Artykuł metodologiczny

Inspirowana biologicznie polidopaminowa modyfikacja powierzchni nanodiamentów i redukcja nanocząstek srebra

DOI:

10.3791/58458

⸱

14 listopada 2018

 ,  , 
1Department of Chemistry, Missouri University of Science and Technology, 2Center for Research in Energy and Environment, Department of Chemistry, Missouri University of Science and Technology

W tym artykule

Podsumowanie

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

Przedstawiono prosty protokół funkcjonalizacji powierzchni nanodiamentów za pomocą polidopaminy.

Streszczenie

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

Funkcjonalizacja powierzchni nanodiamentów (ND) jest nadal wyzwaniem ze względu na różnorodność grup funkcyjnych na powierzchniach ND. W tym miejscu demonstrujemy prosty protokół wielofunkcyjnej modyfikacji powierzchni ND za pomocą powłoki polidopaminowej (PDA) inspirowanej małżami. Ponadto funkcjonalna warstwa PDA na ND może służyć jako środek redukujący do syntezy i stabilizacji nanocząstek metali. Dopamina (DA) może ulegać samopolimeryzacji i spontanicznie tworzyć warstwy PDA na powierzchniach ND, jeśli ND i dopamina są po prostu mieszane ze sobą. Grubość warstwy PDA jest kontrolowana przez zmianę stężenia DA. Typowy wynik pokazuje, że grubość warstwy PDA od ~5 do ~15 nm można osiągnąć, dodając od 50 do 100 μg/ml DA do zawiesin ND o długości 100 nm. Ponadto PDA-ND są wykorzystywane jako substrat do redukcji jonów metali, takich jak Ag[(NH3)2]+, do nanocząstek srebra (AgNPs). Wielkość AgNP zależy od początkowych stężeń Ag[(NH3)2]+. Wraz ze wzrostem stężenia Ag[(NH3)2]+ zwiększa się liczba nanocząsteczek, a także średnice nanocząsteczek. Podsumowując, badanie to nie tylko przedstawia łatwą metodę modyfikacji powierzchni ND za pomocą PDA, ale także demonstruje zwiększoną funkcjonalność ND poprzez zakotwiczenie różnych gatunków będących przedmiotem zainteresowania (takich jak AgNPs) do zaawansowanych zastosowań.

Wprowadzenie

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

Nanodiamenty (NDs), nowy materiał na bazie węgla, zyskały w ostatnich latach duże zainteresowanie do wykorzystania w różnych zastosowaniach1,2. Na przykład, duże powierzchnie ND zapewniają doskonałe wsparcie katalizatora dla nanocząstek metali (NP) ze względu na ich nadchemiczną stabilność i przewodność cieplną3. Ponadto ND odgrywają znaczącą rolę w bioobrazowaniu, biodetekcji i dostarczaniu leków ze względu na ich wyjątkową biokompatybilność i nietoksyczność4,5.

Aby skutecznie rozszerzyć ich możliwości, warto sprzęgnąć funkcjonalne gatunki na powierzchni ND, takie jak białka, kwasy nukleinowe i nanocząstki6. Chociaż podczas oczyszczania na powierzchni ND powstają różne grupy funkcyjne (np. hydroksyl, karboksyl, lakton itp.), Wydajność koniugacji grup funkcyjnych jest nadal bardzo niska ze względu na niską gęstość każdej aktywnej grupy chemicznej7. Powoduje to niestabilne ND, które mają tendencję do agregacji, ograniczając dalsze stosowanie8.

Obecnie, najpowszechniejszymi metodami używanymi do funkcjonalizacji ND, są koniugacja kowalencyjna przy użyciu chemii kliknięć bez miedzi9, kowalencyjne wiązanie peptydowych kwasów nukleinowych (PNA)10, oraz samoorganizujące się DNA11. Zaproponowano również niekowalencyjne owijanie ND, w tym modyfikowaną węglowodanami powłokę BSA4 i HSA12. Ponieważ jednak metody te są czasochłonne i nieefektywne, pożądane jest, aby można było opracować prostą i ogólnie stosowaną metodę modyfikacji powierzchni ND.

