JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

פרוטוקול פשוט להכנת תחמוצת גרפן המופחתת באמצעות אור נראה וננו-חלקיקים plasmonic מתואר.

Abstract

עבודה הנוכחית מדגימה את השיטה הפשוטה ו, ללא כימיקלים, מהירה, חסכונית באנרגיה כדי לייצר תחמוצת גרפן מופחת (r-GO) פתרון בRT באמצעות הקרנת אור הנראה עם חלקיקי plasmonic. ננו-חלקיקי plasmonic משמש כדי לשפר את יעילות ההפחתה של GO. זה לוקח רק 30 דקות ב RT-ידי הארת הפתרונות עם Xe-מנורה, ניתן להשיג את פתרונות R-GO על ידי הסרת חלקיקי זהב לחלוטין באמצעות צעד צנטריפוגה פשוט. חלקיקים כדורי הזהב (AuNPs) בהשוואה לננו האחר הוא ננו-מבנה plasmonic המתאים ביותר להכנת R-GO. תחמוצת גרפן המופחתת מוכנה באמצעות אור נראה וAuNPs היה באותה מידה איכותית כמו מופחת תחמוצת גרפן, שנתמכה על ידי טכניקות אנליטיות שונות, כגון ספקטרוסקופיה UV-Vis, ספקטרוסקופיית ראמאן, XRD האבקה וXPS כימי. תחמוצת גרפן המופחתת מוכנה עם אור הנראה מראה מאפייני מרווה מצוינים על פלואורידמולקולות escent שונה על ssDNA והתאוששות הקרינה מצוינת לגילוי ה- DNA היעד. R-Go שהוכן על ידי AuNPs הממוחזר יימצא של אותה איכות עם זה של R-GO המופחת כימי. השימוש באור הנראה עם ננו-חלקיקי plasmonic מדגים את השיטה החלופית טובה לסינתזת r-GO.

Introduction

מבוסס הוויסקי-הקלטת הראשונה שפותחה שיטת 1 והאדים כימיים בתצהיר 2 היו שיטות מצוינות לייצר המצב הבתולי של גרפן, אבל היווצרות שכבת סינתזת גרפן בקנה מידה הגדולה או גרפן על פני השטח עם שטח רחב כבר נחשב למגבלה העיקרית של שיטות קודמות. 3 אחד פתרון אפשרי לסינתזת r-GO בקנה מידה גדולה תהיה שיטה רטובה-כימית סינתטית אשר דורשת ראשונה עם תגובות חמצון חזק, טיפול פיזי נרחב כגון sonication לייצר GO גיליון, ולבסוף הירידה של פונקציות כגון חמצן כהידרוקסי, epoxide וקבוצות קרבוניל בGO הוא חיוני כדי לשחזר התכונות הפיסיקליות המקוריות שלה. 4 בעיקר, הירידה של GO בוצעה בשתי שיטות כימיות באמצעות הידרזין או נגזרותיו 5 או בשיטת טיפול תרמית (550-1,100 ° ג) באווירת אינרטי או הפחתה. 6

jove_content "> תהליכים אלה דורשים כימיקלים הרעילים, זמן רב תגובה וטמפרטורה גבוהה שהגדיל את הביקוש לאנרגיה הכולל לסינתזת r-GO. 7 בעוד תהליכי הפחתת הקרנה-תמונה כגון מושרה UV, תהליך 8 צילום תרמי באמצעות קסנון פעמו הבזק, 9 לייזר סייע 10 וצילום תרמי חימום עם אורות פלאש מצלמה 11 דווחו גם כן להכנת R-GO פעם. באופן כללי, יעילות ההמרה הנמוכה של השיטות מושרה תמונה מופצת לשימוש בUV או פעם הקרנת לייזר שיכול לספק אנרגיית פוטון גבוהה. אנרגיית הפוטון הנמוכה של אור הנראה מגבילה את השימוש ולא שלה משך הרבה לסינתזת r-GO. מאפייני קליטת אור מצוין של חלקיקי plasmonic באזורים הגלויים ו / או ניר יכול לשפר את החסרונות הנוכחיים מאוד של השימוש באור הנראה לסינתזת r-GO. 12,13 תנאי תגובה מתון, זמן תגובה קצר ושימוש מוגבל של פרק רעילemicals יכול לעשות plasmon האור הנראה נגרם סייע הפחתת photocatalytic של GO כשיטת חלופית שימושית.

בהווה שיטה, אנו מתארים את השיטה סינתטית r-GO היעילה ופשוטה באמצעות חלקיקי plasmonic ואור הנראה. התקדמות התגובה נמצאה תלוי מאוד על המבנים של חלקיקי plasmonic כגון חלקיקים כדוריים זהב (AuNPs), nanorods זהב (AuNRs), וnanostars זהב (AuNSs). השימוש בAuNPs הראה ההפחתה היעילה ביותר של GO והחלקיקים נשלף בקלות וניתן למחזור לשימוש החוזר (איור 1). R-GO מסונתז באמצעות אור נראה וAuNPs הראה איכות כמעט שווה לעומת r-GO שהוכן על ידי שיטה ידועה כימית (הידרזין) כפי שהודגם על ידי שימוש במדידות אנליטיות שונות ושיטת זיהוי דנ"א מרווה / התאוששות הקרינה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

1. הכנת מבשר

  1. הכנה של תחמוצת גרפן (GO):
    1. הכנת GO באמצעות שינוי השיטה של האמר 14
      1. להוסיף 3.0 גרם של פתיתי גרפיט לתערובת של H המרוכז 2 SO 4 / H 3 PO 4 (360: 40 מיליליטר) ב RT. (הערה: טיפול מיוחד יש לנקוט בעת שימוש בחומצות חזקות H 2 SO 4 וH 3 PO 4).
      2. להוסיף KMnO 4 (18.0 גר ') עם ערבוב לאט וקירור באמבט קרח כדי לשמור על הטמפרטורה של תערובת תגובה ב< 35 מעלות צלזיוס. (הפתרון להיות דביק עם זמן תגובה מוגבר, צריך להשתמש בשיטה נכונה כדי לשמור על ערבוב יעיל.) (הערה: טיפול מיוחד יש לנקוט בעת הוספת 4 KMnO בשל תגובה אקסותרמית.)
      3. מערבבים במשך 12 שעות על 50 מעלות צלזיוס ולאחר מכן מגניב RT ולשפוך תערובת תגובה על קרח (400 מיליליטר) מכיל 30% H 2 O 2 (3 מיליליטר).
      4. סנן את rתערובת eaction באמצעות מתכת תקן אמריקאי בודק מסננת (300 מיקרומטר) כדי להסיר גרפיט unreacted צנטריפוגות (מהירות XG 4722 לשעה 2) התסנין להסיר את supernatant.
      5. חזור על שלב צנטריפוגה עם 200 מיליליטר מים, 200 מיליליטר של 30% HCl, 200 מיליליטר של אתנול, ומים מזוקקים שוב עד pH של הישג יד פתרון ב5.0-6.0.
      6. Lyophilize פתרונות הסופיים לייצר אבקת GO רכה.
      7. על מנת להפוך את פתרון GO nanosized, לפזר 20 מ"ג של אבקת GO ב 40 מיליליטר של מים מזוקקים משולשים (> 18 MΩ), ולאחר מכן לקלף ידי sonication הממושך (משרעת 35%, 500 W, 2 שעות) עד שכל התפלגות הגודל להפוך להלן 150 ננומטר, אז צנטריפוגות זה שתי פעמים (מהירות 10625 XG, 15 דקות) כדי להסיר משקעים (גיליונות GO גדולים מודבק האו"ם).
  2. הכנת ננו-חלקיקי plasmonic
    1. הכנת AuNPs
      1. ננו-חלקיקי זהב צורה כדורית-התייצב ציטראט (Aunנ.ב., OD = 1.0) של 30 ננומטר גודל חלקיקים שימש להפחתת r-GO.
    2. הכנת AuNRs 15
      1. הכן את פתרון הזרע על ידי הוספת פתרון קר כקרח מוכן טרי 0.6 מיליליטר של תמיסת NaBH 4 (0.01 מ ') ללהלחין פתרון תערובת מימית של 0.25 מיליליטר של HAuCl 4 (0.01 מ') ו9.75 מיליליטר של ברומיד cetyltrimethylammonium (CTAB, 0.1 מ ' ).
      2. מערבבים את התערובת וכתוצאה מכך בתוקף ל0.5 דקות ולאחר מכן לשמור אותו על 28 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות.
      3. הכן את פתרון הצמיחה על ידי ערבוב 475 מיליליטר של CTAB (0.1 מ '), 3 מיליליטר של אגנו 3 (0.01 מ') ו -20 מיליליטר של HAuCl 4 (0.01 מ ').
      4. לאחר מכן להוסיף מוכן טרי 3.2 מיליליטר של חומצה אסקורבית (0.01 מ ') לתערובת ואחריו התוספת של 0.8 מיליליטר של HCl פתרון המימי (1.0 מ').
      5. בשלב האחרון להוסיף 3.2 מיליליטר של תמיסת זרע לפתרון הצמיחה בגיל 28 ° C ולהכפיף את תערובת התגובה להיפוך מהיר לכמה שניות. לבסוף, keEP התערובת וכתוצאה מכך ללא הפרעה במשך לפחות 6 שעות.
      6. לנתח AuNRs מוכן עם ספקטרוסקופיה UV- הגלוי למקסימום קליטה (מקסימום λ) וניתוח TEM (בדרך כלל יחס מקסימום λ והיבט נמצא 730 ננומטר ו -3.5 בהתאמה).
    3. הכנת AuNSs 16
      1. הכן תמיסה מימית המניה של 4 (2-hydroxyethyl) חומצת -1-piperazineethanesulfonic (HEPES) עם ריכוז של 100 מ"מ, ולהתאים את ה- pH 7.4 במהירות של 25 ° C על ידי הוספת 1.0 פתרון M NaOH.
      2. לערבב 20 מיליליטר של חיץ פוספט (100 מ"מ) עם 30 מיליליטר של 2 [4 (2-hydroxyethyl) -1-piperazinyl] חומצת ethanesulfonic (100 מ"מ).
      3. ואז להוסיף 500 μl של trihydrate זהב כלוריד (III) (20 מ"מ) לתערובת מעל ולשמור על 28.5 מעלות צלזיוס למשך 30 דקות באמבט מים. שינויי צבע פתרון מצהוב בהירה לכחול ירקרק לאחר 30 דקות יכולות להיות שנצפו.
      4. צנטריפוגה הפתרון במהירות 8928 XG במשך 30 דקות ולפזרמשקעים במים מזוקקים.
      5. לבסוף, לנתח AuNSs מוכן עם ספקטרוסקופיה UV- הגלוי למקסימום קליטה (מקסימום λ) וניתוח TEM לאישור גודל חלקיקים שנמצא 740 ננומטר ו -30 ננומטר, בהתאמה.

2. הכנת R-GO באמצעות אור וAuNPs גלויים

  1. הוסף 1 מיליליטר של חלקיקי plasmonic (ABS 1.0 ב 520 ננומטר לAuNPs, שרירי בטן 1.0 ב 750 ננומטר לAuNRs, ושרירי הבטן 1.0 ב730 ננומטר לAuNSs, בהתאמה) ושל אמוניום הידרוקסיד 100 μl (28%, w /% v) ל 10 מיליליטר של תמיסת GO (1.0 OD ב 230 ננומטר, 0.125 מיליליטר מ"ג -1) ממוקמת בכור זכוכית פיירקס מצויד במעייל במחזור מים.
  2. מכשיר את התערובת עם מנורת Xe (צפיפות הספק של -2 סנטימטרים 1.56 W) למשך 30 דקות עם זרימת מים דרך מעיל מחזורי-מים כדי לשמור על הטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס ואז צנטריפוגות הפתרון במהירות 10625 XG במשך 15 דקות ללהסיר חלקיקי זהב.
  3. קח את supernatant המכיל הכין R-GO לנתח עם UV-גלוי ספקטרופוטומטר (r-GO צריך להראות להקת הקליטה הייחודית ב270 ננומטר) בטווח של 200-900 ננומטר.

3. יעד DNA איתור באמצעות r-GO פתרון 17

  1. למרווית הקרינה, להוסיף 20 μl של 10 -6 ssDNA שונה-Cy3 M (5'-ATC CTT ATC AAT ATT TAA CAA TAA TCC CTC-Cy3-3 ') לפתרון GO או r-GO המכיל 25 μl של GO (0.125 מ"ג מיליליטר -1) או r-GO (0.125 מיליליטר מ"ג -1) ב1,955 μl של 0.3 M פתרון PBS (חיץ פוספט 10 מ"מ, 0.3 M NaCl) והדגירה של 10 דקות ב RT.
  2. למדוד את עוצמת הקרינה של דגימות אלה עם (לשעבר = 529 ננומטר λ) spectrofluorometer.
  3. לגילוי מטרה, להוסיף 200 μl של פתרון oligonucleotide היעד (5'- GAG GGA TTA TTG TTA AAT ATT GAT AAG גטוויק 3 ') בשלושה ריכוזים שונים (10 -6 </ Sup> M, 10 -7 M, 10 -8 M) לפתרון GO או r-GO המכיל 20 μl של 10 -6 M ssDNA-Cy3, 25 μl של GO או r-GO (מיליליטר 0.125 מ"ג -1) , ו1,755 μl של 0.3 M PBS להתאוששות הקרינה ניסוי. 17
    הערות:
    מקורות וכור אור
    אור הנראה מקור (400-780 ננומטר). אור נראה להקרין דרך כור פיירקס זכוכית (חלון קוטר = 1.1 סנטימטרים) המכילים פתרון GO באמצעות מנורת Xe (1.56 W סנטימטר / 2 כוח). אנרגיית הפוטון להחיל את הכור מחושבת להיות 4.8 × 10 21 פוטונים לדקה (2 א-איור 2 ג).
    לייזר אינפרא אדום קרוב (NIR). לייזר ניר (חלון קוטר = 13.2 סנטימטרים) עם צפיפות הספק של 0.36 W / 2 סנטימטר, ואורך גל של 808 ננומטר הפעלה שמש כמקור של אור אינפרה-אדום קרוב לתגובות GO הפחתה (איור 2E). אנרגיית הפוטון מחושבת להיות 2.43 × 10 21 פוטונים לדקה.
    Reacטור: כור זכוכית פיירקס (חלון קוטר 1.1 סנטימטר =; נפח תגובה = 10 מיליליטר) מצוידים במעייל מחזורי-מים משמש לשניהם אור נראה ואור ניר מוקרן תגובות GO הפחתה (איור 2F).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

תוצאות

איור 1 מציג את התכנית הכוללת לאור הנראה ותגובת plasmonic ננו-חלקיקים המבוססות r-GO הפחתה. איור 2 מראה את ההתקנה סייעה לתגובות. לאחר תגובה, הוא נדרש צעד צנטריפוגה להסיר photocatalyst משמש (AuNSs, AuNRs, או AuNPs) כפי שמוצג באיור 3 א. ניתוח HRTEM מציג את הסרה המלאה של חל...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

הקרנת אור הנראה על פתרון GO למשך 30 דקות עם חלקיקי זהב (AuNPs, AuNSs & AuNRs) הראתה מהיר שינויי צבע מצהוב-חום בהיר לצבע שחור (איור 1). כדי להשיג מוצר r-GO הטהור ביותר בתשואה גבוהה, ישנם שני גורמים חשובים צריכים לבצע. אחת מהן הוא השימוש בAuNPs כזרז plasmonic יעיל, מאז AuNPs מאוד יכול ל...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

יש לנו מה למסור.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי קרן המחקר הלאומית של קוריאה (2013R1A1A1061387) וקרן מחקר KU-KIST.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Cy3 modifeid ssDNAIDT(Iowa, USA)HPLC purified by IDT
Gold nanoparticles (30 nm)Ted Pella, Inc(Redding, CA, USA).15706-20colloidal 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) 27988-77-8strongly 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
GraphiteSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7782-42-5
Sulfuric acidSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7664-93-9
Phophoric acidSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7664-38-2
Potassium permanganateSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)7722-64-7
Hydrogen peroxideJUNSEI23150-0350
Ammonium hydroxideSigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA)1336-21-6
Xe-lamp Cermax, Waltham, USA
NIR LaserClass-IV, Sanctity Laser, Shanghai, China 6W (output power)
UV-Vis spectrophotometer S-3100, SINCO, South Korea
Transmission Electron MicroscopyH-7650, Hitachi, Japan
Spectro FluorometerJasco FP-6500, Tokyo, Japan
X-ray Photoelectron SpectrometerAXIS–NOVA, KRATOS Inc., UK

References

  1. Novoselov, K. S., et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science. 306 (5696), 666-669 (2004).
  2. Obraztsov, A. N. Chemical Vapour Deposition Making Graphene on a Large Scale. Nat Nanotechnol. 4 (4), 212-213 (2009).
  3. Choi, W., Lahiri, I., Seelaboyina, R., Kang, Y. S. Synthesis of Graphene and Its Applications A Review. Crit Rev Solid State Mater Sci. 35 (1), 52-71 (2010).
  4. Zhou, Y., et al. Microstructuring of Graphene Oxide Nanosheets Using Direct Laser Writing. Adv Mater. 22 (1), 67-71 (2010).
  5. Stankovich, S., et al. Graphene Based Composite Materials. Nature. 442 (7100), 282-286 (2006).
  6. Becerril, H. A., et al. Evaluation of Solution-Processed Reduced Graphene Oxide Films as Transparent Conductors. ACS Nano. 2 (3), 463-470 (2008).
  7. Wang, X., Zhi, L., Müllen, K. Transparent Conductive Graphene Electrodes for Dye Sensitized Solar Cells. Nano Lett. 8 (1), 323-327 (2007).
  8. Sungjin, P., Ruoff, R. S. Chemical Methods for the Production of Graphenes. Nat Nanotechnol. 4 (4), 217-224 (2009).
  9. Akhavan, O., Ghaderi, E. Photocatalytic Reduction of Graphene Oxide Nanosheets on TiO2 Thin Film for Photoinactivation of Bacteria in Solar Light Irradiation. J Phys Chem C. 113 (47), 20214-20220 (2009).
  10. Huang, L., et al. Pulsed Laser Assisted Reduction of Graphene Oxide. Carbon. 49 (7), 2431-2436 (2011).
  11. Cote, L. J., Cruz-Silva, R., Huang, J. Flash Reduction and Patterning of Graphite Oxide and Its Polymer. Composite. J. Am. Chem. Soc. 131 (31), 11027-11032 (2009).
  12. Wu, T., et al. Surface plasmon resonance-induced visible light photocatalytic reduction of graphene oxide: Using Ag nanoparticles as a plasmonic photocatalyst. Nanoscale. 3 (5), 2142-2144 (2011).
  13. Kumar, D., Kaur, S., Lim, D. K., et al. Plasmon-assisted and visible-light induced graphene oxide reduction and efficient fluorescence quenching. Chem. Commun. 50 (88), 13481-13484 (2014).
  14. Gilje, S., et al. Photothermal Deoxygenation of Graphene Oxide for Patterning and Distributed Ignition Applications. Adv. Mater. 22 (3), 419-423 (2010).
  15. Cote, L. J., Kim, F., Huang, J. Langmuir−Blodgett Assembly of Graphite Oxide Single Layers. J. Am. Chem. Soc. 131 (3), 1043-1049 (2008).
  16. Ming, T., et al. Experimental Evidence of Plasmophores: Plasmon-Directed Polarized Emission from Gold Nanorod–Fluorophore Hybrid Nanostructures. Nano Lett. 11 (6), 2296-2303 (2011).
  17. Xie, J., Lee, J. Y., Seedless Wang, D. I. C. Surfactantless, High-Yield Synthesis of Branched Gold Nanocrystals in HEPES Buffer Solution. Chem. Mater. 19 (11), 2823-2830 (2007).
  18. Ferrari, A. C., Robertson, J. Resonant Raman spectroscopy of disordered, amorphous, and diamond like carbon. Phys. Rev. B. 64 (7), 075414-1-075414-13 (2000).
  19. Tian, J., et al. One–pot green hydrothermal synthesis of CuO–Cu2O–Cu nanorod–decorated reduced graphene oxide composites and their application in photocurrent generation. Catal. Sci. Technol. 2 (11), 2227-2230 (2012).
  20. Liu, S., Tian, J., Wang, L., Sun, X. A method for the production of reduced graphene oxide using benzylamine as a reducing and stabilizing agent and its subsequent decoration with Ag nanoparticles for enzymeless hydrogen peroxide detection. CARBON. 49 (10), 3158-3164 (2011).
  21. Tian, J., et al. Environmentally Friendly, One–Pot Synthesis of Ag Nanoparticle Decorated Reduced Graphene Oxide Composites and Their Application to Photocurrent Generation. Inorg. Chem. 51 (8), 4742-4746 (2012).
  22. Tian, J., et al. Three–Dimensional Porous Supramolecular Architecture from Ultrathin gC3N4 Nanosheets and Reduced Graphene Oxide: Solution Self-Assembly Construction and Application as a Highly Efficient Metal–Free Electrocatalyst for Oxygen Reduction Reaction. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (2), 1011-1017 (2014).
  23. Liu, S., et al. Stable Aqueous Dispersion of Graphene Nanosheets: Noncovalent Functionalization by a Polymeric Reducing Agent and Their Subsequent Decoration with Ag Nanoparticles for Enzymeless Hydrogen Peroxide Detection. Macromolecules. 43 (23), 10078-10083 (2010).
  24. Li, H., et al. Photocatalytic synthesis of highly dispersed Pd nanoparticles on reduced graphene oxide and their application in methanol electro–oxidation. Catal. Sci. Technol. 2 (6), 1153-1156 (2012).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

103PlasmonicDNA

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved