Sichtbares Licht induzierte Reduktion von Graphenoxid Mit Plasmonische Nanopartikel

Zusammenfassung

Ein einfaches Protokoll zur Herstellung von reduzierten Graphenoxids Verwendung von sichtbarem Licht und plasmonic Nanopartikel beschrieben.

Zusammenfassung

Vorliegende Arbeit zeigt die einfachen, chemischen kostenlos, schnell und energieeffiziente Methode, um reduzierte Graphenoxid (r-GO) Lösung bei RT produzieren mit Bestrahlung mit sichtbarem Licht mit Plasmonen Nanopartikel. Die Plasmonen Nanopartikel verwendet, um die Reduktionseffizienz von GO zu verbessern. Es dauert nur 30 min bei RT durch Beleuchten der Lösungen mit Xe-Lampe, kann der R-GO-Lösungen von Goldnanopartikeln vollständigen Entfernung durch einfache Zentrifugation Schritt erhalten werden. Die kugelförmigen Goldnanopartikel (AuNPs) im Vergleich zu den anderen Nanostrukturen ist die geeignetste plasmonic Nanostruktur für r-GO Zubereitung. Mit sichtbarem Licht die reduzierte Graphenoxid vorbereitet und AuNPs war ebenso qualitative als chemisch reduzierte Graphenoxid, die durch verschiedene analytische Verfahren, wie UV-Vis-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie, Pulver-XRD und XPS unterstützt wurde. Die reduzierte Graphenoxid mit sichtbarem Licht bereit zeigt hervorragende Löscheigenschaften über die Fluorzier Moleküle auf ssDNA und ausgezeichnete Fluoreszenz Recovery für Ziel-DNA-Detektion modifiziert. Die r-GO durch Recycling AuNPs hergestellt wird festgestellt, dass der gleiche Qualität mit der des chemisch reduziert r-GO können. Die Verwendung von sichtbarem Licht mit plasmonic Nanopartikel zeigt die gute Alternative Verfahren zur r-GO-Synthese.

Einleitung

Das erste entwickelte Scotch-Tape-basierte Methode ^{1 und} chemische Gasphasenabscheidung ² waren ausgezeichnet Methoden, um den ursprünglichen Zustand eines Graphen zu erzeugen, aber der Groß Graphen-Synthese oder Graphenschicht Bildung auf der Oberfläche mit großen Bereich haben als Schlüssel Begrenzung angesehen früheren Verfahren. ³ Eine mögliche Lösung für große R-GO Synthese naßchemischen synthetischen Verfahren, erfordert zunächst die Reaktionen mit starken Oxidationsmitteln, umfangreiche physikalische Behandlung wie Beschallung herzustellen GO Bogen und schließlich die Reduktion von Sauerstoff Funktionalitäten wie sein Hydroxy, Epoxid und Carbonylgruppen in GO ist wesentlich, um in seinen ursprünglichen physikalischen Eigenschaften zu gewinnen. ⁴ Teilweise wird die Reduktion von GO wurde entweder mit chemischen Verfahren unter Verwendung von Hydrazin oder seine Derivate ^{5 oder} durch Wärmebehandlungsverfahren 550-1,100 ° durchgeführt ( C) in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre. ⁶

jove_content "> Diese Verfahren erfordern die giftigen Chemikalien, lange Reaktionszeit und hoher Temperatur, die Gesamtenergiebedarf für die r-GO Synthese erhöht. ⁷ Während die Foto-Bestrahlung Reduktionsverfahren, wie beispielsweise ^{UV-induzierte,} 8 photothermischen Verfahren unter Verwendung eines Xenon-Impuls ^Flash, 9 gepulsten Laser unterstützte ^{10 und} photothermische Heizung mit Blitzlampen ¹¹ sind auch für die Herstellung von gemeldet r-GO. Im Allgemeinen ist die geringe Effizienz der Umwandlung der photoinduzierten Verfahren auf die Verwendung von UV oder gepulste propagiert Laserbestrahlung, die hohe Photonenenergie liefern kann. Der geringe Energie von sichtbarem Licht Photonen schränkt seine Verwendung und nicht angezogen viel für r-GO-Synthese. Hervorragende Lichtabsorptionseigenschaften plasmonischer Nanopartikel im sichtbaren und / oder NIR-Bereich können die aktuellen Nachteile erheblich verbessern der Verwendung von sichtbarem Licht für r-GO-Synthese. ^12,13 milden Reaktionsbedingungen kurze Reaktionszeit und begrenzter Verwendung toxischer chemicals könnte das sichtbare Licht induzierten Plasmonen-unterstützte photokatalytische Reduktion von GO als eine nützliche Alternative Methode zu machen.