Dopamina (DA)13, znana jako naturalny neuroprzekaźnik w mózgu, była szeroko stosowana do adhezyjnych i funkcjonalizujących nanocząstek, takich jak nanocząstki złota (AuNPs)14, Fe2O315, oraz SiO216. Samopolimeryzowane warstwy PDA wzbogacają grupy aminowe i fenolowe, które mogą być dalej wykorzystywane do bezpośredniej redukcji nanocząstek metali lub do łatwego unieruchamiania biomolekuł zawierających tiol/aminy w roztworze wodnym. To proste podejście zostało niedawno zastosowane do funkcjonalizacji ND przez Qin i wsp. i nasze laboratorium17,18, chociaż pochodne DA były używane do modyfikacji ND za pomocą Click Chemistry we wcześniejszych badaniach19,20.

Tutaj opisujemy prostą metodę modyfikacji powierzchni opartą na PDA, która efektywnie funkcjonalizuje ND. Zmieniając stężenie DA, możemy kontrolować grubość warstwy PDA od kilku nanometrów do kilkudziesięciu nanometrów. Ponadto nanocząstki metalu są bezpośrednio redukowane i stabilizowane na powierzchni PDA bez konieczności stosowania dodatkowych toksycznych środków redukujących. Rozmiary nanocząstek srebra zależą od początkowych stężeń Ag[(NH3)2]+. Metoda ta pozwala na dobrze kontrolowane osadzanie się PDA na powierzchniach ND i syntezę sprzężonych z ND AgNPs, co znacznie rozszerza funkcjonalność ND jako doskonałych nanoplatform nośników katalizatorów, bioobrazowania i bioczujników.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1 . Przygotowanie odczynników

UWAGA: Proszę przeczytać i zrozumieć wszystkie istotne karty charakterystyki substancji niebezpiecznej (MSDS) przed użyciem. Niektóre chemikalia są toksyczne i lotne. Prosimy o przestrzeganie specjalnych procedur obchodzenia się i wymagań dotyczących przechowywania. Podczas procedury eksperymentalnej należy używać środków ochrony osobistej, takich jak rękawice, okulary ochronne i fartuch laboratoryjny, aby uniknąć potencjalnych zagrożeń.

  1. Przygotowanie buforu Tris-HCl
    1. Rozpuścić 30,29 g proszku Tris w 100 ml dejonizowanegoH2O, upewnić się, że proszek całkowicie się rozpuścił, a następnie przenieść roztwór do kolby pomiarowej o pojemności 250 ml.
    2. Dodać dejonizowanyH2Odo skali 250 ml w kolbie miarowej, aby uzyskać 1,0 M buforu Tris.
    3. Rozcieńczyć 1,0 M bufor Tris 100 razy, aby uzyskać 0,01 M bufor Tris i dostosować pH do 8,5 za pomocą 1,0 M roztworu wzorcowego HCl.
    4. Użyj pH-metru, aby skalibrować wartość pH 0,01 M buforu Tris-HCl.
  2. Przygotowanie zawiesin ND
    1. Rozcieńczyć 100 nm monokrystalicznej zawiesiny ND (1,0 mg/ml) 50 razy buforem 0,01 M Tris-HCl, aby uzyskać 0,02 mg/ml zawiesiny ND.
  3. Przygotowanie roztworu dopaminy
    1. Rozpuścić 20 mg chlorowodorku dopaminy w 2,0 ml 0,01 M buforu Tris-HCl, aby uzyskać 10 mg/ml roztworu DA.
      UWAGA: Roztwór DA musi być świeżo przygotowany i zużyty w ciągu 15 minut.
  4. Przygotowanie roztworu Ag[(NH3)2]OH
    1. Rozpuścić 100 mg AgNO3 w postaci stałej w 10 ml dejonizowanegoH2O, aby uzyskać 10 mg/ml roztworuAgNO3.
    2. Dodawać kroplami 1,0 M wodorotlenek amonu (NH3·H2O) do roztworu AgNO3 aż do powstania żółtego osadu, a następnie kontynuować dodawanie roztworu NH3·H2O, aż opad zniknie.
      UWAGA: Ustaw minimalną wymaganą głośność; Przygotować bezpośrednio przed użyciem i wyrzucić natychmiast po użyciu.
      UWAGA: Dodaj NH3·H2O do dygestorium z osłonami twarzy, rękawicami i goglami.

