Methodenartikel

Zichtbaar licht Induced Vermindering van Grafeen Oxide behulp Plasmonische Nanodeeltje

DOI:

10.3791/53108

⸱

22 september 2015

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

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Een eenvoudig protocol voor het bereiden van verminderde grafeen oxide met zichtbaar licht en plasmonische nanodeeltjes wordt beschreven.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Huidige werk toont de eenvoudige, chemische gratis, snelle en energiezuinige methode om verminderd grafeen oxide (r-GO) oplossing te produceren bij KT met zichtbaar licht bestraling met plasmonische nanodeeltjes. De plasmonische nanodeeltjes wordt gebruikt om de vermindering van de doeltreffendheid van GO verbeteren. Klaar 30 minuten bij kamertemperatuur door het verlichten van de oplossingen Xe-lamp, kan de R-GO oplossingen worden verkregen door het volledig verwijderen van gouden nanodeeltjes door eenvoudige centrifugeringsstap. De bolvormige gouden nanodeeltjes (AuNPs) in vergelijking met de andere nanostructuren het meest geschikt plasmonische nanostructuur van r-GA preparaat. De verminderde grafeen oxide bereid met zichtbaar licht en AuNPs was even kwalitatief als chemisch verminderd grafeen oxide, die werd gesteund door verschillende analytische technieken zoals UV-Vis spectroscopie, Raman spectroscopie, poeder XRD en XPS. De verminderde grafeen oxide bereid met zichtbaar licht toont uitstekende blussen eigenschappen over de fluorescent moleculen gewijzigd op ssDNA en een uitstekende fluorescentie herstel voor doel DNA detectie. De r-GO bereid door gerecycled AuNPs gevonden van dezelfde kwaliteit met die van chemisch verminderde r-GO te zijn. Het gebruik van zichtbaar licht met plasmonische nanodeeltjes demonstreert de goede alternatieve methode voor r-GO synthese.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De eerste ontwikkelde scotch-tape gebaseerde methode 1 en chemische dampafzetting 2 waren uitstekend methoden om de oorspronkelijke toestand van een grafeen te produceren, maar de grootschalige grafeen synthese of grafeen laagvorming op het oppervlak met zeer ruime werden beschouwd als een belangrijke beperking previous werkwijzen. 3 Een mogelijke oplossing voor grootschalige r-GO synthese zal nat-chemische synthesemethode die vereist eerst de reacties met sterke oxidatiemiddelen, uitgebreide fysische behandeling, zoals sonicatie produceren GO vel en tenslotte de reductie van zuurstof functionaliteiten zodanig zijn zoals hydroxy, epoxide en carbonylgroepen in GO is essentieel om de oorspronkelijke fysische eigenschappen te herstellen. 4 Meestal werd de reductie van GO uitgevoerd met hetzij chemische methode met hydrazine of derivaten 5 of thermische behandelingsmethode (550-1,100 ° C) in een inerte of reducerende atmosfeer. 6

jove_content "> Deze processen vereisen de giftige chemische stoffen, lange reactietijd en de hoge temperatuur die de totale energievraag voor r-GO synthese verhoogd. 7 Terwijl de foto-bestralen reductie processen zoals UV-straling, 8 foto-thermisch proces met behulp van een gepulste xenon flash, 9 gepulste laser geassisteerde 10 en fotothermische verwarming camera flitslichten 11 zijn ook gemeld voor de bereiding van r-GO. Over het algemeen de lage conversie-efficiëntie van de foto-geïnduceerde methoden gepropageerd het gebruik van UV of gepulseerde laserstraling die hoge foton energie kan leveren. De lage foton energie van zichtbaar licht beperkt het gebruik en niet aangetrokken veel voor r-GO synthese. Uitstekende lichtabsorptie-eigenschappen van plasmon nanodeeltjes in het zichtbare en / of NIR gebieden kan sterk verbeteren van de huidige nadelen het gebruik van zichtbaar licht voor r-GO synthese. 12,13 milde reactieomstandigheden, korte reactietijd en beperkt gebruik van giftige chemicals kon het zichtbare licht geïnduceerde plasmon bijgestaan ​​fotokatalytische reductie van GO als een bruikbare alternatieve methode te maken.

