플라즈몬 나노 입자를 사용하여 그래 핀 산화물의 가시 광선 유도 감소

요약

가시광 플라즈몬 나노 입자를 사용하여 단축 된 그래 핀 옥사이드의 제조를위한 간단한 프로토콜을 설명한다.

초록

본 연구는 나노 플라즈몬과 가시 광선 조사를 사용하여 RT에서 환원 그래 핀 옥사이드 (R-GO) 용액을 제조하는 간단한 화학적 자유 신속하며 에너지 효율적인 방법을 설명한다. GO 플라즈몬 나노 입자의 환원 효율을 높이기 위해 사용된다. 그것만 XE-램프 솔루션을 조명하여 RT에서 30 분 소요 R-GO 솔루션은 완전히 간단한 원심 분리 단계를 통해 금 나노 입자를 제거함으로써 얻을 수있다. 다른 나노 구조물에 비해 구형 금 나노 입자 (AuNPs)은 R-GO 제조에 가장 적합한 플라즈몬 나노 구조물이다. 감소 된 그래 핀 산화물은 가시광을 사용하여 제조 및 AuNPs 화학적 같은 UV-비스 분광법, 라만 분광법, 분말 XRD 및 XPS 분석과 같은 다양한 기술들에 의해 지원 된 그래 핀 산화물을 저감 질적으로 동등 하였다. 가시 광선 준비 감소 된 그래 핀 산화물은 불소에 우수한 담금질 특성을 보여줍니다escent 분자는 ssDNA를하고 표적 DNA 검출을위한 우수한 형광 복구에 수정했습니다. 재활용 AuNPs에 의해 제조 된-GO R은 화학적으로 감소 R-GO의 그것과 동일한 품질로 발견된다. 플라즈몬 나노 입자와 가시광의 사용은 R-GO 합성 양호한 대안 방법을 설명한다.

서문

처음 개발 된 스카치 테이프 기반 방법 ⁽¹⁾ 및 화학 기상 증착 ^(2)는 그래 핀의 원시 상태를 생성하는 우수한 방법 이었지만 넓은 영역 표면에 대규모 그라 합성 또는 그래 핀 층의 형성의 주요 제한으로 간주되어왔다 이전의 방법. 습식 화학 합성 첫 번째 시트를 GO 생산하는 등 초음파 강한 산화제, 광범위한 물리 치료 반응을 요구 방법 및 산소 기능 등을 최종적으로 감소 될 것입니다 대규모 R-GO 합성 가능한 솔루션의 ³ 하나 같은 GO 하이드 록시, 에폭시 및 카르보닐기 원래 물성을 복구하기 위해 필수적이다. 구름 ⁴ GO의 감소 (히드라진 또는 그 유도체 ⁽⁵⁾ 또는 열처리 법에 의해를 이용한 화학적 방법 중 하나와 550-1,100 °를 행했다 불활성 또는 환원 분위기에서의 C). ⁶

jove_content "> 이러한 프로세스는 독성 화학 물질, R-GO 합성을위한 총 에너지 수요 증가 긴 반응 시간 및 높은 온도를 필요로한다. ⁽⁷⁾ 등의 UV 유도 ⁸ 광열 프로세스로 광 조사 환원 프로세스 펄스 크세논을 사용하면서 플래시, ^9는 펄스 레이저 ⁽¹⁰⁾ 및 광열 ^11도의 제조에보고되어 카메라 플래시 조명 가열 보조 R - 이동. 일반적으로, 광 - 유도 방식의 낮은 변환 효율은 UV 또는 펄스의 사용 전파 높은 광자 에너지를 제공 할 수있는 레이저 조사. 가시 광선의 낮은 광자 에너지는 사용되지는 R-GO 합성에 많은 매력을 제한한다. 플라즈몬 나노 입자의 우수한 광 흡수 특성을 볼 수 및 / 또는 NIR 지역에서 크게 현재의 단점을 개선 할 수 있습니다 R-GO 합성 가시광의 사용. ^12,13 온화한 반응 조건, 짧은 반응 시간 및 독성 CH의 제한된 사용emicals 유용한 다른 방법으로 GO의 광촉매 감소를 이용한 가시 광선 유도 플라즈몬을 만들 수 있습니다.

본 방법에서는, 나노 입자 및 플라즈몬 가시광을 사용하여 효율적이고 간단한 R-GO 합성 방법을 설명한다. 반응 진행은 구면 금 나노 입자 (AuNPs), 금 나노 막대 (AuNRs), 금 나노 별 (AuNSs)로 플라즈 모닉 나노 입자의 구조에 크게 의존하는 것으로 밝혀졌다. AuNPs의 사용은 GO의 가장 효율적인 감소를 보였고, 나노 입자는 반복 사용 (그림 1)에 대한 쉽게 제거 및 재활용 할 수 있습니다. R은 - 이동 가시광을 사용하여 합성 및 AuNPs는 비하여 거의 동등한 품질을 보였다 R-GO 다양한 분석 측정 및 형광 소광 / 회복 계 DNA 검출 방법의 사용에 의해 입증 된 바와 같이 공지 된 화학적 방법 (히드라진)에 의해 제조.

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프로토콜

전구체 1. 준비

1. 그래 핀 옥사이드 (GO)의 제조 :
   1. GO 준비 허머의 방법 ^(14)을 수정하여
      1. 농축 H _2의 혼합물에 흑연 플레이크 3.0 g을 추가 SO ₃ PO ₄ / H ₄ (360 : 40 ㎖)에 RT에서. (참고 : 특별한주의가 PO ₄ 강산 그렇게 H _{(2) (4)} (H) _(3)을 사용하는 동안주의가 필요하다.)
      2. 천천히 교반하면서 KMnO ₄ (18.0 g)를 첨가하고, 빙냉하여 <35 ℃에서 반응 혼합물의 온도를 유지한다. (증가 된 반응 시간이 끈적 용액, 교반 효율을 유지하기 위해 적절한 방법을 사용할 필요가있다.) (참고 : 특별한주의로 인해 발열 반응에 KMnO _4를 첨가하면서 취해 져야한다.)
      3. 12 ℃에서 50 시간 및 RT로 냉각 후, 얼음에 반응 혼합물을 부어 30 % H ₂ O ₂ (3 ㎖)를 함유하는 (400 ㎖) 동안 교반한다.
      4. R 필터상층 액을 제거하기 위해 미 반응 흑연 원심 분리, 여과 액 (2 시간 동안 4,722 XG 속도)를 제거하기 위해 금속 미국 표준 테스트 체 (300 μm의)를 사용하여 eaction 혼합물.
      5. 5.0-6.0에서 용액의 pH가 도달 될 때까지 다시 원심 200 ml의 물을 30 % HCl 200 ㎖, 에탄올 200 ㎖와 단계, 및 증류수를 반복한다.
      6. 무성 GO 분말을 제조 최종 용액을 동결 건조.
      7. , 나노 크기 GO 용액을 트리플 증류수 (> 18 MΩ) 40 ㎖에 GO 분말 20 mg을 용해하고 장기간 초음파 처리 (35 %의 진폭, 500 W, 2 시간)으로 박리하기 위하여, 전체 크기 분포 될 때까지 150 나노 미터 이하로, 다음 침전물 (UN-박리 큰 GO 시트)를 제거하는 데 두 번 (10,625 XG 속도, 15 분)을 원심 분리기.
2. 플라즈몬 나노 입자의 제조
   1. AuNPs의 준비
      1. 구연산 안정화 구형 모양의 금 나노 입자 (AUN30 nm의 입자 크기 (PS), OD = 1.0) R-GO 환원을 위해 사용되었다.
   2. AuNRs ^(15)의 제조
      1. 0.1 M 세틸 트리메틸 암모늄 브로마이드 HAuCl ₄ (0.01 M) 0.25 mL 및 9.75 ㎖ (CTAB의 수성 혼합물 용액 작성 내로의 NaBH ₄ 용액 (0.01 M)의 새로 제조 한 0.6 mL의 빙냉 용액을 첨가하여 시드 용액을 제조 ).
      2. 0.5 분 동안 격렬하게 생성 된 혼합물을 교반 한 후 3 시간 동안 28 ℃에서 보관하십시오.
      3. CTAB의 475 ㎖ (0.1 M), AGNO ₃ (0.01 M)의 3 ㎖ 및 HAuCl ₄ 20 ㎖ (0.01 M)를 혼합하여 성장 솔루션을 준비합니다.
      4. 이어서 갓 수성 HCl (1.0 M) 용액 0.8 ml를 첨가하여 혼합물에 아스코르브 산 (0.01 M)의 제조 3.2 mL의 추가한다.
      5. 마지막 단계 28에서 성장 액 시드 용액 3.2 mL를 추가 C를 ° 및 초간 짧은 반전 반응 혼합물 대상. 마지막으로, KE적어도 6 시간 동안 방해받지 않고, 생성 된 혼합물을 EP.
      6. UV 가시 최대 흡수 용 분광법 (λ _최대)와 TEM 분석으로 제조 AuNRs 분석 (통상 λ _최대 종횡비는 730 nm 내지 3.5, 각각 것으로 밝혀졌다).
   3. AuNSs ^(16)의 제조
      1. 100 mM의 농도를 가진 4- (2- 히드 록시 에틸) 수용액 원액 -1- 피페 라진 에탄 술폰산 (HEPES)을 제조하고, 1.0 M NaOH 용액을 첨가하여 25 ℃에서 7.4로 pH를 조정한다.
      2. 2- [4- (2- 히드 록시 에틸) -1- 피 페라 지닐] 에탄 설 폰산 (100 mM)을 30 ml의 인산염 완충액 (100 mM)을 20 ㎖를 혼합한다.
      3. 이어서 상기 혼합물에 금 (III) 클로라이드 트리 하이드레이트 (20 mM)을 500 μL를 추가 한 수욕에서 30 분 동안 28.5 ℃로 유지한다. 녹색 파란색 빛 노란색에서 솔루션 색상 변경은 30 분을 관찰 할 수 있습니다 후.
      4. 30 분 동안 8,928 XG 속도로 솔루션을 원심 분리기 및 분산증류수에 침전.
      5. 마지막으로, 각각 740 nm 내지 30 nm의 것이 판명 된 입자 크기 확인을 위해 UV 가시위한 최대 흡수 분광법 (λ _최대)와 TEM 분석으로 준비된 AuNSs 분석.

2. 준비 가시 광선 및 AuNPs를 사용하여 R은-GO

1. 플라즈몬 나노 입자의 1 ML을 추가합니다 (ABS AuNPs 520 nm의, 애비 AuNRs 750 nm의, 그리고 AuNSs 730 nm에서 애비 1.0, 각각에서 1.0에서 1.0)과 수산화 암모늄 100 ㎕ (28 %, W / V %)의에 물 순환되는 재킷을 갖춘 파이렉스 유리 반응기에 넣은 GO 용액 (230 내지 0.125 밀리그램 mL의 ^-1에서 OD 1.0) 10 ㎖.
2. 25 ℃로 온도를 유지 한 다음에 15 분 동안 10,625 XG 속도로 용액을 원심 분리하여 물 순환 자켓을 통해 물 순환과 30 분 동안의 Xe 램프 (1.56 W의 형상 ^-2의 전력 밀도)를 가진 혼합물을 조사금 나노 입자를 제거합니다.
3. 포함 된 상층 액을 가지고 준비 R-GO 200-900 nm 범위에서 (270 nm에서 특유의 흡수 밴드를 표시해야합니다 R-GO) 자외선 - 가시 광선 분광 광도계로 분석합니다.

3. 대상 DNA 검출 R-GO 솔루션 ^(17)를 사용하여

1. 형광 담금질의 경우, (GO의 25 μl를 포함 GO 또는 R-GO 용액에 0.125을 ^10-6 M Cy3에 수정 ssDNA를 (5'-ATC CTT ATC AAT AT & T TAA CAA TAA TCC CTC-Cy3-3 ')의 20 μl를 추가 mg을 ml의 ¹⁾ 또는 0.3 M PBS 용액 (10 mM의 인산 완충액, 0.3 M의 NaCl)의 1,955 μL에서 R-GO (0.125 밀리그램 ml의 ¹⁾ 및 실온에서 10 분 동안 품어.
2. 분광 (λ의 _예 = 529 ㎚)와 이들 샘플의 형광 강도를 측정한다.
3. 대상 탐지를 들어, 세 가지 다른 농도 ^{(10-6을 <에} 표적 올리고 뉴클레오타이드 용액 (5' 개그 GGA TTA TTG TTA AAT AT & T GAT AAG GAT- 3 ')의 200 μl를 추가/ SUP> M, ^10-6 M ssDNA를-Cy3에 20 μL, GO 또는 R-GO의 25 μl를 포함하는 이동 또는 R-GO 솔루션에 ^10-7 M, ^10-8 M) (0.125 밀리그램 ml의 ¹⁾ 및 형광 복구 실험 0.3 M PBS의 1755 μL. ⁽¹⁷⁾
   참고 :
   광원 및 원자로
   가시 광선 (400-780 nm의) 소스. 가시광 파이렉스 유리 반응기 (창 직경 = 1.1 cm) 크세논 (Xe) 램프 (1.56 W / ㎝ ² 전원)를 사용하여 이동 용액을 함유 통해 조사. 반응기에인가 광자 에너지는 분 당 4.8 × ¹⁰²¹ 포톤 (도 2A-2C)로 계산된다.
   근적외선 (NIR) 레이저. 0.36 W ^/ ㎠의 전력 밀도, GO 환원 반응 (도 2E) 용 근적외선 광원으로 사용 된 나노 미터 (808)의 동작 파장과 NIR 레이저 (창 직경 = 13.2 cm). 광자 에너지는 분 당 2.43 × ¹⁰²¹ 광자로 계산된다.
   REAC토르 : 파이렉스 유리 반응기 (창 직경 = 1.1 cm, 반응 부피 = 10 ㎖), 물 순환 자켓 장착 가시광 및 근적외선에 모두 사용된다 GO 환원 반응 (도 2F)를 조사.

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결과

그림 1은 가시 광선 및 플라즈몬 나노 입자 기반의 R-GO 환원 반응에 대한 전반적인 계획을 보여줍니다. (2) 반응에 대한 도구 적 설정을 보여줍니다. 반응 한 결과,도 3a에 도시 된 바와 같이 사용 광촉매 (AuNSs, AuNRs 또는 AuNPs)를 제거하기 위해 원심 분리 단계가 요구된다. HRTEM 분석은 UV 가시 분석 연구에서 약 500 ~ 800 nm의도 3c, 흡수 밴드...

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토론

금 나노 입자 (AuNPs, AuNSs & AuNRs)와 30 분 동안 GO 솔루션 위에 가시 광선 조사는 검은 색 (그림 1)에 밝은 노란색 갈색의 빠른 컬러 변화를 보여 주었다. 높은 수율로 고순도의 R-GO 제품을 구하려면, 두 가지 중요한 요소가 따를 필요가있다. AuNPs 강하게 다른 구조 (즉, AuNRs, AuNSs) 중, 가시광을 흡수 할 수 있기 때문에 하나는 효율적인 플라즈몬 AuNPs 촉매로서 사용하는 것이다. 다른...

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자료

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