Summary
一个简单的协议，用于石墨烯氧化物减少使用可见光和电浆纳米粒子的制备描述。
Abstract
目前的工作证明了简单，无化学，快速，高效节能利用可见光照射电浆纳米颗粒在室温下制造减少了石墨烯氧化物（R-GO）溶液方法。电浆纳米颗粒用于改进GO为还原效率。只需要30分钟，在RT下通过照射用氙灯的解决方案中，R-GO的解决方案可以通过简单的离心步骤完全除去金纳米颗粒而获得。球形金粒子（AuNPs）相比于其它纳米结构是最合适的电浆纳米结构物的R-GO制剂。所述还原的石墨烯氧化物制备使用可见光和金纳米粒子同样定性化学还原的石墨烯氧化物，其通过诸如UV-Vis光谱，拉曼光谱，粉末XRD和XPS各种分析技术的支持。制备的可见光减少的氧化石墨烯显示在氟优良的淬特性修改后的单链DNA和优良的荧光恢复的目标DNA检测escent分子。制备纳米金回收The-Go的r被认为是相同的质量与化学还原R-GO的。与电浆纳米粒子的使用可见光演示了R-GO合成好的替代方法。
Introduction
第一开发苏格兰胶带基于方法1和化学气相沉积2分别以产生石墨烯的原始状态优良的方法，但与广域表面上的大型的石墨烯合成或石墨烯层的形成已被视为一个关键限制以前的方法。对于大规模的r-GO合成将湿化学合成的方法，该方法首先需要与强氧化剂，广泛物理处理如超声处理的反应，以产生GO片，和氧功能，例如最后的减少可能的解决方案3的一个如羟基，环氧基和羰基在GO是为了恢复其原有的物理性能是必不可少的。4晴，GO为还原，进行与使用的肼或其衍生物5或通过热处理方法或者化学方法（550-1,100° C）在惰性气氛或还原气氛。6
jove_content“>这些方法需要有毒的化学物质，反应时间长，高温而增加了的r-GO合成总的能源需求。7虽然光照射还原过程，如紫外线引起，8光热过程使用脉冲氙闪光，9脉冲激光辅助10和光热相机闪光灯11也有报道用于制备加热的r-GO，在通常情况下，光诱导方法转换效率低传播到利用紫外线或脉冲的激光照射，可提供高光子能量。可见光的低光子能量限制了它的使用，而不是引起了对于R-GO合成。电浆纳米颗粒的优异的光吸收特性中的可见和/或近红外区域可以大大改善目前的缺点12,13温和的反应条件，反应时间短，限制使用有毒通道的使用可见光为R-GO合成。emicals可以使可见光诱导等离子体辅助光催化还原GO作为一种有用的替代方法。在本方法中，我们使用电浆纳米粒子和可见光描述了高效和简单的R-GO合成方法。反应进程被发现是强烈地依赖于电浆纳米颗粒的结构，例如球形金粒子（AuNPs），金纳米棒（AuNRs）和金纳米星（AuNSs）。使用金纳米粒子表现出最有效的减少的GO和纳米颗粒是易于拆卸和可循环用于重复使用（ 图1）。在R-GO使用可见光合成金纳米粒子表现出几乎相同的品质与相比R-GO准备知名化学法（肼）就证明了利用各种分析测量和荧光猝灭/恢复基于DNA的检测方法。
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Protocol
1.准备前兆
- 制备氧化石墨烯（GO）的：
- GO准备采用改良悍马的方法14
- 添加3.0的克石墨片到浓缩的 H 2的混合物中的SO 4 / H 3 PO 4（360：40毫升）中于RT。 （注：特别注意有同时使用强酸H 2 SO 4和H 3 PO 4上当。）
- 加入高锰酸钾 （18.0克）在搅拌下缓慢冷却，在冰浴中以维持反应混合物在<35℃的温度。 （溶液变得粘稠增加反应时间，需要用适当的方法来保持高效搅拌。）（注：特别注意具有同时加入高锰酸钾 ，由于放热反应才能作出。）
- 搅拌12小时，在50℃，然后冷却至室温，并倾倒反应混合物在冰（400ml）中含有30％的H 2 O 2（3毫升）中。
- 滤波器第r反应的影响混合物使用金属美国标准测试筛（300微米）以除去未反应的石墨和离心机滤液（4722 xg离心速度为2小时），以除去上清液。
- 再次重复离心步骤用200ml水，加入200ml 30％的HCl，200ml乙醇和蒸馏水，直到溶液的pH值范围在5.0-6.0。
- 冻干最终的解决方案，以生产出蓬松GO粉末。
- 为了使纳米尺寸的GO溶液，溶解在40ml的三次蒸馏水（> 18兆欧）20毫克的GO粉末，然后通过延长超声处理（35％振幅，500瓦，2小时）剥离，直到整个尺寸分布变得低于150纳米，那么它离心两次（10625 XG的速度，15分钟）除去沉淀物（未剥离的大型GO张）。
- GO准备采用改良悍马的方法14
- 电浆纳米粒子的制备
- 金纳米粒子的制备
- 柠檬酸盐稳定的球形金纳米粒子（AUN为30nm的颗粒尺寸Ps的，OD = 1.0）用于R-GO还原。
- 的AuNRs 15制备
- 通过添加硼氢化钠溶液（0.01M）新鲜制备的0.6毫升的冰冷溶液成以0.25ml氯金酸4（0.01M）和9.75毫升十六烷基三溴化铵（CTAB的含水混合物溶液撰写，0.1M制备种子溶液）。
- 搅拌得到的混合物剧烈0.5分钟，然后将其保持在28℃下3小时。
- 通过混合475毫升的CTAB（0.1M），将3ml的AgNO 3（0.01M）和20毫升氯金酸4（0.01M）制备的生长溶液。
- 再加入新鲜制备的3.2毫升抗坏血酸（0.01 M），到接着加入0.8毫升的HCl水溶液（1.0M）溶液的混合物中。
- 在最后的步骤中添加3.2毫升种子溶液的生长溶液在28 °C和服从反应混合物中快速反转的几秒钟。最后，柯EP所得混合物静置至少6小时。
- 分析制备AuNRs用紫外-可见光谱的吸收最大值（λmax）和 TEM分析（通常为λ最大和纵横比被认为是730纳米和3.5，分别）。
- 的AuNSs 16准备
- 制备的4-（2-羟乙基）用100mM的浓度水溶液原液-1-哌嗪乙磺酸（HEPES），并通过添加1.0M的氢氧化钠溶液将pH调节至7.4，在25℃。
- 拌20个ml的磷酸盐缓冲液（100毫摩尔）用30毫升的2- [4-（2-羟乙基）-1-哌嗪基]乙磺酸（100毫摩尔）。
- 然后加入500μl的金（III）三水合物（20毫米）到上述混合物中，并保持在28.5℃下，在水浴30分钟。从淡黄色溶液颜色变成蓝绿色后，可以观察到30分钟。
- 离心溶液在8928×g离心速度为30分钟，并分散沉淀在蒸馏水中。
- 最后，分析所制备的AuNSs用紫外-可见光谱的吸收最大值（λmax）和 TEM分析为颗粒大小确认其被发现是分别740纳米和30纳米。
- 金纳米粒子的制备
2.制备R-GO利用可见光和金纳米粒子
- 加入1毫升电浆纳米颗粒率（Abs 1.0在520nm为金纳米粒子，ABS 1.0原子，分别750纳米为AuNRs和ABS 1.0在730毫微米为AuNSs）和100微升的氢氧化铵（28％，重量/体积％），以将10ml GO溶液（OD 1.0在230nm，0.125毫克毫升-1）置于装有水的循环夹套的耐热玻璃反应器中。
- 通过水循环夹套照射用氙灯（1.56W¯¯cm -2的功率密度）的混合物30分钟，用水循环，以保持温度在25℃，然后离心该溶液在10625×g离心速度进行15分钟至删除金纳米粒子。
- 采取包含上清液中制备的r-GO与紫外可见分光光度计分析（R-GO应显示的独特吸收带在270nm处）在200-900纳米范围内。
3.目标DNA检测使用R-GO解决方案17
- 对于荧光淬灭，加入20微升10 -6 M的Cy3修饰的单链DNA（5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC CTC-Cy3-3'）到含有25微升GO GO的或R-GO解决方案（0.125毫克毫升-1）或1955微升的0.3M PBS溶液（10mM磷酸盐缓冲液，0.3M NaCl）中的r-GO（0.125毫克毫升-1），并孵育在室温10分钟。
- 测量这些样品用荧光分光光度计（λ= 前 529纳米）的荧光强度。
- 对于目标检测，在三种不同浓度（10 -6 <加入200微升目标寡核苷酸溶液（5'-GAG GGA TTA TTG TTA AAT ATT GAT AAG GAT- 3'）的/ SUP>男，10 -7 M，10 -8 M）为含有20微升10 -6 M单链DNA的Cy3，25微升GO或R-GO的GO或R-GO解决方案（0.125毫克毫升-1）和1755微升0.3M的PBS的荧光恢复实验。17
注意事项：
光源及反应器
可见光（400-780 nm）的来源。可见光照射通过含有用Xe灯（1.56瓦/厘米2的功率）GO溶液的Pyrex玻璃制反应器（窗口直径为1.1厘米）。施加到反应器中的光子能量被计算为4.8×10 21光子每分钟（ 图2A-2C）。
近红外（NIR）激光。近红外激光（窗口直径= 13.2厘米）与0.36瓦/厘米2的功率密度，和808的工作波长处已被用作近红外光为GO还原反应（图2E）的来源。光子能量计算为每分钟2.43×10 21光子。
REAC器：耐热玻璃反应器（直径窗口= 1.1的厘米;反应体积= 10毫升）配备有水夹套循环同时用于可见光和NIR光照射的GO还原反应（图2F）。
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Representative Results
图1示出了用于可见光和电浆纳米颗粒基的r-GO还原反应的总体方案。 图2示出了仪器设置的新的反应。反应后，需要离心步骤以除去所用的光催化剂（AuNSs，AuNRs，或金纳米粒子），如图3A所示。高分辨的分析表明，在上清液（R-GO）（图3B），这也是可能的，以确认，用紫外-可见分析，如图3C所示，吸收带从第r围绕500-800毫微米完全除去纳米颗粒的-GO和纳米粒子的混合物溶液后离心步骤指示R-GO产品中完全去除电浆纳米粒子消失。在第r-GO的结构变化已经通过XRD法进行分析。 GO峰在10.2消失明确指出的形成的r-GO，如图4A中所示 。在D / G Intensity比率的GO（I D / I G）和r-GO通过化学法或光诱导方法没有或纳米粒产生（AuNRs，金纳米粒子，并AuNSs）通过拉曼分析测定，如图4B所示。的r-GO的形成通过比较样品之间XPS分析的C / O比，如图5确认更定量地，通过与氧（O）的面积％除以碳（C）面积％时，C /所制备的R-GO的O比可以计算的，人数较多的C / O比率表明较高的R-GO的还原状态。 如图5，GO，R-GO的C / O比（化学与肼减少），R-GO（仅可见光）和R-GO（可见光和电浆纳米粒子）分别为1.95，4.81，3.74 ，和5.19。这些结果表明，可见光和电浆纳米粒子基于方法的R-GO为制剂的有用性。
荧光猝灭效率和Recovery为靶DNA检测已经执行演示的电位的r-GO用于生物应用程序。 图6A是 Cy3的修饰的DNA的综述荧光发射光谱和GO孵育后，的r-GO在0.3M的PBS中的解决方案中，减少的强度表明GO的高效淬火效率，R-GO。在R-GO准备与金纳米粒子和可见光表现出最有效的淬火效率。时（在本文炭疽的DNA）结合与靶DNA的Cy3的修饰的DNA，所述的Cy3修饰的DNA可形成双链体，并从第r-GO片，其导致荧光恢复（图6B）分离。据信，所制备的利用可见光的r-GO和电浆纳米颗粒显示一样优异化学还原的r-GO（图6）的物理性能。
人物为R-GO合成 1 反应方案。利用电浆纳米粒子和可见光R-GO合成示意图描述。 （与许可裁判重新打印。13） 点击此处查看该图的放大版本。
图2.将反应器和光源的r-GO制剂。（A）的反应器中的与在装有可见光源（Xe灯），（B）的反应器的放大的图像，（C）中的框水循环夹套这些照片孔以引导可见光到反应器中，（D）的可见光的来自氙灯的光谱，（E）的近红外激光与反应装置，（F）的反应器的侧视图（耐热玻璃，赢道指直径= 11毫米）。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3.照片，HR-TEM图像和R-GO的紫外-可见光谱。（A）的R-GO，R-GO +金纳米粒子，R-GO + AuNRs，前后R-GO + AuNSs解决方案，这些照片离心，（B）的 R-GO溶液和沉淀物的HR-TEM图像，紫外可见的r-GO +金纳米粒子混合物，的r-GO + AuNRs混合物和r-GO + AuNSs混合物的光谱之前和之后（C）的离心。 （与许可裁判重新打印。13） 点击此处查看该图的放大版本。
图4. GO以及定性分析R-GO制备：（a）X射线衍射数据。 （B）中的GO拉曼光谱并且r-GO通过化学方法和光致法具有或不具有纳米金，AuNRs，和AuNSs制备。 （与许可裁判重新打印。13） 点击此处查看该图的放大版本。
图5的XPS分析R-GO，GO的溶液 （A）的XPS分析，R-GO制备化学法（B），和光致方法，无需金纳米粒子（C）或用金纳米粒子（D）的解决方案。 （重新打印与裁判的许可。13）ve.com/files/ftp_upload/53108/53108fig5large.jpg“目标=”_空白“>点击此处查看该图的放大版本。
图6.荧光猝灭和荧光恢复的分析单链DNA的Cy3使用GO 和 （A）荧光猝灭R-GO化学还原或生产使用可见光和电浆纳米粒子，（B）荧光恢复使用不同的靶DNA的浓度（10 - 7男，10 -8 M和10 -9 M）。数据是平均值±标准偏差，N = 4。 （与许可裁判重新打印。13） 点击此处查看该图的放大版本。
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Discussion
可见光照射到30分钟与金粒子（AuNPs，AuNSs＆AuNRs）GO溶液显示从浅黄棕色至黑的颜色（ 图1）的快速颜色变化。为了获得高纯度的R-GO产品的高收益，有两个重要的因素需要遵循。一种是使用金纳米粒子作为有效的等离子体激元催化剂，因为金纳米粒子可以强烈地吸收其它结构（即，AuNRs，AuNSs）之间的可见光。另一种是利用纳米GO解决方案，以获得纳米颗粒无高纯度的R-GO产品。所使用的纳米颗粒等离子体激元作为光催化剂应完全除去，这是通过使用简单的离心步骤以10625×g离心速度为15分钟，很容易实现。但在做这个，R-GO的大纸张尺寸（> 500 nm）的可离心沉淀与黄金纳米粒子而导致的产品（R-GO）的巨大损失。因此，使用纳米GO溶液（一般纸张尺寸<150-200纳米）是非常重要的，因为纳米尺寸的r-GO是不可能使用这种通常的离心分离的条件（被离心下来，即 ，10625×g离心速度为15分钟）。
因此，使用金纳米粒子和使用纳米尺寸的GO溶液是获得以高收率的高纯度的r-GO溶液的关键因素。为了得到产物的粉末形式，它需要执行额外的冷冻干燥步骤。要确认成功组建的R-GO，紫外光谱的测量将是简单的方法之一。该红移紫外-可见光谱，从230纳米到270纳米的成功转化GO成R-GO（ 图3C）的明确指示之一。为了验证完全除去使用金纳米粒子，也要求测量紫外-可见和HR-TEM分析中，如图3B和3C所示。
石墨峰在26.48 GO中消失，并在1（001）峰0.2对应，XRD谱来GO显示成功形成的r-GO（图4A）的。 GO并且r-GO制备通过化学法或光诱导方法通过拉曼分光中显示图4B定性分析。对应于无序结构和边缘面和对应于有序藻2键合的碳的G带的D谱带出现在1327厘米-1和一五九○-1，分别在GO为拉曼光谱18的D和G谱带在1336和一五九二-1也存在于化学还原GO为拉曼光谱中，照射降低GO和等离子体辅助可见光可见光照射还原的GO。对D / G的强度比（I D / I G）被发现是1.03，1.13，1.12，1.13，1.13和1.13 GO和R-GO没有或纳米粒制备通过化学法或光诱导方法（ AuNRs，金纳米粒子，并AuNSs）表示。在XPS分析是最有说服力的和定量的分析方法来验证成功转化GO成R-GO产品。在C / O值（基于每一个元素（碳和氧）的强度被发现是1.95，4.81，3.74和5.19 GO，R-GO（肼），R-GO（HV只）和r -GO（HV +金纳米粒子），分别为（ 图5）。
当前方法的r-GO合成的可能的限制是因为氙灯为反应所需的等光源。但这种限制的一种可能的，希望的，最终的解决方案是利用太阳光作为光源，因为太阳光主要由紫外线和可见光。但在这种情况下，较长的照明时间，预计将在一个可能的问题。
有许多潜在的R-GO应用，19-24之一的生物应用的重要特性是荧光淬灭R-GO的效果。在这个协议中，我们使用说明简单的应用程序R-GO敏感的DNA检测方法。如在图6中描述的结果，第r-GO制备使用可见光和电浆纳米颗粒显示出对在靶DNA的存在荧光猝灭和恢复优异性能相比于r-GO制备化学法（图6B）。
在这个协议中，我们描述了使用可见光和分析方法和应用的R-GO简单的合成方法。如所讨论的，该方法的未来修改将是利用太阳光的哪些被认为是最环保的能源用于反应。
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Disclosures
我们什么都没有透露。
Acknowledgments
这项工作是由韩国（2013R1A1A1061387）国家研究基金会和KU-KIST的研究基金的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cy3 modifeid ssDNA | IDT(Iowa, USA) | HPLC purified by IDT | |
| Gold nanoparticles (30 nm) | Ted Pella, Inc(Redding, CA, USA). | 15706-20 | colloidal solution |
| 4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethane sulfonic acid (HEPES) (99.5%) | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 7365-45-9 | |
| Gold(III) Chloride Hydrate (99.999%) | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 27988-77-8 | strongly hygroscopic |
| Sodium Borohydride (99.99%) | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 16940-66-2 | |
| Hexadecyltrimethylammonium bromide (≥99%) | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 57-09-0 | |
| L-Ascorbic Acid(≥99.0%) | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 50-81-7 | |
| Sodium Chloride (99.5%) | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 7647-14-5 | |
| Silver Nitrate (≥99.0%) | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 7761-88-8 | |
| Graphite | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 7782-42-5 | |
| Sulfuric acid | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 7664-93-9 | |
| Phophoric acid | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 7664-38-2 | |
| Potassium permanganate | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 7722-64-7 | |
| Hydrogen peroxide | JUNSEI | 23150-0350 | |
| Ammonium hydroxide | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | 1336-21-6 | |
| Xe-lamp | Cermax, Waltham, USA | ||
| NIR Laser | Class-IV, Sanctity Laser, Shanghai, China | 6W (output power) | |
| UV-Vis spectrophotometer | S-3100, SINCO, South Korea | ||
| Transmission Electron Microscopy | H-7650, Hitachi, Japan | ||
| Spectro Fluorometer | Jasco FP-6500, Tokyo, Japan | ||
| X-ray Photoelectron Spectrometer | AXIS–NOVA, KRATOS Inc., UK |
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