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Summary

손쉬운 프로토콜 functionalize polydopamine와 nanodiamonds의 표면에 제공 됩니다.

Abstract

Nanodiamonds (NDs)의 표면 기능화 ND 표면에 기능성 그룹의 다양성으로 인해 여전히 도전 이다. 여기, 우리가 홍합 영감 polydopamine (PDA) 코팅을 사용 하 여 NDs의 다기능 표면 수정에 대 한 간단한 프로토콜을 보여 줍니다. 또한, NDs에 PDA의 기능 계층 원제 합성 및 금속 나노 입자를 안정화 될 수 있습니다. 도파민 (DA) 자체 유해 하 고 자발적으로 NDs와 도파민 혼합 되 면 단순히 함께 PDA ND 표면에 레이어를 형성 수 있습니다. PDA 층의 두께 검사의 농도 변화에 의해 제어 됩니다. 전형적인 결과 보여줍니다 두께의 ~ 5 ~ 15 nm PDA 계층의 50 ~ 100 µ g/mL의 다 100 nm ND 정지를 추가 하 여 도달 될 수 있다. 또한, PDA-NDs Ag 등 금속 이온을 줄이기 위해 기판으로 사용 됩니다 [(NH₃)₂]⁺, 실버 나노 (AgNPs). Ag의 초기 농도에 의존 하는 AgNPs의 크기 [(NH₃)₂]⁺. Ag의 농도 증가 함께 [(NH₃)₂]⁺, NPs의 수 증가, NPs의 직경. 요약 하자면,이 연구 뿐만 아니라 PDA와 NDs의 서피스를 수정 하는 손쉬운 방법을 제공 하지만 또한 고급 응용 프로그램에 대 한 고정 (AgNPs) 같은 관심의 다양 한 종으로 NDs의 향상 된 기능을 보여 줍니다.

Introduction

Nanodiamonds (NDs), 새로운 탄소 기반 재료, 다양 한 응용 프로그램^1,2에 사용 하기 위해 최근 몇 년 동안에서 상당한 관심을 받고 있다. 예를 들어, NDs의 높은 표면 지역 그들의 슈퍼 화학 안정성 및 열 전도도³금속 나노 입자 (NPs)에 대 한 우수한 촉매 지원을 제공합니다. 또한, NDs 바이오 이미징에 중요 한 역할, 바이오-감지, 및 그들의 뛰어난 생체 적합성 및 nontoxicity^4,5인 약물 전달 재생합니다.

그들의 기능을 효율적으로 확장 하려면 기능 종의 표면에 NDs, 단백질, 핵 산 등 나노⁶켤레를 가치가 있다. 비록 다양 한 기능적인 그룹 (예., 수 산 기, carboxyl, lactone) 만들어집니다 그들의 정화 동안 NDs의 표면에 기능적인 그룹의 활용 수익률은 여전히 매우 낮은 각의 저밀도 때문에 활성 화학 그룹⁷. 이 하는 경향이 있는 불안정 한 NDs에서 결과 집계, 제한 추가 응용 프로그램⁸.

현재, NDs, functionalize 하는 데 사용 하는 가장 일반적인 방법 구리 무료 클릭 화학⁹, 펩타이드 핵 산 (PNA)¹⁰, 자기 조립된 DNA¹¹의 공유 링크를 사용 하 여 공유 활용입니다. NDs의 비 공유 배치 또한 제안 되었습니다, 탄수화물 수정 BSA⁴, 그리고 HSA¹²코팅을 포함 하 여. 그러나,이 메서드는 시간이 많이 걸리며 비효율적, 그것은 바람직한 NDs의 서피스를 수정 하는 간단 하 고 일반적으로 적용 가능한 방법을 개발할 수 있습니다.

도파민 (DA)¹³, 두뇌, 자연 신경 전달 물질로 알려진 준수 및 나노, 금 나노 입자 (AuNPs)¹⁴, Fe₂O₃¹⁵, SiO₂^{16 등 functionalizing 널리 이용 되었다} . 자체 생산 PDA 레이어 추가 직접 금속 나노 입자를 줄이기 위해 또는 쉽게 무력화 thiol/아민을 포함 하는 용액에 생체에 이용 될 수 있다 아미노산 및 페 놀 그룹을 풍요롭게. 이 간단한 접근은 최근 진 외NDs를 functionalize에 적용 됩니다. 그리고 우리의 실험실^17,18, 비록 다 파생 상품 NDs 통해 클릭 화학 이전 연구^19,20에 수정에 채택 되었다.

여기, 우리가 효율적으로 NDs functionalizes PDA 기반 표면 수정 방법을 설명 합니다. 다의 농도 변화 하 여 우리는 몇 나노미터에서 수십 나노미터의 PDA 층의 두께 제어할 수 있습니다. 또한, 금속 나노 입자는 직접 감소 하 고 추가 독성 감소 에이전트에 대 한 필요 없이 PDA 화면에서 안정. 나노 입자의 크기는 Ag의 초기 농도에 따라 달라 집니다 [(NH₃)₂]⁺. 이 방법을 사용 하면 NDs의 표면에 PDA의 잘 제어 증 착 및 ND의 합성 촉매의 우수한 나노 플랫폼 지원, 바이오 이미징, NDs의 기능을 크게 확장 AgNPs, 를 활용 하 고 바이오 센서입니다.

Protocol

1입니다. 시 약의 준비

주의: 읽기 하 고 사용 하기 전에 모든 관련 물질 안전 데이터 시트 (MSDS)를 이해 하십시오. 화학 물질 중 일부는 독성 및 휘발성입니다. 스토리지 요구 사항 및 특별 한 처리 절차를 따르십시오. 실험 절차 동안 장갑, 안전 안경, 연구실 코트 등 개인 보호 장비를 사용 하 여 잠재적인 위험을 피하기 위해.

1. Tris HCl 버퍼의 준비
   1. 분해 트리 스 분말 이온된 H₂O의 100 ml에서의 30.29 g, 분말 녹이 완전히, 확인 하 고 솔루션 250 mL 부피 플라스 크에 전송.
   2. Tris 버퍼의 1.0 M을 주고 부피 플라스 크에 250 mL의 규모를 이온된 h 조₂O를 추가 합니다.
   3. 1.0 M Tris 버퍼 100 번 줄 0.01 M Tris 버퍼를 희석 하 고 1.0 M HCl 표준 솔루션을 사용 하 여 pH 8.5 조정 합니다.
   4. PH 미터를 사용 하 여 0.01 M Tris HCl 버퍼의 pH 값을 측정.
2. ND 정지의 준비
   1. 희석 100 nm ND 정지의 0.02 mg/mL를 주고 0.01 M Tris HCl 버퍼와 50 번 monocrystalline ND 정지 (1.0 mg/mL)의.
3. 도파민 솔루션의 준비
   1. 10 mg/mL에 게 다 해결책을 0.01 M Tris HCl 버퍼의 2.0 ml에서 도파민 염 산 염의 20mg을 디졸브.
      참고: 다 솔루션 갓 준비이 고 15 분 이내 사용 있습니다.
4. Ag [(NH₃)₂] 오 솔루션의 준비
   1. 어 그 노₃ 이온된 H₂O 주고 10 mg/mL AgNO₃ 솔루션의 10 mL에 고체의 100 밀리 그램을 디졸브.
   2. 1.0 M 수산화 암모늄 (NH₃· 추가 H₂O) 노란색까지 AgNO₃ 솔루션에 dropwise 형태, 침전 다음 추가 NH₃· H₂O 솔루션 강수량 사라질 때까지.
      참고: 확인 하십시오 최소 볼륨 요구; 즉시 사용 하기 전에 준비 하 고 사용 후 즉시 삭제.
      주의: 추가 NH₃· H₂O 얼굴 연기 후드에서 방패, 장갑, 그리고 고글.

2입니다. NDs (PDA-NDs)의 표면에 합성 PDA 레이어

1. 주고 ND 정지에 갓된 다 해결책 (10mg/mL) 최종 농도 50, 75, 100의 다양 한 추가 검사의 µ g/mL 1.0 mL를 총 반응 볼륨 조정, 10 mL-테스트 튜브에 그것을 전송 하 고 적극적으로 12 h에 대 한 어둠 속에서 25 ° C에서 저 어.
2. 원심에서 16000 x g 2 h의 PDA NDs 솔루션은 상쾌한을 제거 하 고 16, 1 시간에 대 한 이온을 제거 된 물으로 세 번 세척 000 x g 각 시간.
3. 다시 30 쥡니다 이온 물 200 µ L에서 PDA NDs 분산 s. PDA-NDs 코팅 추가 사용 하기 위해 준비가 될 것입니다.

3입니다. PDA-NDs (AgNPs-PDA-NDs)의 표면에 AgNPs의 감소

1. 이온을 제거 된 물으로 두 번 단계 2.3에서 미리 합성된 PDA NDs의 40 µ L를 희석. Ag의 다양 한 최종 농도 주고 추가 Ag [(NH₃)₂] 오 솔루션 [(NH₃)₂]⁺ (0.08 0.16, 0.24, 0.40, 0.60 mg/mL).
2. 10 분 동안 쥡니다 뒤 이온된 수를 추가 하 여 1.5 mL-원심 분리기 튜브에서 100 µ L 최종 볼륨을 조정 합니다.
3. AgNPs-PDA-NDs에서 16000 x g 15 분 무료 실버 이온을 제거 원심 분리 후에 상쾌한 삭제, 이온 물, 100 µ L을 추가 하 고 각 시간 5 분 16000 x g 에서 이온을 제거 된 물으로 세 번 세척을 원심합니다
4. 다시 30 쥡니다와 deionizedwater의 100 µ L에 AgNPs PDA NDs 분산 s 추가 사용에 대 한 준비를.

4입니다. PDA-NDs 및 AgNPs-PDA-NDs 클러스터 분석

1. 자외선 (UV) 보이는 스펙트럼
   1. UV 스펙트럼을 사용 하 여 PDA ND 표면에 AgNPs의 평균 크기 분포를 모니터링. 1 cm-석 영 cuvette에 Ag [(NH₃)₂] 오의 다양 한 농도와 단계 3.4에서 준비 AgNPs-PDA-NDs 샘플을 전송 하 고 250 550의 스캔 파장에서 흡수 모니터링 nm.
2. 전송 선거 현미경 검사 법 (TEM)
   1. 탄소 코팅 구리 격자 격자 유지 하 parafilm으로 감싸 유리 슬라이드에 배치 합니다. 청소기 플라즈마에 연결 된 가장 격자 유리 슬라이드를 삽입 합니다. 청소기 플라즈마 및 진공 펌프를 켭니다. 5 분 후 플라스마 켜고 3 분 동안 중간 전력 수준으로 격자를 방전.
   2. 보증금 5 µ L 탄소 필름에 샘플의 코팅 추가 샘플 격자의 가장자리에서 떨어져 심지에 3 분 사용 필터 종이 대 한 Cu-격자. 다음, 15에 이온된 물 한 방울을 입금 s, 소금을 제거 하는 다음 필터 종이와 물을 심지. 두 번 세척 절차를 반복 하 고 추가 사용 하기 위해 건조 공기 격자를 허용.
   3. 38000 X 배율에서 일반적으로 가장에 의해 샘플을 시각화. 200 KV.

Representative Results

Discussion

이 문서는 자체 생산 다 코팅, NDs의 표면 기능화 및 Ag의 감소에 대 한 상세한 프로토콜을 제공 합니다 [(NH₃)₂]⁺ AgNPs PDA 레이어 (그림 3)에 게. 전략은 단순히 검사의 농도 변경 하 여 다양 한 두께의 PDA 레이어를 만들 수 있는 AgNPs의 크기 또한 금속 이온 솔루션의 원래 농도 변경 하 여 제어할 수 있습니다. 그림 1A 에서 가장 이미지 uncoated 100 nm NDs는 양식 microclusters 및 집계 하는 경향이 표시 됩니다. NDs는 PDA와 캡슐화 했다 때 얇은 반지로 보였다 PDA 레이어 NDs 라운드. PDA 레이어 두께 가장 이미지에 측정 했다 약 5 nm, 10 nm, 그리고 15 nm, 각각 50 µ g/mL, 75 µ g/mL, 및 100 µ g/mL, 최종 다 농도에 대응. NDs의 서 스 펜 션의 색상 무색에서 어두운 다음 PDA 코팅, ND 표면에 PDA의 성공적인 배치를 나타내는 및 PDA의 두께 검사의 농도에 의존 했다 보여주는 변경 관찰 되었다 참고: 다 합에 영향을 미치는 중요 한 요소는 (가장 유리한 값은 8.5²³) pH 조건입니다. 솔루션의 정확한 pH 값 PDA 층의 두께 제어 하기 위한 도움이 됩니다. 또한, 중 합 하는 동안 빠른 동요는 NDs의 피 및 제복을 입은 PDA 계층의 형성에 필요한. 따라서,이 방법은 알카라인 솔루션에 안정 되지 않은 어떤 입자에 대 한 효과가 없습니다.

소개 설명 하기 위해 PDA의 두께에 기여 하는 영향력 있는 요인, 방정식 (1) ND 표면에 PDA 계층의 형성을 설명 하기 위해. 이것은 이전 보고서^21,22나노 입자에 증 착 PDA의 운동 방정식을 기반으로 합니다. 다 (C₁, m/v), 반응 시간 (t), 및 (d), PDA 레이어의 두께의 초기 농도 다음과 같습니다.

(1)

R 은 NDs (가정 NDs는)의 반지름, p₁ 은 PDA의 밀도, V₁ 은 반응 볼륨, N₁ 은 NDs, 수 및 k₁ 은 pH 값, 부분에 관련 된 상수 O₂, 주위 온도 광도²³의 압력. 따라서, PDA 층의 간격으로 쓰여질 수 있다 방정식 (2)

(2)

우리가 다시 작성 하는 경우 또는 방정식 (1) (3):

(3)

때문에 d R 보다 훨씬 적은 d³ 와 3d²R 다음, 제거 (d<<R).

D 로 표현 될 수 있습니다 마지막으로, 방정식 (4)

(4)

코팅 과정 완전히 소비 하 고 자외선에 대 한 스펙트럼에 의해 모니터링 되 고 다와 함께 12 h를 필요 합니다. 따라서, 상수 되었고 d 의 값 우리의 실험 결과 (표 1)에 의해 확인 된 다 (C₁)의 초기 농도에 직접 비례 했다. 제발 note, PDA 층의 두께에 증가 함께 NDs-PDA의 표면 영역에서 증가 때문에 층의 축적 속도 느린 했다.

PDA에 catechol 그룹의 존재는 직접 금속 선구자 및 PDA 코팅 표면^{24,,2526에 그들의 동원 정지의 감소에 따라 나노 입자의 성장을 유도 하 보였다 27}. 후 100 nm NDs는 PDA 레이어와 코팅 (~ 15 nm), 결과 PDA NDs 쥡니다의 도움으로 금속 이온 솔루션에서 AgNPs를 합성 하는 기판으로 사용 되었다. [Ag (NH₃)₂]의 증가 함께 그림 2에서 볼 수 있듯이⁺ 농도, AgNPs의 크기 증가 ~ 24에서 ~ 28 nm nm, 그리고 NPs 117, 97에서 제기 해당 [Ag (NH₃)₂] 하 수 ⁺ 0.4 0.6 mg/mL의 농도가 각각. 이 현상 또한 UV vis 분광학에 의해 특징 수 있습니다. 나노 입자의 흡 광도 피크 [Ag (NH₃)₂] 농도 점차적으로 나타났다⁺ 증가 (그림 4). 예를 들어, 나노 입자의 최대 흡 광도 0.4와 0.6 mg/mL [Ag (NH₃)₂]의 감소에 의해 형성 된⁺, 410 및 430 nm, ∼20 및 ∼30 nm의 직경으로 각각 해당 AgNPs 하는 이다. 이것은 TEM 관찰¹⁷일치 합니다.

감소 AgNPs의 직경 다음과 같이 첫 번째 순서 선형 미분 방정식 (5), 비슷합니다 AuNPs²⁸, 시드 성장 합성 S 가 PDA-NDs, C₂ 의 표면적 Ag의 초기 농도 [(NH₃)₂]⁺, t 는 반응 시간, r 은 AgNPs의 반지름, k₂ 는 상수, p₂ 는 Ag, V₂ 의 밀도 반응 볼륨, N₂ , AgNPs의 수 이며 S · n, n 이 있는 활성 catechol의 평균 수는 그룹 같음을 Ag를 줄일 수 있습니다 [(NH₃)₂]⁺. AgNPs는 구체로 처리 됩니다.

(5)

방정식, 수 AgNPs의 PDA, PDA 층의 두께에 의존의 표면에 직접 비례 간주 되었다. PDA 층의 표면에는 AgNPs Ag의 지속적인 감소와 함께 성장 했다 [(NH₃)₂]⁺, AgNPs의 씨앗 선구자로 봉사 하는 PDA의 O 사이트에서 금속 (0) 채권 동안. AgNPs의 수 면적^23,29,,3031에 직접 비례 PDA에 O 사이트에 비례 이다. 다른 한편으로, 감소 AgNPs는 균등 하 게 분산 PDA 표면에 있기 때문에 Ag [(NH₃)₂]⁺ PDA 레이어에 제복된 catechol 그룹에 의해 감소 되었다. 실험 결과 Ag의 초기 농도 높은 것으로 나타났다 [(NH₃)₂]⁺ 했다, 큰 AgNPs는 했다, 하지만 각 ND에 NPs의 유사한 수와 함께. [Ag (NH₃)₂]의 초기 농도의 비율⁺ (C₂) 비율 (0.6 mg/mL: 0.4 mg/mL = 1.5) cubed 평균 반경 일관 했다 [(14/12)³1.588 =]. 따라서, PDA NDs의 두꺼운 층을 선택 해야 합니다 PDA-NDs에 입자의 높은 밀도 바란다면 그러나, NPs의 더 큰 크기, 필요한 경우 더 이상 감소 기간 요구 사항을 충족 것 이라고.

Unreacted [Ag (NH₃)₂]을 제거 하려면⁺ 정화 하는 동안 높은 원심 분리 속도 NDs의 저밀도 권장. 높을수록 원심 분리 속도, 짧은 정화 시간 있을 것 이다는 AgNPs의 크기의 더 나은 제어를 제공 합니다. 또한, 쥡니다 유니폼 AgNPs 얻기 위한 필수적인 접근 방법입니다. 샘플 Ag 전에 처음 몇 분 동안 sonicated 한다 [(NH₃)₂]⁺ 솔루션 추가 됩니다.

우리 자체 생산 PDA와 NDs의 표면 처리에 대 한 손쉬운 방법을 설명 했다. 클릭 하십시오 화학 방법에 비해,이 전략 ND dispersity 및 안정성을 향상 뿐만 아니라 또한 금속 나노 입자를 줄이거나 아미노/thiol 첨부와 연결 하 여 잠재적인 포스트 수정에 대 한 반응 플랫폼 (PDA 레이어)을 제공 합니다. 종입니다. PDA 층의 두께 ND 표면에 나노 입자의 크기는 PDA와 Ag에 의해 변경할 수 있습니다 [(NH₃)₂]⁺ 농도. 그들은 또한 AuNPs 또는 다른 고귀한 금속 NPs를 줄이기 위해 사용할 수 있습니다. NDs의 독특한 속성과 PDA 화학의 다양성을 결합 하 여이 방법은 ND의 촉매, 에너지, 및 생물 의학 영역에서 응용 프로그램을 확장 하기 위한 문을 열 것 이다.

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