Методическая статья

Видимый свет Индуцированные Снижение графеновых оксида Использование наночастиц Плазмонное

DOI:

10.3791/53108

⸱

22 сентября 2015 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Простой протокол для приготовления восстановленного оксида графена с использованием видимого света и плазмонных наночастиц описан.

Аннотация

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

Данная работа демонстрирует простой, химической бесплатно, быстро и энергоэффективное способ получения восстановленного оксида графена (г-GO) решение при комнатной температуре с использованием видимого излучения света с плазмонных наночастиц. Плазмонного наночастиц используется для повышения эффективности снижения ГО. Это займет всего 30 минут при комнатной температуре при освещении решения с Xe-лампы, R-GO решения могут быть получены путем полного удаления наночастицы золота с помощью простого стадии центрифугирования. Сферические золотые наночастицы (AuNPs) по сравнению с другими наноструктур является наиболее подходящим плазмонное наноструктуры для г-GO подготовки. Восстановленный оксид графена получены с использованием видимого света и AuNPs в равной степени как качественные, химически восстановленный оксид графена которая была поддержана различными аналитическими методами, такими как UV-VIS-спектроскопии, спектроскопии комбинационного рассеяния, порошковой XRD и XPS. Восстановленный оксид графена подготовлен с видимым светом показывает отличные свойства тушения над фтораМолекулы escent изменение одноцепочечной ДНК и отличным восстановления флуоресценции для обнаружения ДНК мишени. R-GO подготовлен переработанных AuNPs оказывается того же качества, что с химически уменьшенной г-GO. Использование видимого света с плазмонного наночастицы демонстрирует хорошую альтернативный метод для синтеза р-GO.

Введение

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

Первый разработан скотч-ленты на основе метода 1 и химического осаждения паров 2 были отличные способы получения первозданной состояние графена, но крупномасштабного синтеза графена или графен образование слоя на поверхности с широким области были рассматриваться в качестве ключевого ограничения предыдущие методы. 3 Одним из возможных решений для крупномасштабного синтеза R-GO будет мокрым химического синтеза, которые необходимо в первую очередь реакции с сильными окислителями, обширной физической обработки, таких как обработка ультразвуком, чтобы произвести GO лист, и, наконец, уменьшение кислорода функции, такие а гидрокси, эпоксида и карбонильные группы в ГО необходимо для того, чтобы восстановить свои первоначальные физические свойства. 4 В основном, сокращение ГО проводилась с каждой химическим способом с использованием гидразина или его производных 5 или методом термической обработки (550-1,100 ° С) в инертной атмосфере или восстановительной. 6

jove_content "> Эти процессы требуют токсичных химических веществ, долгое время реакции и высокую температуру, которая повышенную общую потребность в энергии для синтеза р-GO. 7 Хотя фото-облучения восстановительные процессы, такие как УФ-индуцированного, 8 фото-теплового процесса с использованием импульсного ксенон вспышка, 9 импульсный лазер помощь 10 и фото-тепловой обогрев с камеры фонариков 11 также сообщалось для подготовки R-GO. В целом, низкая эффективность преобразования из фотоиндуцированному методов распространяется на использование УФ или импульсный лазерное облучение, которые могут доставить высокой энергии фотонов. Низкая энергия фотона видимого света ограничивает его использование и не привлекают много для синтеза р-GO. Отличные свойства поглощения света плазмонных наночастиц в видимом и / или NIR регионах может значительно улучшить текущие недостатки использования видимого света для синтеза R-GO. 12,13 мягких условиях реакции, малое время реакции и ограниченное использование токсичных CHemicals может сделать видимого света, индуцированный плазмонов при содействии фотокаталитический сокращение ГО в качестве полезного альтернативного метода.

В настоящем способе, мы опишем эффективную и простую г-GO синтетический метод, используя плазмонных наночастиц и видимый свет. Протекание реакции было установлено, что сильно зависит от структуры плазмонных наночастиц такие как сферические наночастицы золота (AuNPs), золото (наностержнями AuNRs) и золота (nanostars AuNSs). Использование AuNPs показали наиболее эффективное снижение ГО и наночастицы легко снимаются и переработке для повторного использования (Рисунок 1). R-GO синтезированы с использованием видимого света и AuNPs показали почти равное качество по сравнению с R-GO получены известным химическим способом (гидразина), о чем свидетельствует использование различных аналитических измерений и на основе тушение флуоресценции / восстановления способа обнаружения ДНК.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Подготовка Предтечи

  1. Подготовка оксида графена (GO):
    1. Подготовка дороге с помощью Модифицированный метод Хаммера в 14
      1. Добавить 3,0 г хлопьев графита в смеси концентрированной H 2 SO 4 / H 3 PO 4 (360: 40 мл) при комнатной температуре. (Примечание: Особое внимание должно быть принято при использовании сильных кислот H 2 SO 4 и H 3 PO 4).
      2. Добавить KMnO 4 (18,0 г) медленно при перемешивании и охлаждении на бане со льдом, чтобы поддерживать температуру реакционной смеси при <35 ° С. (Решение становятся липкими с увеличением времени реакции, нужно использовать правильный метод для поддержания эффективного перемешивания.) (Примечание: Особое внимание должно быть принято при добавлении KMnO 4 в связи с экзотермической реакции).
      3. Перемешать в течение 12 ч при 50 ° С и затем охлаждают до комнатной температуры и розлива реакционной смеси на лед (400 мл), содержащие 30% Н 2 О 2 (3 мл).
      4. Фильтр Reaction смесь с использованием металла США стандартном испытании сита (300 мкм), чтобы удалить непрореагировавший графит и центрифугируют (4722 мкг скорости в течение 2 ч) Фильтрат для удаления супернатанта.
      5. Повторите стадии центрифугирования с 200 мл воды, 200 мл 30% HCl, 200 мл этанола и дистиллированной воды до рН снова досягаемости раствора при 5,0-6,0.
      6. Лиофилизировать окончательные решения, чтобы произвести пушистый GO порошок.
      7. Для того, чтобы наноразмерный решение GO, растворить 20 мг GO порошка в 40 мл троекратно дистиллированной водой (> 18 МОм), а затем отслаивается от длительного ультразвуком (амплитуда 35%, 500 Вт, 2 ч), пока весь размер дистрибутива не стали ниже 150 нм, затем центрифуги это в два раза (скорость 10625 мкг, 15 мин) для удаления осадка (ООН-отслаивается большими GO листов).
  2. Подготовка плазмонного наночастицы
    1. Подготовка AuNPs
      1. Цитрат стабилизированный сферическая форма наночастиц золота (AuNПс, ОД = 1,0) 30 нм частиц размером был использован для уменьшения R-GO.
    2. Подготовка AuNRs 15
      1. Подготовка семян раствор добавлением свежеприготовленный 0,6 мл ледяной раствор NaBH 4 решения (0,01 М) в водной смеси раствора композе 0,25 мл HAuCl 4 (0,01 М) и 9,75 мл бромида цетилтриметиламмония (СТАВ, 0,1 М ).
      2. Полученную смесь перемешивают в течение 0,5 энергично мин, а затем сохранить его при 28 ° С в течение 3 ч.
      3. Приготовьте раствор роста путем смешивания 475 мл СТАВ (0,1 м), 3 мл AgNO 3 (0,01 М) и 20 мл HAuCl 4 (0,01 М).
      4. Затем добавить свежеприготовленным 3,2 мл аскорбиновой кислоты (0,01 М) к смеси с последующим добавлением 0,8 мл в 1,0 М () водного раствора HCl.
      5. На конечной стадии добавления 3,2 мл раствора семян в раствор роста на 28 ° C и подвергают реакционную смесь до быстрого инверсии течение нескольких секунд. Наконец, кеЕР полученной смеси в покое в течение не менее 6 часов.
      6. Анализ подготовленные AuNRs с УФ-видимой спектроскопии максимумов поглощения (λ макс) и исследованием с помощью ТЭМ (обычно отношение λ макс и аспект было установлено, что 730 нм и 3,5, соответственно).
    3. Подготовка AuNSs 16
      1. Приготовления водной исходного раствора 4- (2-гидроксиэтил) -1-пиперазинэтансульфонова кислота (HEPES) с концентрацией 100 мМ и доведения рН до 7,4 при 25 ° С добавлением 1,0 М раствора NaOH.
      2. Смешайте 20 мл фосфатного буфера (100 мМ) с 30 мл 2- [4- (2-гидроксиэтил) -1-пиперазинил] этансульфоновой кислоты (100 мм).
      3. Затем добавить 500 мкл, тригидрат хлорида (III), золото (20 мм) к вышеуказанной смеси и держать на 28,5 ° С в течение 30 мин в водяной бане. Через 30 мин можно наблюдать цвет Решение изменяется от светло-желтого до зеленовато-синего цвета.
      4. Центрифуга решение на скорости 8,928 мкг в течение 30 мин и разгонаОсадок в дистиллированной воде.
      5. Наконец, анализировать подготовленную AuNSs с УФ-видимой спектроскопии для максимумов поглощения (λ макс) и анализа ПЭМ для подтверждения размера частицы, которая находится в 740 нм будет и 30 нм, соответственно.

2. Подготовка г-GO, используя видимый свет и AuNPs

  1. Добавить 1 мл плазмонных наночастиц (ABS 1.0 при 520 нм для AuNPs, ABS 1.0 на 750 нм для AuNRs и Абс 1.0 на 730 нм для AuNSs, соответственно) и 100 мкл гидроксида аммония (28%, вес / объем%) до 10 мл раствора GO (OD 1,0 при 230 нм, 0,125 мг мл -1), помещенной в стеклянный реактор из пирекса, снабженную водой рубашки с циркулирующей.
  2. Облучать смеси с Хе лампы (плотность мощности 1,56 Вт см -2) в течение 30 мин с циркуляцией воды через воды циркуляции рубашкой для поддержания температуры на уровне 25 ° С, а затем центрифугируют раствор при скорости 10625 мкг в течение 15 мин доудалить наночастиц золота.
  3. Возьмите супернатант, содержащий подготовленный г-GO для анализа УФ-спектрофотометр (г-GO должны показать отличительные полосы поглощения при 270 нм) в диапазоне 200-900 нм.

3. Обнаружение ДНК Целевая Использование г-GO решение 17

  1. Для тушения флуоресценции, добавить 20 мкл 10 -6 м Су3 модифицированного одноцепочечной ДНК (5'-СТТ УВД УВД ААТ АТТ ТАА ТАА ВГА ТСС СТС-Cy3-3 ') в GO или г-GO раствора, содержащего 25 мкл ГО (0,125 мг мл -1) или R-GO (0,125 мг мл -1) в 1,955 мкл 0,3 М раствора PBS (10 мМ фосфатным буфером, 0,3 М NaCl) и инкубируют в течение 10 мин при комнатной температуре.
  2. Измерьте интенсивность флуоресценции этих образцов с спектрофлуорометра (Х = 529 экс нм).
  3. Для обнаружения цели, добавить 200 мкл олигонуклеотидов цель решения (5'ГАГ GGA TTA TTA ТТГ ААТ АТТ GAT AAG GAT- 3 ') в трех различных концентрациях (10 -6 </ SUP> М, 10 -7 М, 10 -8 М) в GO или г-GO раствора, содержащего 20 мкл 10 -6 М оцДНК-Cy3, 25 мкл ГО или г-GO (0,125 мг мл -1) и 1755 мкл 0,3 М PBS для эксперимента восстановления флуоресценции. 17
    Примечания:
    Источники света и реактор
    Видимый свет (400-780 нм) источник. Видимый свет облучать через Pyrex стеклянный реактор (диаметр окна = 1,1 см), содержащей GO решение, используя Хе лампа (1,56 Вт / см 2 питания). Энергия фотонов применяется в реактор рассчитывается как 4,8 × 10 21 фотонов за мин (фиг.2А-2С).
    Ближней инфракрасной (NIR) лазер. NIR-лазер (диаметр окна = 13,2 см) с плотностью мощности 0,36 Вт / см 2, и рабочей длине волны 808 нм была использована в качестве источника ближнего инфракрасного света для восстановительных реакций (рис GO 2e). Энергия фотона рассчитывается как 2,43 × 10 21 фотонов за мин.
    ReacТор: Pyrex стеклянный реактор (диаметр окна = 1,1 см; объем реакционной смеси = 10 мл), снабженный водой рубашки с циркулирующей используется как для видимого света и ближней ИК свет, излучаемый реакции восстановления GO (рис 2F).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

На рисунке 1 показан общий схему для видимого света и плазмонного наночастиц на основе восстановительной реакции г-GO. Рисунок 2 показывает инструментальную установки для реакций. После реакции требуется стадии центрифугирования для удаления использованного фотокатализатор (AuNSs, AuNRs или AuNPs), как показано на фигуре 3А. Анализ показывает ВПЭМ полное удаление наночастиц в надосадочной жидкости (г-GO) (3В), который также можно подтвердить с УФ-видимо...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Видимый свет облучения на GO решения в течение 30 мин с наночастицами золота (AuNPs, AuNSs & AuNRs) показали быстрые изменения цвета от светло-жёлто-коричневого до черного цвета (рис 1). Для получения высокой чистоты R-GO продукт с высоким выходом, есть два важных фактора должны следовать. Одним из них является использование AuNPs в качестве эффективного катализатора плазмонного, так AuNPs может сильно поглощают видимый свет среди других структур (например, AuNRs, AuNSs). Другим примером яв...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Мы не имеем ничего раскрывать.

Благодарности

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

Эта работа была поддержана Национальным исследовательским фондом Кореи (2013R1A1A1061387) и научно-исследовательской фонда КУ-KIST.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Cy3 modifeid ssDNAIDT(Айова, США)очищенный наночастицами золота IDT
(30  nm)Ted Pella, Inc (Реддинг, Калифорния, США).15706-20коллоидный раствор
4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазитансульфоновая кислота (HEPES) (99,5%)Sigma-Aldrich (Сент-Луис, Миссури, США)7365-45-9
Гидрат хлорида золота(III) (99,999%)Sigma-Aldrich (Сент-Луис, Миссури, США)  27988-77-8сильно гигроскопичный
борогидрид натрия (99,99%)Sigma-Aldrich (Сент-Луис, Миссури, США)16940-66-2
Гексадецилтриметиламмония бромид (≥ 99%)Sigma-Aldrich (Сент-Луис, Миссури, США)57-09-0
L-аскорбиновая кислота(≥ 99.0%)Сигма-Олдрич (Сент-Луис, Миссури, США)50-81-7
Хлорид натрия (99.5%)Сигма-Олдрич (Сент-Луис, Миссури, США)7647-14-5
Нитрат серебра  (≥ 99.0%)Сигма-Олдрич (Сент-Луис, Миссури, США)7761-88-8
ГрафитСигма-Олдрич (Сент-Луис, Миссури, США)7782-42-5
Серная кислотаСигма-Олдрич (Сент-Луис, Миссури, США)7664-93-9
Фосфорная кислотаСигма-Олдрич (Сент-Луис, Миссури, США)7664-38-2
МарганцовкаСигма-Олдрич (Сент-Луис, Миссури, США)7722-64-7
Перекись водородаJUNSEI23150-0350
Гидроксид аммонияSigma-Aldrich (Сент-Луис, Миссури, США)1336-21-6
Xe-лампа  Cermax, Уолтем, США
NIR LaserClass-IV, Sanctity Laser, Шанхай, Китай 6 Вт (выходная мощность)
УФ-ВИД спектрофотометр S-3100, SINCO, Южная Корея
Просвечивающая электронная микроскопияH-7650, Hitachi, Япония
СпектрофлуориметрJasco FP-6500, Токио, Япония
Рентгеновский фотоэлектронный спектрометрAXIS– НОВА, КРАТОС Инк., Великобритания
HPLC,

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи