Summary
Um protocolo facile é apresentado para funcionalizar as superfícies de nanodiamantes com polydopamine.
Abstract
Functionalization superfície de nanodiamantes (NDs) é ainda um desafio devido à diversidade de grupos funcionais nas superfícies de ND. Aqui, demonstramos um protocolo simples para a modificação da superfície multifuncional de NDs usando revestimento de mexilhão-inspirado polydopamine (PDA). Além disso, a camada funcional do PDA no NDs poderia servir como um agente redutor para sintetizar e estabilizar as nanopartículas de metal. Dopamina (DA) pode polimerizar self e espontaneamente formar camadas de PDA em superfícies ND se o NDs e dopamina são simplesmente misturados. A espessura de uma camada de PDA é controlada pela variação da concentração de DA. Um resultado típico que mostra uma espessura de 5 ~ a ~ 15 nm da camada PDA pode ser alcançado pela adição de 50 a 100 µ g/mL para suspensões de ND 100 nm. Além disso, os PDA-NDs são usados como substrato para reduzir os íons metálicos, tais como Ag [(NH3)2]+, para (AgNPs) de nanopartículas de prata. Os tamanhos das AgNPs dependem as concentrações iniciais de Ag [(NH3)2]+. Juntamente com um aumento na concentração de Ag [(NH3)2]+, aumenta o número de NPs, bem como os diâmetros das NPs. Em resumo, este estudo não só apresenta um método fácil para modificar as superfícies de NDs com PDA, mas também demonstra a funcionalidade aprimorada de NDs escorando-se várias espécies de interesse (como AgNPs) para aplicações avançadas.
Introduction
Nanodiamantes (NDs), um romance material à base de carbono, têm atraído a atenção considerável nos últimos anos para o uso em várias aplicações1,2. Por exemplo, as áreas de superfície elevadas de NDs apoio excelente catalisador de nanopartículas de metal (NPs) devido à sua estabilidade química super e condutividade térmica3. Além disso, NDs desempenhar papéis importantes em bio-imagem, bio-detecção e administração de medicamentos, devido a sua excelente biocompatibilidade e nontoxicity4,5.
Para estender com eficiência seus recursos, que é valioso para conjugar espécie funcional nas superfícies de NDs, tais como proteínas, ácidos nucleicos e nanopartículas6. Embora uma variedade de grupos funcionais (ex., hidroxila, carboxila, lactona, etc.) são criados nas superfícies de NDs durante sua purificação, os rendimentos de conjugação dos grupos funcionais ainda são muito baixos por causa da baixa densidade de cada um grupo químico ativo7. Isso resulta em NDs instáveis, que tendem a agregação, limitando ainda mais a aplicação8.
Atualmente, os métodos mais comuns utilizados para funcionalizar NDs, são conjugação covalente usando clique sem cobre química9, enlace covalente de peptídeo de ácidos nucleicos (PNA)10e auto montado DNA11. O envolvimento de não-covalente de NDs também foi proposto, incluindo o hidrato de carbono-modificado BSA4e revestimento de12HSA. No entanto, porque esses métodos são demorados e ineficiente, é desejável que um método simples e geralmente aplicável pode ser desenvolvido para modificar as superfícies do NDs.
Dopamina (DA)13, conhecida como um neurotransmissor natural no cérebro, foi amplamente utilizado para aderir e funcionalização de nanopartículas, como nanopartículas de ouro (AuNPs)14, Fe2O315e SiO216 . Camadas de PDA auto polimerizadas enriquecem grupos aminoácidos e fenólicos, que podem ser utilizados mais para reduzir diretamente nanopartículas de metal ou para imobilizar facilmente tiol/amina-contendo biomoléculas na solução aquosa. Esta abordagem simples foi recentemente aplicada para funcionalizar NDs por Qin et al. e o nosso laboratório17,18, embora derivados DA foram empregados para modificar NDs via química clique em anteriores estudos19,20.
