Synthese en functionalisering van stikstof-gedoteerde koolstof nanobuis Kopjes met Gold Nanodeeltjes als Cork Stoppers
Summary
We bespraken de synthese van individuele grafitische nanocups behulp van een reeks van technieken, waaronder chemische damp depositie, zuur oxidatie en probe-tip ultrasoonapparaat. Door citraat vermindering van HAuCl<sub> 4</sub> De grafiet nanocups waren effectief gekurkt met gouden nanodeeltjes door de chemisch reactieve randen van de cups.
Abstract
Stikstof-gedoteerde koolstof nanobuisjes bestaan uit vele komvormige grafitische compartimenten genoemd als stikstof-gedoteerde koolstof nanobuis kopjes (NCNCs). Deze as-gesynthetiseerde grafiet nanocups van chemische dampafzetting (CVD) werkwijze werden gestapeld in een head-to-tail fashion gehouden alleen via niet-covalente interacties. Individuele NCNCs kunnen uit hun stapelstructuur worden geïsoleerd door een reeks van chemische en fysische scheidingsprocessen. Eerst werden als zodanig gesynthetiseerde NCNCs geoxideerd in een mengsel van sterke zuren zuurstof bevattende defecten voeren op de grafiet muren. De geoxideerde NCNCs werden vervolgens verwerkt met behulp van hoge-intensiteit probe-tip sonicatiebuffer die effectief gescheiden van de gestapelde NCNCs in individuele grafitisch nanocups. Door hun overvloedige zuurstof en stikstof oppervlaktefunctionaliteiten, de resulterende individuele NCNCs zijn sterk hydrofiel en effectief worden gefunctionaliseerd met gouden nanodeeltjes (BNP), die bij voorkeur passen in de openingvan de bekers als kurk. Deze grafitische nanocups gekurkte met BNP kan veelbelovende toepassingen vinden als nanoschaal containers en drug carriers.
Introduction
Met hun aangeboren holtes en scheikunde veelzijdig oppervlak, holle koolstof gebaseerde nanomaterialen, zoals koolstof nanotubes (CNT), worden beschouwd als een goede nanocarriers in drug delivery applicaties. 1,2 Maar de vezelstructuur van ongerepte CNT heeft nogal ontoegankelijk hol inrichting en kan ernstige ontstekingsreactie en cytotoxische effecten in biologische systemen. 3,4 stikstof gedoteerde CNTs, anderzijds, is gevonden dat hogere biocompatibiliteit dan gedoteerde meerwandige koolstofnanobuizen (MWCNTs) 5,6 bezitten en kunnen beter geneesmiddel zijn leverbetrouwbaarheid. Doping stikstofatomen in de nanobuis grafiet roosters resulteert in een gecompartimenteerde holle structuur die lijkt gestapelde cups die gescheiden kunnen worden naar individuele stikstof gedoteerde koolstof nanobuis cups (NCNCs) verkrijgen met typische lengte kleiner dan 200 nm. 7,8 Met de bereikbare inrichting en stikstof functionaliteiten die het mogelijk maken voor verdere chemischefunctionalisering, deze individuele grafiet bekers zijn zeer voordelig voor drug delivery applicaties.
Tussen verschillende synthetische methoden voor stikstof-gedoteerde CNT waaronder arc-ontlading 9 en dc-magnetron sputteren, 10 chemical vapor deposition (CVD) is de meest voorkomende methode te wijten aan een aantal voordelen, zoals een hogere opbrengst en makkelijker controle over nanobuis groei-omstandigheden. De damp-vloeistof-vaste stof (VLS) groeimechanisme wordt algemeen gebruikt om de groei CVD proces stikstof gedoteerde CNTs begrijpen. 11 algemeen zijn er twee verschillende stelsels metaalkatalysator zaden gebruikt in de groei. In de "fixed-bed"-regeling, werden ijzeren nanodeeltjes met gedefinieerde maten eerst gesynthetiseerd door thermische ontleding van ijzerpentacarbonyl en daarna uitgeplaat op kwarts dia's door middel van spin-coating voor verdere groei CVD. 12 In de "zwevende katalysator"-regeling, ijzerkatalysator (meestal ferroceen) werd gemengd en geïnjecteerd met koolstof en nitrogen voorlopers, en de thermische ontleding van ferroceen voorzien in situ generatie van ijzer katalytische nanodeeltjes waarop de koolstof en stikstof voorlopers werden afgezet. Terwijl vast bed katalysator zorgt voor een betere grootte controle over de resulterende NCNCs, de opbrengst van het product is meestal lager (<1 mg) in vergelijking met de drijvende katalysator regeling (> 5 mg) voor hetzelfde voorloper bedrag en groeitijd. Zoals de drijvende katalysator regeling voorziet ook redelijk uniforme grootte distributie van NCNCs, werd in dit document zijn vastgesteld voor CVD synthese van NCNCs.
CVD-methode biedt als-gesynthetiseerde NCNCs die fibrillen morfologie bestaat uit vele gestapelde kopjes vertonen. Hoewel er geen chemische binding tussen naburige cups, 8 uitdagingen in effectieve isolatie van de afzonderlijke bekers omdat zij stevig ingebracht in elkaars holten bezit van verschillende niet-covalente interacties en een buitenlaag van amorfe koolstof. 8 AtteMPTS de gestapelde cups scheiden zowel chemische en fysische methoden. Terwijl oxidatiebehandelingen in een mengsel van sterke zuren een typische procedure CNTs snijden en zuurstof voeren functionaliteiten 13,14 kan ook worden toegepast op NCNCs snijden in kortere secties. Microgolf plasma etsen procedures zijn ook gebleken om de NCNCs scheiden. 15 Vergeleken met de chemische benaderingen, fysische scheiding eenvoudiger. Onze eerdere studie toonde aan dat door simpelweg het malen met een vijzel en stamper individuele NCNCs gedeeltelijk kan worden geïsoleerd uit hun gestapelde structuur. 7 Bovendien, high-intensity probe-tip sonicatie, die werd gemeld om effectief te snijden single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) , 16 werd ook aangetoond dat een significant effect op de scheiding van NCNCs hebben. 8 De probe-tip ultrasoonapparaat levert hoge-intensiteit ultrasoon vermogen om de NCNC oplossing die in wezen "shakes" de gestapelde kopjes en verstoort de zwakke intraoperatieveegen dat de koppen bij elkaar te houden. Terwijl andere potentiële scheidingsmethodes zijn ofwel inefficiënt of destructief voor de komconstructie, tastkogel ultrasoonapparaat levert een zeer effectieve, kostenefficiënte en minder destructieve fysieke scheidingswerkwijze individuele grafiet cups verkrijgen.
De gesynthetiseerde fibril NCNCs werden eerst behandeld in geconcentreerd H 2 SO 4 / HNO3-mengsel voorafgaand aan de scheiding ervan met tastkogel sonicatie. De resulterende gescheiden NCNCs waren sterk hydrofiel en effectief gedispergeerd in water. We hebben eerder stikstof functionaliteiten zoals amine-groepen geïdentificeerd op NCNCs en benut hun chemische reactiviteit voor NCNCs functionalisatie. 7,8,17 In vergelijking met onze eerder gemelde methode overkappen NCNCs met commerciële nanodeeltjes, 8 in dit werk, gouden nanodeeltjes (BNP) waren effectief verankerd aan het oppervlak van de cups met citraat vermindering van chloorgoudzuur. Dankzijde preferentiële verdeling van stikstof functionaliteiten op de open randen van NCNCs, de BNP gesynthetiseerd in situ van het goud voorlopers neiging om een betere interactie te hebben met de open velgen en vorm BNP "kurk" op de cups. Dergelijke synthese en functionalisering methoden hebben geleid tot een nieuwe BNP-NCNC hybride nanomateriaal voor potentiële toepassingen zoals drug delivery carriers.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het primaire doel van onze experimenten was om effectief produceren grafiet nanocups uit stikstof gedoteerde CNTs. Echter, stikstof-doping in de CVD synthese niet instaan voor de vorming van de gestapelde komvormige structuur. Afhankelijk van de chemische samenstelling van de precursor en andere groeiomstandigheden, kan de morfologie van het resulterende product sterk variëren. 19 Het stikstofgehalte van bron is de primaire factor die de structuur, omdat de gecompartimenteerde structuur gevolg van de o…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door een NSF LOOPBAAN Award nr. 0954345.
Materials
| Reagent Name | Company | Catalogue Number | Comment |
| 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 |
Riferimenti
- Tasis, D., Tagmatarchis, N., Bianco, A., Prato, M. Chemistry of carbon nanotubes. Chem. Rev. 106 (3), 1105-1136 (2006).
- Hilder, T. A., Hill, J. M. Modeling the loading and unloading of drugs into nanotubes. Small. 5 (3), 300-308 (2009).
- Shvedova, A. A., Kisin, E. R., et al. Unusual inflammatory and fibrogenic pulmonary responses to single-walled carbon nanotubes in mice. American Journal of Physiology – Lung Cellular and Molecular Physiology. 289 (5), L698-L708 (2005).
- Jia, G., Wang, H., et al. Cytotoxicity of carbon nanomaterials: Single-wall nanotube, multi-wall nanotube, and fullerene. Environmental Science & Technology. 39 (5), 1378-1383 (2005).
- Carrero-Sánchez, J. C., Elías, A. L., et al. Biocompatibility and toxicological studies of carbon nanotubes doped with nitrogen. Nano Lett. 6 (8), 1609-1616 (2006).
- Zhao, M. L., Li, D. J., et al. Differences in cytocompatibility and hemocompatibility between carbon nanotubes and nitrogen-doped carbon nanotubes. Carbon. 49 (9), 3125-3133 (2011).
- Allen, B. L., Kichambare, P. D., Star, A. Synthesis, characterization, and manipulation of nitrogen-doped carbon nanotube cups. ACS Nano. 2 (9), 1914-1920 (2008).
- Zhao, Y., Tang, Y., Chen, Y., Star, A. Corking carbon nanotube cups with gold nanoparticles. ACS Nano. 6 (8), 6912-6921 (2012).
- Stephan, O., Ajayan, P. M., et al. Doping graphitic and carbon nanotube structures with boron and nitrogen. Science. 266 (5191), 1683-1685 (1994).
- Suenaga, K., Johansson, M. P., et al. Carbon nitride nanotubulite – densely-packed and well-aligned tubular nanostructures. Chem. Phys. Lett. 300 (5-6), 695-700 (1999).
- Chen, H., Yang, Y., et al. Synergism of C5N six-membered ring and vapor-liquid-solid growth of CNx nanotubes with pyridine precursor. J. Phys. Chem. B. 110 (33), 16422-16427 (2006).
- Allen, B. L., Keddie, M. B., Star, A. Controlling the volumetric parameters of nitrogen-doped carbon nanotube cups. Nanoscale. 2 (7), 1105-1108 (2010).
- Liu, J., Rinzler, A. G., et al. Fullerene pipes. Science. 280 (5367), 1253-1256 (1998).
- Zhao, Y., Allen, B. L., Star, A. Enzymatic degradation of multiwalled carbon nanotubes. J. Phys. Chem. A. 115 (34), 9536-9544 (2011).
- Wang, Y., Bai, X. High-yield preparation of individual nitrogen-containing carbon nanobells. Mater. Lett. 63 (2), 206-208 (2009).
- Heller, D. A., Mayrhofer, R. M., et al. Concomitant length and diameter separation of single-walled carbon nanotubes. J. Am. Chem. Soc. 126 (44), 14567-14573 (2004).
- Allen, B. L., Shade, C. M., Yingling, A. M., Petoud, S., Star, A. Graphitic nanocapsules. Adv. Mater. 21 (46), 4692-4695 (2009).
- Wang, Z., Shirley, M. D., Meikle, S. T., Whitby, R. L. D., Mikhalovsky, S. V. The surface acidity of acid oxidised multi-walled carbon nanotubes and the influence of in-situ generated fulvic acids on their stability in aqueous dispersions. Carbon. 47 (1), 73-79 (2009).
- Liu, H., Zhang, Y., et al. Structural and morphological control of aligned nitrogen-doped carbon nanotubes. Carbon. 48 (5), 1498-1507 (2010).
- Mandumpal, J., Gemming, S., Seifert, G. Curvature effects of nitrogen on graphitic sheets: structures and energetics. Chem. Phys. Lett. 447 (1-3), 115-120 (2007).
