Kulstof-nanorør (CNTs) har vist stort potentiale til brug som cellulære sonder. Som "nanopipes" de kan bruges til transport af væsker til eller fra celler og injicere løsninger eller narkotika direkte i de enkelte celler og individuelle organeller i cellerne. Hertil kommer, inducerer på grund af små diametre af kulstof nanorør lidt skade på cellerne ved penetration. Carbon nanopipes (CNPS) er blevet fyldt med vand [1] , Flydende krystaller [2] , Fluorescerende [3] , Og magnetiske nanopartikler [4] viser, at de kan bruges til transport af forskellige typer af væsker til og fra cellerne. Ved at gøre disse sonder i stand til at sanse i cellerne, kan oplysninger om kemiske påvirkninger i cellerne findes. Overflade-forstærket Raman spektroskopi (SERS) har denne evne. Realiseringen af kulstof-nanorør SERS-aktiv ved funktionalisering med SERS-aktive nanopartikler, skaber mulighed for ekstremt følsomme undersøgelse og identifikation af komponenter af celler. Desuden kan nanorør kan anvendes til en nanofluidic enhed, hvor de kan tjene som en sammenkobling mellem en væskebeholder og den celle, til både levere og ekstrakt væsker. Virkningerne af væsker på celler kan studeres in situ. Den SERS Teknikken kan bruges til at forbedre Raman signal af faktorer på op til 10 14 [5] . Den har to hovedformål, den første, for at øge den relativt svage Raman signal, som gør det vanskeligt at undersøge nærmere kemiske indhold af mange komplekse prøver, og det andet, at få oplysninger fra overfladen af komplekse materialer (monolag). I SERS, er lateral opløsning bestemmes ikke af diffraktion grænse, men ved den rumlige indespærring af de lokale felter [6] . Dette spor analytiske formåen er mest interessant for biologiske undersøgelser, der tillader molekylær identifikation på nanoskala. Dette er især vigtigt, fordi biologisk relevante molekyler er ofte til rådighed for karakterisering i ekstremt små mængder. Der er to primære mekanismer for SERS ekstraudstyr, elektromagnetiske og kemiske [7-10] . De elektromagnetiske forbedring vedrører excitation af overfladen plasmoner på nanoskala metalstrukturer, mens den kemiske ekstraudstyr vedrører en afgift-transfer komplekset mellem metal og den prøve, der skal analyseres. Sædvanlige metoder til at skabe en forbedring nødvendige for SERS er ru eller mønstrede metalplader eller sfæriske nanopartikler. Men disse benytter "hot-spots" for at skabe den væsentlige forbedring ønskede faktorer. Foreløbige resultater har vist, at sfæriske nanopartikler indlejret i væggene af kulstof nanorør producere en svag, men observerbar signal [11]. Det har vist sig, at facetslebet nanopartikler giver en meget højere SERS intensitet end kolloid nanopartikler [12] på grund af quadrupol [13] og gradientfelt effekter [14], og så er anvendt i denne undersøgelse. Disse kan slappe udvælgelsesregler, og forårsage forekomsten af normalt forbudt Raman linjer, forklarer nogle af de ændringer observeret i SERS spektre. Facetteret nanopartikler kan skabe disse hot-spots individuelt, hvilket fjerner behovet for præcis styring af sammenlægning [15]. Resultater og diskussion To slags Måleproberne blev skabt og testet. Først CNPS med nanotriangles fastgjort indeni, der tillader undersøgelse af interaktioner inde i rørene. En suspension af CNPS i ethanol og en løsning af de nanotriangles blev udarbejdet, så trekanterne til at sprede indeni CNPS. Før brug, var en dråbe af denne suspension anbringes på en silicium wafer og lov til at tørre grundigt. Selv om der ikke trekanter blev observeret på overfladen af CNPS med transmissions elektron mikroskopi (TEM) blev