Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

Summary

Легковесные протокол представляется functionalize поверхности наноалмазов с polydopamine.

Abstract

Функционализация поверхности наноалмазов (NDs) по-прежнему сложной ввиду разнообразия функциональных групп на поверхностях ND. Здесь мы демонстрируем простой протокол для многофункциональных модификации поверхности NDs с помощью покрытия мидий вдохновил polydopamine (PDA). Кроме того функциональный слой КПК на NDs может служить восстанавливающего агента синтезировать и стабилизировать металлических наночастиц. Допамин (DA) могут самостоятельно полимеризоваться и спонтанно образуют слои КПК на поверхностях ND если NDs и допамина просто смешать. Толщина слоя КПК контролируется различной концентрации DA. Типичный результат показывает, что толщиной ~ 5 до ~ 15 Нм КПК слоя может быть достигнуто путем добавления 50-100 мкг/мл да 100 Нм ND суспензий. Кроме того, КПК-NDs используются как субстрат для уменьшения ионов металлов, таких как Ag [(NH₃)₂]⁺, серебряные наночастицы (AgNPs). Размеры AgNPs полагаются на начальных концентраций Ag [(NH₃)₂]⁺. Наряду с увеличением концентрации Ag [(NH₃)₂]⁺, увеличивает количество NPs, а также диаметры NPs. В целом это исследование не только представляет снисходительный метод для изменения поверхности NDs с КПК, но также демонстрирует расширение функциональности NDs, закрепления различных видов интерес (например, AgNPs) для сложных приложений.

Introduction

Наноалмазов (NDs), Роман материалов на основе углерода, привлекли большое внимание в последние годы для использования в различных приложениях^1,2. Например высокие поверхности области NDs обеспечивают отличные катализатора поддержку металлических наночастиц (NPs) из-за их супер-химическая стабильность и теплопроводность³. Кроме того NDs играть значительную роль в био изображений, био зондирования и доставки лекарств из-за их выдающийся биосовместимость и нетоксичности^4,5.

Эффективно расширить свои возможности, он ценен для конъюгата функциональных видов на поверхностях NDs, такие как белки, нуклеиновые кислоты и наночастиц⁶. Хотя целый ряд функциональных групп (например., гидроксил, карбоксильные, лактон, и т.д.), создаются на поверхностях NDs во время их очистки, доходности спряжение функциональных групп по-прежнему очень низки из-за низкой плотности каждого Активные химические группы⁷. Это приводит к нестабильной NDs, которые склонны агрегат, дальнейшего ограничения приложения⁸.

В настоящее время наиболее распространенные методы, используемые для functionalize NDs, являются ковалентных конъюгации с использованием меди бесплатно нажмите химия⁹, ковалентная связь пептид нуклеиновые кислоты (PNA)¹⁰, и собственн-собранные ДНК¹¹. Также было предложено non ковалентные обтекания NDs, включая углеводы модифицированные BSA⁴и HSA¹²покрытие. Однако потому что эти методы являются неэффективными и занимают много времени, желательно разработать простой и общеприменимых метод для изменения поверхности NDs.

Допамин (DA)¹³, известный как естественных нейромедиаторов в головном мозге, широко используется для присоединения и functionalizing наночастиц, например наночастиц золота (AuNPs)¹⁴, Fe₂O₃¹⁵и SiO₂¹⁶ . Самостоятельно полимеризованной КПК слои обогатить аминокислот и фенольных групп, которые могут быть далее использованы непосредственно сократить металлические наночастицы или легко иммобилизации биомолекул тиоловых/Амин содержащих на водный раствор. Этот простой подход был недавно применен к functionalize NDs Цинь и др. и наша лаборатория^17,18, хотя да производные использовались для изменения NDs через нажмите химии в более ранних исследованиях^19,20.

Здесь мы описываем метод простой модификации поверхности КПК, который эффективно functionalizes NDs. Варьируя концентрацию Да, мы можем контролировать толщину слоя КПК от нескольких нанометров до десятков нанометров. Кроме того металлические наночастицы непосредственно сократить и стабилизировался на поверхности КПК без необходимости в дополнительном сокращении токсичных агентов. Размеров наночастиц серебра зависят от начальной концентрации Ag [(NH₃)₂]⁺. Этот метод позволяет хорошо контролируемых осаждения КПК на поверхностях NDs и синтез ND проспряганное AgNPs, , который значительно расширяет функциональность NDs поддерживает отличные нано платформы катализатора, био изображений, как и Био датчики.