2 . Synteza warstwy PDA na powierzchni ND (PDA-NDs)

  1. Dodać świeżo przygotowany roztwór DA (10 mg/ml) do zawiesiny ND, aby uzyskać różne końcowe stężenia 50, 75, 100 μg/ml DA. Dostosować całkowitą objętość reakcji do 1,0 ml, przenieść ją do probówki o pojemności 10 ml i energicznie mieszać w temperaturze 25 °C, w ciemności przez 12 godzin.
  2. Odwirować roztwór PDA-NDs przez 2 godziny przy 16 000 x g, usunąć supernatant i przemyć trzykrotnie wodą dejonizowaną przez 1 godzinę przy 16 000 x g za każdym razem.
  3. Ponownie zdyspergować PDA-ND w 200 μl wody dejonizowanej za pomocą sonikacji przez 30 s. Filtry ND z powłoką PDA będą gotowe do dalszego użycia.

3 . Redukcja AgNPs na powierzchni PDA-ND (AgNPs-PDA-NDs)

  1. Rozcieńczyć 40 μl wstępnie zsyntetyzowanych PDA-ND w kroku 2.3 dwa razy wodą dejonizowaną. Dodać roztwór Ag[(NH3)2]OH, aby uzyskać różne końcowe stężenia Ag[(NH3)2]+ (0,08, 0,16, 0,24, 0,40 i 0,60 mg/ml).
  2. Dostosuj końcową objętość do 100 μl w probówce wirówkowej o pojemności 1,5 ml, dodając wodę dejonizowaną, a następnie poddaj sonikacji przez 10 minut.
  3. Odwirować AgNPs-PDA-NDs przez 15 minut przy 16 000 x g w celu usunięcia wolnych jonów srebra, wyrzucić supernatant po odwirowaniu, dodać 100 μl wody dejonizowanej i przemyć trzykrotnie wodą dejonizowaną o stężeniu 16 000 x g przez 5 minut za każdym razem.
  4. Ponownie rozproszyć AgNPs-PDA-NDs w 100 μl wody dejonizowanej za pomocą sonikacji przez 30 s, aby przygotować się do dalszego użycia.

4 . Analiza klastrów PDA-ND i AgNPs-PDA-NDs

  1. Widma w ultrafiolecie widzialnym (UV)
    1. Użyj widm UV do monitorowania średniego rozkładu wielkości AgNP na powierzchniach PDA-ND. Przenieść próbki AgNPs-PDA-NDs przygotowane w kroku 3.4 o różnych stężeniach Ag[(NH3)2]OH do 1 cm kuwety kwarcowej i monitorować absorpcję przy długości fali skanowania od 250 do 550 nm.
  2. Transmisyjna mikroskopia wyborcza (TEM)
    1. Umieść siatki miedziane pokryte węglem na szklanym szkiełku owiniętym parafolią, aby utrzymać siatki na miejscu. Włóż szklane szkiełko z dołączonymi kratkami TEM do myjki plazmowej. Włącz myjkę plazmową i pompę próżniową. Po 5 minutach włącz plazmę i rozładuj kratki o średnim poziomie mocy na 3 min.
    2. Umieścić 5 μl próbek na siatkach Cu pokrytych folią węglową na 3 minuty. Za pomocą bibuły filtracyjnej usunąć dodatkową próbkę z krawędzi siatki. Następnie umieść kroplę wody dejonizowanej na siatce na 15 sekund, aby usunąć sole, a następnie odkręć wodę bibułą filtracyjną. Powtórz procedurę prania dwukrotnie i pozostaw kratkę do wyschnięcia na powietrzu do dalszego użycia.
    3. Wizualizacja próbek za pomocą TEM, zwykle w powiększeniu 38 000x. Praca przy napięciu 200 KV.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Tworzenie warstw PDA na powierzchniach ND zostało przeanalizowane przez TEM (Rysunek 1). Zaobserwowano różne grubości warstw PDA, ponieważ wyższe stężenia DA prowadziły do grubszych warstw PDA. Ponadto po reakcji enkapsulacji barwa roztworu NDs zmieniła się z bezbarwnej na ciemną, przy czym im wyższe było początkowe stężenie DA, tym ciemniejszy stawał się roztwór.

