Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

التوليف وFunctionalization من النيتروجين مخدر الكؤوس الأنابيب الجزيئية الكربونية مع جزيئات الذهب كما سدادات الفلين

Published: May 13, 2013 doi: 10.3791/50383
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Chemistry, University of Pittsburgh

Summary

ناقشنا توليف nanocups غرافيتي الفردية باستخدام سلسلة من التقنيات بما في ذلك ترسيب الأبخرة الكيميائية، وأكسدة الأحماض صوتنة مسبار طرف. بواسطة تخفيض سترات من HAuCl

Abstract

تتكون الأنابيب النانوية الكربونية النيتروجين مخدر من العديد من المقصورات غرافيتي على شكل كوب توصف بأنها النيتروجين مخدر أكواب أنابيب الكربون (NCNCs). كانت مكدسة هذه nanocups غرافيتي AS-توليفها من ترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) طريقة بطريقة الرأس إلى الذيل المعقود إلا من خلال التفاعلات noncovalent. NCNCs الفردية يمكن أن تكون معزولة من هيكلها التراص من خلال سلسلة من عمليات الفصل الكيميائية والفيزيائية. أولا، تأكسدت NCNCs AS-تصنيعه في خليط من أحماض قوية لإدخال عيوب المحتوية على الأوكسجين على الجدران غرافيتي. ثم تم معالجة NCNCs أكسدة باستخدام عالية الكثافة صوتنة التحقيق معلومات سرية والتي فصلها بشكل فعال NCNCs مكدسة في nanocups غرافيتي الفردية. بسبب وفرة الأوكسجين الخاصة بهم وظائف سطح النيتروجين، وNCNCs الفردية أدت هي ماء للغاية ويمكن functionalized بشكل فعال مع جزيئات الذهب (GNPs)، والتي تناسب بشكل تفضيلي في افتتاحمن أكواب وسدادات الفلين. هذه nanocups غرافيتي مفلن مع GNPs قد تجد تطبيقات واعدة كما الحاويات وناقلات المخدرات النانومترية الحجم.

Introduction

مع تجاويف من الداخل المتأصلة وتنوعا الكيمياء السطحية، والمواد النانوية جوفاء القائمة على الكربون، مثل أنابيب الكربون النانوية (تشارك المركز الوطني)، تعتبر nanocarriers جيدة في تطبيقات تسليم المخدرات. 1،2 ومع ذلك، فإن هيكل ليفية من الأنابيب النانوية الكربونية البكر لديه لا يمكن الوصول إليها بدلا أجوف الداخلية ويمكن أن يسبب استجابة التهابية شديدة والآثار السامة للخلايا في النظم البيولوجية. 3،4 تشارك المركز الوطني النيتروجين مخدر، من ناحية أخرى، وقد وجد أن تمتلك توافق مع الحياة أعلى من undoped أنابيب الكربون النانوية multiwalled (MWCNTs) 5،6، وربما يكون أفضل المخدرات أداء التسليم. المنشطات من ذرات النيتروجين في أنابيب السياج غرافيتي النتائج في هيكل أجوف مجزا تشبه الكؤوس مكدسة التي يمكن فصل الفرد للحصول على النيتروجين مخدر أكواب أنابيب الكربون (NCNCs) مع طول نموذجي أقل من 200 نانومتر. 7،8 مع الداخلية في متناول و وظائف النيتروجين والتي تسمح لمزيد من المواد الكيميائيةfunctionalization، هذه الكؤوس غرافيتي الفردية هي مفيدة للغاية للتطبيقات تسليم المخدرات.

بين أساليب مختلفة لالاصطناعية النيتروجين مخدر تشارك المركز الوطني بما في ذلك قوس التفريغ 9 والعاصمة المغنطرون الاخرق، 10 ترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) وكان الأسلوب الأكثر انتشارا بسبب العديد من المزايا مثل ارتفاع المحصول ويسهل السيطرة على ظروف نمو الأنابيب النانوية. ويستخدم آلية النمو بخار السائل الصلبة (VLS) عادة لفهم عملية النمو من الأمراض القلبية الوعائية تشارك المركز الوطني النيتروجين مخدر. 11 عموما هناك نوعان من مخططات مختلفة لاستخدام البذور محفز معدني في النمو. في مخطط "سرير ثابت"، فقد تم تصنيع الحديد النانوية مع أحجام عرف لأول مرة من قبل التحلل الحراري للpentacarbonyl الحديد وثم مطلي على الشرائح الكوارتز بواسطة طلاء زيادة ونقصان للنمو الأمراض القلبية الوعائية اللاحقة. 12 في "حافز العائمة" مخطط، حافزا الحديد (عادة تم الفيروسين) مختلطة وحقنوا الكربون ونالسلائف itrogen، والتحلل الحراري من الفيروسين تقديم الجيل الموقع من الجسيمات النانوية الحفاز الحديد التي ترسبت الكربون والنيتروجين في السلائف. بينما حافزا سرير ثابت يوفر سيطرة أفضل على حجم NCNCs الناتجة، العائد من المنتج هو أقل عادة (<1 ملغ) بالمقارنة مع مخطط محفز العائمة (> 5 ملغ) لنفس كمية السلائف ووقت النمو. كما يوفر نظام محفز العائمة أيضا توزيع حجم موحد إلى حد ما من NCNCs، اعتمد في هذه الورقة عن الأمراض القلبية الوعائية توليف NCNCs.

