Syntese og Funksjonalisering av Nitrogen-dopet karbon nanorør kopper med gull nanopartikler som Cork Propper
Summary
Vi diskuterte syntese av individuelle grafittisk nanocups hjelp av en rekke teknikker som innbefatter, kjemisk dampavsetning, oksidasjon-og probe-sonikator spiss. Ved citrate reduksjon av HAuCl<sub> 4</sub>, Var de grafittiske nanocups effektivt korket med gull nanopartikler på grunn av de kjemisk reaktive kanter av skålene.
Abstract
Nitrogen-dopet karbon nanorør består av mange cup-formet graphitic avdelinger betegnes som nitrogen-dopet karbon nanorør kopper (NCNCs). Disse as-syntetiserte graphitic nanocups fra kjemisk damp nedfall (CVD)-metoden ble stablet i en head-to-tail mote holdt bare gjennom kovalente interaksjoner. Individuelle NCNCs kan isoleres ut av deres stabling struktur gjennom en serie av kjemiske og fysikalske separeringsprosesser. Først ble det som-syntetiserte NCNCs oksydert i en blanding av sterke syrer for å innføre oksygen-holdige defekter på de grafittiske vegger. Den oksiderte NCNCs ble deretter behandlet ved hjelp av høy intensitet probe-tip lydbehandling som effektivt skilt stablet NCNCs i individuelle graphitic nanocups. På grunn av deres tallrike oksygen og nitrogen overflate funksjonalitet, det resulterende individuelle NCNCs er sterkt hydrofil og kan effektivt funksjonalisert med gull nanopartikler (bruttonasjonalprodukt), som fortrinnsvis passer inn i åpningenav kopper som kork propper. Disse graphitic nanocups korket med bruttonasjonalprodukt kan finne lovende programmene som nanoskala containere og narkotika bærere.
Introduction
Med sine iboende indre hulrom og allsidig overflatekjemi, hul karbonbaserte nanomaterialer, for eksempel karbon nanorør (CNT), anses å være gode nanocarriers i medisinering programmer. 1,2 Imidlertid har fibril strukturen i uberørte CNTs heller utilgjengelig hule interiør og kan forårsake alvorlig inflammatorisk respons og cytotoksisk effekt i biologiske systemer. 3,4 Nitrogen-dopede CNT, på den annen side, er funnet å ha høyere biokompatibilitet enn udopet multiwalled karbon nanorør (MWCNTs) 5,6 og kan ha bedre medikament levering ytelse. Doping av nitrogen atomer inn i nanorør graphitic innhegninger resulterer i en compartmented hul struktur som ligner stablet kopper som kan separeres ut for å skaffe individuelle nitrogen-dopet karbon nanorør kopper (NCNCs) med typisk lengde mindre enn 200 nm. 7,8 Med sine tilgjengelige interiør og nitrogen funksjoner som gir mulighet for videre kjemiskfunksjonalisering, disse individuelle graphitic kopper er svært fordelaktig for medisinering programmer.
Blant ulike syntetiske metoder for nitrogen-dopet CNTs inkludert arc-utslippet 9 og dc sputtering, 10 kjemisk damp nedfall (CVD) har vært den mest utbredte metoden på grunn av flere fordeler som høyere avkastning og bedre kontroll på nanorør vekstvilkår. Den damp-væske-solid (VLS) vekst mekanismen er ofte ansatt for å forstå CVD vekstprosessen av nitrogen-dopet CNTs. 11. Vanligvis er det to ulike ordninger for å bruke metall katalysator frø i vekst. I "fast-bed"-ordningen, ble jern nanopartikler med definerte størrelser først fremstilt ved termisk dekomponering av jern pentacarbonyl og deretter belagt på kvarts lysbilder av spin belegg for senere hjerte-og karsykdom vekst. 12. I "flytende katalysator"-ordningen, jern katalysator (vanligvis ferrocene) ble blandet og injisert med karbon og nitrogen forløpere, og termisk dekomponering av ferrocene gitt in situ generasjon av jern katalytiske nanopartikler der karbon og nitrogen forløpere ble avsatt. Mens fast seng katalysator gir bedre kontroll over størrelsen av de resulterende NCNCs, er utbyttet av produktet vanligvis lavere (<1 mg) i forhold til den flytende katalysator-ordningen (> 5 mg) i det samme forløper mengde og vekst tid. Som den flytende katalysator ordningen gir også ganske lik størrelse fordeling av NCNCs, ble det vedtatt i denne artikkelen for CVD syntese av NCNCs.
CVD-metoden gir as-syntetiserte NCNCs som utviser fibril morfologi består av mange stablet kopper. Selv om det ikke er kjemisk binding mellom tilstøtende kopper, 8 utfordringer gjenstår i effektiv isolering av de enkelte kopper fordi de er satt ordentlig inn i hverandres hulrom og holdt av flere ikke-kovalente interaksjoner og et ytre lag av amorfe karbon. 8 AtteMpts å skille de stablet kopper omfatter både kjemiske og fysiske tilnærminger. Mens oksydasjon behandlinger i en blanding av sterke syrer er en typisk fremgangsmåte for å skjære CNT og innføre oksygen funksjonaliteter, 13,14 kan det også anvendes for å skjære NCNCs i kortere seksjoner. Mikrobølgeovn plasma etsning prosedyrer har blitt også vist seg å skille NCNCs. 15. Sammenlignet med de kjemiske metodene, er fysisk atskillelse mer ukomplisert. Vår tidligere studie viste at ved å slipe med en morter individuelle NCNCs kan være delvis isolert fra sine stablet struktur. 7 I tillegg høy intensitet probe-tip lydbehandling, som ble rapportert å effektivt kutte single-vegger karbon nanorør (SWCNTs) , ble 16 også vist seg å ha en betydelig effekt på separasjon av NCNCs. 8 Sonden-tip sonication leverer høy intensitet ultrasoniske makt til NCNC løsning som hovedsakelig "rister" stablet kopper og forstyrrer den svake interactions som holder koppene sammen. Mens andre mulige separasjonsmetoder er enten ineffektive eller destruktivt til koppen struktur, gir sonde-spissen sonikering en svært effektiv, kostnadseffektiv og mindre ødeleggende fysiske separasjonsmetode for å skaffe individuelle grafittisk kopper.
Den som-syntetiserte fibril NCNCs ble først behandlet i konsentrert H 2 SO 4 / HNO 3 syreblandingen før deres separasjon med probe-tip lydbehandling. De resulterende separerte NCNCs var sterkt hydrofile og effektivt dispergert i vann. Vi har tidligere identifisert nitrogen funksjoner som amingruppene på NCNCs og utnyttet deres kjemiske reaktivitet for NCNCs funksjonalisering. 7,8,17 Sammenlignet med våre tidligere rapporterte metode for gnir NCNCs med kommersielle nanopartikler, åtte i dette arbeidet, var gull nanopartikler (bruttonasjonalprodukt) effektivt forankret til overflaten av kopper med citrat reduksjon fra chloroauric syre. På grunn avfortrinnsrett fordeling av nitrogen funksjoner på den åpne felger av NCNCs, tenderte de bruttonasjonalprodukt syntetiserte in situ fra gullet forløpere til å ha bedre samhandling med åpne felger og skjema BNP "kork propper" på koppene. Slik syntese og funksjonalisering metoder har resultert i en roman BNP-NCNC hybrid nanomaterial for potensielle anvendelser som narkotika levering bærere.
Protocol
Representative Results
Discussion
Det primære målet for våre eksperimenter var å effektivt produsere graphitic nanocups fra nitrogen-dopet CNTs. Imidlertid, nitrogen-doping i CVD syntese ikke garanterer dannelse av den stablede koppformede struktur. Avhengig av den kjemiske sammensetningen av forløperen og andre vekstforhold, kan morfologien av det resulterende produkt variere mye. 19. Konsentrasjonen av nitrogenkilde er den primære faktor som påvirker strukturen fordi de kammere struktur resultatene fra uforlikelighet av nitrogenatome…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av en NSF KARRIERE 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 |
Referências
- 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).