Rysunek 2

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

W artykule przedstawiono szczegółowy protokół funkcjonalizacji powierzchni ND z samopolimeryzowaną powłoką DA oraz redukcji Ag[(NH3)2]+ do AgNPs na warstwach PDA (Rysunek 3). Strategia ta jest w stanie wytworzyć warstwy PDA o różnej grubości, po prostu zmieniając stężenie DA. Wielkość AgNPs można również kontrolować, zmieniając pierwotne stężenie roztworu jonów metali. Obraz TEM na rysunku 1A przedstawia niepowle...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Te badania były wspierane przez National Science Foundation (CCF 1814797) i University of Missouri Research Board, Material Research Center oraz College of Arts and Science na Missouri University of Science and Technology

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
NanodiamentFND Biotech, Inc.brFND-100zdyspergowany w wodzie i używany bez dalszego oczyszczania
Chlorowodorek dopaminySigmaH8502-25Gprzygotować świeżo
Azotan srebraFisherS181-25
Wodorotlenek amonuFisherA669S-500wysoce toksyczny
chlorowodorek TrisFisherBP153-500
TEM siatka węglowa Ted Pella01843-F300 siatka miedziana

Bibliografia

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Mochalin, V. N., Shenderova, O., Ho, D., Gogotsi, Y. The properties and applications of nanodiamonds. Nature Nanotechnology. 7 (1), 11-23 (2011).
  2. Kucsko, G., et al. Nanometre-scale thermometry in a living cell. Nature. 500 (7460), 54-58 (2013).
  3. Liu, J., et al. Origin of the Robust Catalytic Performance of Nanodiamond-Graphene-Supported Pt Nanoparticles Used in the Propane Dehydrogenation Reaction. ACS Catalysis. 7 (5), 3349-3355 (2017).
  4. Chang, B. -M., et al. Highly Fluorescent Nanodiamonds Protein-Functionalized for Cell Labeling and Targeting. Advanced Functional Materials. 23 (46), 5737-5745 (2013).
  5. Ho, D., Wang, C. H., Chow, E. K. Nanodiamonds: The intersection of nanotechnology, drug development, and personalized medicine. Science Advances. 1 (7), 1500439(2015).
  6. Hsu, M. H., et al. Directly thiolated modification onto the surface of detonation nanodiamonds. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (10), 7198-7203 (2014).
  7. Krueger, A. Diamond Nanoparticles: Jewels for Chemistry and Physics. Advanced Materials. 20 (12), 2445-2449 (2008).
  8. Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., Mochalin, V. N. Salt-assisted ultrasonic deaggregation of nanodiamond. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (38), 25461-25468 (2016).
  9. Akiel, R. D., Zhang, X., Abeywardana, C., Stepanov, V., Qin, P. Z., Takahashi, S. Investigating Functional DNA Grafted on Nanodiamond Surface Using Site-Directed Spin Labeling and Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry B. 120 (17), 4003-4008 (2016).
  10. Gaillard, C., et al. Peptide nucleic acid-nanodiamonds: covalent and stable conjugates for DNA targeting. RSC Advances. 4 (7), 3566-3572 (2014).
  11. Zhang, T., et al. DNA-based self-assembly of fluorescent nanodiamonds. Journal of the American Chemical Society. 137 (31), 9776-9779 (2015).
  12. Liu, W., et al. Fluorescent Nanodiamond-Gold Hybrid Particles for Multimodal Optical and Electron Microscopy Cellular Imaging. Nano Letters. 16 (10), 6236-6244 (2016).
  13. Lee, H., Dellatore, S. M., Miller, W. M., Messersmith, P. B. Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings. Science. 318 (5849), 426-430 (2007).
  14. Wang, C., Zhou, J., Wang, P., He, W., Duan, H. Robust Nanoparticle-DNA Conjugates Based on Mussel-Inspired Polydopamine Coating for Cell Imaging and Tailored Self-Assembly. Bioconjugate Chemistry. 27 (3), 815-823 (2016).
  15. Liu, R., Guo, Y., Odusote, G., Qu, F., Priestley, R. D. Core-shell Fe3O4 polydopamine nanoparticles serve multipurpose as drug carrier, catalyst support and carbon adsorbent. ACS Applied Materials and Interfaces. 5 (18), 9167-9171 (2013).
  16. Liu, R., et al. Dopamine as a Carbon Source: The Controlled Synthesis of Hollow Carbon Spheres and Yolk-Structured Carbon Nanocomposites. Angewandte Chemie International Edition. 50 (30), 6799-6802 (2011).
  17. Zeng, Y., Liu, W., Wang, Z., Singamaneni, S., Wang, R. Multifunctional surface modification of nanodiamonds based on dopamine polymerization. Langmuir. 34 (13), 4036-4042 (2018).
  18. Qin, S., et al. Dopamine@Nanodiamond as novel reinforcing nanofillers for polyimide with enhanced thermal, mechanical and wear resistance performance. RSC Advances. 8 (7), 3694-3704 (2018).
  19. Barras, A., Lyskawa, J., Szunerits, S., Woisel, P., Boukherroub, R. Direct functionalization of nanodiamond particles using dopamine derivatives. Langmuir. 27 (20), 12451-12557 (2011).
  20. Khanal, M., et al. Toward Multifunctional "Clickable" Diamond Nanoparticles. Langmuir. 31 (13), 3926-3933 (2015).
  21. Rad, M. H., Zamanian, A., Hadavi, S. M. M., Khanlarkhani, A. A Two-Stage Kinetics Model for Polydopamine Layer Growth. A Two-Stage Kinetics Model for Polydopamine Layer Growth. Macromolecular Chemistry and Physics. , 1700505(2018).
  22. Ball, V., Frari, D. D., Toniazzo, V., Ruch, D. Kinetics of polydopamine film deposition as a function of pH and dopamine concentration: Insights in the polydopamine deposition mechanism. Journal of Colloid and Interface Science. 386 (1), 366-372 (2012).
  23. Liu, Y., Ai, K., Lu, L. Polydopamine and its derivative materials: synthesis and promising applications in energy, environmental, and biomedical fields. Chemical Reviews. 114 (9), 5057-5115 (2014).
  24. Hu, J., Wu, S., Cao, Q., Zhang, W. Synthesis of core-shell structured alumina/Cu microspheres using activation by silver nanoparticles deposited on polydopamine-coated surfaces. RSC Advances. 6 (85), 81767-81773 (2016).
  25. Orishchin, N., et al. Rapid Deposition of Uniform Polydopamine Coatings on Nanoparticle Surfaces with Controllable Thickness. Langmuir. 33, 6046-6053 (2017).
  26. González, A. L., Noguez, C., Beránek, J., Barnard, A. S. Size, Shape, Stability, and Color of Plasmonic Silver Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C. 118 (17), 9128-9136 (2014).
  27. Muthuchamy, N., Gopalan, A., Lee, K. -P. A new facile strategy for higher loading of silver nanoparticles onto silica for efficient catalytic reduction of 4-nitrophenol. RSC Advances. 5 (93), 76170-76181 (2015).
  28. Bastus, N. G., Comenge, J., Puntes, V. Kinetically Controlled Seeded Growth Synthesis of Citrate-Stabilized Gold Nanoparticles of up to 200 nm: Size Focusing versus Ostwald Ripening. Langmuir. 27 (17), 11098-11105 (2011).
  29. Jana, J., Gauri, S. S., Ganguly, M., Dey, S., Pal, T. Silver nanoparticle anchored carbon dots for improved sensing, catalytic and intriguing antimicrobial activity. Dalton Transactions. 44 (47), 20692-20707 (2015).
  30. Zamudio, A., et al. Efficient anchoring of silver nanoparticles on N-doped carbon nanotubes. Small. 2 (3), 346-350 (2006).
  31. Modification of membranes with polydopamine and silver nanoparticles formed in situ to mitigate biofouling. U.S. Patent Application. , 14/689,085 (2016).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Polydopamine CoatingNanodiamond Surface ModificationSilver Nanoparticle SynthesisPDA Layer ThicknessDopamine ConcentrationTris HCl BufferCentrifugation WashingSonication RedispersionUV Vis SpectroscopyTransmission Electron Microscopy

Powiązane artykuły