Summary
Un protocollo facile è presentato per funzionalizzare le superfici di nanodiamanti con polydopamine.
Abstract
Funzionalizzazione superficiale di nanodiamanti (NDs) è comunque impegnativa a causa della diversità di gruppi funzionali sulle superfici ND. Qui, dimostriamo un protocollo semplice per la modifica di superficie multifunzionale di NDs tramite rivestimento cozza-ispirato polydopamine (PDA). Inoltre, il livello funzionale di PDA su NDs potrebbe servire come un agente riducente per sintetizzare e stabilizzare nanoparticelle metalliche. Dopamina (DA) può auto-polimerizzare e spontaneamente formare strati di PDA su superfici ND se il NDs e dopamina sono semplicemente mescolati insieme. Lo spessore di uno strato di PDA è controllato variando la concentrazione di DA. Un risultato tipico dimostra che uno spessore di 5 ~ a ~ 15 nm dello strato PDA è raggiungibile con l'aggiunta di 50 a 100 µ g/mL di DA alle sospensioni di ND 100 nm. Inoltre, il PDA-NDs sono usati come substrato per ridurre ioni metallici, come ad esempio Ag [(NH3)2]+, all'argento nanoparticelle (AgNPs). Le dimensioni dell'AgNPs si basano sulle concentrazioni iniziali di Ag [(NH3)2]+. Con un aumento della concentrazione di Ag [(NH3)2]+, aumenta il numero di NPs, così come i diametri di NPs. In sintesi, questo studio non solo presenta un metodo facile per modificare le superfici di NDs con PDA, ma dimostra anche la funzionalità avanzata di NDs ancorando varie specie di interesse (ad esempio AgNPs) per applicazioni avanzate.
Introduction
Nanodiamanti (NDs), un nuovo materiale a base di carbonio, hanno attratto l'attenzione considerevole negli ultimi anni per l'uso in varie applicazioni1,2. Per esempio, le alte superfici di NDs forniscono supporto eccellente catalizzatore per nanoparticelle metalliche (NPs) a causa della loro stabilità Super-chimica e conducibilità termica3. Inoltre, NDs gioca un ruolo significativo nel bio-imaging, biosensori e consegna della droga a causa della loro eccezionale biocompatibilità e nontoxicity4,5.
Per estendere in modo efficiente le loro capacità, è prezioso per coniugare specie funzionale sulle superfici di NDs, come proteine, acidi nucleici e nanoparticelle6. Anche se una varietà di gruppi funzionali (ad es., ossidrile, carbossilico, lattone, ecc.) vengono creati sulle superfici del NDs durante la loro purificazione, i rendimenti di coniugazione di gruppi funzionali sono ancora molto bassi a causa della bassa densità di ciascuno gruppo chimico attivo7. Questo si traduce in NDs instabili, che tendono ad aggregare, limitando ulteriormente applicazione8.
Attualmente, i metodi più comuni utilizzati per funzionalizzare NDs, sono coniugazione covalente utilizzando clic esente da rame chimica9, covalente di peptidi acidi nucleici (PNA)10e auto-assemblati DNA11. È stato proposto anche l'avvolgimento non-covalente di NDs, compreso carboidrato-modificato BSA4e rivestimento12HSA. Tuttavia, poiché questi metodi sono molto tempo e inefficiente, è auspicabile che un metodo semplice e generalmente applicabile può essere sviluppato per modificare le superfici di NDs.
Dopamina (DA)13, noto come un neurotrasmettitore naturale nel cervello, è stato ampiamente utilizzato per aderire e funzionalizzazione di nanoparticelle, quali nanoparticelle d'oro (AuNPs)14, Fe2O315e SiO216 . Self-polimerizzate strati PDA arricchiscono gruppi amminici e fenolici, che possono essere ulteriormente utilizzati direttamente ridurre nanoparticelle metalliche o facilmente immobilizzare biomolecole contenenti tiolo/su una soluzione acquosa. Questo semplice approccio è stato recentemente applicato per funzionalizzare NDs da Qin et al. e il nostro laboratorio17,18, anche se DA derivati sono stati impiegati per modificare NDs tramite clic su chimica in precedenti studi19,20.
Qui, descriviamo un metodo semplice modificazione superficiale basato su PDA che efficientemente functionalizes NDs. Variando la concentrazione di DA, possiamo controllare lo spessore di uno strato di PDA da pochi nanometri a decine di nanometri. Inoltre, le nanoparticelle di metalli sono direttamente ridotto e stabilizzate sulla superficie PDA senza la necessità di agenti tossici ulteriore riduzione. Le dimensioni delle nanoparticelle d'argento dipendono le concentrazioni iniziali di Ag [(NH3)2]+. Questo metodo consente la deposizione di ben controllata di PDA sulle superfici del NDs e la sintesi di ND coniugato AgNPs, , che drammaticamente si estende la funzionalità del NDs come eccellente nano-piattaforme di catalizzatore supporta, bio-imaging, e bio-sensori.
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Protocol
1. Preparazione dei reagenti
Attenzione: Leggere e comprendere tutte le schede di dati di sicurezza (MSDS) prima dell'uso. Alcuni dei prodotti chimici sono tossici e volatili. Si prega di seguire le procedure di gestione speciale e i requisiti di archiviazione. Durante la procedura sperimentale, utilizzare dispositivi di protezione individuale, quali guanti, occhiali di sicurezza e un camice da laboratorio per evitare potenziali pericoli.
- Preparazione del tampone Tris-HCl
- Sciogliere 30,29 g di polvere di Tris in 100 mL di deionizzata H2O, assicurarsi che la polvere si dissolve completamente e poi trasferire la soluzione in un 250 mL-matraccio.
- Aggiungere deionizzata H2O alla scala da 250 mL in matraccio per dare 1,0 M di tampone Tris.
- Diluire il tampone di Tris di 1,0 M 100 volte a dare 0,01 M tampone Tris e regolare il pH a 8,5 utilizzando soluzione standard di HCl 1,0 M.
- Utilizzare un pH-metro per calibrare il valore pH del buffer 0.01 M Tris-HCl.
- Preparazione di sospensioni di ND
- Diluire 100 nm di monocristallino ND sospensioni (1,0 mg/mL) 50 volte con il buffer di 0,01 M Tris-HCl per dare 0,02 mg/mL di sospensioni di ND.
- Preparazione della soluzione di dopamina
- Sciogliere 20 mg di dopamina cloridrato in 2,0 mL di buffer di 0,01 M Tris-HCl per dare 10 mg/mL soluzione DA.
Nota: La soluzione DA deve essere appena preparata e utilizzata entro 15 min.
- Sciogliere 20 mg di dopamina cloridrato in 2,0 mL di buffer di 0,01 M Tris-HCl per dare 10 mg/mL soluzione DA.
- Preparazione della soluzione di Ag [(NH3)2] OH
- Sciogliere 100 mg di AgNO3 tinta in 10 mL di deionizzata H2O a dare 10 mg/mL soluzione3 AgNO.
- Aggiungere 1,0 M di idrossido di ammonio (NH3· H2O) goccia a goccia per la soluzione di AgNO3 fino al giallo precipitare forme, quindi continuare ad aggiungere il NH3· Soluzione di H2O fino a quando scomparirà la precipitazione.
Nota: Rendere il volume minimo richiesto; preparare immediatamente prima dell'uso e smaltire immediatamente dopo l'uso.
Attenzione: Aggiungere NH3· H2O in cappa aspirante con viso scudi, guanti e occhiali.
2. Sintesi PDA strato sulla superficie del NDs (PDA-NDs)
- Aggiungere la soluzione preparata DA (10 mg/mL) per le sospensioni di ND per dare varie concentrazioni finali di 50, 75, 100 µ g/mL di DA. Regolare il volume di reazione totale di 1,0 mL, trasferirlo in una provetta 10 mL-prova e mescolare vigorosamente a 25 ° C, al buio per 12 h.
- Centrifugare la soluzione di PDA-NDs per 2 h a 16.000 x g, eliminare il surnatante e lavare tre volte con acqua deionizzata per 1 h a 16, 000 x g ogni volta.
- Ri-disperdere il PDA-NDs in 200 µ l di acqua deionizzata con sonicazione per 30 s. PDA - rivestito NDs sarà pronto per un ulteriore uso.
3. Riduzione di AgNPs sulla superficie del PDA-NDs (AgNPs-PDA-NDs)
- Diluire 40 µ l di PDA-NDs pre-sintetizzati in Step 2.3 due volte con acqua deionizzata. Aggiungi Ag [(NH3)2] OH soluzione per dare varie concentrazioni finali di Ag [(NH3)2]+ (0,08, 0.16, 0.24, 0,40 e 0,60 mg/mL).
- Regolare il volume finale di 100 µ l in una provetta da 1,5 mL-centrifuga con l'aggiunta di acqua deionizzata, seguita da sonicazione per 10 min.
- Centrifugare il AgNPs-PDA-NDs per 15 min a 16.000 x g per rimuovere gli ioni di argento, scartare il supernatante dopo la centrifugazione, aggiungere 100 µ l di acqua deionizzata e lavare tre volte con acqua deionizzata a 16.000 x g per 5 minuti ogni volta.
- Ri-disperdere la AgNPs-PDA-NDs in 100 µ l di deinoizzata con sonicazione per 30 s per preparare per un ulteriore uso.
4. Analisi di PDA-NDs e cluster AgNPs-PDA-NDs
- Spettro ultravioletto-visibile (UV)
- Utilizzare gli spettri UV per monitorare la distribuzione di dimensione media di AgNPs sulle superfici di PDA-ND. Trasferire i campioni di AgNPs-PDA-NDs preparati nel passaggio 3.4 con varie concentrazioni di Ag [(NH3)2] OH in 1 cuvette in quarzo di cm e monitorare l'assorbimento alla lunghezza d'onda di scansione di 250 a 550 nm.
- Microscopia di elezione di trasmissione (TEM)
- Posizionare le griglie di rame rivestito di carbonio su una lastra di vetro avvolta con parafilm per mantenere le griglie sul posto. Inserire il vetrino con annesso griglie TEM nel plasma cleaner. Accendere il plasma cleaner e la pompa del vuoto. Dopo 5 min, accendere il plasma e scarico le griglie con un livello di media potenza per 3 min.
- Deposito 5 µ l dei campioni sulla pellicola carbonio rivestito Cu-griglie per 3 min. uso carta da filtro a stoppino supplementare dei campioni dal bordo della griglia. Poi, depositare una goccia di acqua deionizzata sulla griglia per 15 s per rimuovere sali, poi stoppino via l'acqua con carta da filtro. Ripetere il lavaggio due volte e lasciare asciugare per un ulteriore uso della griglia per l'aria.
- Visualizzare i campioni di TEM, in genere a 38.000 ingrandimenti. Operare a 200 KV.
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Representative Results
La formazione di strati di PDA su superfici ND sono stati analizzati da TEM (Figura 1). Diversi spessori degli strati di PDA sono stati osservati come concentrazioni più elevate di DA portato a strati più spessi di PDA. Inoltre, dopo una reazione di incapsulamento, il colore della soluzione NDs cambiato da incolore a scuro, mentre il più alto la concentrazione iniziale di DA era, è diventato più scuro della soluzione.
Figura 2 descrive la riduzione di Ag [(NH3)2]+ a AgNPs sulla superficie di 100 superfici nm PDA-ND. La distribuzione delle dimensioni di AgNPs, calcolato da TEM, sono stati utilizzati per determinare la dipendenza della concentrazione originale di Ag [(NH3)2]+ sulle taglie della AgNPs.
Il diagramma di flusso nella Figura 3 presenta la procedura in due fasi per la funzionalizzazione della superficie del NDs da PDA e per riduzione di ioni metallici in NPs sugli strati PDA-ND.
La formazione di AgNPs sulla superficie del ND è stata monitorata da spettri UV-vis (Figura 4). L'intensità dei picchi a ~ 400 nm aumentata, con un aumento della concentrazione di soluzione d'argento, mentre le cime hanno mostrato un red-shift, che indica la formazione di AgNPs con dimensioni maggiori.
Figura 1 . Caratterizzazione degli spessori di PDA strati sulle superfici di 100 nm NDs con varie concentrazioni di DA (0, 50, 75 e 100 μg/mL) e loro corrispondente TEM immagini. Gli spessori medio di ogni strato di PDA sono ~ 5 nm (B), ~ 10 nm (C) e ~ 15 nm (D), rispettivamente. La fotografia di inserto Mostra la variazione colorimetrica nei campioni corrispondenti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2 . Caratterizzazione di AgNPs-PDA-NDs. Immagini TEM AgNP-PDA-NDs e la distribuzione delle dimensioni di AgNPs con l'aggiunta di 0,4 mg/mL (A) e 0,6 mg/mL (B) di [Ag(NH3)2]+, rispettivamente. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3 . Diagramma di parete di funzionalizzazione superficiale di NDs. Della funzionalizzazione della superficie del NDs in due fasi: (1) rivestimento di superficie del NDs con DA polimerizzazione; (2) la riduzione di ioni metallici in NPs sul livello di PDA. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4 . Caratterizzazione di ridotta AgNPs sulle superfici di NDs, tramite spettroscopia UV-vis. Questa figura è stata modificata e ristampata con il permesso da Zeng et al. 17. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Tabella 1 . Lo spessore dello strato di PDA e la dimensione del AgNPs ridotta. La convalida dei modelli matematici con i dati sperimentali. Lo spessore dello strato di PDA è determinato dalla concentrazione iniziale di DA e il rapporto delle concentrazioni iniziali di [Ag (NH3)2]+ è coerente con il raggio medio al cubo di AuNPs.
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Discussion
Questo articolo fornisce un protocollo dettagliato per la funzionalizzazione di superficie di NDs con self-polimerizzata DA rivestimento e la riduzione di Ag [(NH3)2]+ a AgNPs su strati di PDA (Figura 3). La strategia è in grado di produrre vari spessori degli strati di PDA semplicemente cambiando la concentrazione di DA. La dimensione della AgNPs può essere controllata anche alterando la concentrazione originale della soluzione dello ione del metallo. L'immagine TEM in Figura 1A Visualizza il non patinata 100 nm NDs che tendeva a forma microclusters e aggregati. Quando NDs sono stati incapsulati con PDA, gli strati di PDA ha mostrati come un sottile anello rotondo il NDs. Gli spessori degli strati PDA, come misurato in immagini TEM, erano circa 5 nm, 10 nm e 15 nm, che hanno corrisposto alle concentrazioni DA finale di 50 µ g/mL, 75 µ g/mL e 100 µ g/mL, rispettivamente. Il colore della sospensione NDs è stato osservato per cambiare da incolore a PDA seguente scuro rivestimento, indicare che il successo avvolgimento di PDA su superfici di ND e che lo spessore del PDA era dipendente dalla concentrazione di DA. Si prega di notare: il fattore critico che influenza la polimerizzazione DA è la condizione di pH (il valore più favorevole è 8.523). Il valore accurato pH di una soluzione è utile per controllare gli spessori degli strati di PDA. Inoltre, veloce agitazione durante la polimerizzazione è necessaria per la disgregazione di NDs e la formazione di uno strato uniforme di PDA. Pertanto, questo metodo non è efficace per tutte le particelle che sono instabile in soluzioni alcaline.
Per descrivere i fattori influenti che hanno contribuito allo spessore del PDA, introduciamo equazione (1) per descrivere la formazione di uno strato di PDA su superfici di ND. Questo si basa sull'equazione cinetica di deposizione di PDA su nanoparticelle da precedenti rapporti21,22. Le concentrazioni iniziali di DA (C1, m/v), tempo di reazione (t) e lo spessore dello strato PDA (d), sono come segue:
(1)
R è il raggio del NDs (supponendo che NDs sono sfere), p1 è la densità di PDA, V1 è il volume di reazione, N1 è il numero di NDs e k1 è una costante relazionata a valori di pH, parziali pressione di O2, temperatura e intensità luminosa23. Di conseguenza, lo spessore di uno strato di PDA può essere scritto come equazione (2)
(2)
O se riscriviamo equazione (1) - (3):
(3)
Quindi, eliminare d3 e 3d2R , poiché d è di gran lunga inferiore a R (d<<R).
Infine, la d può essere espressa come equazione (4)
(4)
Il processo di rivestimento richiesto 12 h, con il DA essere completamente consumata e monitorati da spettri UV-vis. Pertanto, 
era una costante, e il valore di d è stata direttamente proporzionale alle concentrazioni iniziali di DA (C1), che sono state confermate dai nostri risultati sperimentali (tabella 1). Si prega di notare, con l'aumento negli spessori degli strati PDA, velocità di accumulo degli strati erano più lento a causa degli aumenti nelle aree superficiali del NDs-PDA.
La presenza dei gruppi del catecolo in PDA ha dimostrata di indurre direttamente la crescita delle nanoparticelle al momento la riduzione dei precursori metallo e loro immobilizzazione su una superficie rivestita con PDA24,25,26, 27. Dopo rivestimento 100 nm NDs con uno strato di PDA (~ 15 nm), la risultante PDA-NDs sono stati utilizzati come substrato per sintetizzare AgNPs da una soluzione di ioni metallici, con l'assistenza di sonicazione. Come si vede nella Figura 2, con l'aumento di [Ag (NH3)2]+ concentrazione, aumentare la dimensione della AgNPs da ~ 24 nm a ~ 28 nm e il numero di NPs generato da 97 a 117, corrispondente al [Ag (NH3)2] + concentrazione di 0,4-0,6 mg/mL, rispettivamente. Questo fenomeno può anche essere caratterizzato dalla spettroscopia UV-vis. Il picco di assorbanza delle nanoparticelle è comparso gradualmente come la concentrazione di [Ag (NH3)2]+ aumentato (Figura 4). Ad esempio, l'assorbanza massima delle nanoparticelle, formata da riduzione di 0,4 e 0,6 mg/mL di [Ag (NH3)2]+, è di 410 a 430 nm, che corrisponde a AgNPs con i diametri di ∼20 e ∼30 nm, rispettivamente. Ciò è coerente con l'osservazione17.
Il diametro della AgNPs ridotta segue il primo differenziale lineare di ordine equazione (5), che è simile alla sintesi di crescita seminato di AuNPs28, dove S è l'area della superficie di PDA-NDs, C2 è la concentrazione iniziale di Ag [(NH3)2]+, t è il tempo di reazione, r è il raggio di AgNPs, k2 è una costante, p2 è la densità di Ag, V2 è il volume di reazione e N2 è il numero di AgNPs è uguale a n · S, in cui n è il numero medio di catecolo attivo gruppi che possono ridurre Ag [(NH3)2]+. I AgNPs sono trattati come sfere:
(5)
Nell'equazione, il numero di AgNPs è stato presupposto per essere direttamente proporzionale alla superficie di PDA, che dipendevano gli spessori degli strati PDA. Sulla superficie degli strati PDA, il AgNPs è cresciuto con la continua riduzione di Ag [(NH3)2]+, mentre le obbligazioni di metallo (0) presso il sito O del PDA servito come il precursore di seme di AgNPs. Il numero di AgNPs è proporzionale al sito O il PDA, che è direttamente proporzionale alla superficie23,29,30,31. D'altra parte, la ridotta AgNPs sono distribuiti uniformemente sulla superficie del PDA perché l'Ag [(NH3)2]+ è stata ridotta dai gruppi del catecolo in uniforme sui livelli PDA. Risultati sperimentali hanno mostrato che più alto le concentrazioni iniziali di Ag [(NH3)2]+ erano, più grande il AgNPs erano, ma con un numero simile di NPs su ogni ND. Il rapporto delle concentrazioni iniziali di [Ag (NH3)2]+ (C2) rapporto (0,6 mg / mL: 0,4 mg / mL = 1,5) erano costanti con il raggio medio al cubo [(14/12)3= 1.588]. Pertanto, se una maggiore densità delle particelle è desiderata il PDA-NDs, uno strato più spesso di PDA-NDs deve essere selezionato ma, se sono necessari dei criteri di rete di dimensioni maggiori, una più lunga durata di riduzione sarebbe soddisfare il requisito.
Per rimuovere il non reagiti [Ag (NH3)2]+ durante il processo di purificazione, si consiglia una velocità di centrifugazione alta a causa della bassa densità del NDs. Maggiore è la velocità di centrifugazione, minore è la durata di purificazione sarà, che fornirà il migliore controllo delle dimensioni di AgNPs. Inoltre, la sonicazione è un approccio indispensabile per l'ottenimento di AgNPs uniforme. I campioni dovrebbero essere sonicati per alcuni minuti inizialmente prima Ag [(NH3)2]+ soluzioni vengono aggiunti.
Abbiamo dimostrato un metodo facile per la modificazione superficiale di NDs con PDA self-polimerizzato. Confrontato con il metodo di fare clic su chimica, questa strategia, non solo migliora la stabilità e dispersità ND, ma fornisce anche una piattaforma reattiva (strato di PDA) per la potenziale post-modificazione riducendo le nanoparticelle di metalli o collegamento con aminoacidi/tiolo attaccato specie. Lo spessore di uno strato di PDA e le dimensioni delle nanoparticelle su superfici ND possono essere modificati variando PDA e Ag [(NH3)2]+ le concentrazioni. Può essere utilizzati anche per ridurre AuNPs o altri criteri di rete di metallo nobile. Combinando la diversità di chimica di PDA e le proprietà uniche di NDs, questo metodo aprirà la porta per estendere le applicazioni di ND nel catalizzatore, energia e settori biomedici.
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Disclosures
Gli autori non hanno nulla a rivelare.
Acknowledgments
Questa ricerca è stata sostenuta dalla National Science Foundation (CCF 1814797) e Università di Missouri Research Board, centro di ricerca di materiale e il College of Arts and Science presso Missouri University of Science and Technology
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 |
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