Im vorliegenden Verfahren beschreiben wir die effiziente und einfache r-GO Syntheseverfahren unter Verwendung von Plasmonen Nanopartikeln und sichtbares Licht. Der Reaktionsfortschritt wurde wie sphärische Gold-Nanopartikel (AuNPs), Gold-Nanostäbchen (AuNRs) und Gold nanostars (AuNSs) als stark abhängig von den Strukturen der Plasmonen Nanopartikel sein. Der Einsatz von AuNPs zeigten die wirksamste Verringerung der GO und die Nanopartikel leicht entfernbare und wiederverwertbare für den wiederholten Gebrauch (Abbildung 1). Die r-go mit sichtbarem Licht synthetisiert und AuNPs zeigten fast gleichen Qualität im Vergleich mit dem R-GO durch bekannte chemische Verfahren (Hydrazin), wie durch die Verwendung von verschiedenen analytischen Messungen und der Fluoreszenzlöschung / Recovery-basierte DNA-Nachweisverfahren nachgewiesen vorbereitet.

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Protokoll

1. Herstellung der Vorstufe

1. Herstellung von Graphenoxid (GO):
   1. GO Vorbereitung mit modifizierten Hummer-Methode ¹⁴
      1. Hinzufügen von 3,0 g Graphitflocken zu einer Mischung aus konzentrierter H _{2 SO 4} / H _{3 PO 4} (360: 40 ml) bei RT. (Hinweis: Besondere Sorgfalt muss bei der Verwendung von starken Säuren _H 2 SO 4 und _H 3 PO 4 entnommen werden.)
      2. Hinzufügen _KMnO 4 (18,0 g) langsam unter Rühren und Kühlen in einem Eisbad, um die Temperatur des Reaktionsgemisches auf <35 ° C zu halten. (Die klebrig mit erhöhter Reaktionszeit-Lösung benötigen, um die ordnungsgemäße Methode verwenden, um ein effizientes Rühren aufrecht zu erhalten.) (Hinweis: Besondere Sorgfalt muss genommen werden, während es _KMnO 4 aufgrund der exothermen Reaktion.)
      3. Rühre 12 Stunden bei 50 ° C und dann auf RT abkühlen und gießt Reaktionsgemisch auf Eis (400 ml), das _30% H 2 _O 2 (3 ml).
      4. Filtern Sie die reAction Mischung unter Verwendung einer Metall US Standardtest Sieb (300 um), um nicht umgesetzte Graphit und Zentrifuge das Filtrat (4722 xg Geschwindigkeit für 2 Stunden) zu entfernen, um den Überstand zu entfernen.
      5. Wiederholen Zentrifugationsschritt mit 200 ml Wasser, 200 ml 30% HCl, 200 ml Ethanol und destilliertem Wasser wieder bis zu einem pH von 5,0-6,0 zu erreichen Lösung bei.
      6. Lyophilisieren die endgültigen Lösungen für einen flauschigen GO Pulver herzustellen.
      7. Um Nano GO-Lösung herzustellen, in 40 ml dreifach destilliert Wasser (> 18 M & Omega;) aufzulösen 20 mg GO-Pulver und dann bei längerer Ultraschallbehandlung (35% Amplitude, 500 W, 2 h), Peeling, bis der gesamte Größenverteilung werden unter 150 nm, dann zentrifugieren es zweimal (10.625 xg Geschwindigkeit, 15 min), um Niederschläge zu (un-abgeblätterten großen GO Blätter) zu entfernen.
2. Vorbereitung plasmonischer Nanopartikel
   1. Herstellung von AuNPs
      1. Citrat-stabilisierten Kugelform Gold-Nanopartikel (AuNPs, OD = 1,0) von 30 nm Partikelgröße wurde für r-GO Reduktion verwendet.
   2. Herstellung von AuNRs ¹⁵
      1. Vorbereitung der Keimlösung durch Zugabe einer frisch hergestellten 0,6 ml eiskalten Lösung von NaBH _{& sub4; -Lösung} (0,01 M) in eine wässrige Mischlösung compose von 0,25 ml HAuCl ₄ (0,01 M) und 9,75 ml Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB, 0,1 M ).
      2. Die resultierende Mischung kräftig für 0,5 min und dann halten Sie es bei 28 ° C für 3 Stunden.
      3. Vorbereitung der Wachstumslösung durch Vermischen von 475 ml CTAB (0,1 M) wurden 3 ml AgNO ₃ (0,01 M) und 20 ml HAuCl ₄ (0,01 M).
      4. Dann frisch hergestellten 3,2 ml Ascorbinsäure (0,01 M) zu der Mischung, gefolgt von der Zugabe von 0,8 ml einer wässrigen HCl (1,0 M) Lösung zuzugeben.
      5. Im letzten Schritt hinzuzufügen 3,2 ml Keimlösung zu der Wachstumslösung bei 28 ° C und unterziehen das Reaktionsgemisch auf eine schnelle Inversion für ein paar Sekunden. Schließlich keep der resultierenden Mischung ungestört für mindestens 6 Stunden.
      6. Analyse der hergestellten AuNRs mit UV-Vis-Spektroskopie zur Absorptionsmaxima (λ _{max) und} TEM-Analyse (typischerweise die λ _max und dem Seitenverhältnis wurde gefunden, 730 nm bzw. 3,5 sein).
   3. Herstellung von AuNSs ¹⁶
      1. Vorbereitung einer wässrigen Stammlösung von 4- (2-Hydroxyethyl) -1-piperazinethansulfonsäure (HEPES) mit einer Konzentration von 100 mM und der pH auf 7,4 bei 25ºC einstellen durch Zugabe von 1,0 M NaOH-Lösung.
      2. Mix 20 ml Phosphatpuffer (100 mM) mit 30 ml 2- [4- (2-Hydroxyethyl) -1-piperazinyl] ethansulfonsäure (100 mM).
      3. Dann fügen Sie 500 ul von Gold (III) -chlorid-Trihydrat (20 mM) zu der obigen Mischung und hält bei 28,5 ° C für 30 min im Wasserbad. Lösung Farbe von hellgelb bis grünlich-blau nach 30 Minuten beobachtet werden.
      4. Zentrifugieren Sie die Lösung bei 8928 xg Geschwindigkeit für 30 Minuten und zu dispergierendie Präzipitate in destilliertem Wasser.
      5. Schließlich analysiert man die vorbereitete AuNSs mit UV-Vis-Spektroskopie zur Absorptionsmaxima (λ _{max) und} TEM-Analyse für Teilchengröße Bestätigung ein, der 740 nm und 30 nm betragen.

2. Herstellung von r-GO mit sichtbarem Licht und AuNPs

1. 1 ml plasmonic Nanopartikel (Abs 1,0 bei 520 nm für AuNPs, Abs 1,0 bei 750 nm für AuNRs und ABS-1,0 bei 730 nm für AuNSs bezeichnet), und 100 ul von Ammoniumhydroxid (28%, w / v%) und 10 ml der GO-Lösung (OD 1,0 bei 230 nm, 0,125 mg ml ^-1) in einem Pyrex-Glasreaktor mit einem Wasserzirkulationsmantel ausgestattet war.
2. Bestrahlen der Mischung mit Xe-Lampe (Leistungsdichte von 1,56 ^W cm -2) für 30 Minuten mit Wasserumlauf durch die Wasserzirkulationsmantel um die Temperatur auf 25 ° C zu halten und dann zu zentrifugieren die Lösung bei 10.625 xg Geschwindigkeit für 15 minentfernen Gold-Nanopartikeln.
3. Nehmen Sie den Überstand, der die vorbereitet r-GO, um mit UV-Vis-Spektralphotometer Analyse im Bereich von 200 bis 900 nm (r-GO sollte die Unterscheidungsabsorptionsbande bei 270 nm zeigen).

3. Ziel-DNA-Nachweis unter Verwendung von R-GO-Lösung ¹⁷

1. Für Fluoreszenzlöschung, fügen Sie 20 ul ¹⁰ -6 M Cy3-modifizierte ssDNA (5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC CTC-Cy3-3 ') in GO oder r-GO Lösung, die 25 & mgr; l GO (0,125 mg ml ^{-1) oder} r-GO (0,125 mg ml ^-1) in 1.955 & mgr; l von 0,3 M PBS-Lösung (10 mM Phosphatpuffer, 0,3 M NaCl) und Inkubation für 10 min bei RT.
2. Messung der Fluoreszenzintensität der Proben mit Spektralfluorometer (λ _{ex =} 529 nm).
3. Zur Zielerkennung, fügen Sie 200 ul der Target-Oligonukleotid-Lösung (5'-GAG GGA TTA TTA TTG AAT ATT GAT AAG GAT-3 ') in drei verschiedenen Konzentrationen ⁽¹⁰ -6 ^</ sup> M, ¹⁰ -7 M, ¹⁰ -8 M) in den GO oder r-GO-Lösung, enthaltend 20 ul 10 ^{-6 M} ssDNA-Cy3, 25 ul GO oder r-GO (0,125 mg ml ^-1) und 1755 & mgr; l von 0,3 M PBS für die Fluoreszenz-Recovery-Experiment. ¹⁷
   Hinweise:
   Lichtquellen & Reactor
   Sichtbares Licht (400-780 nm) Quelle. Sichtbares Licht zu bestrahlen durch Pyrex-Glasreaktor (Fensterdurchmesser = 1,1 cm), die GO-Lösung mit Xe-Lampe (1,56 ^W / cm 2 Leistung). Die Photonenenergie an den Reaktor angelegt wird berechnet, um 4,8 ^× 10 21 Photonen pro min (2A-2C) sein.
   Nah-Infrarot (NIR) Laser. NIR-Laser (Fensterdurchmesser = 13,2 cm) mit Leistungsdichte von 0,36 ^W / cm 2, und die Betriebswellenlänge von 808 nm als Quelle für nahes Infrarotlicht für GO Reduktionsreaktionen (2E) verwendet wurde. Die Photonenenergie wird berechnet, um 2,43 ^× 10 21 Photonen pro min betragen.
   Reactor: Pyrex-Glasreaktor (Fensterdurchmesser = 1,1 cm; Reaktionsvolumen = 10 ml) mit einem Wasserumlauf Mantel ausgestattet ist sowohl für sichtbares Licht und NIR-Licht bestrahlt verwendet GO Reduktionsreaktionen (2F).

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Ergebnisse

Abbildung 1 zeigt die Gesamtschema für sichtbares Licht und Plasmonen-Nanopartikel auf der Basis r-GO Reduktionsreaktion. Abbildung 2 zeigt die instrumental-Setup für die Reaktionen. Nach der Reaktion ist es erforderlich, den Zentrifugationsschritt, um das verwendete Photokatalysator (AuNSs, AuNRs oder AuNPs), wie in 3A gezeigt, zu entfernen. Die HRTEM-Analyse zeigt das vollständige Entfernen von Nanopartikeln in dem Überstand (r-GO) (3B), die auch ...

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Diskussion

Bestrahlung mit sichtbarem Licht auf GO Lösung für 30 min mit Gold-Nanopartikeln (AuNPs, AuNSs & AuNRs) zeigte den schnellen Farbumschlag von hellgelb-braune bis schwarze Farbe (Abbildung 1). Um hochreines r-GO Produkt in hoher Ausbeute zu erhalten, gibt es zwei wichtige Faktoren zu folgen. Eine davon ist die Verwendung von AuNPs als effiziente plasmonic Katalysators, da AuNPs können stark das sichtbare Licht unter anderen Strukturen (dh AuNRs, AuNSs) absorbieren. Ein weiteres ist die Ve...

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Materialien

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