طريقة الأمراض القلبية الوعائية يتيح NCNCs AS-توليفها التي يحمل ليفية التشكل تتألف من العديد من الكؤوس مكدسة. رغم عدم وجود الروابط الكيميائية بين أكواب المجاورة، تظل التحديات 8 في عزلة الفعال للأكواب فردية لأنهم تركيبه بإحكام في تجاويف بعضها البعض والتي تحتفظ بها التفاعلات noncovalent متعددة وطبقة خارجية من الكربون غير متبلور. 8 أتMPTS لفصل أكواب مكدسة تشمل كلا النهجين الكيميائية والفيزيائية. بينما العلاجات أكسدة في خليط من أحماض قوية هو إجراء نموذجي لخفض تشارك المركز الوطني وإدخال وظائف الأكسجين، 13،14 ويمكن أيضا أن تطبق على خفض NCNCs إلى أقسام أقصر. وقد ثبت الميكروويف إجراءات الحفر البلازما أيضا لفصل NCNCs 15 بالمقارنة مع النهج الكيميائية، الفصل المادي هو أكثر وضوحا. وأظهرت دراسة سابقة أن لدينا ببساطة عن طريق طحن مع هاون ومدقة NCNCs الفردية يمكن أن تكون معزولة جزئيا من هيكلها مكدسة. 7 بالإضافة إلى ذلك، عالية الكثافة صوتنة مسبار تلميح، الذي قدم إلى خفض فعال أنابيب الكربون النانوية احد الجدران (SWCNTs) ، وقد تبين أيضا 16 أن يكون لها تأثير كبير على الفصل بين NCNCs. 8 صوتنة مسبار تلميح يسلم السلطة ذات الكثافة العالية بالموجات فوق الصوتية إلى حل NCNC أن أساسا "يهز" الكؤوس مكدسة ويعطل INTERA ضعيفctions التي تمسك أكواب معا. في حين طرق الفصل المحتملة الأخرى هي إما غير فعالة أو التدميرية للهيكل كوب، ويوفر معلومات سرية التحقيق صوتنة أسلوب الفصل المادي فعالة للغاية، فعالة من حيث التكلفة وأقل تدميرا للحصول على أكواب غرافيتي الفردية.

وكما هو وتوليفها ليفية NCNCs يعاملون الأول في المركز H 2 SO 4 / HNO 3 حامض خليط قبل انفصالهما مع صوتنة مسبار طرف. كانت NCNCs فصل الناتجة ماء للغاية وفرقت بشكل فعال في الماء. حددنا سابقا وظائف النيتروجين مثل مجموعات أمين على NCNCs والاستفادة منها للتفاعل الكيميائي لNCNCs functionalization. 7،8،17 بالمقارنة مع أسلوبنا ذكرت سابقا من حدا قصي NCNCs مع الجسيمات النانوية التجارية، و 8 في هذا العمل، وكانت جزيئات الذهب (GNPs) الراسية على نحو فعال إلى السطح من الكأس من الحد من سيترات حمض chloroauric. بفضلتوزيع تفضيلية من وظائف النيتروجين في العراء الحافات من NCNCs، مالت GNPs توليفها في الموقع من السلائف الذهب أن يكون هناك تفاعل أفضل مع الحافات المفتوحة وشكل الناتج القومي الإجمالي "سدادات الفلين" على الكؤوس. وقد أدت هذه التوليف وطرق functionalization في رواية GNP-NCNC الهجين المواد متناهية الصغر للتطبيقات المحتملة وناقلات تسليم المخدرات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. الأمراض القلبية الوعائية توليف النيتروجين مخدر الكؤوس الأنابيب الجزيئية الكربونية (NCNCs)

تم توليفها NCNCs توظيف ترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) تقنية على أساس من الكوارتز باستخدام السلائف السائل (الشكل 1A).

