Summary
提出了一种用多巴胺对纳米十二烷表面进行功能化的简便协议。
Abstract
由于 nd 表面功能基团的多样性, 纳米粒子 (nds) 的表面功能化仍然具有挑战性。在这里, 我们展示了一个简单的协议, 多功能表面改性的 nds 使用肌肉启发多巴胺 (pda) 涂层。此外, pda 在 nd 上的功能层可作为合成和稳定金属纳米颗粒的还原剂。如果将 nd 和多巴胺简单地混合在一起, 多巴胺 (da) 可以在 nd 表面自行聚合并自发形成多巴胺层。pda 层的厚度通过改变 da 浓度来控制。典型结果表明, 将 da 悬浮液加入 50 ~ 100μg/ml 到 100 nm nd 悬浮液可以达到 pda 层的厚度 ~ 5 ~ 15 nm。此外, pda-nd 被用作基材, 以减少金属离子, 如银 [(nh3)2]+, 以银纳米粒子 (agnps).agnps 的大小取决于银 [(nh3)2]+ 的初始浓度。随着 ag [(nh3)2] + 浓度的增加, nps 的数量增加, 以及 nps 的直径增加。总之, 这项研究不仅提出了一种简单的方法来修改 nd 的表面与 pda, 而且还演示了通过锚定各种感兴趣的物种 (如 agnps) 的先进应用的 nd 的增强功能。
Introduction
纳米金刚石 (nds) 是一种新型的碳基材料, 近年来在各种应用中得到了广泛的关注 1,2。例如, nds 的高表面积为金属纳米粒子 (nps) 提供了出色的催化剂支持, 因为它们具有超化学稳定性和导热性 3。此外, nd 由于具有出色的生物相容性和非毒性4,5, 在生物成像、生物传感和药物输送方面发挥着重要作用。
为了有效地扩展它们的功能, 在 nds 表面结合功能物种 (如蛋白质、核酸和纳米粒子6) 是很有价值的。虽然在纯化过程中, 在 nd 表面上产生了多种功能基团 (如羟基、羧基、内酯等), 但由于每个官能团的密度较低, 功能基团的共轭产率仍然很低。活性化学组7。这将导致不稳定的 nd, 这往往会聚合, 从而限制进一步的应用程序8。
目前, 最常用的方法功能化 nd, 是共价共轭使用铜无点击化学 9, 共价键的肽核酸(pna)10, 和自组装 dna11。还提出了 nds 的非共价包装, 包括碳水化合物改性 bsa4和 hsa12涂层。然而, 由于这些方法耗时且效率低下, 因此最好能开发一种简单且普遍适用的方法来修改 nd 的表面。
多巴胺 (da)13, 被称为大脑中的天然神经递质, 被广泛用于粘附和功能化纳米粒子, 如金纳米颗粒 (aunps)14, fe 2o315,和 sio216.自聚合 pda 层丰富氨基和酚类, 可进一步用于直接减少金属纳米颗粒或在水溶液中容易固定含有硫醇胺的生物分子。这一简单的方法最近被秦氏等人应用于 nd 的功能化。和我们的实验室17,18, 虽然 da 衍生物被用于修改nds 通过点击化学在早期的研究19,20。
在这里, 我们描述了一种简单的基于 pda 的表面修正方法, 它有效地实现了 nd 的功能化。通过改变 da 的浓度, 我们可以控制 pda 层的厚度从几纳米到几十纳米。此外, 金属纳米颗粒直接减少并稳定在 pda 表面, 而不需要额外的有毒还原剂。银纳米粒子的大小取决于银 [(nh3)2]+ 的初始浓度.这种方法允许 pda 在 nd 表面上的良好控制沉积和 nd 共轭 agnps的合成,极大地扩展了 nd 作为催化剂载体、生物成像和生物传感器。
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Protocol
(一)试剂的制备
注意: 使用前请阅读并理解所有相关材料安全数据表 (msds)。有些化学物质有毒易挥发。请遵循特殊的处理程序和储存要求。在实验过程中, 请使用个人防护设备, 如手套、安全眼镜和实验室涂层, 以避免潜在的危险。
- Tris-HCl 缓冲液的制备
- 在100毫升的去离子化 h2o 中溶解 30.29 g tris 粉末,确保粉末完全溶解, 然后将溶液转移到 250 ml-体积瓶中。
- 在体积瓶中的250 毫升刻度中加入去电离 h2o, 以给出 1.0 m 的 tris 缓冲区。
- 稀释 1.0 m tris 缓冲液 100次, 以给予 0.01 m tris 缓冲液, 并使用 1.0 m hcl 标准溶液将 ph 值调整到8.5。
- 使用 ph 计校准 0.01 m Tris-HCl 缓冲液的 ph 值。
