סינתזה וFunctionalization גביעי Nanotube פחמן חנקן מסומם עם חלקיקי זהב כפקקים
Summary
דנו בסינתזה של nanocups graphitic הבודדים באמצעות סדרה של טכניקות כולל שיקוע כימי, חמצון החומצה וsonication חללית-קצה. על ידי הפחתה של ציטרט HAuCl<sub> 4</sub>, את nanocups graphitic היו פקוק בצורה יעילה עם זהב חלקיקים בשל הקצוות המגיבים כימי של הכוסות.
Abstract
צינורות פחמן חנקן מסוממים מורכבים מתאי graphitic צורת כוס רבים נקראים כמו כוסות צינורות פחמן חנקן מסוממת (NCNCs). nanocups graphitic אלה כ- מסונתזים מהאדים כימיים (CVD) שיטה נערמו בצורה הראש אל זנב החזיקה רק דרך אינטראקציות noncovalent. ניתן לבודד מתוך NCNCs הבודדים של המבנה לעורמם באמצעות סדרה של תהליכי הפרדה כימית ופיסיים. ראשית, כNCNCs-מסונתז היו מתחמצן בתערובת של חומצות חזקות להציג פגמים המכילים חמצן על קירות graphitic. את NCNCs חמצון אז עובדו באמצעות sonication חללית-קצה בעוצמה גבוהה אשר למעשה הפריד בין NCNCs נערם לnanocups graphitic הבודדים. בשל שפע החמצן שלהם ומשטח פונקציות חנקן, את NCNCs הבודדים הביא הם הידרופילי מאוד יכול להיות פונקציונליות בצורה יעילה עם חלקיקי זהב (GNPs), אשר מתאימים באופן מועדף הפתיחהמהכוסות כפקקי השעם. nanocups graphitic אלה פקוקים עם GNPs עשוי למצוא יישומים מבטיחים כמו מכולות ננומטריים ונושאות סמים.
Introduction
עם החללים הפנימיים הטבועים בם וכימיה תכליתית פני השטח, ננו מבוסס פחמן חלול, כמו צינורות פחמן (CNTs), נחשב לטוב ביישומי nanocarriers אספקת סמים. עם זאת, המבנה הסיבי של CNTs וטהור יש 1,2 ולא נגיש חלול פנים ועלולים לגרום לתגובה דלקתית קשה והשפעות רעילות במערכות ביולוגיות. 3,4 CNTs חנקן מסומם, לעומת זאת, כבר נמצא ברשות biocompatibility גבוה יותר מאשר צינורות פחם multiwalled undoped (MWCNTs) 5,6 וייתכן שיש תרופה טובה יותר ביצועי מסירה. סימום של אטומי חנקן לתוצאות חסימה graphitic Nanotube במבנה חלול דמוי מחולק כוסות מוערמות שניתן להפריד את כוסות כדי להשיג צינורות פחמן חנקן מסוממים בודדות (NCNCs) עם אורך טיפוסי מתחת 200 ננומטר. 7,8 עם הפנים שלהם ונגישים פונקציות חנקן המאפשרים לכימיקלים נוספיםfunctionalization, כוסות graphitic הבודדות האלה הם יתרון מאוד עבור יישומי אספקת סמים.
בין שיטות שונות לחנקן סינטטי מסומם CNTs כולל קשת פריקה 9 וDC magnetron המקרטעת, 10 אדים כימיים (CVD) כבר השיטה הנפוצה ביותר בשל מספר יתרונות כגון תשואה גבוהה יותר ושליטה קלה יותר על תנאי גידול Nanotube. מנגנון אד נוזל מוצק הצמיחה (VLS) הוא מועסק בדרך כלל להבין את תהליך הצמיחה של CVD CNTs חנקן מסוממים. 11 באופן כללי יש שתי תוכניות שונות לשימוש בזרעי זרז מתכתי בצמיחה. בתכנית "קבועה המיטה", חלקיקי ברזל עם גדלים שהוגדרו היו מסונתזים ראשון על ידי פירוק תרמי של pentacarbonyl ברזל ולאחר מכן מצופה בשקופיות קוורץ על ידי ציפוי ספין לצמיחת CVD שלאחר מכן. 12 בתכנית "צף זרז", ברזל הזרז (בדרך כלל ferrocene) היה מעורב והזריק עם פחם וnמבשרי itrogen, והפירוק התרמי של ferrocene סיפק בדור באתרו של חלקיקים קטליטיים ברזל שבו פחמן וחנקן המבשרים היו מופקדים. בעוד זרז קבוע המיטה מספק שליטה טובה יותר על גודל NCNCs את התוצאה, התשואה של מוצר היא בדרך כלל נמוכה (<1 מ"ג) בהשוואה לתכנית הזרז הצפה (> 5 מ"ג) באותו הסכום מבשר וזמן צמיחה. כערכת זרז הצפה מספקת גם התפלגות גודל אחידה למדי של NCNCs הוא אומץ במאמר זה לסינתזה של CVD NCNCs.
שיטת CVD מקנה NCNCs כ- מסונתז אשר תערוכת מורפולוגיה יפון המורכבת מכוסות מוערמות רבות. למרות שאין קשר כימי בין כוסות סמוכות, 8 אתגרים יישארו בבידוד יעיל של כוסות הבודדות משום שהם מוכנסים בחוזקה לתוך חלליו של זה ונערך על ידי אינטראקציות noncovalent מרובות ושכבה חיצונית של פחמן אמורפי. 8 Attempts להפריד את הכוסות המוערמות כולל גם פיזי גישות כימיות ו. בעוד טיפולי חמצון בתערובת של חומצות חזקות הוא הליך טיפוסי לחתוך CNTs ולהציג את פונקציות חמצן, 13,14 זה יכול להיות מיושם גם לחתוך NCNCs למקטעים קצרים יותר. נהלי תחריט פלזמה מיקרוגל הוכחו גם כדי להפריד בין NCNCs. 15 בהשוואה לגישות הכימיות, הפרדה פיזית היא פשוטה יותר. המחקר הקודם שלנו הראה כי פשוט על ידי טחינה עם מכתש ועלי NCNCs הבודדים יכולה להיות מבודד באופן חלקי מהמבנה נערם. 7 בנוסף, בעוצמה גבוהה sonication חללית-קצה, אשר דווחה לחתוך ביעילות צינורות פחמן אחת חומה (SWCNTs) , 16 גם הראה שיש השפעה משמעותית על הפרדת NCNCs. 8 sonication חללית-הקצה מספק כוח בעוצמה גבוהה קולי לפתרון NCNC כי למעשה "לוחץ" את הכוסות המוערמות ומשבש את Intera החלשctions שמחזיקים את הכוסות יחד. בעוד שיטות הפרדה פוטנציאליות אחרות הם או לא יעילים או הרסניים למבנה הכוס, sonication חללית-קצה מספק שיטת הפרדה פיזית יעילה מאוד, חסכוני ופחות הרסני להשיג כוסות graphitic בודדות.
כ- מסונתז יפון NCNCs טופלו תחילה בריכוז H 2 SO 4 / תערובת HNO 3 חומצות לפני ההפרדה שלהם עם sonication חללית-קצה. את NCNCs מופרד התוצאה היו הידרופילי ביותר וביעילות מפוזרת במים. יש לנו זוהו בעבר פונקציות כגון חנקן קבוצות אמינים בNCNCs ומנוצלים התגובה הכימית שלהם לfunctionalization NCNCs. 7,8,17 בהשוואה לשיטה שדווחה בעבר שלנו סתום NCNCs עם חלקיקים מסחריים, 8 בעבודה זו, חלקיקי זהב (GNPs) היו יעילות מעוגנת אל פני השטח של את הכוסות על ידי הפחתת ציטראט מחומצת chloroauric. בגללההפצה מועדפת של פונקציות חנקן בשפות הפתוחה של NCNCs, את GNPs המסונתז באתר ממבשרי הזהב נטו יש אינטראקציה טובה יותר עם "פקקים" תל"ג שפות הפתוחים וטופס בכוסות. סינתזה כזאת ושיטות functionalization הביאו לרומן תל"ג-NCNC ההיברידי nanomaterial ליישומים פוטנציאליים כנשאים אספקת סמים.
Protocol
Representative Results
Discussion
המטרה העיקרית של הניסויים שלנו הייתה לייצר nanocups graphitic ביעילות מCNTs חנקן מסוממים. עם זאת, שימוש בסמים בחנקן סינתזת CVD אינו מבטיח היווצרות של המבנה דמוי ספל נערם. בהתאם להרכב הכימי של המבשר ותנאי גידול אחרים, המורפולוגיה של המוצר עשויה להשתנות הביא הרבה. 19 ריכוז מקו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי פרס קריירה NSF מס 0,954,345.
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).