  1. وضع 3 أقدام أنبوب الكوارتز طويلة (2.5 سم ID) في فرن أنبوب ليندبرج / الأزرق ودائرة رد الفعل. وضع لوحة الكوارتز (1 "× 12") داخل الأنبوب والركيزة لجمع المنتج. ختم أنبوب الكوارتز باستخدام محلية الصنع قبعات الفولاذ المقاوم للصدأ مع المدمج في الغاز والاتصالات / أنابيب حقن السائل.
  2. جعل حل السلائف السائلة التي تحتوي على 0.75٪ بالوزن الفيروسين، 10٪ بالوزن الأسيتونتريل و89.25٪ الزيلين بالوزن. قبل النمو، واستخلاص حوالي 5 مل من السلائف السائل إلى حقنة ضيق الغاز متصلا مدخل إلى أنبوب الكوارتز. ضع الحقنة على ضخ حقنة.
  3. تجميع نظام الأمراض القلبية الوعائية. ربط جميع مدخل ومخرج والغاز. تدفق صول (845 SCCM) لتطهير النظام الأمراض القلبية الوعائية وتحقق من تسرب لناجي سنوب كاشف تسرب السائل. بعد تطهير لمدة 20 دقيقة، تشغيل H 2. ضبط معدل تدفق H 2 حتي 37،5 SCCM وAR إلى 127 SCCM. بدوره على الفرن. ضبط درجة حرارة الفرن إلى 800 درجة مئوية، والانتظار حتى أنها مستقرة في 800 ° C.
  4. استخدام ضخ حقنة لحقن السلائف السائل في أنبوب الكوارتز. تعيين معدل الحقن في 9 مل / ساعة لمدة 6 دقائق لملء حجم القتلى من الأنبوب الحاقن. ثم اتجه إلى أسفل معدل الحقن إلى 1 مل / ساعة لنمو NCNCs. بعد 90 دقيقة من النمو، وإيقاف ضخ حقنة وH 2 تدفق الغاز، واغلاق الفرن. إبقاء صول المتدفقة للحفاظ على جو خامل حتى تم تبريد الفرن وصولا الى RT.
  5. افصل جميع مداخل ومنافذ الغاز، ونظام الحقن. تفكيك النظام الأمراض القلبية الوعائية واتخاذ لوحة الكوارتز بها. استخدام شفرة حلاقة من جانب واحد لتقشر الفيلم NCNCs من لوحة الكوارتز. تفريق المنتج التي تم جمعها في الإيثانول. هناك حاجة إلى حماية الجهاز التنفسي لمنع INHaling مواد الكربون ممكن إذا تم إجراء العمل خارج غطاء الدخان.

2. أكسدة NCNCs وتوليفها من خلال مزيج من الأحماض

  1. نقل حوالي 10 ملغ من NCNCs AS-توليفها إلى 200 مل قارورة جولة القاع. إضافة 7.5 مل من المركز HNO 3 إلى القارورة. يصوتن لفترة وجيزة الخليط في حمام مائي لأفضل التشتت. ثم يضاف 22.5 مل من تركيز H 2 SO 4 ببطء. (تنبيه: الخليط حامض قوي هي ضارة للغاية؛ التعامل بعناية هذه الأحماض مع حماية سلامة.) يصوتن خليط التفاعل في حمام الماء عند RT لمدة 4 ساعة.
  2. يخفف من خليط التفاعل مع 100 مل من الماء في حين تهدئة في حمام جليدي. فلتر الخليط من خلال بولي تترافلوروإيثيلين (السليكوون) الغشاء مع حجم المسام من 220 نانومتر باستخدام الشافطة المياه.
  3. غسل المواد على غشاء تصفية مع 200 مل من هيدروكسيد الصوديوم 0.01 M حل لإزالة أي نتيجة ثانوية المتبقية الحمضية. 18 ثم يغسلمع 200 مل من محلول HCl 0.01 M، تليها كمية وفيرة من الماء حتى تم التوصل إلى الرقم الهيدروجيني محايدة من الترشيح. تفريق المواد الناتجة (المؤكسد NCNCs) في الماء (20 مل) من خلال صوتنة. يمكن تخزين تعليق أدى في RT لمزيد من التجارب.

3. الفصل المادي بين NCNCs بواسطة صوتنة دقق معلومات سرية

  1. نقل تعليق NCNCs تتأكسد في الماء إلى كوب من البلاستيك 100 مل وضعها في حمام جليدي. ملء كوب من البلاستيك لمل علامة 50 مع الماء. تعيين sonicator التحقيق معلومات سرية مجهزة مع 1/4 "قطر التيتانيوم microtip في 60٪ الحد الأقصى للحجم (12 W). يغرق microtip إلى مركز من الحل ومن ثم عملية لمدة 12 ساعة مع 30 ثانية على / قبالة الفاصل. تغيير الجليد كل 30 دقيقة لمنع الانهاك.
  2. وقف صوتنة. تعليق تصفية NCNC من خلال 220 نانومتر حجم المسام تصفية السليكوون الغشاء لإزالة أي جزيئات كبيرة. يمكن أن العينات NCNC الناتجة يكون مخزن في RT لمزيد من التطبيقات. (اختياري) باعتبارها تجربة المقارنة، تفريق عينة أخرى من NCNCs AS-توليفها في DMF ويصوتن مباشرة بتعليق مع صوتنة التحقيق معلومات سرية لمدة 12 ساعة على نفس الإعدادات على النحو الوارد أعلاه.

