Mantar Tıpa olarak Altın Nanopartiküller ile Azot-katkılı Karbon Nanotube Bardaklar sentezi ve fonksiyonlandırmalar

Özet

Biz kimyasal buhar biriktirme, asit oksidasyon ve prob ucu sonikasyon dahil olmak üzere bir dizi teknik kullanarak tek tek grafit nanocups sentezini ele. HAuCl sitrat indirgenmesiyle ₄, Grafit nanocups altın bardak kimyasal reaktif kenarları nedeniyle nanopartiküller ile etkili sarhoş vardı.

Özet

Azot-katkılı karbon nanotüpler azot katkılı karbon nanotüp bardak (NCNCs) olarak adlandırılan birçok kupa şekilli grafit bölümlerinde oluşur. Kimyasal buhar biriktirme (CVD) yöntemi bu gibi-sentezlenmiş grafitli nanocups kovalent olmayan etkileşimler üzerinden sadece düzenlenen bir baş-kuyruk şekilde yığılmış. Bireysel NCNCs kimyasal ve fiziksel ayırma işlemleri bir dizi aracılığıyla istifleme yapısı dışında izole edilebilir. İlk olarak, olarak sentezlenmiş NCNCs grafit duvarlarda oksijen içeren bir kusur tanıtmak için kuvvetli asitlerin bir karışımı içinde oksitlenmiştir. Okside NCNCs sonra etkili tek tek grafit nanocups içine yığılmış NCNCs ayrılmış yüksek yoğunluklu prob-ucu sonikasyon kullanılarak işlendi. Sahip oldukları bol oksijen ve azot yüzey işlevleri, ayrı neden NCNCs derece hidrofobik olan ve etkili bir şekilde, tercihli olarak açılması uygun altın tanecikleri (Toplam GSMH'sı), fonksiyonalize edilebilirmantar tıpa gibi bardak. Toplam GSMH'sı kendinden sarhoş Bu grafitli nanocups nano ölçekli konteyner ve ilaç taşıyıcıları olarak umut verici uygulamaları bulabilirsiniz.

Giriş

Kendi doğal iç boşluklar ve çok yönlü bir yüzey kimyası, içi boş bir karbon-bazlı nano, örneğin, karbon nanotüpleri (CNT) gibi, ile ilaç verme uygulamalarında iyi nanocarriers olarak kabul edilir. ^1,2 Ancak, bozulmamış CNTs fibril yapısı olan içi boş çok erişilemez iç ve ağır enflamatuar yanıtı ve biyolojik sistemlerde sitotoksik etkilere neden olabilir. ^3,4 azot katkılı CNT, diğer taraftan, katkısız çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNTs) ^5,6 daha yüksek biyo-uyumluluk sahip olduğu tespit edilmiştir ve daha iyi bir ilaç olabilir teslimat performansı. ^7,8 onların erişilebilir iç ile. 200 nm altında tipik süresini bireysel azot katkılı karbon nanotüp bardak (NCNCs) elde etmek için dışarı ayrılabilir yığılmış bardak benzeyen bir kompartman içi boş yapıda nanotüp grafit örgüler sonuçlara nitrojen atomları doping ve Diğer kimyasal izin azot işlevlerifonksiyonlandırma, bu tek tek grafit kupa ilaç dağıtım uygulamaları için son derece avantajlıdır.

Ark deşarj ⁹ ve DC manyetik alanda sıçratma, ¹⁰ kimyasal buhar biriktirme dahil olmak üzere azot katkılı CNT için farklı sentetik yöntemler arasında (CVD) gibi daha yüksek verim ve nanotüp büyüme koşulları üzerinde daha kolay kontrol gibi çeşitli avantajları nedeniyle en yaygın yöntem olmuştur. Buhar-sıvı-katı (VLS) büyüme mekanizması yaygın azot katkılı CNT ve CVD büyüme süreci anlamak için kullanılır. Genellikle ¹¹ büyüme metal katalizör tohum kullanmak için iki farklı planları vardır. "Sabit yatak" düzeni, tanımlanmış boyutları ile demir nanopartiküller ilk demir pentakarbonil'in termal ayrışma sentezlendi ve daha sonraki CVD büyüme için spin kaplama ile kuvars slaytlar üzerinde kaplama. "Yüzen katalizör" düzeni, demir katalizör (genellikle olarak ¹² ferrosen) karıştırılmış ve karbon ve N ile birlikte enjekte edildiitrogen öncüleri, ve karbon ve azot öncüleri tevdi edildiği demir katalitik nanopartiküller in situ üretimi sağlanan Ferrocenenin termal ayrışma. Sabit-yatak katalizörü sonuçtaki NCNCs üzerinde daha iyi bir kontrol sağlar boyutu da, ürünün verimini aynı ön-madde miktarı ve büyüme süresi için <(5 mg), kayan katalizör düzeni ile karşılaştırıldığında (1 mg),> genellikle daha düşüktür. Dalgalı katalizör düzeni de NCNCs oldukça düzgün boyut dağılımı sağlar gibi, NCNCs bir CVD sentezi için bu kağıt kabul edilmiştir.

CVD yöntemi birçok yığılmış bardak oluşan fibril morfolojisi gösterirler olarak sentezlenmiş NCNCs tanıyor. Bitişik bardak arasında kimyasal bir bağ olsa da onlar sıkıca birbirlerinin boşluklar içine yerleştirilen ve çoklu kovalent olmayan etkileşimleri ve amorf karbon, bir dış tabaka ile tutulan, çünkü ⁸ zorlukları bireysel kupa etkili izolasyon kalır. ⁸ Atteyığılmış bardak ayırmak için MPTS kimyasal ve fiziksel yaklaşımlar her ikisini de. Kuvvetli asitlerin bir karışımı içinde oksidasyon tedavisi CNT kesilmiş ve aynı zamanda daha kısa bölümler halinde kesmek için NCNCs uygulanabilir oksijen işlevleri, ^13,14 tanıtmak için tipik bir prosedürde iken. Mikrodalga plazma aşındırma işlemleri de NCNCs ayrı gösterilmiştir. ¹⁵ kimyasal yaklaşımları ile karşılaştırıldığında, fiziksel ayrılık daha basittir. Daha önceki çalışmada sadece bir havanda bireysel NCNCs ile öğütülmesi ile kısmen kendi yığılmış yapısından izole edilebilir olduğunu gösterdi. ⁷ Buna ek olarak, etkili tek duvarlı karbon nanotüpler kesmek bildirildi yüksek yoğunluklu prob ucu Sonication, (SWCNTs) , ¹⁶ de NCNCs ayrılması üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğu gösterilmiştir. ⁸ prob ucu Sonication aslında yığılmış bardak "sallıyor" bu NCNC çözüm yüksek yoğunluklu ultrasonik güç sağlar ve zayıf Intera bozanbirlikte bardak tutun ctions. Diğer potansiyel ayırma yöntemleri ya verimsiz ya da fincan yapısına yıkıcı olsa da, prob ucu Sonication bireysel grafitli bardak elde etmek için düşük maliyetli ve daha az zarar verici, son derece etkili fiziksel ayırma yöntemi sağlar.

Olarak sentezlenmiş fibril NCNCs ilk konsantre H ₂ SO önce prob ucu sonikasyon ile ayrılması için ₄ / HNO ₃ asit karışımı tedavi edildi. Sonuçtaki ayrılmış NCNCs yüksek hidrofilik ve etkili bir şekilde su içinde dağılmış. Biz daha önce NCNCs bu tür amin grupları gibi azot işlevleri tespit ve NCNCs işlevsel için kimyasal tepkime kullanmış olurlar. ^7,8,17 bu çalışmada, ticari nanopartiküller ile ⁸ NCNCs kapanma bizim daha önce bildirilen yöntemi ile karşılaştırıldığında, altın nanopartiküller (gayri safi milli hasılalarının) idi etkili chloroauric asit sitrat azalma ile bardak yüzeyine bağlantılı. Yüzündenaçık azot işlevleri tercihli dağıtım NCNCs jantlar, altın öncüleri in situ sentezlenen gayri safi milli hasılalarının bardak üzerinde jantlar açık ve form GSMH "mantar tıpa" ile daha iyi etkileşim eğiliminde. Bu sentez ve işlevsel yöntemler ilaç dağıtım taşıyıcıları olarak potansiyel uygulamalar için yeni bir GSMH-NCNC hibrid nanomaterial sonuçlandı.

Protokol

1. Azot-katkılı Karbon Nanotube Kupaları CVD sentezi (NCNCs)

NCNCs sıvı öncüleri (Şekil 1A) kullanarak kuvars yüzey üzerinde kimyasal buhar biriktirme (CVD) tekniği kullanılarak sentezlendi.

1. Reaksiyon odası olarak Lindberg / Mavi tüp fırında bir 3 m uzunluğunda kuvars tüp (2.5 cm id) yerleştirin. Ürün toplama için substrat olarak tüp içinde bir kuvars plaka (1 "× 12") yerleştirin. Gaz ve sıvı enjeksiyon bağlantıları / tüpler dahili ev yapımı paslanmaz çelik kapaklar kullanarak kuvars tüp mühür.
2. 0.75 ağırlıkla% ferosen, ağırlık olarak% 10 asetonitril ve ağırlıkça% 89.25 ksilenler içeren sıvı öncüsünün bir çözeltinin yapılması. Büyüme önce, kuvars tüp girişine bağlanır, gaz geçirmez şırınga içine sıvı ön-madde 5 ml çizin. , Bir şırınga pompası üzerinde şırınga yerleştirin.
3. CVD sistemi monte edin. Tüm gaz giriş ve çıkış bağlayın. Akış Ar (845 sccm) CVD sistemi temizlemek ve kaçak bize kontrol etmeking sıvı sızıntı tespit Snoop. 20 dakika tasfiye sonra, H ₂ açın. 127 sccm için 37.5 sccm ve Ar H ₂ akışını hızını ayarlayın. Fırın açın. 800 fırının sıcaklığını ayarlamak ° o 800 istikrarlı kadar C ve bekleyin ° C
4. Kuvars tüpün içine sıvı ön-madde enjekte etmek için bir şırınga pompası kullanımı. 6 dakika ml / saat enjektör tüpün ölü hacmi doldurmak için 9 enjeksiyon hızını ayarlayın. Daha sonra NCNCs büyümesi için 1 ml / saat için enjeksiyon oranı aşağı çevirin. Büyüme 90 dakika sonra, şırınga pompası ve H ₂ gaz akışı kapatın ve fırın kapatıldı. Ar, fırın, oda sıcaklığına kadar soğutulur kadar inert bir atmosfer sağlamak için akan tutun.
5. Tüm gaz girişleri ve çıkışları, ve enjeksiyon sisteminin bağlantısını kesin. CVD sistemi sökün ve kuvars plaka almak. Kuvars plakadan NCNCs filmin kalkmasına tek taraflı jilet kullanın. Etanol içinde toplanan ürün dağıtılır. Solunum sisteminin korunması inh önlemek için gereklidiriş davlumbaz dışında yapılır mümkünse karbon malzemeler aling.

2. Asitlerin bir karışımı ile olduğu gibi sentezlenmiş NCNCs oksidasyonu

1. 200 ml'lik bir yuvarlak tabanlı şişeye olarak sentezlenmiş NCNCs yaklaşık 10 mg aktarın. Balona konsantre HNO ₃ 7.5 ml ilave edilir. Kısaca iyi bir dispersiyon su banyosu içinde sonikasyon karışımı. ₄ yavaş SO daha sonra konsantre H ₂ 22.5 ml ekleyin. (Dikkat: bu güçlü asit karışımı çok aşındırıcıdır, dikkatli bir şekilde emniyeti ile bu asitlerin kolu.), 4 saat boyunca oda sıcaklığında su banyosu içinde, reaksiyon karışımı, sonikasyon.
2. Su ve 100 ml buz banyosunda soğutulurken, reaksiyon karışımının seyreltilir. Bir su aspiratör kullanılarak 220 nm gözenek boyutu olan bir politetrafloroetilen (PTFE) zarından karışım filtre.
3. , Asit yan ürünü uzaklaştırmak için kalıntı, 0.01 M NaOH çözeltisi, 200 ml ile filtre membranı üzerinde yer alan malzemeye yıkayın. ^{18, daha} sonra yıkamaSüzüntü, bir nötr pH elde edilene kadar, 0.01 M HCl çözeltisi 200 ml su, bol miktarda izledi. Sonikasyon ile su içinde ve sonuçtaki malzeme (NCNCs okside) (20 mi) dağıtılır. Sonuçta meydana gelen süspansiyon daha fazla deneyler için oda sıcaklığında saklanabilir.

3. Probe ucu Sonikasyon tarafından NCNCs fiziksel Ayırma

1. Buz banyosu içine yerleştirilmiş, 100 ml'lik bir plastik kapta su içinde okside NCNCs arasında süspansiyonu aktarın. Su ile 50 ml işaretine kadar plastik bardak doldurun. 60% maksimum büyüklüğü (12 W) 1/4 "çapında titanyum mikrotip ile donatılmış prob ucu sonikatör ayarlayın. 12 saat için çözüm merkezi ve daha sonra süreci Batmak mikrotip 30 saniye ile / aralık kapalı. Değiştir buz aşırı ısınmayı önlemek için her 30 dk.
2. Sonication durdurun. Herhangi bir büyük parçacıkları kaldırmak için bir 220 nm gözenek boyutlu PTFE filtre zarından NCNC süspansiyon filtre. Çıkan NCNC örnekleri başka uygulamalar için oda sıcaklığında saklamak olabilir.
3. (İsteğe bağlı) bir karşılaştırma deneyi olarak, DMF olarak sentezlenmiş NCNCs başka bir örnek dağıtmak ve doğrudan yukarıdaki gibi aynı ayarları az 12 saat prob ucu sonikasyon ile süspansiyon ses dalgalarına maruz.

4. Kaiser Testi ile NCNCs üzerinde Amin Fonksiyonel Grupların Kantitatif Analiz

1. Bir reaktif hazırlayın: karışımı fenol 1 g ve EtOH 250 ul piridin ve 2.5 ml Karışıma, H ₂ O, 0.01 M hydrindantin 50 ul ekle. Reaktif B hazırlayın: EtOH, 1 ml ninhidrin (50 mg) içinde çözülür.
2. Bir mikro terazi üzerinde NCNCs numuneleri (~ 0.5 mg) tartıldı ve 03:02 EtOH / küçük test tüpleri içinde, 1 ml su içinde dağıtmak. Örnek süspansiyonuna Reaktif B Reaktif A ve 25 ul 100 ul ekleyin. Parafilms ile test tüpleri Seal ve 10 dakika boyunca 100 ° C yağ banyosu, karışımın ısıtılması. Katı tanecikli maddeleri uzaklaştırmak ve süzüntü çözelti toplamak için bir şırınga filtresi ile örnek filtre.
3. Fil üzerinde görünür spektrumları alınNCNCs eklemeden aynı süreçte yapılan boş numune ile kolorimetrik analiz için trate. 570 nm merkezli tepe absorbans kaydedin ve Beer-Lambert yasası göre amin yükleri hesaplamak.

5. Toplam GSMH'sı kendinden NCNCs bir işlevsellik

1. Eşit bir dağılım elde etmek için 5 dakika boyunca bir su banyosunda sonikatör kullanılarak ayrılır NCNCs (0.01 mg / ml) ihtiva eden sulu bir süspansiyon, 4 ml sonikasyon.
2. Sonication sırasında NCNC süspansiyona HAuCl ₄ sulu bir çözeltisi (1 mg / ml), 1 ml ilave edilir. Daha sonra ağırlık olarak% 1 trisodyum sitrat sulu çözelti damla damla 250 ul. Reaksiyon karışımı, kuvvetli bir şekilde 2 saat boyunca bir sıcak bir plaka üzerinde 70 ° C'de yapıldı karıştırın.
3. 15 dakika boyunca 3,400 rpm'de santrifüje reaksiyon karışımı. Çökelti içinde gayri safi milli hasılalarının ile fonksiyonelleştirilmiş NCNCs toplayın ve santrifüj su ile yıkayın. , Su (4 ml) içinde bir çökelti dağıtılır.

Sonuçlar

CVD büyüme olarak sentezlenmiş NCNCs kuvars yüzey üzerinde siyah malzemenin bir halı olarak ortaya çıktı. Birkaç mg ağırlığında NCNCs kalın film bir tıraş bıçağı (Şekil 1B) ile soyulması ile elde edilmiştir. TEM görüntüleri farklı büyütme itibariyle-sentezlenmiş NCNCs (Şekil 1) morfolojisini göstermektedir. 30 nm - alt büyütme (Şekil 1C) de, olarak sentezlenmiş NCNCs tüm 20 tipik olarak birkaç mikrometre ve çap uzunlukları ile b...

Tartışmalar

Bizim deneylerin temel amacı etkin azot katkılı CNT gelen grafit nanocups üretmekti. Bununla birlikte, kardiyovasküler sentezinde azot doping yığılmış kupa şekilli yapının oluşumu garanti etmez. Ön-madde ve diğer büyüme koşulları kimyasal kompozisyonuna bağlı olarak, sonuçlanan ürünün morfolojisi bir çok değişebilir. Azot kaynağı ¹⁹ konsantrasyonu yapısını etkileyen başlıca faktör olduğu için azot atomu uyumsuzluktan bölmeli yapısı sonuçları grafit kafesler. ^20...

Malzemeler

Name	Company	Catalog Number	Comments
Reagents
H2	Valley National Gases	Grade 5.0
Ar	Valley National Gases	Grade 5.0
Ferrocene	Sigma-Aldrich	F408-500G
Xylenes	Fisher Scientific	X5-500
Acetonitrile	EMD	AXO149-6
H2SO4	Fisher Scientific	A300-500
HNO3	EMD	NX0409-2
DMF	Fisher Scientific	D119-500
Ethanol	Decon	2716
Phenol	Sigma-Aldrich	P1037-100G
Pyridine	EMD	PX2020-6
Hydridantin	Sigma-Aldrich	H2003-10G
Ninhydrin	Alfa Aesar	43846
HAuCl4	Sigma-Aldrich	52918-1G
Sodium Citrate	SAFC	W302600
Equipment
CVD Furnace	Lindberg/Blue
TEM (low-resolution)	FEI Morgagni
TEM (high-resolution)	JOEL	2100F
Probe-tip Sonicator	Qsonica	XL-2000
UV-Vis Spectrometer	Perkin-Elmer	Lambda 900
Zeta Potential Analyzer	Brookheaven	ZetaPlus
EDX spectroscopy	Phillips	XL30 FEG