In de huidige werkwijze beschrijven we de efficiënte en eenvoudige r-GO synthesemethode gebruikt plasmon nanodeeltjes en zichtbaar licht. De reactievoortgang werd gevonden sterk afhankelijk van de structuren van plasmonische nanodeeltjes zoals bolvormige goud nanodeeltjes (AuNPs), goud nanorods (AuNRs) en goud nanostars (AuNSs). Het gebruik van AuNPs bleek de meest efficiënte reductie van GO en nanodeeltjes zijn gemakkelijk te verwijderen en te recyclen voor herhaald gebruik (figuur 1). De r-GO gesynthetiseerd via zichtbaar licht en AuNPs toonde nagenoeg gelijke kwaliteit vergeleken met de r-GO bereid door bekende chemische methode (hydrazine) zoals aangetoond door toepassing van verschillende analytische metingen en de fluorescentiedoving / recovery gebaseerde DNA detectiemethode.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Bereiding van voorloper

  1. Bereiding van grafeen oxide (GO):
    1. GO voorbereiding met behulp van gewijzigde methode 14 Hummer
      1. Voeg 3,0 g grafietlamellen aan een mengsel van geconcentreerd H 2 SO 4 / H 3 PO 4 (360: 40 ml) bij kamertemperatuur. (Let op: Speciale aandacht moet worden genomen tijdens het gebruik van sterke zuren H 2 SO 4 en H 3 PO 4.)
      2. Voeg KMnO 4 (18,0 g) langzaam onder roeren en koelen in een ijsbad om de temperatuur van het reactiemengsel op <35 ° C houden. (De kleverige oplossing met verhoogde reactietijd worden, moeten de juiste methode om efficiënt roeren te handhaven.) (Let op: Speciale zorg moet worden genomen tijdens het toevoegen KMnO4 gevolg van exotherme reactie.)
      3. Roer gedurende 12 uur bij 50 ° C en daarna afkoelen tot kamertemperatuur en gieten reactiemengsel op ijs (400 ml) met 30% H 2 O 2 (3 ml).
      4. Filter de reaction mengsel met behulp van een metalen US Standard testen zeef (300 micrometer) om niet-gereageerd grafiet en centrifuge het filtraat (4722 xg snelheid gedurende 2 uur) verwijderen om de supernatant te verwijderen.
      5. Herhaal de centrifugatiestap met 200 ml water, 200 ml 30% HCl, 200 ml ethanol en gedestilleerd water totdat de pH van de oplossing in het bereik 5,0-6,0.
      6. Lyofiliseren de laatste oplossingen voor een pluizige GO poeder.
      7. Om nanosized GO oplossing te maken, oplossen 20 mg GO poeder in 40 ml drievoudig gedestilleerd water (> 18 MQ), en vervolgens exfoliëren bij langdurige sonicatie (35% amplitude, 500 W, 2 uur), totdat de grootteverdeling worden onder 150 nm, centrifuge vervolgens twee keer (10.625 xg snelheid, 15 min) aan neerslag (-un geëxpandeerd grote GO sheets) te verwijderen.
  2. Voorbereiding van de plasmonische nanodeeltjes
    1. Bereiding van AuNPs
      1. -Citraat gestabiliseerd gouden nanodeeltjes bolvorm (AuNPs, OD = 1,0) van 30 nm deeltjesgrootte werd gebruikt voor r-GO verminderen.
    2. Bereiding van AuNRs 15
      1. Bereid de zaden door toevoeging van een vers bereide 0,6 ml ijskoude oplossing van NaBH4-oplossing (0,01 M) in een waterige gemengde oplossing samenstellen van 0,25 ml HAuCl 4 (0,01 M) en 9,75 ml cetyltrimethylammoniumbromide (CTAB, 0,1 M ).
      2. Roer het verkregen mengsel krachtig gedurende 0,5 minuten en vervolgens houden op 28 ° C gedurende 3 uur.
      3. Bereid de groei oplossing door het mengen van 475 ml CTAB (0,1 M), 3 ml van AgNO 3 (0,01 M) en 20 ml HAuCl 4 (0,01 M).
      4. Voeg vers bereide 3,2 ml ascorbinezuur (0,01 M) aan het mengsel, gevolgd door de toevoeging van 0,8 ml van een waterige HCl (1,0 M) oplossing.
      5. In de laatste stap voeg 3,2 ml zaadoplossing om de groei oplossing bij 28 ° C en onderwerpt het reactiemengsel snelle inversie gedurende enkele seconden. Tot slot, keep het verkregen mengsel ongestoord gedurende tenminste 6 uur.
      6. Analyseer de bereide AuNRs met UV-zichtbaar spectroscopie voor absorptiemaxima (λ max) en TEM analyse (meestal de λ max en aspectratio bleek 730 nm en 3,5, respectievelijk).
    3. Bereiding van AuNSs 16
      1. Bereid waterige voorraadoplossing van 4- (2-hydroxyethyl) -1-piperazineethaansulfonzuur (HEPES) met een concentratie van 100 mM en de pH tot 7,4 bij 25 ° C aan door toevoegen van 1,0 M NaOH-oplossing.
      2. Meng 20 ml fosfaatbuffer (100 mM) met 30 ml 2- [4- (2-hydroxyethyl) -1-piperazinyl] ethaansulfonzuur (100 mM).
      3. Voeg vervolgens 500 pl van goud (III) chloride-trihydraat (20 mM) aan het bovenstaande mengsel en laten 28,5 ° C gedurende 30 min in een waterbad. Oplossing kleur verandert van lichtgeel tot groenachtig blauw na 30 minuten kon worden waargenomen.
      4. Centrifugeer de oplossing bij 8928 xg gedurende 30 min toerental en dispersede precipitaten in gedestilleerd water.
      5. Tenslotte analyseren de voorbereide AuNSs met UV-zichtbaar spectroscopie voor absorptiemaxima (λ max) en TEM analyse van deeltjesgrootte bevestiging die is gevonden aan 740 nm en 30 nm, respectievelijk.