4. التحليل الكمي من المجموعات الوظيفية أمين على NCNCs بواسطة كايزر اختبار

  1. تحضير كاشف A: مزيج 1 غرام من الفينول و 250 ميكرولتر من ETOH في 2.5 مل من البيريدين، إضافة 50 ميكرولتر من 0.01 M hydrindantin في H 2 O إلى الخليط. تحضير كاشف B: حل النينهيدرين (50 ملغ) في 1 مل من ETOH.
  2. وزن عينات NCNCs (~ 0.5 ملغ) على توازن دقيق وتفريقهم في 1 مل من 3:02 ETOH / المياه في أنابيب اختبار صغيرة. إضافة 100 ميكرولتر من كاشف A و 25 ميكرولتر من كاشف B إلى تعليق العينة. ختم أنابيب اختبار مع parafilms وتسخين الخليط في 100 ° C حمام الزيت لمدة 10 دقيقة. تحديد العينة من خلال حقنة مرشح لإزالة الجسيمات الصلبة وجمع حل الراشح.
  3. اتخاذ أطياف مرئية على فيلtrate لتحليل اللونية مع عينة فارغة المحرز في عملية نفسه دون إضافة NCNCs. تسجيل الامتصاصية من الذروة تركزت في 570 نانومتر وحساب أحمال أمين وفقا للقانون بير لامبرت.

5. Functionalization من NCNCs مع GNPs

  1. يصوتن 4 مل من تعليق مائي يحتوي على NCNCs فصل (0.01 ملغ / مل) باستخدام sonicator حمام مائي لمدة 5 دقائق لتحقيق تشتت موحدة.
  2. إضافة 1 مل من محلول مائي HAuCl 4 (1 ملغ / مل) إلى تعليق NCNC خلال صوتنة. ثم إضافة 250 ميكرولتر من 1٪ بالوزن صوديوم سيترات مائي قطرة قطرة محلول. يقلب بقوة وكان خليط التفاعل عند 70 درجة مئوية على طبق ساخن لمدة 2 ساعة.
  3. أجهزة الطرد المركزي في خليط التفاعل في 3،400 دورة في الدقيقة لمدة 15 دقيقة. جمع NCNCs functionalized مع GNPs في الراسب ويغسل بالماء بواسطة الطرد المركزي. تفريق راسب في الماء (4 مل).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

ظهرت NCNCs AS-توليفها من نمو الأمراض القلبية الوعائية كما سجادة من المادة السوداء على أساس من الكوارتز. تم الحصول على الأفلام سميكة من NCNCs تزن حوالي عدة ميلي غرام عن طريق تقشير مع شفرة حلاقة (1B الشكل). صور TEM تظهر مورفولوجية NCNCs AS-توليفها في تكبير مختلفة (الشكل 1). فى انخفاض التكبير (الشكل 1C)، أظهرت NCNCs AS-توليفها كل بنية ليفية مع أطوال عدة عادة ميكرومتر وبأقطار من 20 - 30 نانومتر. على عكس هيكل أنبوبي المستمر لتشارك المركز الوطني undoped، وعلى رفوف الألياف NCNC مع العديد من قطاعات على شكل كوب. عالية الدقة TEM التصوير من غيض من الألياف NCNC يكشف عن هيكل منحني غرافيتي من الكؤوس أنابيب التي يتم مكدسة فوق بعضها البعض (1D الشكل).

الشكل 2A يظهر الصور TEM من NCNCs بعد أكسدة الأحماض. خفض عملية الأكسدة والألياف طويلة فيأقسام أقصر من حوالي 1 ميكرون في الطول التي كؤوس غرافيتي بقيت مكدسة. شكلت NCNCs تتأكسد التعليق مستقرة في المياه التي تم معالجتها بعد ذلك مع صوتنة مسبار طرف. بعد 12 ساعة من صوتنة والترشيح، ويظهر صورة TEM انخفاض كبير في طول NCNCs (الشكل 2B). ظهرت معظم NCNCs كما أكواب فردية مع طول أقل من 200 نانومتر. في أكواب فردية معزولة من مداخن وعادة ما يكون شكل شبه بيضاوي الشكل مع نهاية واحدة مختومة وأخرى مفتوحة.

واستند توزيع حجم NCNCs على 300 ~ القياسات من الصور TEM. توزيع رسوم بيانية طول (الشكل 3A) من NCNCs أكسدة، NCNCs بعد 12 صوتنة الموارد البشرية، والمنتج النهائي إظهار تأثير صوتنة التحقيق معلومات سرية على الفصل بين NCNCs مكدسة والحصول على أكواب فردية. أسفرت عملية الأكسدة في تغيير في إمكانات زيتا من NCNCs من الموجب إلى السالب (الشكل 3B)، مبادرة الخوذ البيضاءلم تتأثر جنيه المجموعات أمين المتأصلة في NCNCs وفقا لكايزر اختبار (الشكل 3C).

ثم تم functionalized وNCNCs فصل مع GNPs بتخفيض سترات من HAuCl 4. رد فعل الانخفاض حدث في 70 ° C في إطار التحريض قوية. بدأ حل عديم اللون في البداية ليتحول اللون الأزرق بعد 30 دقيقة وغيرت تدريجيا إلى النبيذ الأحمر في حدود 2 ساعة. صورة TEM من راسب أجهزة الطرد المركزي في الشكل 4A يظهر تغطية عالية من GNPs على NCNCs. تقريبا تم functionalized جميع الكؤوس أنابيب مع GNPs، وعثر على GNPs في كثير من الأحيان إلى أن يكون موجودا بشكل تفضيلي في حافة مفتوحة العامل بوصفه سدادات الفلين للأكواب. صورة TEM تضخيم (الشكل 4B) يكشف عن أن بعض GNPs كانت تزرع بالفعل إلى داخل الكأس تشكيل الفلين "ضيق". وكان هناك اختلاف في اللون بين راسب والحل طاف. امتصاص الأشعة فوق البنفسجية فيس تظهر الأطياف أن سطح مأكل صدى(SPR) عصابة من GNPs في يعجل له أحمر التحول مقارنة بما كان عليه من طاف (الشكل 4C).