- nd 悬浮液的制备
- 用 0.01 m Tris-HCl 缓冲液稀释100纳米单晶 nd 悬浮液 (1.0 mg/ml) 50倍, 使 nd 悬浮液的 0.02 mgml。
- 多巴胺溶液的制备
- 在 0.01 m Tris-HCl 缓冲液 2.0 ml 中溶解20毫克盐酸多巴胺, 给出 10 mg/ml da 溶液。
注: da 溶液必须在15分钟内新鲜准备和使用。
- 在 0.01 m Tris-HCl 缓冲液 2.0 ml 中溶解20毫克盐酸多巴胺, 给出 10 mg/ml da 溶液。
- 银 [(nh3)2] oh 溶液的制备
- 在去离子化 h2o的10 毫升中溶解100毫克的 agno 3固体, 得到 10 mg/ml agno3溶液。
- 加入 1.0 m 氢氧化铵 (nh3·h2o) 滴到 agno 3 溶液 , 直到黄色沉淀物形成, 然后继续添加nh3·h2o 溶液, 直到降水消失.
注: 使所需的最小音量;使用前立即做好准备, 使用后立即处置。
注意: 添加nh3·h2o 在烟雾罩与面罩, 手套, 和护目镜.
2。在 nd (pda-nd) 表面合成 pda 层
- 在 nd 悬浮液中加入新鲜制备的 da 溶液 (10 mgml), 使不同的最终浓度为50、75、100μg/ml。将总反应量调整为 1.0 ml, 将其转移到 10 ml 试管, 并在25°c 时大力搅拌, 在黑暗中搅拌12小时。
- 以 16, 000 x g 离心 pda-nd 溶液 2小时, 取出上清液, 每次以 16000 x 克的速度用去离子水清洗 3次1小时。
- 用超声将 pda-nd 重新分散在200μl 的去离子水中30秒。pda 涂层的 nd 将可供进一步使用。
(三) 有什么问题吗？减少 pda-nd 表面的 agnps (agnps-pda-nd)
- 用去离子水稀释步骤2.3 中预先合成的 pda-nd 40μl。加入 ag [(nh 3) 2] oh 溶液, 使各种最终浓度的 ag [(nh 3)2]+ (0.08、0.08、0.08、0.08 和 0.08 mgml)。
- 通过添加去离子水, 然后超声 10分钟, 将 1.5 ml-离心管中的最终体积调整为100μl。
- 将 agnps-pda-nd 离心 15分钟, 以 16, 000 x克的速度去除游离银离子, 离心后丢弃上清液, 加入100μl 的去离子水, 每次以 16, 000 x克的速度用去离子水清洗三次5分钟。
- 将 agnps-pda-nd 重新分散在100μl 的去离子水中, 并进行30秒的超声处理, 为进一步使用做好准备。
4. 我的工作是什么？pda-nd 和 agnps-pda-nd 集群分析
- 紫外可见 (uv) 光谱
- 使用紫外光谱监测 agnps 在 pda-nd 表面上的平均尺寸分布。将步骤3.4 中制备的 agnps-pda-nd 样品转移到1厘米石英杯中, 浓度不同, 浓度为银 [(nh3) 2], 并在250至550纳米的扫描波长下监测吸收情况。
- 透射选择显微镜 (tem)
- 将碳涂层铜网放在用副体包裹的玻璃滑梯上, 以保持网格的位置。将带有连接 tem 网格的玻璃滑块插入等离子清洗器。打开等离子清洗机和真空泵。5分钟后, 打开等离子并以中等功率放电电网3分钟。
- 将5μl 的样品存放在涂布的碳膜铜网格上 3分钟. 使用滤纸将多余的样品从网格边缘擦掉。然后, 在网格上沉积一滴去离子水, 取盐 1 5秒, 然后用滤纸把水中的水擦掉。重复两次清洗过程, 并允许栅格风干, 以便进一步使用。
- 通过 tem 可视化样品, 通常为 38, 000x 放大倍率。运行在200千伏。
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Representative Results
用透射电镜分析了 nd 表面 pda 层的形成 (图 1)。由于较高浓度的 da 导致 pda 层较厚, 观察到不同厚度的 pda 层。此外, 在封装反应后, nds 溶液的颜色从无色变为深色, 而 da 的初始浓度越高, 溶液变得越深。
图 2描述了在100纳米 pda-nd 表面上将ag [(nh3)2] +还原到 agnps。用透射电镜计算的 agnps 的大小分布, 用于确定银 [(nh3)2]+的原始浓度对 agnps 尺寸的依赖关系.
图 3中的流程图介绍了通过 pda 实现 nd 表面功能化以及将金属离子还原为 pda-nd 层的 nps 的两步过程。
用紫外光谱监测了 nd 表面 agnps 的形成 (图 4)。在 ~ 400 纳米的峰值强度增加, 随着银溶液浓度的增加, 而峰呈红移, 表明形成了尺寸增加的 agnps。
图 1.对不同浓度的 da (0、50、75和 100μgml) 及其相应的 tem 图像的100纳米 nd 表面 pda 层的厚度进行表征。每个 pda 层的平均厚度分别为 ~ 5 nm (b)、~ 10 nm (c) 和 ~ 15 nm (d)。插入照片显示了相应样品中的比色变化。请点击这里查看此图的较大版本.
图 2.agnps-pda-nd 的特性.通过分别添加 [Ag(NH3) 2] + 的 0.4 mgml (a) 和 0.6 mg/ml (b), 实现 agnp 的 tem 图像和 agnps 的大小分布.请点击这里查看此图的较大版本.
图 3.nd 表面功能化的挂图.nd 表面的两步功能化: (1) da 聚合 nd 表面涂层;(2) 将 pda 层上的金属离子还原为 nps。请点击这里查看此图的较大版本.
图 4.通过紫外光谱法对 nd 表面还原的 agnps 进行表征.经曾等人许可, 对这一数字进行了修改和转载.17.请点击此处查看此图的较大版本.
工作台1.pda 层的厚度和减小的 agnps 的大小。用实验数据对数学模型进行了验证。pda 层的厚度由 da 的初始浓度决定, 初始浓度之比[ag(nh3)2] +与 aunps 的平均半径立方体一致。
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Discussion
本文提供了一个详细的协议, 说明了自聚合 da 涂层对 nd 的表面功能化, 以及 pda 层上的 ag [(nh3)2]+还原到 agnps (图 3).该策略能够通过简单地改变 da 浓度来产生各种厚度的 pda 层。agnps 的大小也可以通过改变金属离子溶液的原始浓度来控制。图 1 a 中的 tem 图像显示了未涂布的 100 nm nds, 这些 nd 倾向于形成微簇和聚合。当 nd 被封装在 pda 中时, pda 层显示为 nd 周围的一个薄环。在 tem 图像中测量的 pda 层的厚度约为5纳米、10纳米和15纳米, 这与最终的 da 浓度分别为50μgml、75μgml 和100μgml 相对应。经 pda 涂层观察到 nds 悬浮液的颜色由无色变为深色, 表明 pda 在 nd 表面的包装成功, pda 的厚度取决于 da 的浓度。请注意: 影响 da 聚合的关键因素是 ph 值条件 (最有利的值是 8.523)。溶液的准确 ph 值有利于控制 pda 层的厚度。此外, 聚合过程中的快速搅拌对于 nd 的分解和 pda 层的形成也是必要的。因此, 这种方法对碱性溶液中不稳定的任何颗粒都无效。
为了描述影响 pda 厚度的因素, 我们引入了方程 (1)来描述 nd 表面 pda 层的形成。这是基于以往 21、22所报告的纳米粒子 pda 沉积的动力学方程。da (c1, m/v)、反应时间 (t) 和 pda 层 (d) 的初始浓度如下:
(2)
r是 nd 的半径 (假设 nd 是球体), p1 是 pda 的密度, v1 是反应体积, n1 是 nd 的数量, k 1 是与 ph 值相关的常数, 部分压力为 o2、环境温度和发光强度23。因此, pda 层的厚度可以写成方程 (2)
(3)
或者, 如果我们重写方程 (1)到(3):
(2)
然后, 消除d3和 3d2r , 因为d远小于 r (d& lt; & lt;r)。
最后, d可以表示为方程 (4)
(2)
涂层工艺需要 12小时, da 被完全消耗并由 uv-vis 光谱进行监测。因此, 
是一个常数, d值与 da 的初始浓度 (c1) 成正比, 我们的实验结果证实了这一点 (表 1)。请注意, 随着 pda 层厚度的增加, 由于 nds-pda 表面积的增加, 层的累积速度变慢。
ptal 基团在 pda 中的存在已被证明可以直接诱导纳米颗粒在金属前体的减少及其在 pda 涂层表面上的固定化 24、25、26时的生长。 27岁在将100纳米 nd 涂覆 pda 层 (~ 15 nm) 后, 所产生的 pda-nd 被用作基板, 在超声辅助下从金属离子溶液中合成 agnps。如图 2所示, 随着 [ag (nh3) 2]+浓度的增加, agnps 的大小从 ~ 24 纳米增加到 ~ 28 纳米, 而 nps 的数量从97增加到 117, 对应于 [ag(nh3)2]+浓度分别为0.4 至 0.6 mg/ml。这种现象也可以用紫外光谱来表征。随着 [ag (nh3)2] + 浓度的增加, 纳米粒子的吸收峰逐渐显现 (图 4)。例如, 纳米粒子的最大吸收率, 由 [ag(nh3)2] +的减少0.4 和 0.6 mgml 形成, 为410和430 纳米, 分别对应于直径为 ~ 20 和 ~ 30 纳米的 agnps。这与 tem 观察17是一致的。
减少 agnps 的直径遵循一阶线性微分方程 (5), 这类似于 anps28的种子生长合成, 其中s是 pda-nd 的表面积, c2 是银的初始浓度[(nh3)2] +, t是反应时间, r是 agnps 的半径, k2 是常数, p2 是 ag 的密度, v2是反应体积, n2 是 agnps 的数量, 等于s·n, 其中n是可减少 ag [(nh3) 2]+ 的活性儿茶酚基团的平均数量。agnps 被视为球体:
(3)
在该方程中, agnps 的数量被假定为与 pda 的表面积成正比, 这取决于 pda 层的厚度。在 pda 层的表面上, agnps 随着 ag [(nh3)2]+的不断减少而增长, 而 pda o 站点上的金属 (0) 键作为 agnps 的种子前体。agnps 的数量与 pda 上的 o 站点成正比, 与表面积23、29、30、31成正比。另一方面, 减少的 agnps 均匀地分布在 pda 表面, 因为 agh [(nh3)2]+是由 pda 层上的均匀儿茶酚基团减少的。实验结果表明, 银 [(nh3)2]+ 的初始浓度越高, agnps 越大, 但每个 nd 上的 np 数量相似。初始浓度 [ag (nh 3) 2] +(c2)之比 (0.6 mg/l:0.4 m/mll情愿 1.5) 的比率与平均半径立方体 [(1412) 3 = 1.588] 一致.因此, 如果 pda-nd 需要更高的粒子密度, 则应选择更厚的 pda-nd 层, 但如果需要更大尺寸的 np, 则更长的还原持续时间将满足要求。
为了去除纯化过程中未反应的 [ag (nh3)2] + , 由于 nds 密度低, 建议采用较高的离心速度.离心速度越高, 净化时间就越短, 这将提供更好地控制 agnps 的尺寸。此外, 超声是获得均匀 agnps 的不可缺少的方法。在添加 ag [(nh3)2] + 溶液之前, 样品应最初进行几分钟的超声检查。
我们已经证明了一种简单的方法, 表面改性的 nds 与自聚合 pda。与 click 化学方法相比, 该策略不仅提高了 nd 的分散性和稳定性, 而且通过减少金属纳米颗粒或与连接氨基硫醇连接, 为潜在的改性后提供了一个反应平台 (pda 层)物种。通过改变 pda 和 ag [(nh3) 2] + 浓度, 可以改变 pda 层的厚度和 nd 表面纳米粒子的大小.它们还可用于减少 aunps 或其他贵金属 nps。通过结合 pda 化学的多样性和 nd 的独特特性, 该方法将为扩大 nd 在催化剂、能源和生物医学领域的应用打开大门。
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Disclosures
作者没有什么可透露的。
Acknowledgments
这项研究得到了国家科学基金会 (ccf 1814797) 和密苏里大学研究委员会、材料研究中心和密苏里科技大学艺术与科学学院的支持
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 |
References
- Mochalin, V. N., Shenderova, O., Ho, D., Gogotsi, Y. The properties and applications of nanodiamonds. Nature Nanotechnology. 7 (1), 11-23 (2011).
- Kucsko, G., et al. Nanometre-scale thermometry in a living cell. Nature. 500 (7460), 54-58 (2013).
- Liu, J., et al. Origin of the Robust Catalytic Performance of Nanodiamond-Graphene-Supported Pt Nanoparticles Used in the Propane Dehydrogenation Reaction. ACS Catalysis. 7 (5), 3349-3355 (2017).
- Chang, B. -M., et al. Highly Fluorescent Nanodiamonds Protein-Functionalized for Cell Labeling and Targeting. Advanced Functional Materials. 23 (46), 5737-5745 (2013).
- Ho, D., Wang, C. H., Chow, E. K. Nanodiamonds: The intersection of nanotechnology, drug development, and personalized medicine. Science Advances. 1 (7), 1500439 (2015).
- Hsu, M. H., et al. Directly thiolated modification onto the surface of detonation nanodiamonds. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (10), 7198-7203 (2014).
- Krueger, A. Diamond Nanoparticles: Jewels for Chemistry and Physics. Advanced Materials. 20 (12), 2445-2449 (2008).
- Turcheniuk, K., Trecazzi, C., Deeleepojananan, C., Mochalin, V. N. Salt-assisted ultrasonic deaggregation of nanodiamond. ACS Applied Materials and Interfaces. 8 (38), 25461-25468 (2016).
- Akiel, R. D., Zhang, X., Abeywardana, C., Stepanov, V., Qin, P. Z., Takahashi, S. Investigating Functional DNA Grafted on Nanodiamond Surface Using Site-Directed Spin Labeling and Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy. Journal of Physical Chemistry B. 120 (17), 4003-4008 (2016).
- Gaillard, C., et al. Peptide nucleic acid-nanodiamonds: covalent and stable conjugates for DNA targeting. RSC Advances. 4 (7), 3566-3572 (2014).
- Zhang, T., et al. DNA-based self-assembly of fluorescent nanodiamonds. Journal of the American Chemical Society. 137 (31), 9776-9779 (2015).
- Liu, W., et al. Fluorescent Nanodiamond-Gold Hybrid Particles for Multimodal Optical and Electron Microscopy Cellular Imaging. Nano Letters. 16 (10), 6236-6244 (2016).
- Lee, H., Dellatore, S. M., Miller, W. M., Messersmith, P. B. Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings. Science. 318 (5849), 426-430 (2007).
- Wang, C., Zhou, J., Wang, P., He, W., Duan, H. Robust Nanoparticle-DNA Conjugates Based on Mussel-Inspired Polydopamine Coating for Cell Imaging and Tailored Self-Assembly. Bioconjugate Chemistry. 27 (3), 815-823 (2016).
- Liu, R., Guo, Y., Odusote, G., Qu, F., Priestley, R. D. Core-shell Fe3O4 polydopamine nanoparticles serve multipurpose as drug carrier, catalyst support and carbon adsorbent. ACS Applied Materials and Interfaces. 5 (18), 9167-9171 (2013).
- Liu, R., et al. Dopamine as a Carbon Source: The Controlled Synthesis of Hollow Carbon Spheres and Yolk-Structured Carbon Nanocomposites. Angewandte Chemie International Edition. 50 (30), 6799-6802 (2011).
- Zeng, Y., Liu, W., Wang, Z., Singamaneni, S., Wang, R. Multifunctional surface modification of nanodiamonds based on dopamine polymerization. Langmuir. 34 (13), 4036-4042 (2018).
- Qin, S., et al. Dopamine@Nanodiamond as novel reinforcing nanofillers for polyimide with enhanced thermal, mechanical and wear resistance performance. RSC Advances. 8 (7), 3694-3704 (2018).
- Barras, A., Lyskawa, J., Szunerits, S., Woisel, P., Boukherroub, R. Direct functionalization of nanodiamond particles using dopamine derivatives. Langmuir. 27 (20), 12451-12557 (2011).
- Khanal, M., et al. Toward Multifunctional "Clickable" Diamond Nanoparticles. Langmuir. 31 (13), 3926-3933 (2015).
- Rad, M. H., Zamanian, A., Hadavi, S. M. M., Khanlarkhani, A. A Two-Stage Kinetics Model for Polydopamine Layer Growth. A Two-Stage Kinetics Model for Polydopamine Layer Growth. Macromolecular Chemistry and Physics. , 1700505 (2018).
- Ball, V., Frari, D. D., Toniazzo, V., Ruch, D. Kinetics of polydopamine film deposition as a function of pH and dopamine concentration: Insights in the polydopamine deposition mechanism. Journal of Colloid and Interface Science. 386 (1), 366-372 (2012).
- Liu, Y., Ai, K., Lu, L. Polydopamine and its derivative materials: synthesis and promising applications in energy, environmental, and biomedical fields. Chemical Reviews. 114 (9), 5057-5115 (2014).
- Hu, J., Wu, S., Cao, Q., Zhang, W. Synthesis of core-shell structured alumina/Cu microspheres using activation by silver nanoparticles deposited on polydopamine-coated surfaces. RSC Advances. 6 (85), 81767-81773 (2016).
- Orishchin, N., et al. Rapid Deposition of Uniform Polydopamine Coatings on Nanoparticle Surfaces with Controllable Thickness. Langmuir. 33, 6046-6053 (2017).
- González, A. L., Noguez, C., Beránek, J., Barnard, A. S. Size, Shape, Stability, and Color of Plasmonic Silver Nanoparticles. Journal of Physical Chemistry C. 118 (17), 9128-9136 (2014).
- Muthuchamy, N., Gopalan, A., Lee, K. -P. A new facile strategy for higher loading of silver nanoparticles onto silica for efficient catalytic reduction of 4-nitrophenol. RSC Advances. 5 (93), 76170-76181 (2015).
- Bastus, N. G., Comenge, J., Puntes, V. Kinetically Controlled Seeded Growth Synthesis of Citrate-Stabilized Gold Nanoparticles of up to 200 nm: Size Focusing versus Ostwald Ripening. Langmuir. 27 (17), 11098-11105 (2011).
- Jana, J., Gauri, S. S., Ganguly, M., Dey, S., Pal, T. Silver nanoparticle anchored carbon dots for improved sensing, catalytic and intriguing antimicrobial activity. Dalton Transactions. 44 (47), 20692-20707 (2015).
- Zamudio, A., et al. Efficient anchoring of silver nanoparticles on N-doped carbon nanotubes. Small. 2 (3), 346-350 (2006).
- Modification of membranes with polydopamine and silver nanoparticles formed in situ to mitigate biofouling. U.S. Patent Application. Chen, K., Li, T. , 14/689,085 (2016).
