Synteza i funkcjonalizacja kubków z nanorurek węglowych domieszkowanych azotem z nanocząstkami złota jako zatyczkami korkowymi

Ogólnym celem następującego eksperymentu jest synteza poszczególnych hydrofilowych grafitowych nanokubków wyizolowanych z domieszkowanych azotem nanorurek węglowych oraz ich funkcjonalizacja nanocząsteczkami złota pełniącymi rolę korków. Cel ten osiąga się najpierw poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej w celu syntezy domieszkowanych azotem nanorurek węglowych składających się ze stosów nanokubków. W drugim kroku stosy nanokubków poddaje się utlenianiu silnymi kwasami, a sporadycznie działaniu końcówek sondy, co skutecznie izoluje poszczególne nanokubki z ich stosów.

Następnie złote nanocząstki syntetyzuje się poprzez redukcję kwasu chlorozłotowego cytrynianem sodu w obecności wyizolowanych nanokielichów, aby zakorkować ich otwory. Wyniki uzyskane dzięki charakterystyce za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej oraz spektroskopii UV-vis wykazują, że złote nanocząstki skutecznie zakorkowują otwory nanokielichów. Pomysł oddzielenia i zakorkowania końcówek rurek węglowych pojawił się po analizie obrazów z transmisyjnego mikroskopu elektronowego rurek węglowych domieszkowanych azotem, gdzie zauważono, że składają się one z pojedynczych segmentów w kształcie kielichów. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie nanonauki i nanotechnologii, takie jak badanie właściwości nanostruktur o kontrolowanym kształcie i funkcjonalnościach.

Zastosowanie tej techniki rozciąga się na wytwarzanie nanokontenerów oraz nośników dostarczania leków, ponieważ nanokielichy posiadają unikalny kształt i bardziej wszechstronne funkcjonalności w porównaniu z innymi nanomateriałami. Aby rozpocząć syntezę, umieść kwarcową płytkę o wymiarach jednej cala na 12 cali wewnątrz kwarcowej rurki o długości trzech stóp i średnicy wewnętrznej jednego cala. Następnie uszczelnij rurkę kwarcową za pomocą stalowych zaślepek z wbudowanymi przyłączami do wtryskiwania gazów i cieczy.

Umieść rurkę kwarcową w niebieskiej rurce Lindberga. Następnie przygotuj roztwór ciekłego prekursora zawierający żelazo, acetonitryl i ksyleny. Pobierz około 5 ml ciekłego prekursora do strzykawki szczelnej dla gazów.

Umieść strzykawkę w pompie strzykawkowej i podłącz ją do wlotu rurki kwarcowej. Następnie złóż układ CVD, podłączając wszystkie wloty i wyloty gazów. Przepuść przez układ argon w ilości 845 standard cubic centimeters per minute przez 20 minut w celu przedmuchania układu, a po zakończeniu procesu sprawdź szczelność układu.

Wprowadzić przepływ wodoru cząsteczkowego z prędkością 37,5 standard cubic centimeters per minute i ustawić przepływ argonu na 127 standard cubic centimeters per minute. Włączyć piec i ustawić jego temperaturę na 800 °C, gdy zostanie ona ustabilizowana. Ustawić szybkość wtrysku pompy strzykawkowej na 9 mL per hour przez sześć minut.

Po sześciu minutach ustaw prędkość wtryskiwania na 1 ml/h w celu wzrostu czarek z nanorurek węglowych domieszkowanych azotem. Po 90 minutach wzrostu wyłącz pompę strzykawkową oraz przepływ wodoru i wyłącz piec. Kontynuuj przepływ argonu w celu utrzymania atmosfery wewnętrznej, aż piec ochłonie do temperatury pokojowej.

Gdy system osiągnie temperaturę pokojową, odłącz wszystkie wloty i wyloty gazów oraz system wtryskowy, pracując pod wyciągiem lub stosując ochronę dróg oddechowych. Rozmontuj system CVD i wyjmij płytkę kwarcową. Używając jednostronnego ostrza żyletki, ostrożnie oddziel warstwę nanorurek węglowych domieszkowanych azotem od płytki.

Przenieść błonę za pomocą pęsety i pistoletu antystatycznego w celu rozproszenia w etanolu do procesu utleniania. Najpierw należy podjąć środki ostrożności w celu bezpiecznego obchodzenia się z silnie żrącymi cieczami. Przenieść około 10 mg zsyntetyzowanych NC NCS do kolby okrągłodennej o pojemności 200 ml.

Do kolby dodać 7,5 ml stężonego kwasu azotowego. Mieszaninę krótko poddać sonikacji w kąpieli wodnej w celu lepszej dyspersji. Następnie powoli dodać 22,5 ml stężonego kwasu siarkowego, a mieszaninę reakcyjną w kąpieli wodnej w temperaturze pokojowej sonikować przez cztery godziny.

Następnie rozcieńcz mieszaninę reakcyjną 100 mililitrami wody i umieść ją w kąpieli lodowej. Po ochłodzeniu mieszaniny do temperatury pokojowej przefiltruj ją za pomocą aspiratora wodnego przez membranę z POLYTETRAFLUOROETYLENU lub PTFE o rozmiarze porów 220 nanometrów. Materiał na membranie filtrującej przemyj 200 mililitrami 0,01 molowego wodorotlenku sodu, aby usunąć wszelkie kwaśne produkty uboczne.

Następnie przemyj materiał 200 mililitrami 0,01 molarnego roztworu chlorowodoru. Potem przemywaj materiał wodą, aż filtrat osiągnie neutralne pH. Na koniec umieść utleniony NC NCS w 50 mililitrach wody.

Poddaj mieszaninę sonikacji, aby zdyspergować materiał. Powstałą zawiesinę, po typowo pięciominutowej obróbce, można przechowywać w temperaturze pokojowej do czasu przeprowadzenia doświadczeń. Aby oddzielić NC ncs, przelej zawiesinę utlenionego materiału w wodzie do plastikowego kubka o pojemności 100 ml umieszczonego w kąpieli lodowej.

Napełnij plastikowy kubek wodą do poziomu 50 ml. Wyposaż końcówkę sondy atora w tytanową mikrokońcówkę o średnicy 1/4 cala i ustaw ją na 60% maksymalnej amplitudy. Zanurz mikrokońcówkę w centrum roztworu i prowadź proces przez 12 godzin z 32-sekundowym odstępem włącz/wyłącz.

Wymieniaj lód co 30 minut, aby zapobiec przegrzaniu. Po 12 godzinach przerwij sonikację. Przefiltruj zawiesinę NC NC przez membranę filtrującą z PTFE o rozmiarze porów 220 nanometrów, aby usunąć wszelkie duże cząstki. Otrzymane próbki NC NC można ponownie przechowywać w temperaturze pokojowej do dalszych zastosowań.

Analizę rozpoczyna się od przygotowania dwóch odczynników: odczynnika A oraz odczynnika B. Odczynnik A zawiera fenol, etanol purynowy oraz hydrant daninę w wodzie. Odczynnik B to hyran rozpuszczony w etanolu.

Napełnić małe probówki 600 µL etanolu. Do każdej z probówek dodać 400 µL roztworu NC NNC lub 400 µL wody jako kontroli. Do probówek dodać 100 µL odczynnika A i 25 µL odczynnika B.

Uszczelnij probówki za pomocą parafiny i podgrzewaj je w kąpieli olejowej o temperaturze 100 °C przez 10 minut. Przefiltruj próbkę przez filtr strzykawkowy, aby usunąć cząstki stałe, a następnie zbierz roztwór filtrate do analizy. Wykonaj widma widzialne filtratów z dodatkiem i bez dodatku NC NCS, a następnie zastosuj kolorymetrię.

Zapisz absorbancję piku z maksimum przy 570 nanometrach w celu zastosowania prawa Beer-Lambert do obliczenia ilości amin niezbędnych do wprowadzenia cząsteczek złota do NC ncs. Rozpocznij od czterech mililitrów zawiesiny wodnej zawierającej oddzielone NC NCS o stężeniu 0,01 miligrama na mililitr.

Poddaj zawiesinę sonikacji w kąpieli wodnej przez pięć minut. W ciągu ostatniej minuty sonikacji dodaj 1 mL roztworu wodnego kwasu chlorowcowego o stężeniu 1 mg/mL.

Po zakończeniu operacji umieścić roztwór na mieszalce magnetycznej z podgrzewaniem w temperaturze 70 °C. Kroplami dodać 250 µL 1% wagowo wodnego roztworu cytrynianu sodu. Energicznie mieszać mieszaninę reakcyjną na płycie grzejnej przez dwie godziny.

Następnie odwiruj mieszaninę reakcyjną przy 3 400 RPM przez 15 minut. Potem usuń nadosad, aby pozostawić osad zawierający NC NCS funkcjonalizowane nanocząsteczkami złota; zawieś osad w czterech mililitrach wody i ponownie odwiruj. Mikroskopia elektronowa w trybie transmisyjnym ukazuje włóknistą strukturę nanorurek domieszkowanych azotem, o typowej długości kilku mikronów i średnicach od 20 do 30 nanometrów.

Obrazy o wyższej rozdzielczości ukazują nanorurkowe kubki ułożone jeden na drugim. Tutaj obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego przedstawiają NC NCS po utlenianiu kwasowym. Proces utleniania pociął włókna na fragmenty o długości jednego mikrona, ale dzięki temu, że kubki IC wciąż pozostają ułożone po zastosowaniu końcówek sondy, sonikacji i filtracji, NC NCS pojawiają się jako pojedyncze kubki o długości mniejszej niż 200 nanometrów.

Proces utleniania prowadzi do zmiany potencjału zeta NC NCS z dodatniego na ujemny. Jak pokazano po lewej stronie, wykres po prawej wskazuje, że zgodnie z testem Kaisera grupy aminowe właściwe dla NC NCS nie uległy zmianie, co widać po lewej stronie. Po funkcjonalizacji NC NCS nanocząstkami złota, prawie wszystkie NC NCS nabyły jedną.

Wiele nanocząsteczek złota utworzyło korki w probówkach, co pokazano tutaj po prawej stronie. Zdjęcie wstawkowe przedstawia różnicę w kolorze po wirowaniu pomiędzy wolnymi nanocząsteczkami złota z nadkładziny po lewej stronie a nanocząsteczkami złota na NNC NCS po prawej stronie. Bardziej fioletowy kolor odpowiada przesunięciu w stronę czerwieni pasma powierzchniowego rezonansu plazmonowego złota w widmie widzialnym, co widać w danych.

Po opanowaniu, technika ta może zostać przeprowadzona w ciągu jednego dnia, jeśli jest wykonywana prawidłowo. Należy pamiętać, że praca z nanomateriałami węglowymi może być niebezpieczna i podczas wykonywania tej procedury należy stosować środki ostrożności, takie jak maski z filtrem. Po opracowaniu, technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie nanonauki, a w szczególności nanomedycyny, do badania zastosowań tych funkcjonalnych nanonośników w terapii celowanej i kontrolowanym uwalnianiu leków.