الشكل 1
الشكل 1 (أ) إعداد رسم تخطيطي للفرن أنبوب تستخدم لترسيب الأبخرة الكيميائية (الأمراض القلبية الوعائية) توليف NCNCs. (B) صورة من الفيلم NCNC AS-توليفها مقشر من الركيزة الكوارتز. (C) لمحة عامة انتقال المجهر الإلكتروني ( TEM) صورة NCNCs AS-توليفها. (D) عالية الدقة TEM صورة تظهر غيض من الفرد كما هو وتوليفها NCNC.

الشكل 2
الشكل 2. TEM الصور من (A) NCNCs تتأكسد و(B) NCNCs بعد 12 ساعة اللاحقة صوتنة التحقيق معلومات سرية والترشيح. أقحم يظهر الفرد فصل NCNC.

الشكل (3)
الشكل (3). (A) رسوم بيانية توزيع طول للعينات NCNC من (1) بعد 12 ساعة صوتنة مسبار تلميح فقط، (2) بعد أكسدة، (3) بعد أكسدة و 12 ساعة صوتنة مسبار تلميح، و (4) النهائي المنتج بعد الترشيح من خلال 220 نانومتر حجم المسام الغشاء. (B) زيتا إمكانات AS-توليفها، أكسدة، وعينات NCNC النهائي. (C) شحنات أمين على NCNCs بعد 12 ساعة فقط صوتنة وبعد كل أكسدة و 12 ابنا ساعةication.

الشكل 4
الشكل 4. (A) صورة TEM من NCNCs functionalized مع GNPs بتخفيض سترات من HAuCl 4 والتي تم جمعها بواسطة الطرد المركزي. (B) صورة TEM مبديا nanocup الفردية مفلن مع الناتج القومي الإجمالي. (C) أطياف الأشعة فوق البنفسجية فيس من خليط التفاعل، على حل طاف وراسب للتفاعل functionalization الناتج القومي الإجمالي. وتظهر الصورة أقحم الفرق بين لون طاف (يسار) والحلول راسب (يمين). انقر هنا لعرض أكبر شخصية .

العنصر (K شل) AS-توليفها فصل النهائي
في٪ في٪
C (بما في ذلك N) 98.0 95.9
O 0.6 3.8
FE 1.4 0.1
منظمة الشفافية الدولية - 0.2

الجدول 1. تحليل العناصر من NCNCs AS-توليفها وNCNCs النهائي فصل يعتمد على الطاقة والتشتت الأشعة السينية (EDX) الطيفي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وكان الهدف الأساسي من تجاربنا لإنتاج فعال nanocups غرافيتي من الأنابيب النانوية الكربونية النيتروجين مخدر. ومع ذلك، النيتروجين المنشطات في تركيب الأمراض القلبية الوعائية لا يضمن تشكيل هيكل على شكل كوب مكدسة. اعتمادا على التركيب الكيميائي للالسلائف وظروف النمو الأخرى، مورفولوجية للمنتج نتج قد تختلف كثيرا. 19 تركيز مصدر النيتروجين هو العامل الأساسي المؤثرة في بنية لأن النتائج هيكل مجزا من عدم توافق ذرات النيتروجين في المشابك غرافيتي 20 عموما، طول حجرات يتناقص مع زيادة تركيز النيتروجين في السلائف. في تركيزات أعلى، وطبقات تجزئة الوحشي تصبح غير منتظمة والمموج ويتم فقدان هيكل مجزا على شكل كوب موحدة. 19 في إجراءاتنا، استخدمنا 10٪ MeCN كما السلائف التي أسفرت موحدة هيكل كوب على شكل مع بقطر مماثلeters. مصدر الكربون هو عامل محوري آخر لتخليق NCNC. المحاولات السابقة باستخدام الإيثانول كمصدر الكربون شكلت في بعض الأحيان قطاعات الإفلات المسيل للدموع على شكل غير منتظم في NCNCs أدى، 12 يفترض بسبب عيوب الأكسجين نشأت من الإيثانول. استبدال الإيثانول مع الزيلين القضاء تشكيل أي الأشكال غير النظامية. وعلاوة على ذلك، خفضت ساعد تركيز الفيروسين (0.75٪ بالوزن) لتشكيل موحد النانوية حافزا الحديد الصغيرة ومنخفضة نسبيا الناقل معدل تدفق الغاز سهلت النمو الرأسي. أدت كل هذه العوامل في تشكيل NCNCs بأقطار أكثر اتساقا وعائدات أعلى.

وNCNCs AS-توليفها هي ألياف طويلة من الكؤوس مكدسة. عالية الدقة TEM صورة (1D الشكل) يدل بوضوح على هيكل غرافيتي من المتاخمة أكواب مكدسة. غرافيتي على الجدران من كل كوب تمتد على طول اتجاه مع زاوية معينة من محور الكأس، وعدم وجود اتصالات بين أكواب المجاورة. كان يفترض الكؤوس المتاخمة لبعقدت معا عن طريق البريد التفاعلات بين طبقات noncovalent غرافيتي وأيضا عن طريق طبقة خارجية من الكربون غير متبلور كما لوحظ في 1D الشكل. التفاعلات الضعيفة التي تحافظ على أكواب معا يمكن أن تتعطل وnanocups الفردية يمكن أن تكون معزولة عن طريق المواد الكيميائية أو الطرق الفيزيائية.

في دراستنا السابقة، تم تنفيذ 8 الإجراء فصل بها الفصل المادي فقط. تم sonicated في NCNCs AS-توليفها مباشرة في N، N-ثنائي ميثيل (DMF) تحت صوتنة مسبار طرف. 12 ساعة من صوتنة إلى خفض كبير في متوسط ​​طول NCNCs من عدة ميكرومتر إلى 556.9 ± 256.1 نانومتر، والمستمدة فعلا nanocups الفردية، وإن كان ما زال لوحظ في كثير من الأحيان NCNCs unseparated. وكان العيب الرئيسي لultrasonication مباشرة أن الألياف NCNC AS-توليفها كانت مسعور للغاية وحتى علقت ضعيفا في DMF. تعرض للخطر كفاءة الفصل في هذه الحالة بسببوكانت NCNCs لا تفرق جيدا في البداية. لتحسين تشتت NCNCs في المذيبات وتسهيل فصل بالموجات فوق الصوتية، وعولج NCNCs AS-تصنيعه لأول مرة مع أحماض قوية. هذا العلاج تم تطبيقها على نطاق واسع للأكسدة تشارك المركز الوطني البكر. الطاقة 13 فرقت يظهر الأشعة السينية (EDX) الطيفي زيادة كبيرة في تركيز الأوكسجين في NCNCs بعد العلاج حامض (الجدول 1)، مشيرا إلى أن أدخلت ظائف الأكسجين إلى هيكل غرافيتي. الخطوة أكسدة ليس فقط زيادة hydrophilicity من NCNCs، ولكن قد أضعفت أيضا التفاعلات بين طبقات غرافيتي من أكواب المجاورة عن طريق إدخال عيوب شعرية الأوكسجين وإزالة الكربون غير متبلور الخارجي. شكلت NCNCs تتأكسد حتى التشتت في الماء، وبالتالي كانوا أكثر عرضة للفصل بالموجات فوق الصوتية لاحقة. وكان متوسط ​​طول NCNCs أكسدة تقاس من الصور TEM 770 ± 571 نانومتر. على 12 ساعة من صوتنة مسبار تلميح، معظمتم عزل أكواب فردية خارج، وانخفض متوسط ​​طول إلى 178 ± 94 نانومتر، والتي كانت أقل من حجم 220 نانومتر المسام في الأغشية السليكوون. إذن عملية الترشيح إزالة أي مزيد من NCNCs أطول وخفض متوسط ​​طول إلى 110 ± 55 نانومتر، وترك nanocups مكدسة فقط الفردية والقصيرة في الترشيح. وكانت NCNCs النهائي فصل فرقت جيدا في الماء تشكيل التعليق مستقرة والتي أظهرت هطول يزيد قليلا على مدى عدة أسابيع.

عملية أكسدة الأحماض غيرت كثيرا من خصائص سطح NCNCs. بسبب وجود وظائف النيتروجين التي تميل الى ان تكون البروتونية في حل، وكانت NCNCs AS-توليفها قليلا موجبة الشحنة مع احتمال زيتا من +9 بالسيارات. أدلى أكسدة الأحماض NCNCs أكثر إيقاف لمع احتمال زيتا السلبية من حوالي -30 بالسيارات. وتجدر الإشارة إلى أن عملية أكسدة لم يغير وظائف أمين الكامنة على سطح NCNCs كما كان كميا بواسطة Kaiseاختبار ص. على العكس من ذلك، تم العثور على مزيد من المجموعات أمين على NCNCs انفصلا بعد 4 ساعات من أكسدة الأحماض على عينات مفصولة صوتنة فقط، التي أشارت إلى أن أفضل فصل يتعرض ظائف أكثر الأمينات. عملية أكسدة الأحماض أيضا فعال إزالة مخلفات حافزا الحديد من NCNCs كما يتضح من التحليل العنصري EDX (الجدول 1).

وثمة مشكلة رئيسية من فترات طويلة صوتنة مسبار-طرف ارتداء المغادرة من النصائح التيتانيوم. طويلة ومكثفة الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية يولد الكثير من الحرارة وجلخ للmicrotip. كتلميح يجري البالية، وضعف تأثير الانفصال وجزيئات التيتانيوم تميل للخروج من الملعب غيض كما تلوث. لتوفير حماية أفضل غيض من الضرر، تمت معالجة العينة على 30 ثانية على فترات / إيقاف واستعيض عن حمام الثلج كل 30 دقيقة لمنع الانهاك. نظرا للقصور الذاتي الكيميائية، كان ملوثا التيتانيوم الصعب إزالتها تماما. الإجراء الترشيحعبر غشاء 220 نانومتر من المسام كان فعالا في إزالة أي جزيئات التيتانيوم واسع، ويمكن أيضا أن جزيئات صغيرة يمكن إزالتها في الغالب عن طريق الطرد المركزي وجيزة في 3،400 دورة في الدقيقة لمدة 4 دقائق، وإن كان في النهائي العينات NCNC فصل حوالي 0.2 في المائة من التيتانيوم كان لا تزال حاضرة في (الجدول 1).

وNCNCs فصل على حد سواء الأكسجين والنيتروجين وظائف في إطارها غرافيتي، والتي توفر الخصائص الكيميائية المختلفة الضرورية لتطبيقات تسليم المخدرات. بواسطة thiolation من المجموعات أمين، كنا في السابق قادرة على تولي GNPs التجارية إلى nanocups غرافيتي. 8 أولئك GNPs، بمتوسط ​​قطر المناسب افتتاح الكؤوس، وتميل إلى ختم كوب وسدادات الفلين. باستخدام NCNCs أكسدة ماء، GNPs يمكن إرساؤه على نحو أكثر فعالية على كؤوس في المرحلة المائية عليها بالاختزال المباشر لحامض chloroauric مع صوديوم سيترات باسم كاشف الحد. ومن المرجح أن nucleate GNPs على functionalitie النيتروجينق وتستمر في النمو تحت ظروف التفاعل. أدى هذا النهج functionalization من أسفل إلى أعلى في التفاعل القوي ومحددة بين GNPs وNCNCs. ونظرا لتوزيع تفضيلية من وظائف النيتروجين على حافة مفتوحة للأكواب، وكان GNPs فرصة أفضل لnucleate في الافتتاح، والنمو اللاحقة غالبا ما شكلت النانوية على شكل الفلين التي امتدت إلى المناطق الداخلية من الكؤوس. وعلى نحو أكثر تواترا لوحظ هذا التفاعل كوركينج باستخدام نهج تخفيض مقارنة مع أسلوبنا السابق. كانت GNPs الحرة في الحل أيضا حاضرا أثناء رد فعل الحد، بل يمكن إزالتها عن طريق الطرد المركزي في 3،400 دورة في الدقيقة لمدة 15 دقيقة. كان هناك فرق واضح بين الألوان حل من طاف وراسب. ظهرت السابق كما النبيذ الاحمر مع الفرقة امتصاص SPR في 524 نانومتر، وكان هذا الأخير الأرجواني مع فرقة SPR في 540 نانومتر. ويمكن أن يعزى التحول الأحمر في الفرقة SPR للتفاعل إلكترونية قوية من GNPs على سطح NCالبلاغات الوطنية.

في الختام، اعتمدنا سلسلة من التقنيات الاصطناعية للحصول على nanocups غرافيتي الفردية (أي NCNCs) من هياكل التراص بهم. مقدمة من أكسدة الأحماض وإجراءات التحقيق صوتنة معلومات سرية ضرورية لضمان الكفاءة العالية من فصل وhydrophilicity من nanocups النهائي. من خلال الحد من سيترات HAuCl 4، ثم تم functionalized وNCNCs مع GNPs التي أغلقت بشكل فعال الكؤوس كما سدادات الفلين. هذه الرواية GNP-NCNC الهجين المواد متناهية الصغر قد يكون واعدا التطبيقات الحاويات وناقلات النانو تسليم المخدرات.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب تعلن أي المصالح المالية المتنافسة.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل من قبل جائزة شهادة NSF رقم 0954345.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagents
H2 Valley National Gases Grade 5.0
Ar Valley National Gases Grade 5.0
Ferrocene Sigma-Aldrich F408-500G
Xylenes Fisher Scientific X5-500
Acetonitrile EMD AXO149-6
H2SO4 Fisher Scientific A300-500
HNO3 EMD NX0409-2
DMF Fisher Scientific D119-500
Ethanol Decon 2716
Phenol Sigma-Aldrich P1037-100G
Pyridine EMD PX2020-6
Hydridantin Sigma-Aldrich H2003-10G
Ninhydrin Alfa Aesar 43846
HAuCl4 Sigma-Aldrich 52918-1G
Sodium Citrate SAFC W302600
Equipment
CVD Furnace Lindberg/Blue
TEM (low-resolution) FEI Morgagni
TEM (high-resolution) JOEL 2100F
Probe-tip Sonicator Qsonica XL-2000
UV-Vis Spectrometer Perkin-Elmer Lambda 900
Zeta Potential Analyzer Brookheaven ZetaPlus
EDX spectroscopy Phillips XL30 FEG