Aqui, descrevemos um método de simples modificação da superfície baseado em PDA que eficientemente functionalizes NDs. Variando a concentração DA, podemos controlar a espessura de uma camada de PDA de alguns nanómetros a dezenas de nanômetros. Além disso, as nanopartículas de metal são diretamente reduzidas e estabilizadas na superfície sem a necessidade de agentes tóxicos de redução adicional de PDA. Os tamanhos de nanopartículas de prata dependem as concentrações iniciais de Ag [(NH3)2]+. Este método permite a deposição bem controlada de PDA nas superfícies de NDs e a síntese de ND conjugados AgNPs, , que dramaticamente estende a funcionalidade do NDs como excelentes nano-plataformas de catalisador suporta, bio-imagem, e bio-sensores.
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Protocol
1. Preparação dos reagentes
Atenção: Por favor leia e entenda todas as fichas de dados de segurança (MSDS) antes do uso. Alguns dos produtos químicos são tóxicos e voláteis. Por favor, siga os procedimentos do tratamento especial e os requisitos de armazenamento. Durante o procedimento experimental, use equipamento de protecção pessoal, como luvas, óculos e um jaleco para evitar perigos potenciais.
- Preparação de tampão Tris-HCl
- Dissolver 30,29 g de pó de Tris em 100 mL de deionizada H2O, certifique-se de que o pó se dissolva completamente e em seguida, transferir a solução para um balão de 250 mL-aferido.
- Adicione desionizada H2O na escala de 250 mL o balão volumétrico para dar 1,0 M de tampão Tris.
- Diluir o tampão Tris 1.0 M 100 vezes para dar 0,01 M Tris amortecedor e ajustar o pH a 8.5 usando solução padrão de HCl 1,0 M.
- Use um medidor de pH para calibrar o valor do buffer de 0,01 M Tris-HCl pH.
- Preparação de suspensões de ND
- Diluir a 100 nm de monocrystalline ND suspensões (1,0 mg/mL) 50 vezes com o buffer M Tris-HCl 0,01 0,02 mg/mL de suspensões de ND de dar.
- Preparação da solução de dopamina
- Dissolva 20 mg de cloridrato de dopamina em 2,0 mL de tampão de M Tris-HCl 0,01 para dar 10 mg/mL DA solução.
Nota: A solução DA deve ser recentemente preparada e usada dentro de 15 min.
- Dissolva 20 mg de cloridrato de dopamina em 2,0 mL de tampão de M Tris-HCl 0,01 para dar 10 mg/mL DA solução.
- Preparação da solução de OH Ag [(NH3)2]
- Dissolva 100 mg de AgNO3 sólido em 10 mL de deionizada H2O para dar 10 mg/mL solução de AgNO3 .
- Adicionar 1,0 M de hidróxido de amônio (NH3· H2O) gota a gota à solução AgNO3 até amarelo precipitar formas e, em seguida, continuar a adicionar o NH3· Solução de H2O até que desapareça a precipitação.
Nota: Verifique o volume mínimo exigido; preparar imediatamente antes do uso e descarte imediatamente após o uso.
Atenção: Adicione NH3· H2O na coifa com cara de escudos, luvas e óculos de proteção.
2. Síntese PDA camada na superfície do NDs (PDA-NDs)
- Adicionar a solução recentemente preparada DA (10 mg/mL) para as suspensões de ND dar variadas concentrações finais de 50, 75, 100 µ g/mL de DA. Ajustar o volume da reação total de 1,0 mL, transferir para um tubo de 10 ensaio mL e agitar vigorosamente a 25 ° C, no escuro por 12h.
- Centrifugue a solução de PDA-NDs para 2 h a 16.000 x g, remover o sobrenadante e lavar três vezes com água desionizada para 1 h em 16, 000 x g cada vez.
- Re-dispersar os PDA-NDs em 200 µ l de água desionizada com sonication por 30 s. O PDA - revestido NDs estará pronto para utilização posterior.
3. Redução de AgNPs na superfície do PDA-NDs (AgNPs-PDA-NDs)
- Dilua a 40 µ l dos PDA-NDs pre-sintetizados na etapa 2.3 duas vezes com água desionizada. Adicionar Ag [(NH3)2] OH solução dar várias concentrações finais de Ag [(NH3)2]+ (0.08 0.16, 0,24, 0,40 e 0,60 mg/mL).
- Ajuste o volume final de 100 µ l em um tubo de 1,5 mL-centrífuga adicionando água desionizada, seguida por sonication por 10 min.
- Centrifugue os AgNPs-PDA-NDs por 15 min a 16.000 x g para remover os íons de prata livre, descartar o sobrenadante após a centrifugação, adicionar 100 µ l de água deionizada e lavar três vezes com água desionizada a 16.000 x g por 5 min cada tempo.
- Re-dispersar os AgNPs-PDA-NDs em 100 µ l de deionizedwater com sonication por 30 s para preparar para utilização posterior.
4. Análise de PDA-NDs e Clusters AgNPs-PDA-NDs
- Espectro ultravioleta-visível (UV)
- Use os espectros de UV para monitorar a distribuição de tamanho médio de AgNPs nas superfícies de PDA-ND. Transferir as amostras de AgNPs-PDA-NDs preparadas no passo 3.4 com concentrações variadas de Ag [(NH3)2] OH em 1 cubeta de quartzo-cm e monitorar a absorção no comprimento de onda de varredura de 250 a 550 nm.
- Microscopia de eleição de transmissão (TEM)
- Coloque as grelhas de cobre de carbono revestido em uma corrediça de vidro envolvida com parafilm para manter as grades no lugar. Insira a lâmina de vidro com grades TEM anexados o plasma líquido de limpeza. Ligue o limpador de plasma e a bomba de vácuo. Após 5 min, ligue o plasma e as grelhas com um nível de potência média por 3 min de descarga.
- Depósito de 5 µ l das amostras do filme de carbono revestido Cu-grades para 3 min. Use papel de filtro para pavio fora a amostra extra da borda da grade. Em seguida, depositar uma gota de água deionizada na grelha por 15 s para remover sais, então wick fora da água com papel de filtro. Repita o procedimento de lavagem duas vezes e permitir a grade para o ar seco para utilização posterior.
- Visualize as amostras pela TEM, normalmente em 38.000 ampliação de X. Operar em 200 KV.
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Representative Results
A formação de camadas de PDA em superfícies ND foram analisados pela TEM (Figura 1). Observaram-se diferentes espessuras das camadas de PDA como concentrações mais altas DA levou a camadas mais espessas de PDA. Além disso, depois de uma reação de encapsulamento, a cor da solução NDs mudou de incolor ao mais escuro, enquanto o maior a concentração inicial DA era, se tornou a solução mais escura.
Figura 2 descreve a redução da Ag [(NH3)2]+ para AgNPs na superfície de 100 superfícies nm PDA-ND. A distribuição de tamanho de AgNPs, calculado pela TEM, foram usados para determinar a dependência da concentração original de Ag [(NH3)2]+ sobre os tamanhos do AgNPs.
O gráfico na Figura 3 apresenta o procedimento em duas etapas para a funcionalização da superfície de NDs por PDA e para redução de íons metálicos no NPs sobre as camadas de PDA-ND.
A formação de AgNPs na superfície de ND foi monitorada por espectros de UV-vis (Figura 4). A intensidade dos picos no ~ 400 nm aumentou, juntamente com um aumento da concentração da solução de prata enquanto os picos mostraram um-desvio para o vermelho, indicando a formação de AgNPs com tamanhos de aumento.
Figura 1 . Caracterização das espessuras dos PDA camadas nas superfícies de 100 nm NDs com concentrações variadas DA (0, 50, 75 e 100 μg/mL) e sua correspondente TEM imagens. As espessuras médias de cada camada de PDA são ~ 5 nm (B), ~ 10 nm (C) e ~ 15 nm (D), respectivamente. A fotografia de baixo-relevo mostra a mudança colorimétrica nas amostras correspondentes. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 . Caracterização de AgNPs-PDA-NDs. Imagens de temperatura da AgNP-PDA-NDs e a distribuição de tamanho de AgNPs, adicionando 0,4 mg/mL (A) e (B) de 0,6 mg/mL de [Ag(NH3)2]+, respectivamente. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 . Diagrama de gráfico de parede da superfície functionalization de NDs. Functionalization duas etapas da superfície do NDs: (1) o revestimento de superfície de NDs com DA polimerização; (2) a redução de íons metálicos no NPs na camada de PDA. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 . Caracterização de AgNPs reduzida nas superfícies de NDs, através de espectroscopia UV-vis. Esta figura foi modificada e reimpressa com permissão da Zeng et al 17. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Tabela 1 . A espessura da camada de PDA e o tamanho de AgNPs reduzido. a validação dos modelos matemáticos com dados experimentais. A espessura da camada de PDA é determinada pela concentração inicial DA e a relação das concentrações iniciais de [Ag (NH3)2]+ é consistente com o raio médio em cubos de AuNPs.
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Discussion
Este artigo fornece um protocolo detalhado para a superfície functionalization de NDs com auto polimerizada DA camada e a redução da Ag [(NH3)2]+ para AgNPs em camadas de PDA (Figura 3). A estratégia é capaz de produzir várias espessuras das camadas de PDA, simplesmente alterando a concentração de DA. O tamanho da AgNPs também pode ser controlado, alterando a concentração original da solução do íon do metal. A imagem TEM na Figura 1A exibe os não revestidos 100 nm NDs, que tendiam a forma microclusters e agregados. Quando NDs foram encapsulados com PDA, as camadas de PDA mostradas-se como um fino anel redondo do NDs. As espessuras das camadas PDA, medido nas imagens TEM, foram cerca de 5 nm, 10 nm e 15 nm, o que correspondeu às concentrações DA finais de 50 µ g/mL, 75 µ g/mL e 100 µ g/mL, respectivamente. Observou-se a cor da suspensão NDs para alterar de incolor para PDA seguir escuro, revestimento, indicando o envolvimento de sucesso de PDA em superfícies de ND e mostrando que a espessura do PDA era dependente da concentração de DA. Por favor, note: o fator crítico que influencia a polimerização DA é a condição de pH (o valor mais favorável é 8,523). O valor exato de pH de uma solução é benéfico para controlar as espessuras das camadas de PDA. Além disso, a agitação rápida durante a polimerização é necessária para a desagregação de NDs e a formação de uma camada uniforme de PDA. Portanto, esse método não é eficaz para todas as partículas que são instáveis em soluções alcalinas.
Para descrever os influentes fatores que contribuíram para a espessura do PDA, apresentamos equação (1) para descrever a formação de uma camada de PDA em superfícies de ND. Isto é baseado na equação cinética da deposição do PDA sobre nanopartículas de anteriores relatórios21,22. As concentrações iniciais DA (C1, m/v), tempo de reação (t) e a espessura da camada de PDA (d), são as seguintes:
(1)
R é o raio do NDs (assumindo que NDs são esferas), p1 é a densidade do PDA, V1 é o volume de reação, N1 é o número de NDs e k1 é uma constante relacionada com valores de pH, parciais pressão de O2, temperatura ambiente e intensidade luminosa23. Portanto, a espessura de uma camada de PDA pode ser escrita como equação (2)
(2)
Ou se podemos reescrever equação (1) (3):
(3)
Em seguida, eliminar d3 e 3d2R porque d é distante menos do que R (d<<R).
Finalmente, o d pode ser expressa como equação (4)
(4)
O processo de revestimento necessário 12 h, com DA sendo completamente consumida e monitorado por espectros de UV-vis. Portanto, 
foi uma constante, e o valor de d foi diretamente proporcional para as concentrações iniciais DA (C1), que foram confirmadas por nossos resultados experimentais (tabela 1). Por favor note, juntamente com o aumento nas espessuras das camadas PDA, velocidades de acumulação das camadas foram mais lentas devido os aumentos nas áreas superficiais de NDs-PDA.
A presença dos grupos de catecol no PDA tem sido mostrada para induzir diretamente o crescimento das nanopartículas sobre a redução dos precursores de metal e sua imobilização em uma superfície revestida PDA24,25,26, 27. Após revestimento 100 nm NDs com uma camada de PDA (~ 15 nm), os PDA-NDs resultantes foram utilizados como substrato para sintetizar AgNPs de uma solução do íon do metal, com o auxílio de sonication. Como visto na Figura 2, com o aumento de [Ag (NH3)2]+ concentração, o tamanho de AgNPs aumentou de ~ 24 nm a ~ 28 nm e o número de NPs elevado de 97 a 117, correspondente ao [Ag (NH3)2] + concentração de 0,4 a 0,6 mg/mL, respectivamente. Este fenômeno também pode ser caracterizado por espectroscopia UV-vis. O pico de absorbância de nanopartículas gradualmente apareceu como a concentração de [Ag (NH3)2]+ aumentada (Figura 4). Por exemplo, a absorbância máxima de nanopartículas, formado por redução de 0,4 e 0,6 mg/mL de [Ag (NH3)2]+, é de 410 e 430 nm, que corresponde a AgNPs com os diâmetros de ∼20 e ∼30 nm, respectivamente. Isto é consistente com a observação de TEM17.
O diâmetro da AgNPs reduzida segue o primeiro diferencial linear de ordem equação (,5), que é semelhante para a síntese de crescimento semeado de AuNPs28, onde o S é a área da superfície de PDA-NDs, C2 é a concentração inicial de Ag [(NH3)2]+, t é o tempo de reação, r é o raio do AgNPs, k2 é uma constante, p2 é a densidade do Ag, V2 é o volume de reação N2 é o número de AgNPs e é igual a S · n, onde n é o número médio de catecol ativo os grupos que pode reduzir Ag [(NH3)2]+. Os AgNPs são tratados como esferas:
(5)
Na equação, o número de AgNPs foi considerado diretamente proporcional à área de superfície de PDA, que dependia as espessuras das camadas PDA. Na superfície das camadas PDA, a AgNPs cresceu com a redução contínua da Ag [(NH3)2]+, enquanto os títulos de metal (0) no local-O do PDA que serviu como o precursor da semente do AgNPs. O número de AgNPs é proporcional ao site-O no PDA, que é diretamente proporcional a área de superfície23,29,30,31. Por outro lado, os AgNPs reduzidas são distribuídos uniformemente na superfície de PDA porque o Ag [(NH3)2]+ foi reduzida pelos grupos uniformizados catecol sobre as camadas de PDA. Resultados experimentais mostraram que quanto maior a concentração inicial de Ag [(NH3)2]+ eram, quanto maior as AgNPs, mas com um número similar de NPs em cada ND. A relação das concentrações iniciais de [Ag (NH3)2]+ (C2) ratio (0,6 mg / mL: 0,4 mg / mL = 1.5) foram consistentes com o raio médio ao cubo [(14/12)3= 1.588]. Portanto, se uma maior densidade de partículas é desejada sobre os PDA-NDs, uma espessa camada de PDA-NDs deve ser seleccionada, mas, se os tamanhos maiores de NPs são necessários, uma maior duração de redução iria cumprir a exigência.
Para remover o não tenha reagido [Ag (NH3)2]+ durante o processo de purificação, recomenda-se uma velocidade de centrifugação de alta devido a baixa densidade do NDs. Quanto maior a velocidade de centrifugação é, quanto menor a duração de purificação será, que proporcionará um melhor controlo dos tamanhos das AgNPs. Além disso, sonication é uma abordagem indispensável para a obtenção de AgNPs uniforme. As amostras devem ser sonicated por alguns minutos inicialmente antes Ag [(NH3)2]+ soluções são adicionadas.
Temos demonstrado um método fácil para a modificação da superfície de NDs com PDA auto polimerizada. Comparado com o método de clique em química, esta estratégia, não só melhora dispersity ND e estabilidade, mas também fornece uma plataforma reativa (camada de PDA) para modificação pós potencial reduzindo as nanopartículas de metal ou ligação com amino/tiol anexado espécies. A espessura de uma camada de PDA e o tamanho das nanopartículas em superfícies ND podem ser alterados, variando de PDA e Ag [(NH3)2]+ concentrações. Eles também podem ser utilizados para reduzir a AuNPs ou outro NPs de metal nobre. Combinando a diversidade da química de PDA e as propriedades únicas do NDs, esse método vai abrir a porta para estender aplicativos do ND no catalisador, energia e áreas biomédicas.
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Disclosures
Os autores não têm nada para divulgar.
Acknowledgments
Esta pesquisa foi apoiada pela National Science Foundation (CCF 1814797) e placa, centro de pesquisa de Material e a faculdade de artes e Ciências na Universidade de Missouri da ciência e tecnologia de investigação da Universidade de Missouri
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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