Protocol

1. Подготовка реагентов

ВНИМАНИЕ: Прочитайте и понять все соответствующие паспорта безопасности материалов (MSDS) перед использованием. Некоторые из химических веществ, токсичных и летучих. Пожалуйста, следуйте специальной обработки процедур и требований к хранилищу. Во время экспериментальной процедуры используйте личного защитного снаряжения, например перчатки, защитные очки и лаборатории пальто, чтобы избежать потенциальной опасности.

1. Подготовка буфера Tris-HCl
   1. Растворите 30.29 г трис порошка в 100 мл дейонизированной H₂O, убедитесь, что порошок растворяется полностью и затем передать решение на 250 мл объемный колбу.
   2. Добавьте деионизированной H₂O масштаб 250 мл в объемном колбу дать 1,0 М трис-буфер.
   3. Развести 1,0 М трис буфера 100 раз дать 0,01 М трис буфер и отрегулировать рН 8,5, используя стандартный раствор HCl 1,0 М.
   4. PH метр используйте для калибровки значение пэ-аша 0,01 М трис-HCl буфере.
2. Подготовка ND суспензий
   1. Разбавляют 100 Нм монокристаллического ND суспензий (1,0 мг/мл) 50 раз с 0,01 М трис-HCl буфере дать 0,02 мг/мл суспензии ND.
3. Приготовление раствора дофамина
   1. Растворяют 20 мг допамина гидрохлорида 2,0 мл 0,01 М трис-HCl буфере дать 10 мг/мл раствора да.
      Примечание: Да решение должны быть свежезаваренным подготовлен и используется в течение 15 мин.
4. Приготовление раствора OH [(NH₃)₂] Ag
   1. Растворите 100 мг AgNO₃ твердых в 10 мл дейонизированной H₂O дать 10 мг/мл AgNO₃ решения.
   2. Добавление 1,0 М гидроксида аммония (NH₃· H₂O) каплям решение₃ AgNO до желтого осадка формы, а затем продолжить добавление NH₃· H₂O решения до тех пор, пока уровень осадков исчезает.
      Примечание: Сделать минимальный объем необходимых; готовят непосредственно перед использованием и распоряжаться сразу после использования.
      Предупреждение: Добавить NH₃· H₂O в Зонта с лицом щиты, перчатки и очки.

2. Синтез КПК слой на поверхности NDs (PDA-NDs)

1. Добавьте свежеприготовленные да решение (10 мг/мл) ND суспензий дать разнообразны окончательный концентрации 50, 75, 100 мкг/мл DA. Отрегулируйте громкость общая реакция в 1,0 мл, перенести его на 10 мл пробирку и энергично перемешать при 25 ° C, в темноте для 12 h.
2. Центрифуга для КПК-NDs решение для 2 ч в 16000 x g, удалить супернатант и три раза промойте деионизованной воды для 1 h 16, 000 x g каждый раз.
3. Повторно дисперсных PDA-NDs в 200 мкл деионизованной воды с sonication для 30 s. КПК – покрытием NDs будет готова для дальнейшего использования.

3. Уменьшение AgNPs на поверхности PDA-NDs (AgNPs-PDA-NDs)

1. Разбавьте 40 мкл предварительно синтезированных PDA-NDs на шаге 2.3 два раза с дейонизированной водой. Добавить Ag [(NH₃)₂] OH решение дать различные окончательный концентрации Ag [(NH₃)₂]⁺ (0,08, 0,16, 0,24, 0,40 и 0,60 мг/мл).
2. Окончательного громкость до 100 мкл в 1,5 мл пластиковых пробирок, добавив деионизированной воды, затем sonication за 10 мин.
3. Центрифуги AgNPs-PDA-NDs 15 мин на 16000 x g для удаления ионов серебра свободной, отбросить надосадке после центрифугирования, 100 мкл деионизированной воды и стирать три раза с дейонизированной водой g 16000 x 5 минут каждый раз.
4. Повторного разгона AgNPs-PDA-NDs в 100 мкл deionizedwater с sonication для 30 s подготовить для дальнейшего использования.

4. Анализ AgNPs-PDA-NDs кластеров и КПК NDs

1. Спектры видимых ультрафиолетового (УФ)
   1. Используйте УФ спектры для контроля за распределением средний размер AgNPs на КПК-й поверхности. Передача образцов AgNPs-PDA-NDs, приготовленные в шаге 3.4 разнообразный концентрации OH [(NH₃)₂] Ag в 1 см кварцевые кюветы и следить за поглощение на длине волны сканирования 250 до 550 Нм.
2. Передача выборов микроскопии (ТЕА)
   1. Место углерода покрытием медной сетки на стеклянное скольжение, завернутый с парафина держать сетки на месте. Вставьте в плазме чистого стекла слайд с прилагаемой ТЕА сетки. Включите более чистых плазмы и вакуумного насоса. После 5 минут включите плазмы и выполнять сетки с уровнем средней мощности за 3 мин.
   2. Депозит 5 мкл образцов на углеродной пленки с покрытием Cu сетки для 3 мин использования фильтра бумаги чтобы фитиль от дополнительных образцов от края сетки. Затем, депозит капля деионизованной воды на сетке для 15 s для удаления солей, затем фитиль от воды с фильтровальной бумаги. Повторите процедуру Стиральная дважды и позволяют сетки воздуха сухой для дальнейшего использования.
   3. Визуализируйте образцы по ТЕА, обычно на 38000 крат. Работают на 200 кв.

Representative Results

Discussion

Эта статья предоставляет подробный протокол для поверхности функционализации NDs с самостоятельной полимеризованной да покрытием и сокращение Ag [(NH₃)₂]⁺ для AgNPs на КПК слоев (рис. 3). Стратегия способен производить различные толщины слоев КПК, просто изменив концентрацию DA. Также размер AgNPs можно управлять, изменяя оригинальный концентрация иона металла раствора. ТЕА изображения в Рисунок 1A отображает немелованной 100 Нм NDs, которые, как правило, в форме microclusters и агрегатов. Когда NDs были инкапсулированы с КПК, PDA слои, показал как тонкий кольцо вокруг NDs. Толщины слоя КПК, как измеряется в изображений ТЕА, были около 5 Нм, 10 Нм и 15 Нм, что соответствует окончательный да концентрации 50 мкг/мл, 75 мкг/мл и 100 мкг/мл, соответственно. Цвет подвеса NDs было отмечено перейти от бесцветного темные следующие КПК покрытие, указывающее успешный перенос КПК на поверхностях ND и показывая, что толщина КПК было зависит от концентрации DA. Пожалуйста, обратите внимание: критическим фактором, который влияет на да полимеризации является условием рН (наиболее благоприятное значение — 8,5²³). Точная рН раствора выгодно для контроля толщины слоев КПК. Кроме того быстрый агитации во время полимеризации необходим для дезагрегирования NDs и формирование форме КПК слоя. Таким образом этот метод не эффективен для любой частицы, которые неустойчивы в щелочных растворах.

Чтобы описать влиятельных факторов, которые способствовали толщина КПК, мы представляем уравнение () 1описать формирование КПК слоя на поверхности ND. Это основано на кинетическое уравнение КПК осаждения на наночастиц из предыдущих докладов^21,22. Первоначальной концентрации DA (C₁, m/v), время реакции (t) и толщина слоя КПК (d), являются следующие:

(1)

R — радиус NDs (предполагая NDs являются сферах), p₁ является плотность КПК, V₁ является объем реакции, N₁ — количество NDs и k₁ является константой, относящиеся к значения рН, частичный давление₂O, температуры окружающей среды и интенсивности света²³. Таким образом, толщина слоя КПК может быть записано как уравнение (2)

(2)

Или если мы переписываем уравнение (1) (3):

(3)

Затем, устранить³ dи 3d²R , потому что d гораздо меньше, чем R (d<<R).

Наконец, d может быть выражен как уравнение (4)

(4)

Процесс покрытия требуется 12 h, с Да, будучи полностью потребляются и контролируется UV-vis спектров. Таким образом был константа, и значение d был прямо пропорционален начальных концентраций Да (₁C), которые были подтверждены результаты наших экспериментов (Таблица 1). Обратите внимание, что наряду с увеличением толщины слоя КПК, скорости накопления слои были медленнее из-за увеличения площади поверхности NDs-КПК.

Было показано, что присутствие групп катехол в КПК непосредственно вызвать роста наночастиц после уменьшения металлических прекурсоров и их иммобилизации на КПК покрытием поверхности^{24,25,26, 27}. После покрытия 100 Нм NDs слоем КПК (~ 15 Нм), результате PDA-NDs использовались как субстрат для синтеза AgNPs из раствора ион металла, с помощью sonication. Как показано на рисунке 2, с увеличением [Ag (NH₃)₂]⁺ концентрации, размер AgNPs увеличилась с ~ 24 Нм до ~ 28 нм и количество NPs поднят от 97 до 117, соответствующие [Ag (NH₃)₂] ⁺ концентрация 0,4-0,6 мг/мл, соответственно. Спектроскопия UV-vis можно также охарактеризовать это явление. Пик поглощения наночастиц постепенно появились как концентрация [Ag (NH₃)₂]⁺ увеличилась (рис. 4). Например, максимальное поглощение наночастиц, формируется путем уменьшения 0,4 и 0,6 мг/мл [Ag (NH₃)₂]⁺, является 410 и 430 Нм, что соответствует AgNPs с диаметрами Нм ∼20 и ∼30, соответственно. Это согласуется с ТЕА наблюдения¹⁷.

Диаметр снижение AgNPs следует первый заказ линейных дифференциальных уравнение (5), который похож на рост в сеяный синтез AuNPs²⁸, где S -площадь поверхности PDA-NDs, C₂  Это первоначальный концентрации Ag [(NH₃)₂]⁺, t -время реакции, r — радиус AgNPs, ₂ k — константа, p₂ – плотность Ag, V₂ объем реакции, N₂ — количество AgNPs и равен S · n, где n — это среднее количество активных катехол групп, которые могут уменьшить Ag [(NH₃)₂]⁺. AgNPs рассматриваются как сферы:

(5)

В уравнении количество AgNPs считается прямо пропорциональна площади поверхности КПК, который зависит от толщины слоя КПК. На поверхности слоя КПК, AgNPs вырос с непрерывное сокращение Ag [(NH₃)₂]⁺, пока металл (0) облигации на O-сайте КПК служит предвестником семян AgNPs. Количество AgNPs пропорциональна O-сайт на КПК, которая прямо пропорциональна площади поверхности^23,,2930,31. С другой стороны, уменьшение AgNPs распределены равномерно на поверхности КПК потому что Ag [(NH₃)₂]⁺ был сокращен на форме катехол групп на слоях КПК. Результаты экспериментов показали, что чем выше начальной концентрации Ag [(NH₃)₂]⁺ были, тем больше AgNPs, но такое же количество NPs на каждом ND. Отношение начальных концентраций [Ag (NH₃)₂]⁺ (C₂) соотношение (0,6 мг / мл: 0,4 мг / мл = 1,5) согласуются с средний радиус куб [(14/12)³= 1.588]. Таким образом если плотность частиц на КПК-NDs, следует выбрать более толстым слоем PDA-NDs, но, если нужны большие размеры ЯИЭ, сокращение продолжительности будет отвечать требованию.

Чтобы удалить непрореагировавшего [Ag (NH₃)₂]⁺ во время процесса очистки, высокой центрифугирования скорости рекомендуется из-за низкой плотности NDs. Чем выше скорость центрифугирования, короче продолжительность очистки будет, которая обеспечит более эффективный контроль размеров AgNPs. Кроме того sonication является незаменимым подход для получения единой AgNPs. Образцы должны быть sonicated за несколько минут первоначально до Ag [(NH₃)₂]⁺ решения добавляются.

Мы продемонстрировали снисходительный метод для модификации поверхности NDs с самостоятельной полимеризованной КПК. По сравнению с методом нажмите химии, эта стратегия не только повышает ND дисперсности и стабильности, но также предоставляет платформу реактивной (PDA слой) для потенциальных после модификации путем сокращения металлических наночастиц или связывание с амино/тиоловых прилагается видов. Толщина слоя КПК и размеров наночастиц на поверхностях ND можно изменить, меняя КПК и Ag [(NH₃)₂]⁺ концентрации. Они могут также использоваться для уменьшения AuNPs или других NPs благородного металла. Комбинируя разнообразие КПК химии и уникальные свойства NDs, этот метод будет открыть дверь для расширения ND в приложений в катализатор, энергии и биомедицинских областях.

Materials

Nanodiamond	FND Biotech, Inc.	brFND-100	dispersed in water, and used without further purification
Dopamine hydrochloride	Sigma	H8502-25G	prepare freshly
Silver Nitrate	Fisher	S181-25
Ammonium Hydroxide	Fisher	A669S-500	highly toxic
Tris Hydrochloride	Fisher	BP153-500
TEM grid carbon film	Ted Pella	01843-F	300 mesh copper