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Tasis, D., Tagmatarchis, N., Bianco, A., Prato, M. Chemistry of carbon nanotubes. Chem. Rev. 106 (3), 1105-1136 (2006).
  2. Hilder, T. A., Hill, J. M. Modeling the loading and unloading of drugs into nanotubes. Small. 5 (3), 300-308 (2009).
  3. Shvedova, A. A., Kisin, E. R., et al. Unusual inflammatory and fibrogenic pulmonary responses to single-walled carbon nanotubes in mice. American Journal of Physiology - Lung Cellular and Molecular Physiology. 289 (5), L698-L708 (2005).
  4. Jia, G., Wang, H., et al. Cytotoxicity of carbon nanomaterials: Single-wall nanotube, multi-wall nanotube, and fullerene. Environmental Science & Technology. 39 (5), 1378-1383 (2005).
  5. Carrero-Sánchez, J. C., Elías, A. L., et al. Biocompatibility and toxicological studies of carbon nanotubes doped with nitrogen. Nano Lett. 6 (8), 1609-1616 (2006).
  6. Zhao, M. L., Li, D. J., et al. Differences in cytocompatibility and hemocompatibility between carbon nanotubes and nitrogen-doped carbon nanotubes. Carbon. 49 (9), 3125-3133 (2011).
  7. Allen, B. L., Kichambare, P. D., Star, A. Synthesis, characterization, and manipulation of nitrogen-doped carbon nanotube cups. ACS Nano. 2 (9), 1914-1920 (2008).
  8. Zhao, Y., Tang, Y., Chen, Y., Star, A. Corking carbon nanotube cups with gold nanoparticles. ACS Nano. 6 (8), 6912-6921 (2012).
  9. Stephan, O., Ajayan, P. M., et al. Doping graphitic and carbon nanotube structures with boron and nitrogen. Science. 266 (5191), 1683-1685 (1994).
  10. Suenaga, K., Johansson, M. P., et al. Carbon nitride nanotubulite - densely-packed and well-aligned tubular nanostructures. Chem. Phys. Lett. 300 (5-6), 695-700 (1999).
  11. Chen, H., Yang, Y., et al. Synergism of C5N six-membered ring and vapor-liquid-solid growth of CNx nanotubes with pyridine precursor. J. Phys. Chem. B. 110 (33), 16422-16427 (2006).
  12. Allen, B. L., Keddie, M. B., Star, A. Controlling the volumetric parameters of nitrogen-doped carbon nanotube cups. Nanoscale. 2 (7), 1105-1108 (2010).
  13. Liu, J., Rinzler, A. G., et al. Fullerene pipes. Science. 280 (5367), 1253-1256 (1998).
  14. Zhao, Y., Allen, B. L., Star, A. Enzymatic degradation of multiwalled carbon nanotubes. J. Phys. Chem. A. 115 (34), 9536-9544 (2011).
  15. Wang, Y., Bai, X. High-yield preparation of individual nitrogen-containing carbon nanobells. Mater. Lett. 63 (2), 206-208 (2009).
  16. Heller, D. A., Mayrhofer, R. M., et al. Concomitant length and diameter separation of single-walled carbon nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 126 (44), 14567-14573 (2004).
  17. Allen, B. L., Shade, C. M., Yingling, A. M., Petoud, S., Star, A. Graphitic nanocapsules. Adv. Mater. 21 (46), 4692-4695 (2009).
  18. Wang, Z., Shirley, M. D., Meikle, S. T., Whitby, R. L. D., Mikhalovsky, S. V. The surface acidity of acid oxidised multi-walled carbon nanotubes and the influence of in-situ generated fulvic acids on their stability in aqueous dispersions. Carbon. 47 (1), 73-79 (2009).
  19. Liu, H., Zhang, Y., et al. Structural and morphological control of aligned nitrogen-doped carbon nanotubes. Carbon. 48 (5), 1498-1507 (2010).
  20. Mandumpal, J., Gemming, S., Seifert, G. Curvature effects of nitrogen on graphitic sheets: structures and energetics. Chem. Phys. Lett. 447 (1-3), 115-120 (2007).

Tags

الفيزياء، العدد 75، الكيمياء، الهندسة الكيميائية، وعلوم المواد، الكيمياء الفيزيائية، تقنية النانو، النانوية المعدنية، أنابيب الكربون النانوية (التوليف والخصائص)، أنابيب الكربون النانوية، ترسيب الأبخرة الكيميائية، الأمراض القلبية الوعائية، جزيئات الذهب، صوتنة مسبار تلميح، الكربون النيتروجين مخدر أكواب أنابيب، الأنابيب النانوية، الجسيمات النانوية، المواد متناهية الصغر، والتوليف
التوليف وFunctionalization من النيتروجين مخدر الكؤوس الأنابيب الجزيئية الكربونية مع جزيئات الذهب كما سدادات الفلين
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Zhao, Y., Tang, Y., Star, A.… More

Zhao, Y., Tang, Y., Star, A. Synthesis and Functionalization of Nitrogen-doped Carbon Nanotube Cups with Gold Nanoparticles as Cork Stoppers. J. Vis. Exp. (75), e50383, doi:10.3791/50383 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter