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 נתיישב מוצג functionalize המשטחים של nanodiamonds עם polydopamine.

Abstract

Functionalization פני השטח של nanodiamonds (NDs) הוא עדיין מאתגר בשל המגוון של קבוצות פונקציונליות על משטחים ND. . הנה, נדגים פרוטוקול פשוט עבור שינוי פני השטח רב תכליתיים של NDs באמצעות ציפוי polydopamine בהשראה מאסל (PDA). בנוסף, השכבה פונקציונלי של כף היד על NDs יכול לשמש סוכן צמצום כדי לסנתז ולייצב את חלקיקי מתכת. דופמין (DA) ניתן עצמית פולימריזציה, באופן ספונטני בצורת כף יד שכבות על משטחים ND אם NDs ודופמין ביחד פשוט מעורבבים. העובי של שכבה PDA נשלטת על ידי משתנה הריכוז של המחוזי. תוצאה מראה כי עובי של ~ 5 ~ 15 ננומטר של השכבה מחשב כף יד ניתן להגיע על-ידי הוספת 50 ל- 100 µg/mL של DA 100 ננומטר ND המתלים. יתר על כן, כף היד-NDs משמשים כמו מצע להקטנת יונים מתכתיים, כגון Ag [(NH3)2]+, מכסף חלקיקים (AgNPs). הגדלים של AgNPs להסתמך על הריכוזים הראשונית של Ag [(NH3)2]+. יחד עם הגברת הריכוז של Ag [(NH3)2]+, גדל המספר של NPs, כמו גם הקוטר של NPs. לסיכום, במחקר זה לא רק מציג שיטה נתיישב שינוי המשטחים של NDs עם כף היד, אלא גם מדגים את הפונקציונליות המשופרת של NDs על ידי עיגון מינים שונים עניין (כגון AgNPs) עבור יישומים מתקדמים.

Introduction

Nanodiamonds (NDs), חומר פחמני הרומן, משכו תשומת לב רבה בשנים האחרונות לשימוש ביישומים שונים1,2. למשל, פני שטחים גבוהה של NDs מספקות תמיכה זרז מצוין עבור חלקיקי מתכת (NPs) בגלל שלהם סופר לשחיקה, מוליכות חום3. יתר על כן, NDs לשחק תפקידים משמעותיים בהדמיה, חישה ביו ומסירת סמים עקב שלהם מצטיינים הביו ו- nontoxicity4,5.

להאריך ביעילות היכולות שלהם, זה חשוב נזווג מינים פונקציונלי על המשטחים של NDs, כגון חלבונים, חומצות גרעין, חלקיקים6. למרות מגוון רחב של קבוצות פונקציונליות (למשל., הידרוקסיל, carboxyl, לקטון, וכו ') נוצרים על פני השטח של NDs במהלך טיהור שלהם, התשואות ההטיה של קבוצות פונקציונליות הם עדיין נמוך מאוד בגלל צפיפות נמוכה של כל אחד קבוצה כימית פעיל7. התוצאה היא NDs לא יציב, אשר נוטים הצבירה, הגבלת בהמשך יישום8.

כיום, שיטות הנפוצות ביותר נהגה functionalize NDs, הם ההטיה קוולנטיות באמצעות לחץ ללא נחושת כימיה9, הצמדה קוולנטיות של פפטיד חומצות גרעין (הרשות)10ו- DNA עצמית שהורכב11. העטיפה קשרי ערכיות של NDs גם הוצע, לרבות פחמימות-השתנה BSA4ו ציפוי12HSA. עם זאת, מאחר ששיטות אלה הם זמן רב ולא יעיל, רצוי כי ניתן לפתח שיטה פשוטה חלים באופן כללי כדי לשנות המשטחים של NDs.

דופמין (DA)13, המכונה נוירוטרנסמיטר טבעי במוח, היה בשימוש נרחב עבור שמירה, functionalizing חלקיקים, כמו חלקיקי זהב (AuNPs)14, Fe2O315SiO216 . שכבות PDA polymerized עצמית להעשיר אמינו בעל תאים פנוליים קבוצות, אשר יכול להיות עוד יותר מנוצל ישירות להפחית חלקיקי מתכת או בקלות לשתק תיול/אמין-המכילה מולקולות על פתרון מימית. גישה פשוטה זו הוחל לאחרונה על functionalize NDs מאת צ'ין ואח. ו שלנו17,מעבדה18, למרות DA נגזרים הועסקו לשינוי NDs באמצעות לחץ על כימיה מחקרים קודמת19,20.

כאן, אנו מתארים שיטה שינוי פני השטח מבוססת-מחשב כף יד פשוט כי ביעילות functionalizes NDs. על ידי שינוי הריכוז של אבא, אנחנו יכולים לשלוט העובי של שכבה PDA של ננומטר כמה עשרות ננומטר. בנוסף, חלקיקי מתכת ישירות מופחתת, התייצב על פני כף היד ללא צורך סוכני הפחתת רעילים נוספים. הגדלים של סילבר חלקיקים תלויים הריכוזים הראשונית של Ag [(NH3)2]+. שיטה זו מאפשרת בתצהיר ומבוקרות היטב של כף היד על פני השטח של NDs, הסינתזה של ND מצומדת AgNPs, אשר מרחיב באופן דרמטי את הפונקציונליות של NDs כמו ננו-פלטפורמות מעולה של זרז תומך, הדמיה, ו ביו-חיישנים.

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

Protocol

1. הכנה של ריאגנטים

אזהרה: נא לקרוא ולהבין כל גליונות נתונים גשמי בטיחות (MSDS) לפני השימוש. כמה הכימיקלים הם רעילים ולא יציבה. אנא עקוב אחר טיפול מיוחד נהלים ודרישות האחסון. במהלך ההליך ניסיוני, להשתמש ציוד מגן אישי, כגון כפפות, משקפי חלוק מעבדה כדי למנוע מפגעים פוטנציאליים.

  1. הכנת מאגר טריס-HCl
    1. להמיס 30.29 גר' אבקה טריס ב- 100 מ של יונים H2O להבטיח האבקה מתמוסס לחלוטין, ואז להעביר את הפתרון 250 מ"ל-סטריליות.
    2. הוסף יונים H2O בהיקף 250 מ ל סטריליות לתת 1.0 M טריס המאגר.
    3. לדלל את המאגר טריס 1.0 M 100 פעמים כדי לתת 0.01 M טריס מאגר ולהתאים את ה-pH ל 8.5 באמצעות 1.0 M HCl פתרון רגיל.
    4. להשתמש מד pH כדי לכייל את ערך ה-pH של המאגר טריס-HCl M 0.01.
  2. הכנה של המתלים ND
    1. לדלל 100 ננומטר של המתלים monocrystalline ND (1.0 mg/mL) 50 פעמים עם המאגר 0.01 M טריס-HCl כדי לתת 0.02 נקודות מ"ג/מ"ל של המתלים ND.
  3. הכנה של דופמין פתרון
    1. לפזר 20 מ ג של דופמין הידרוכלוריד ב mL 2.0 מאגר 0.01 M טריס-HCl כדי לתת 10 מ"ג/מ"ל DA פתרון.
      הערה: הפתרון DA חייב להיות טרי מוכן ולא להשתמש בו בתוך 15 דקות.
  4. הכנה של Ag [(NH3)2] או פתרון
    1. להמיס 100 מ ג של AgNO3 מוצק ב 10 מ"ל של יונים H2O לתת 10 מ"ג/מ"ל AgNO3 פתרון.
    2. להוסיף 1.0 M אמוניה מימית (NH3· H2O) dropwise כדי הפתרון3 AgNO עד צהוב לזרז את הטפסים ולאחר מכן להמשיך להוסיף את ·3NH פתרון2O H עד המשקעים נעלם.
      הערה: להפוך את אמצעי האחסון המזערי הנדרש; להכין מיד לפני השימוש ולפנות מיד לאחר השימוש.
      התראה: להוסיף NH3· H2O בשכונה fume עם הפנים מגן, כפפות, משקפי מגן.

2. סינתזה PDA שכבה על פני השטח של NDs (מחשב כף יד-NDs)

  1. להוסיף שזה עתה הוכנו DA לפתרון (10 mg/mL) המתלים ND לתת מגוון ריכוזים הסופי של 50, 75, 100 µg/mL של המחוזי. לכוונן את עוצמת התגובה הכולל עד 1.0 מ"ל, להעביר אותו מ ל 10-מבחנה, ומערבבים נמרצות 25 ° c, בחושך במשך 12 שעות.
  2. Centrifuge הפתרון PDA-NDs עבור 2 h ב 16,000 x g, להסיר את תגובת שיקוע ולשטוף שלוש פעמים עם מים יונים עבור h 1 בגיל 16, g 000 x בכל פעם.
  3. לפזר מחדש את מחשב כף היד-NDs ב 200 µL של מים יונים עם sonication ב-30 s. מחשב כף יד - מצופה NDs יהיה מוכן לשימוש נוסף.

3. הפחתה של AgNPs על פני השטח של מחשב כף יד-NDs (AgNPs-מחשב כף יד-NDs)

  1. למהול 40 µL של כף היד-NDs מראש מסונתז ב 2.3 שלב שתי פעמים עם מים יונים. הוסף Ag [(NH3)2] פתרון או לתת ריכוזים שונים הסופי של Ag [(NH3)2]+ (0.08 0.16, 0.24, 0.40, 0.60 מ"ג/מ"ל).
  2. לכוון את עוצמת הקול הסופי כדי µL 100 צינור 1.5 mL-צנטריפוגה על-ידי הוספת מים יונים, ואחריו sonication למשך 10 דקות.
  3. Centrifuge את AgNPs-מחשב כף יד-NDs למשך 15 דקות ב 16,000 x g כדי להסיר את יוני כסף חינם, למחוק את תגובת שיקוע לאחר צנטריפוגה, להוסיף 100 µL של מים יונים ו לשטוף שלוש פעמים עם מים יונים ב- 16,000 x g עבור 5 דקות בכל פעם.
  4. לפזר מחדש את AgNPs-מחשב כף יד-NDs ב 100 µL של deionizedwater עם sonication ב-30 s כדי להכין לשימוש נוסף.

4. ניתוח של מחשב כף יד-NDs ואשכולות AgNPs-מחשב כף יד-NDs

  1. ספקטרום גלוי אולטרה סגול (UV)
    1. השתמש ספקטרום UV כדי לפקח על התפלגות גודל ממוצע של AgNPs על כף היד-ND משטחים. העברת דגימות AgNPs-מחשב כף יד-NDs המבושלות 3.4 שלב עם ריכוזים מגוונת של Ag [(NH3)2] או ב- 1 ס מ קוורץ cuvette ולנטר את הספיגה-אורך גל סריקה של 250 עד 550 ננומטר.
  2. שידור הבחירות מיקרוסקופ (TEM)
    1. מקם את רשתות נחושת פחמן מצופה על משטח זכוכית עטופים עם מצלמות-מיקרוסקופים כדי לשמור את הרשתות במקום. הכנס את השקופית זכוכית עם רשתות TEM המצורפת פלזמה מנקה. להפעיל פלזמה מנקה את משאבת ואקום. לאחר 5 דקות, להפוך על מסך הפלזמה, לשחרר את הרשתות עם רמת כוח בינונית למשך 3 דקות.
    2. הפקדה 5 µL של הדגימות על הסרט פחמן מצופה Cu-רשתות מינימלית 3 שימוש במסנן נייר עד לפתיל את המדגם נוספת מן הקצה של הרשת. לאחר מכן, להפקיד טיפת מים יונים על הרשת 15 s כדי להסיר מלחי, ואז לפתיל מעל לפני המים עם נייר סינון. חזור על הפעולות כביסה פעמיים ולאפשר הרשת כדי אוויר יבש לשימוש נוסף.
    3. דמיינו את הדגימות מאת TEM, בדרך כלל 38,000 X הגדלה. פועלים עם 200 KV.

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

תוצאות

היווצרות של PDA שכבות על משטחים ND נותחו על ידי TEM (איור 1). בעוביים שונים של כף היד שכבות נצפו גם ריכוז גבוה של DA הוביל לשכבות PDA עבה יותר. בנוסף, לאחר לתגובה encapsulating, הצבע של הפתרון NDs שונה היה הריכוז ההתחלתי של DA צבע עד כהה, בעוד גבוה, כהה יותר הפתרון הפך.

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

Discussion

מאמר זה מספק נוהל מפורט של functionalization משטח של NDs עם ציפוי DA polymerized עצמית, ההפחתה של Ag [(NH3)2]+ כדי AgNPs בשכבות PDA (איור 3). האסטרטגיה הוא מסוגל לייצר חומרי גלם בעוביים שונים של כף היד שכבות פשוט על ידי שינוי הריכוז של המחוזי. גודל AgNPs יכולים גם להיות נשלט על ידי שינוי ?...

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

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgements

מחקר זה נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע (CCF 1814797) ומחקר אוניברסיטת מיזורי הלוח, חומר מרכז המחקר, ואת המכללה לאמנויות מדע ב אוניברסיטת מיזורי למדעים וטכנולוגיה

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

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
NanodiamondFND Biotech, Inc.brFND-100dispersed in water, and used without further purification
Dopamine hydrochlorideSigmaH8502-25Gprepare freshly
Silver NitrateFisherS181-25
Ammonium HydroxideFisherA669S-500highly toxic
Tris HydrochlorideFisherBP153-500
TEM grid carbon filmTed Pella01843-F300 mesh copper

References

  1. Mochalin, V. N., Shenderova, O., Ho, D., Gogotsi, Y. The properties and applications of nanodiamonds. Nature Nanotechnology. 7 (1), 11-23 (2011).
  2. Kucsko, G., et al. Nanometre-scale thermometry in a living cell. Nature. 500 (7460), 54-58 (2013).
  3. 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).
  4. Chang, B. -M., et al. Highly Fluorescent Nanodiamonds Protein-Functionalized for Cell Labeling and Targeting. Advanced Functional Materials. 23 (46), 5737-5745 (2013).
  5. Ho, D., Wang, C. H., Chow, E. K. Nanodiamonds: The intersection of nanotechnology, drug development, and personalized medicine. Science Advances. 1 (7), 1500439(2015).
  6. Hsu, M. H., et al. Directly thiolated modification onto the surface of detonation nanodiamonds. ACS Applied Materials and Interfaces. 6 (10), 7198-7203 (2014).
  7. Krueger, A. Diamond Nanoparticles: Jewels for Chemistry and Physics. Advanced Materials. 20 (12), 2445-2449 (2008).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Gaillard, C., et al. Peptide nucleic acid-nanodiamonds: covalent and stable conjugates for DNA targeting. RSC Advances. 4 (7), 3566-3572 (2014).
  11. Zhang, T., et al. DNA-based self-assembly of fluorescent nanodiamonds. Journal of the American Chemical Society. 137 (31), 9776-9779 (2015).
  12. Liu, W., et al. Fluorescent Nanodiamond-Gold Hybrid Particles for Multimodal Optical and Electron Microscopy Cellular Imaging. Nano Letters. 16 (10), 6236-6244 (2016).
  13. Lee, H., Dellatore, S. M., Miller, W. M., Messersmith, P. B. Mussel-inspired surface chemistry for multifunctional coatings. Science. 318 (5849), 426-430 (2007).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Barras, A., Lyskawa, J., Szunerits, S., Woisel, P., Boukherroub, R. Direct functionalization of nanodiamond particles using dopamine derivatives. Langmuir. 27 (20), 12451-12557 (2011).
  20. Khanal, M., et al. Toward Multifunctional "Clickable" Diamond Nanoparticles. Langmuir. 31 (13), 3926-3933 (2015).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Orishchin, N., et al. Rapid Deposition of Uniform Polydopamine Coatings on Nanoparticle Surfaces with Controllable Thickness. Langmuir. 33, 6046-6053 (2017).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. 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).
  30. Zamudio, A., et al. Efficient anchoring of silver nanoparticles on N-doped carbon nanotubes. Small. 2 (3), 346-350 (2006).
  31. Modification of membranes with polydopamine and silver nanoparticles formed in situ to mitigate biofouling. U.S. Patent Application. , 14/689,085 (2016).

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

141Nanodiamondspolydopamine

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