamina (DA)13, noto come un neurotrasmettitore naturale nel cervello, è stato ampiamente utilizzato per aderire e funzionalizzazione di nanoparticelle, quali nanoparticelle d’oro (AuNPs)14, Fe2O315e SiO216 . Self-polimerizzate strati PDA arricchiscono gruppi amminici e fenolici, che possono essere ulteriormente utilizzati direttamente ridurre nanoparticelle metalliche o facilmente immobilizzare biomolecole contenenti tiolo/su una soluzione acquosa. Questo semplice approccio è stato recentemente applicato per funzionalizzare NDs da Qin et al. e il nostro laboratorio17,18, anche se DA derivati sono stati impiegati per modificare NDs tramite clic su chimica in precedenti studi19,20.
Qui, descriviamo un metodo semplice modificazione superficiale basato su PDA che efficientemente functionalizes NDs. Variando la concentrazione di DA, possiamo controllare lo spessore di uno strato di PDA da pochi nanometri a decine di nanometri. Inoltre, le nanoparticelle di metalli sono direttamente ridotto e stabilizzate sulla superficie PDA senza la necessità di agenti tossici ulteriore riduzione. Le dimensioni delle nanoparticelle d’argento dipendono le concentrazioni iniziali di Ag [(NH3)2]+. Questo metodo consente la deposizione di ben controllata di PDA sulle superfici del NDs e la sintesi di ND coniugato AgNPs, , che drammaticamente si estende la funzionalità del NDs come eccellente nano-piattaforme di catalizzatore supporta, bio-imaging, e bio-sensori.
1. Preparazione dei reagenti
Attenzione: Leggere e comprendere tutte le schede di dati di sicurezza (MSDS) prima dell’uso. Alcuni dei prodotti chimici sono tossici e volatili. Si prega di seguire le procedure di gestione speciale e i requisiti di archiviazione. Durante la procedura sperimentale, utilizzare dispositivi di protezione individuale, quali guanti, occhiali di sicurezza e un camice da laboratorio per evitare potenziali pericoli.
2. Sintesi PDA strato sulla superficie del NDs (PDA-NDs)
3. Riduzione di AgNPs sulla superficie del PDA-NDs (AgNPs-PDA-NDs)
4. Analisi di PDA-NDs e cluster AgNPs-PDA-NDs
Questo articolo fornisce un protocollo dettagliato per la funzionalizzazione di superficie di NDs con self-polimerizzata DA rivestimento e la riduzione di Ag [(NH3)2]+ a AgNPs su strati di PDA (Figura 3). La strategia è in grado di produrre vari spessori degli strati di PDA semplicemente cambiando la concentrazione di DA. La dimensione della AgNPs può essere controllata anche alterando la concentrazione originale della soluzione dello ione del metallo. L’immagine TEM in Figura 1A Visualizza il non patinata 100 nm NDs che tendeva a forma microclusters e aggregati. Quando NDs sono stati incapsulati con PDA, gli strati di PDA ha mostrati come un sottile anello rotondo il NDs. Gli spessori degli strati PDA, come misurato in immagini TEM, erano circa 5 nm, 10 nm e 15 nm, che hanno corrisposto alle concentrazioni DA finale di 50 µ g/mL, 75 µ g/mL e 100 µ g/mL, rispettivamente. Il colore della sospensione NDs è stato osservato per cambiare da incolore a PDA seguente scuro rivestimento, indicare che il successo avvolgimento di PDA su superfici di ND e che lo spessore del PDA era dipendente dalla concentrazione di DA. Si prega di notare: il fattore critico che influenza la polimerizzazione DA è la condizione di pH (il valore più favorevole è 8.523). Il valore accurato pH di una soluzione è utile per controllare gli spessori degli strati di PDA. Inoltre, veloce agitazione durante la polimerizzazione è necessaria per la disgregazione di NDs e la formazione di uno strato uniforme di PDA. Pertanto, questo metodo non è efficace per tutte le particelle che sono instabile in soluzioni alcaline.
Per descrivere i fattori influenti che hanno contribuito allo spessore del PDA, introduciamo equazione (1) per descrivere la formazione di uno strato di PDA su superfici di ND. Questo si basa sull’equazione cinetica di deposizione di PDA su nanoparticelle da precedenti rapporti21,22. Le concentrazioni iniziali di DA (C1, m/v), tempo di reazione (t) e lo spessore dello strato PDA (d), sono come segue:
(1)
R è il raggio del NDs (supponendo che NDs sono sfere), p1 è la densità di PDA, V1 è il volume di reazione, N1 è il numero di NDs e k1 è una costante relazionata a valori di pH, parziali pressione di O2, temperatura e intensità luminosa23. Di conseguenza, lo spessore di uno strato di PDA può essere scritto come equazione (2)
(2)
O se riscriviamo equazione (1) – (3):
(3)
Quindi, eliminare d3 e 3d2R , poiché d è di gran lunga inferiore a R (d<<R).
Infine, la d può essere espressa come equazione (4)
(4)
Il processo di rivestimento richiesto 12 h, con il DA essere completamente consumata e monitorati da spettri UV-vis. Pertanto, era una costante, e il valore di d è stata direttamente proporzionale alle concentrazioni iniziali di DA (C1), che sono state confermate dai nostri risultati sperimentali (tabella 1). Si prega di notare, con l’aumento negli spessori degli strati PDA, velocità di accumulo degli strati erano più lento a causa degli aumenti nelle aree superficiali del NDs-PDA.
La presenza dei gruppi del catecolo in PDA ha dimostrata di indurre direttamente la crescita delle nanoparticelle al momento la riduzione dei precursori metallo e loro immobilizzazione su una superficie rivestita con PDA24,25,26, 27. Dopo rivestimento 100 nm NDs con uno strato di PDA (~ 15 nm), la risultante PDA-NDs sono stati utilizzati come substrato per sintetizzare AgNPs da una soluzione di ioni metallici, con l’assistenza di sonicazione. Come si vede nella Figura 2, con l’aumento di [Ag (NH3)2]+ concentrazione, aumentare la dimensione della AgNPs da ~ 24 nm a ~ 28 nm e il numero di NPs generato da 97 a 117, corrispondente al [Ag (NH3)2] + concentrazione di 0,4-0,6 mg/mL, rispettivamente. Questo fenomeno può anche essere caratterizzato dalla spettroscopia UV-vis. Il picco di assorbanza delle nanoparticelle è comparso gradualmente come la concentrazione di [Ag (NH3)2]+ aumentato (Figura 4). Ad esempio, l’assorbanza massima delle nanoparticelle, formata da riduzione di 0,4 e 0,6 mg/mL di [Ag (NH3)2]+, è di 410 a 430 nm, che corrisponde a AgNPs con i diametri di ∼20 e ∼30 nm, rispettivamente. Ciò è coerente con l’osservazione17.
Il diametro della AgNPs ridotta segue il primo differenziale lineare di ordine equazione (5), che è simile alla sintesi di crescita seminato di AuNPs28, dove S è l’area della superficie di PDA-NDs, C2 è la concentrazione iniziale di Ag [(NH3)2]+, t è il tempo di reazione, r è il raggio di AgNPs, k2 è una costante, p2 è la densità di Ag, V2 è il volume di reazione e N2 è il numero di AgNPs è uguale a n · S, in cui n è il numero medio di catecolo attivo gruppi che possono ridurre Ag [(NH3)2]+. I AgNPs sono trattati come sfere:
(5)
Nell’equazione, il numero di AgNPs è stato presupposto per essere direttamente proporzionale alla superficie di PDA, che dipendevano gli spessori degli strati PDA. Sulla superficie degli strati PDA, il AgNPs è cresciuto con la continua riduzione di Ag [(NH3)2]+, mentre le obbligazioni di metallo (0) presso il sito O del PDA servito come il precursore di seme di AgNPs. Il numero di AgNPs è proporzionale al sito O il PDA, che è direttamente proporzionale alla superficie23,29,30,31. D’altra parte, la ridotta AgNPs sono distribuiti uniformemente sulla superficie del PDA perché l’Ag [(NH3)2]+ è stata ridotta dai gruppi del catecolo in uniforme sui livelli PDA. Risultati sperimentali hanno mostrato che più alto le concentrazioni iniziali di Ag [(NH3)2]+ erano, più grande il AgNPs erano, ma con un numero simile di NPs su ogni ND. Il rapporto delle concentrazioni iniziali di [Ag (NH3)2]+ (C2) rapporto (0,6 mg / mL: 0,4 mg / mL = 1,5) erano costanti con il raggio medio al cubo [(14/12)3= 1.588]. Pertanto, se una maggiore densità delle particelle è desiderata il PDA-NDs, uno strato più spesso di PDA-NDs deve essere selezionato ma, se sono necessari dei criteri di rete di dimensioni maggiori, una più lunga durata di riduzione sarebbe soddisfare il requisito.
Per rimuovere il non reagiti [Ag (NH3)2]+ durante il processo di purificazione, si consiglia una velocità di centrifugazione alta a causa della bassa densità del NDs. Maggiore è la velocità di centrifugazione, minore è la durata di purificazione sarà, che fornirà il migliore controllo delle dimensioni di AgNPs. Inoltre, la sonicazione è un approccio indispensabile per l’ottenimento di AgNPs uniforme. I campioni dovrebbero essere sonicati per alcuni minuti inizialmente prima Ag [(NH3)2]+ soluzioni vengono aggiunti.
Abbiamo dimostrato un metodo facile per la modificazione superficiale di NDs con PDA self-polimerizzato. Confrontato con il metodo di fare clic su chimica, questa strategia, non solo migliora la stabilità e dispersità ND, ma fornisce anche una piattaforma reattiva (strato di PDA) per la potenziale post-modificazione riducendo le nanoparticelle di metalli o collegamento con aminoacidi/tiolo attaccato specie. Lo spessore di uno strato di PDA e le dimensioni delle nanoparticelle su superfici ND possono essere modificati variando PDA e Ag [(NH3)2]+ le concentrazioni. Può essere utilizzati anche per ridurre AuNPs o altri criteri di rete di metallo nobile. Combinando la diversità di chimica di PDA e le proprietà uniche di NDs, questo metodo aprirà la porta per estendere le applicazioni di ND nel catalizzatore, energia e settori biomedici.
The authors have nothing to disclose.
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 |