De luz visível redução induzida de óxido de grafeno Usando nanopartículas plasmonic

Resumo

Um protocolo simples para a preparação de óxido de grafeno reduzido utilizando luz visível e nanopartículas plasmonic é descrito.

Resumo

O presente trabalho demonstra a e método simples, química livre, rápido, eficiente da energia para produzir reduzida solução de óxido de grafeno (r-GO) à temperatura ambiente usando a luz visível irradiação com nanopartículas plasmonic. A nanopartícula plasmonic é utilizado para melhorar a eficiência de redução de GO. Leva apenas 30 min à temperatura ambiente, iluminando as soluções com Xe-lâmpada, as soluções de r-Go pode ser obtido por remoção completamente nanopartículas de ouro através de uma simples etapa de centrifugação. As nanopartículas de ouro esférico (AuNPs) em comparação com as outras nanoestruturas é a nanoestrutura plasmonic mais adequados para a preparação de R-GO. O óxido de grafeno reduzido preparados utilizando luz visível e AuNPs foi igualmente qualitativa como quimicamente reduzida óxido de grafeno, que foi apoiado por várias técnicas analíticas, tais como espectroscopia UV-Vis, espectroscopia Raman, pó de DRX e XPS. O óxido de grafeno reduzido preparado com luz visível mostra excelentes propriedades de têmpera sobre o fluormoléculas escent modificado em ADNcs e excelente recuperação de fluorescência para a detecção de ADN alvo. É encontrado o r-GO preparado por AuNPs reciclados para ser de mesma qualidade com que quimicamente reduzida de r-GO. A utilização de luz visível com nanopartículas plasmonic demonstra a boa método alternativo para a síntese de R-GO.

Introdução

Método ¹ e de vapor químico baseado o primeiro scotch-tape desenvolvido deposição ^{2 foram} excelentes métodos para produzir o estado primitivo de um grafeno, mas a formação da camada de síntese de grafeno em grande escala ou grafeno na superfície com área ampla, foram considerados como uma limitação fundamental do métodos anteriores ³ Uma de solução possível para grande escala de síntese de R-GO será método sintético molhado-química que requer em primeiro lugar as reacções com agentes de oxidação fortes, extenso tratamento físico tal como sonicação para produzir VAI folha, e, finalmente, a redução de funcionalidades de oxigénio tal. como hidroxilo, epóxido e grupos carbonilo em GO é essencial, a fim de recuperar as suas propriedades físicas originais Principalmente ^4., a redução de GO foi levada a cabo com qualquer método químico usando hidrazina ou dos seus derivados ⁵ ou por método de tratamento térmico (° 550-1,100 C) numa atmosfera inerte ou redutora. ⁶

jove_content "> Estes processos necessitam dos produtos químicos tóxicos, longo tempo de reação e temperatura elevada que o aumento da demanda total de energia para a síntese de r-GO. ^{7 Enquanto} os processos de redução de irradiação de fotos, tais como, processo ⁸ foto-térmico induzido por UV usando um pulsada de xenônio flash, ⁹ pulsada a laser assistida ¹⁰ e foto�t�rmica aquecimento com luzes de flash da câmara ¹¹ também foram descritos para a preparação de R-GO. Em geral, a baixa eficiência de conversão dos métodos foto-induzidas propagada para o uso de UV ou pulsada irradiação laser que pode oferecer alta energia dos fótons. A energia do fóton baixo da luz visível limita o seu uso e não atraiu muito para a síntese de r-GO. Excelentes propriedades de absorção de luz de nanopartículas plasmonic nas regiões visíveis e / ou NIR pode melhorar significativamente as desvantagens atuais da utilização de luz visível para a síntese de R-GO. ^12,13 condições de reacção suaves, curto tempo de reacção e utilização limitada de CH tóxicoemicals poderia fazer a luz visível plasmon induzida assistida redução fotocatalítica de GO como um método alternativo útil.

No presente método, nós descrevemos o método sintético r-GO eficiente e simples, usando nanopartículas plasmonic e luz visível. O progresso da reacção foi encontrado para ser fortemente dependente das estruturas de nanopartículas plasmonic tais como as nanopartículas de ouro (esféricas AuNPs), ouro nanorods (AuNRs), e nanostars ouro (AuNSs). O uso de AuNPs mostrou a redução mais eficiente de GO e as nanopartículas são facilmente removíveis e reciclável para o uso repetido (Figura 1). A r-GO sintetizado usando a luz visível e AuNPs mostrou quase igual qualidade em comparação com o r-GO preparados por método químico conhecido (hidrazina) como demonstrado pelo uso de várias medições analíticas e do método de detecção de ADN com base extinção de fluorescência / recuperação.

Protocolo

1. Preparação do Precursor

1. Preparação de óxido de grafeno (GO):
   1. GO preparação pelo método de Hummer ¹⁴ modificado
      1. Adicionar 3,0 g de flocos de grafite, a uma mistura de H ₂ SO 4 concentrado / H _{3 PO 4} (360: 40 ml) à TA. (Nota: Especial cuidado deve ser tomado durante a utilização de ácidos fortes H _{2 SO 4} e H _{3 PO 4).}
      2. Adicionar _KMnO4 (18,0 g) lentamente com agitação e arrefecimento num banho de gelo para manter a temperatura da mistura de reacção a <35 ° C. (A solução tornar-se pegajoso com o aumento do tempo de reação, precisará usar método adequado para manter a agitação eficiente.) (Nota: Cuidado especial deve ser tomado ao adicionar _KMnO4 devido à reacção exotérmica).
      3. Agita-se durante 12 h a 50 ° C e depois arrefece-se para a TA e vertendo-se sobre gelo mistura de reacção (400 ml) contendo 30% de H _{2 O} 2 (3 mL).
      4. Filtra-se a reaction mistura utilizando um metal padrão americana testar crivo (300 um) para remover grafite que não reagiu e o centrífuga (velocidade de 4.722 x g durante 2 horas) filtrado para remover o sobrenadante.
      5. Repetir o passo de centrifugação com 200 ml de água, 200 ml de HCl a 30%, 200 ml de etanol, e água destilada até o pH novamente de solução alcance a 5,0-6,0.
      6. Liofilizar as soluções finais para produzir um pó fofo GO.
      7. A fim de fazer a solução de GO nanométricos, dissolver 20 mg de GO em pó em 40 ml de água destilada triplo (> 18 mohms), e, em seguida, esfoliar por sonicação prolongada (35% de amplitude, a 500 W, 2 h) até que toda a distribuição do tamanho de tornar abaixo de 150 nm, em seguida, centrifugar-lo duas vezes (velocidade de 10.625 xg, 15 min) para remover precipitados (folhas grandes GO esfoliada-ONU).
2. Preparação de nanopartículas plasmonic
   1. Preparação de AuNPs
      1. Estabilizado com citrato de forma esférica de nanopartículas de ouro (AuNPs, OD = 1,0) tamanho de partículas de 30 nm foi utilizado para a redução de R-GO.
   2. Preparação de ¹⁵ AuNRs
      1. Preparar a solução de sementes pela adição de 0,6 ml de solução gelada preparada de fresco de _NaBH4 solução (0,01 M) a uma solução de mistura de composição aquosa de 0,25 ml de HAuCl ₄ (0,01 M) e 9,75 ml de brometo de cetiltrimetilamónio (CTAB, 0,1 M ).
      2. Agita-se a mistura resultante vigorosamente durante 0,5 minutos e depois mantê-la a 28 ° C durante 3 h.
      3. Preparar a solução de crescimento através da mistura de 475 ml de CTAB (0,1 M), 3 mL de _AgNO3 (0,01 M) e 20 ml de HAuCl ₄ (0,01 M).
      4. Em seguida, adicione preparada de fresco 3,2 ml de ácido ascórbico (0,01 M) à mistura seguido pela adição de 0,8 ml de uma solução aquosa de HCl (1,0 M).
      5. No passo final, adicionar 3,2 ml de solução de sementes à solução de crescimento a 28 ° C e submeter a mistura reaccional a rápida inversão durante alguns segundos. Finalmente, keep a mistura resultante em repouso durante pelo menos 6 horas.
      6. Analisar os AuNRs preparados com espectroscopia de UV-Visível para absorção máxima (λ _{max) e} análise de TEM (tipicamente a relação de aspecto λ _{max e} verificou-se ser 730 nm e 3,5, respectivamente).
   3. Preparação de ¹⁶ AuNSs
      1. Preparar uma solução aquosa estoque de 4- (2-hidroxietil) -1-piperazinoetanossulfónico ácido (HEPES) com a concentração de 100 mM e ajustar o pH a 7,4 a 25 ° C através da adição de solução 1,0 M de NaOH.
      2. Misturar 20 ml de tampão de fosfato (100 mM) com 30 ml de 2- [4- (2-hidroxietil) -1-piperazinil] etanossulfónico (100 mM).
      3. Em seguida, adicionar 500 mL de tri-hidrato de ouro (III), cloreto de (20 mM) à mistura acima e manter a 28,5 ° C durante 30 min em banho de água. Solução mudanças de cor de amarelo claro para azul esverdeado depois de 30 minutos pode ser observada.
      4. Centrifugar a solução a velocidade de 8.928 xg durante 30 min e dispersarOs precipitados em água destilada.
      5. Finalmente, analisar o AuNSs preparado com espectroscopia UV-Visível para absorção máxima (λ _max) e análise TEM para a confirmação de tamanho das partículas que é encontrado para ser 740 nm e 30 nm, respectivamente.

2. Preparação de r-GO Usando luz visível e AuNPs

1. Adicionar 1 ml de nanopartículas plasmonic (ABS 1.0 a 520 nm para AuNPs, Abs 1,0 a 750 nm para AuNRs, e Abs 1,0 a 730 nm para AuNSs, respectivamente) e 100 ul de hidróxido de amónio (28%, w / v%) para 10 ml de solução de GO (1,0 OD a 230 nm, 0,125 mg ml ^-1) colocado em um reactor de vidro Pyrex equipado com uma camisa com circulação de água.
2. Irradiar a mistura com lâmpada Xe (densidade de potência de 1,56 W ^cm2) durante 30 minutos com a circulação de água através do revestimento com circulação de água para manter a temperatura a 25 ° C e depois centrifugar a solução a uma velocidade 10.625 xg durante 15 min pararemover nanopartículas de ouro.
3. Tome-se o sobrenadante contendo a r-ir para analisar com espectrofotómetro de UV-Visível (R-GO deve mostrar a banda de absorção característico a 270 nm) na gama de 200-900 nm preparado.

3. Detecção do ADN Alvo Utilizando R-GO ¹⁷ Solução

1. Por extinção de fluorescência, adicionar 20 ul de ¹⁰ -6 M ssDNA Cy3-modificado (5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC CTC-Cy3-3 ') em solução GO ou r-GO contendo 25 ul de GO (0,125 mg ^ml-1) ou R-GO (0,125 mg mL ^-1), em 1,955 ml de solução 0,3 M de PBS (tampão fosfato 10 mM, NaCl 0,3 M) e incubar durante 10 min à temperatura ambiente.
2. Medir a intensidade de fluorescência destas amostras com espectrofluorímetro (λ _ex = 529 nm).
3. Para a detecção do alvo, adicione 200 ml de solução de oligonucleotídeo alvo (5'-GAG GGA ATT TTG TTA AAT ATT GAT AAG GAT- 3 ') em três concentrações diferentes (10 ^{-6 <}/ sup> M, 10 ^-7 M, 10 ^-8 M) na solução de GO ou R-GO contendo 20 ul de 10 ^-6 M ADNcs-Cy3, 25 ul de GO ou R-GO (0,125 mg mL ^-1) , e 1,755 mL de 0,3 M de PBS para a experiência de recuperação de fluorescência. ¹⁷
   Notas:
   Fontes de Luz e Reactor
   A luz visível (400-780 nm) de origem. A luz visível irradiar através Pyrex reator de vidro (diâmetro janela = 1,1 cm), contendo solução GO usando lâmpada Xe (1,56 W / cm ² de energia). A energia dos fotões aplicada ao reactor é calculada como sendo de 4,8 x 10 ²¹ fótons por min (Figura 2A-2C).
   Infravermelho próximo (NIR) laser. NIR laser (diâmetro janela = 13,2 cm) com uma densidade de potência de 0,36 W / cm ^2, e comprimento de onda de funcionamento de 808 nm foi utilizada como a fonte de luz do infravermelho próximo para reacções de redução GO (Figura 2E). A energia do fóton é calculada para ser 2,43 × ¹⁰ 21 fótons por min.
   Reactor: Pyrex reator de vidro (diâmetro janela = 1,1 cm; volume de reacção = 10 ml) equipado com uma jaqueta com circulação de água é utilizada para luz visível e NIR luz irradiada reações de redução GO (Figura 2F).

Resultados

A Figura 1 mostra o esquema geral para a luz visível e reacção de redução à base de nanopartículas plasmonic R-GO. A Figura 2 mostra a configuração instrumental para as reacções. Depois da reacção, é necessário o passo de centrifugação para remover o fotocatalisador utilizado (AuNSs, AuNRs, ou AuNPs) como mostrado na Figura 3A. A análise HRTEM mostra a remoção completa das nanopartículas no sobrenadante (R-GO) (Figura 3B), que também é ...

Discussão

Visível irradiação de luz em solução GO durante 30 minutos com nanopartículas de ouro (AuNPs, AuNSs & AuNRs) mostrou as mudanças de cor rápidas de luz amarela-marrom a cor preta (Figura 1). Para obter produto altamente puro de R-GO, com elevado rendimento, existem dois factores importantes precisa seguir. Um deles é o uso de um catalisador como AuNPs plasmonic eficiente, uma vez que pode absorver AuNPs fortemente a luz visível, entre outras estruturas (por exemplo, AuNRs, AuNSs). Outro é a ...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Cy3 modifeid ssDNA	IDT (Iowa, EUA)		HPLC purificado por
nanopartículas de ouro IDT (30  nm)	Ted Pella, Inc(Redding, CA, EUA).	15706-20	solução coloidal
4-(2-hidroxietil)-1-piperazineetano ácido sulfônico (HEPES) (99,5%)	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	7365-45-9
Hidrato de Cloreto de Ouro(III) (99,999%)	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	27988-77-8	fortemente higroscópico
(99,99%)	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	16940-66-2
brometo de hexadeciltrimetilamônio (≥ 99%)	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	57-09-0
Ácido L-Ascórbico(≥ 99,0%)	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	50-81-7
Cloreto de Sódio (99,5%)	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	7647-14-5
Nitrato de Prata  (≥ 99,0%)	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	7761-88-8
Grafite	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	7782-42-5
Ácido sulfúrico	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	7664-93-9
Ácido fórico	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	7664-38-2
Permanganato de potássio	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	7722-64-7
Peróxido de hidrogênio	JUNSEI	23150-0350
Hidróxido de amônio	Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, EUA)	1336-21-6
Xe-lamp	Cermax, Waltham, EUA
NIR Laser	Classe-IV, Sanctity Laser, Xangai, China		de 6W (potência de saída
)	S-3100, SINCO, Coreia
Microscopia Eletrônica de Transmissão	H-7650, Hitachi, Japão
Spectro Fluorômetro	Jasco FP-6500, Tóquio, Japão
Espectrômetro de Fotoelétrons de Raios-X	AXIS– NOVA, KRATOS Inc., Reino Unido