Синтез и Функционализация легированного азотом Кубки углеродных нанотрубок наночастицами золота как корковыми пробками
Summary
Мы обсудили синтез отдельных графитовых nanocups с использованием ряда способов, включая химическое осаждение из паровой фазы, кислоты окислением и зондом кончик ультразвуком. По цитрат сокращение HAuCl<sub> 4</sub>, Графитовый nanocups были фактически закупорен с наночастиц золота в связи с химически активными краями стаканчиков.
Abstract
Легированного азотом углеродных нанотрубок состоят из многих чашеобразным графитовых отсеков называются, легированного азотом углеродных нанотрубок чашки (NCNCs). Эти только что синтезированного графитовых nanocups от химического осаждения из паровой фазы (CVD) метода были сложены в головы к хвосту состоялся только через нековалентных взаимодействий. Индивидуальные NCNCs могут быть выделены из их укладки структуры, через ряд процессов химической и физической сепарации. Во-первых, синтезированного NCNCs окисляются в смеси сильных кислот вводить кислородсодержащий дефектов на графитовых стенок. Окисленных NCNCs затем обрабатываются с помощью высокоинтенсивного зонд-наконечник ультразвуком, который эффективно отделить NCNCs укладываются в отдельные графитовых nanocups. Вследствие их богатый кислородом и азотом поверхностных функциональностей, приведенных отдельных NCNCs высокой гидрофильностью, может быть эффективно функционализированных наночастиц золота (ВНП), который преимущественно помещается в отверстиечашек как корковые пробки. Эти графитовые nanocups закупоренной с ВНП может найти перспективных приложений, как контейнеры и наноразмерных носителей лекарственных средств.
Introduction
С присущими им внутренними полостями и универсальный химии поверхности, полые углеродных наноматериалов, таких как углеродные нанотрубки (УНТ), которые считаются хорошими наноносителей в приложениях доставки лекарств. 1,2 Однако структура фибрилл нетронутых УНТ малопонят полые интерьеров и может привести к серьезным воспалительной реакции и цитотоксические эффекты в биологических системах. 3,4 Азот, легированных углеродных нанотрубок, с другой стороны, было обнаружено, обладают более высокой биосовместимостью, чем нелегированного многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) 5,6 и может иметь лучший препарат Доставка производительности. Легирование атомами азота в графитовую нанотрубку результаты решетки в отсеки полой структурой, напоминающей сложены чашки, которые могут быть отделены, чтобы получить индивидуальные легированного азотом углеродных нанотрубок чашки (NCNCs) с типичной длиной до 200 нм. 7,8 С их доступными интерьеров и азот функциональные возможности, которые позволяют для дальнейшей химическойфункционализации этих отдельных графитовых чашки весьма выгодны для приложений для доставки лекарств.
Среди различных методов синтеза, легированного азотом УНТ включая дугового разряда 9 и магнетронного распыления, 10 химического осаждения из паровой фазы (CVD) была самым распространенным методом из-за нескольких преимуществ, таких как более высокий выход и проще контроля за условиями роста нанотрубок. Пар-жидкость-твердое вещество (ПЖК) механизма роста обычно используется для понимания процесса CVD роста, легированного азотом углеродных нанотрубок. 11 Вообще есть две различные схемы использовать семена металлического катализатора в росте. В «неподвижным слоем» схеме, наночастицы железа с заданными размерами впервые были синтезированы путем термического разложения пентакарбонил железа и затем высевали на кварцевых предметных стеклах методом центрифугирования для последующего роста сердечно-сосудистых заболеваний. 12 В "плавающий катализатор" схема, железный катализатор (обычно ферроцен) смешивали и вводили углерода и нitrogen предшественников, а также термического разложения ферроцена предоставляется на месте поколение железо каталитического наночастиц, на которой углерода и азота, предшественники были депонированы. В то время как с неподвижным слоем катализатора обеспечивает лучший контроль над размером полученной NCNCs, выход продукта, как правило, ниже (<1 мг) по сравнению с плавающей схеме катализатор (> 5 мг) на ту же сумму предшественников и роста времени. Как плавающей схеме катализатор также обеспечивает достаточно равномерное распределение по размерам NCNCs, он был принят в эту бумагу для CVD синтеза NCNCs.
CVD-метод дает только что синтезированного NCNCs фибрилл, которые проявляют морфологию состоит из множества сложенных чашках. Хотя нет химической связи между соседними чашки, 8 проблемы остаются в эффективной изоляции отдельных чашках, потому что они плотно вставлены друг в друга полостей и проведены многочисленные нековалентных взаимодействий, и внешний слой аморфного углерода. 8 AtteMPTS отделить сложены чашки включают химические и физические подходы. В то время как окисление лечения в смеси сильных кислот является типичной процедурой, чтобы сократить нанотрубок и вводить кислород функциональными возможностями, 13,14 оно также может быть применено, чтобы сократить NCNCs на более короткие части. Микроволновая печь процедуры плазменное травление было также показано, чтобы отделить NCNCs. 15 По сравнению с химическим подходы, физическое разделение является более простым. Наши предыдущие исследования показали, что, просто шлифование с помощью ступки и пестика отдельных NCNCs может быть частично изолированы от своих многослойную структуру. 7 Кроме того, высокой интенсивности зонд-наконечник ультразвуком, о котором сообщалось эффективно сократить однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) , 16 было также показано, что значительное влияние на разделение NCNCs. 8 Зонд-Tip обеспечивает обработку ультразвуком высокой интенсивности ультразвукового власть НСНК решение, которое по существу "трясет" сложены кубки и разрушает слабые Интерастрельчатые, которые держат чашки вместе. В то время как другие потенциальные методы разделения являются либо неэффективными или разрушительными для структуры чашку, наконечник зонда ультразвуком обеспечивает высоко эффективное, экономически эффективной и менее разрушительной-физический метод разделения для получения индивидуальных графитовые чашки.
Только что синтезированный фибриллу NCNCs сначала обрабатывали в концентрированной H 2 SO 4 / HNO 3 кислоты смеси до их разделения с наконечником зонда ультразвуком. Полученный отделены NCNCs были высоко гидрофильным и эффективно диспергированы в воде. Ранее мы определили азота функции, такие как аминогруппы NCNCs и использовать их химической активности для функционализации NCNCs. 7,8,17 сравнению с нашими сообщалось ранее методом укупорки NCNCs с коммерческими наночастиц, 8 в этой работе, наночастицы золота (ВНП), были эффективно прикреплена к поверхности чашки, цитрат сокращение от хлорзолотую кислоту. Из-запредпочтительное распределение азота функциональных на открытых краях NCNCs, ВНП синтезированного на месте из золота предшественников как правило, имеют более эффективное взаимодействие с открытой формой оправы и ВНП "корковыми пробками" на чашках. Такой синтез и функционализации методы привели к новым ВНП-NCNC гибридных наноматериалов для потенциального применения в качестве носителей для доставки лекарств.
Protocol
Representative Results
Discussion
Основная цель экспериментов являлось эффективно производить графитовые nanocups из легированного азотом УНТ. Однако легирование азотом в синтезе CVD не гарантирует образование сложены чашеобразной конструкции. В зависимости от химического состава предшественника и других условий роста,…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана премии NSF КАРЬЕРА номер 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 |
References
- 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).