2. Voorbereiding van de r-GO gebruik van zichtbaar licht en AuNPs

  1. Voeg 1 ml plasmon nanodeeltjes (Abs 1,0 bij 520 nm voor AuNPs, Abs 1,0 bij 750 nm voor AuNRs en Abs 1,0 bij 730 nm voor AuNSs respectievelijk) en 100 gl van ammoniumhydroxide (28%, w / v%) aan 10 ml GO-oplossing (1,0 OD bij 230 nm, 0,125 mg ml-1) in een Pyrex glazen reactor voorzien van een mantel met watercirculatie.
  2. Bestralen van het mengsel met Xe lamp (vermogensdichtheid van 1,56 W cm -2) gedurende 30 min met water circulatie door watercirculatie mantel om de temperatuur te handhaven op 25 ° C en centrifugeer de oplossing bij 10.625 xg gedurende 15 min toerental teverwijder gouden nanodeeltjes.
  3. Neem het supernatant dat het bereide r-GO te analyseren UV-Visible spectrofotometer (r-GO moet het onderscheidend absorptieband bij 270 nm vertonen) in het bereik van 200-900 nm.

3. Target DNA Detection met R-GO Solution 17

  1. Voor fluorescentiedoving, voeg 20 ul van 10 -6 M Cy3-gemodificeerde ssDNA (5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC CTC-Cy3-3 ') in de GO of r-GO oplossing die 25 ul van GO (0,125 mg ml -1) of r-GO (0,125 mg ml -1) in 1955 pi 0,3 M PBS-oplossing (10 mM fosfaatbuffer, 0,3 M NaCl) en incubeer 10 minuten bij kamertemperatuur.
  2. Meet de fluorescentie-intensiteit van deze monsters met Spectrofluorometer (λ = 529 nm ex).
  3. Voor Target Detection, voeg 200 ul van target oligonucleotide oplossing (5'-GAG GGA TTA TTG TTA AAT ATT GAT AAG GAT- 3 ') in drie verschillende concentraties (10 -6 </ sup> M, 10 -7 M, 10 -8 M) in de GO of r-GO oplossing die 20 ul van 10 -6 M ssDNA-Cy3, 25 ul van GO of r-GO (0,125 mg ml -1) en 1755 pl 0,3 M PBS gedurende fluorescentieherstel experiment. 17
    Opmerkingen:
    Light Sources & Reactor
    Zichtbaar licht (400-780 nm) bron. Zichtbaar licht bestralen door middel van Pyrex glazen reactor (venster diameter = 1,1 cm) met GO oplossing met Xe lamp (1,56 W / cm 2 power). De foton energie toegevoerd aan de reactor wordt berekend op 4,8 x 10 21 fotonen per minuut (Figuur 2A-2C).
    Nabij-infrarood (NIR) laser. NIR laser (venster diameter = 13,2 cm) met een vermogensdichtheid van 0,36 W / cm 2, en operationele golflengte van 808 nm werd gebruikt als de bron van nabij-infrarood licht voor GO reductiereacties (Figuur 2E). Het foton energie wordt berekend op 2,43 x 10 21 fotonen per minuut.
    Reactor: Pyrex glazen reactor (venster diameter = 1,1 cm; reactie volume = 10 ml), uitgerust met een water circuleert jasje wordt gebruikt voor zowel zichtbaar licht en NIR licht bestraald GO reductie reacties (figuur 2F).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Figuur 1 toont het algemene schema voor zichtbaar licht en plasmon nanodeeltjes gebaseerde r-GO reductiereactie. Figuur 2 toont de instrumentele opstelling voor de reacties. Na de reactie is het nodig de centrifugatiestap de gebruikte photocatalyst (AuNSs, AuNRs of AuNPs) zoals getoond in figuur 3A verwijderen. De HRTEM analyse toont de volledige verwijdering van nanodeeltjes in het supernatant (r-GO) (figuur 3B), die ook worden nagegaan met UV-zichtbaa...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Zichtbaar licht bestraling op GO oplossing gedurende 30 min met gouden nanodeeltjes (AuNPs, AuNSs & AuNRs) toonde de snelle kleurverandering van lichtgeel-bruine tot zwarte kleur (figuur 1). Om zeer zuiver r-GO product in hoge opbrengst te verkrijgen, zijn er twee belangrijke factoren moet volgen. Een daarvan is het gebruik van AuNPs als efficiënte plasmonische katalysator, aangezien AuNPs sterk absorberen het zichtbare licht onder andere structuren (bijv AuNRs, AuNSs). Een andere is het ge...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd ondersteund door de National Research Foundation Korea (2013R1A1A1061387) en KU-KIST onderzoeksfonds.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Cy3 modifeid ssDNAIDT(Iowa, USA)HPLC gezuiverd door IDT
Gold nanoparticles (30 nm)Ted Pella, Inc(Redding, CA, USA).15706-20colloïdale oplossing
4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethane sulfonic acid (HEPES) (99,5%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7365-45-9
Gold(III) Chloride Hydrate (99,999%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) 27988-77-8sterk hygroscopisch
Sodium Borohydride (99,99%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)16940-66-2
Hexadecyltrimethylammonium bromide (≥99%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)57-09-0
L-Ascorbic Acid(≥99,0%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)50-81-7
Sodium Chloride (99,5%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7647-14-5
Silver Nitrate  (≥99,0%)Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7761-88-8
GrafietSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7782-42-5
ZwavelzuurSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7664-93-9
FosforzuurSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7664-38-2
KaliumpermanganaatSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7722-64-7
WaterstofperoxideJUNSEI23150-0350
AmmoniumhydroxideSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)1336-21-6
Xe-lamp Cermax, Waltham, USA
NIR LaserClass-IV, Sanctity Laser, Shanghai, China 6W (uitgangsvermogen)
UV-Vis spectrofotometer S-3100, SINCO, Zuid-Korea
Transmissie Elektronen MicroscopieH-7650, Hitachi, Japan
Spectro FluorometerJasco FP-6500, Tokyo, Japan
X-ray Foto-elektron SpectrometerAXIS–NOVA, KRATOS Inc., UK

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Novoselov, K. S., et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  2. Obraztsov, A. N. Chemical Vapour Deposition Making Graphene on a Large Scale. Nat Nanotechnol. 4 (4), 212-213 (2009).
  3. Choi, W., Lahiri, I., Seelaboyina, R., Kang, Y. S. Synthesis of Graphene and Its Applications A Review. Crit Rev Solid State Mater Sci. 35 (1), 52-71 (2010).
  4. Zhou, Y., et al. Microstructuring of Graphene Oxide Nanosheets Using Direct Laser Writing. Adv Mater. 22 (1), 67-71 (2010).
  5. Stankovich, S., et al. Graphene Based Composite Materials. Nature. 442 (7100), 282-286 (2006).
  6. Becerril, H. A., et al. Evaluation of Solution-Processed Reduced Graphene Oxide Films as Transparent Conductors. ACS Nano. 2 (3), 463-470 (2008).
  7. Wang, X., Zhi, L., Müllen, K. Transparent Conductive Graphene Electrodes for Dye Sensitized Solar Cells. Nano Lett. 8 (1), 323-327 (2007).
  8. Sungjin, P., Ruoff, R. S. Chemical Methods for the Production of Graphenes. Nat Nanotechnol. 4 (4), 217-224 (2009).
  9. Akhavan, O., Ghaderi, E. Photocatalytic Reduction of Graphene Oxide Nanosheets on TiO2 Thin Film for Photoinactivation of Bacteria in Solar Light Irradiation. J Phys Chem C. 113 (47), 20214-20220 (2009).
  10. Huang, L., et al. Pulsed Laser Assisted Reduction of Graphene Oxide. Carbon. 49 (7), 2431-2436 (2011).
  11. Cote, L. J., Cruz-Silva, R., Huang, J. Flash Reduction and Patterning of Graphite Oxide and Its Polymer. Composite. J. Am. Chem. Soc. 131 (31), 11027-11032 (2009).
  12. Wu, T., et al. Surface plasmon resonance-induced visible light photocatalytic reduction of graphene oxide: Using Ag nanoparticles as a plasmonic photocatalyst. Nanoscale. 3 (5), 2142-2144 (2011).
  13. Kumar, D., Kaur, S., Lim, D. K., et al. Plasmon-assisted and visible-light induced graphene oxide reduction and efficient fluorescence quenching. Chem. Commun. 50 (88), 13481-13484 (2014).
  14. Gilje, S., et al. Photothermal Deoxygenation of Graphene Oxide for Patterning and Distributed Ignition Applications. Adv. Mater. 22 (3), 419-423 (2010).
  15. Cote, L. J., Kim, F., Huang, J. Langmuir−Blodgett Assembly of Graphite Oxide Single Layers. J. Am. Chem. Soc. 131 (3), 1043-1049 (2008).
  16. Ming, T., et al. Experimental Evidence of Plasmophores: Plasmon-Directed Polarized Emission from Gold Nanorod–Fluorophore Hybrid Nanostructures. Nano Lett. 11 (6), 2296-2303 (2011).
  17. Xie, J., Lee, J. Y., Seedless Wang, D. I. C. Surfactantless, High-Yield Synthesis of Branched Gold Nanocrystals in HEPES Buffer Solution. Chem. Mater. 19 (11), 2823-2830 (2007).
  18. Ferrari, A. C., Robertson, J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamond like carbon. Phys. Rev. B. 64 (7), 075414-1-075414-13 (2000).
  19. Tian, J., et al. One–pot green hydrothermal synthesis of CuO–Cu2O–Cu nanorod–decorated reduced graphene oxide composites and their application in photocurrent generation. Catal. Sci. Technol. 2 (11), 2227-2230 (2012).
  20. Liu, S., Tian, J., Wang, L., Sun, X. A method for the production of reduced graphene oxide using benzylamine as a reducing and stabilizing agent and its subsequent decoration with Ag nanoparticles for enzymeless hydrogen peroxide detection. CARBON. 49 (10), 3158-3164 (2011).
  21. Tian, J., et al. Environmentally Friendly, One–Pot Synthesis of Ag Nanoparticle Decorated Reduced Graphene Oxide Composites and Their Application to Photocurrent Generation. Inorg. Chem. 51 (8), 4742-4746 (2012).
  22. Tian, J., et al. Three–Dimensional Porous Supramolecular Architecture from Ultrathin gC3N4 Nanosheets and Reduced Graphene Oxide: Solution Self-Assembly Construction and Application as a Highly Efficient Metal–Free Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (2), 1011-1017 (2014).
  23. Liu, S., et al. Stable Aqueous Dispersion of Graphene Nanosheets: Noncovalent Functionalization by a Polymeric Reducing Agent and Their Subsequent Decoration with Ag Nanoparticles for Enzymeless Hydrogen Peroxide Detection. Macromolecules. 43 (23), 10078-10083 (2010).
  24. Li, H., et al. Photocatalytic synthesis of highly dispersed Pd nanoparticles on reduced graphene oxide and their application in methanol electro–oxidation. Catal. Sci. Technol. 2 (6), 1153-1156 (2012).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Vermindering van zichtbaar lichtplasmonische nanodeeltjesgoudnanodeeltjesUV Vis spectroscopieRaman spectroscopiepoeder XRDXPS analysefluorescentiedovingDNA detectie

Gerelateerde artikelen