CNPS vaskes forsigtigt med DI vand for at fjerne enhver trekanter på overfladen. Nanorør blev observeret ved hjælp af tilbagekastet elektron billedbehandling med scanning elektron mikroskopi (SEM) for at scanne for guld partikler, som ikke vises på ydersiden af rørene. Efter fordampning af vand, blev glycin løsning deponeret på CNPS. Fordi CNPS er store i diameter, enkelte rør var klart synlige. For det andet, smalle multi-væg nanorør med trekanter kemisk fastgjort på ydersiden af Bingel reaktionen [16] . Den Bingel reaktion er et eksempel på en [2 + 1] cycloaddition reaktion. De vigtigste trin i processen er: Først blev nanorør immobiliseret på en overflade og transesterified ved længere tids omrøring i et overskud af 2 (methylthio) ethanolfollowed af omfattende vask med diethylether at danne [(COOCH 2 CH 2 SMV) 2 C <SWNT]. Så ved at udnytte guldet svovl bindende interaktion cyklopropan gruppen var "tagged" ved hjælp af guld nanopartikler. Prøver blandet uden Bingel reaktion viste ingen fastgørelse af trekanter til nanorør. Ligeledes var de CNTs med vedhæftede trekanter deponeret på en silicium wafer og vaskes forsigtigt med DI vand. Efter inddampning blev glycin deponeret på CNTs. Raman spektre blev taget fra små klynger af nanorør, som indeholder så få som synligt med det instrumentale anvendte setup. Alle overflødige glycin resterende omkring nanorør i løbet af Raman målinger påvirker ikke resultaterne. Koncentrationen af glycin er for lav til at blive overvåget af konventionelle Raman spektroskopi, hvilket gør det kun iagttages når de er i kontakt med nanotriangles som kun er inde i CNT eller CNPS. Alle spektre af glycin blev taget, mens vådt, for at forhindre dannelsen af crystallites på overfladen af røret under tørringsprocessen.  Figur 1. Mikroskopi af nanorør sonder. (A) TEM billede af en trekant og sfærisk partikel i en nanopipe. (B) SEM billede af en trekant og en sekskantet partikel fastgjort til MWNT af Bingel reaktion. (C) Et SEM billede af en trekant inde i en nanopipe gøres gennemsigtig, ved den høje spænding (25 kV). (D) Et SEM billede af den samme nanopipe som i (c) med en accelererende spænding på 4 kV, viser intet i regionen (c), hvilket betyder, at trekanten er placeret på indersiden af røret. Et nanorør bruges til at opnå SERS blev bragt til SEM og observeret, viser en trekant på indersiden af nanorør. Med en accelererende spænding på 4 kV, var der ingen partikler observeret, men når den er hævet til 25 kV væggene af røret blev gennemsigtig, så observation af den trekant, der er vist i figur 1. Tilsvarende Raman spektre fra disse to metoder er vist i Figur 2. Den glycin toppe synlige er identiske i begge tilfælde, og svarer godt overens med tidligere litteratur om SERS af glycin. Også synlige er de Raman spektre af CNPS og CNTs, bestående af et bånd omkring (1350 cm -1), hvilket er en dobbelt resonans band fælles for carbon materialer (D band) og et band omkring 1600 cm -1 relateret til in- plane vibrationer af grafit (G band). Disse bånd se anderledes ud mellem CNTs og CNPS på grund af forskellen i deres syntese [17] - De CNTs er for det meste graphitic, mens CNPS har en uorganiseret væg struktur.  Figur 2. Raman spektre opnås ved hjælp af nanorør sonder. (1) fra CNPS med trekanter på indersiden, (2) fra MWNT med trekanter er fastgjort på ydersiden, og (3) uden nanorør til stede, viser den manglende signal udover Si. (A) Et billede af en lille klynge af MWNT anvendes til at opnå SERS. (B) En person nanopipe bruges til at opnå SERS. Fire ekstra toppe fra glycin vises på 817 til 872 (NH 2 twist - CH 2 twist), 1048 (KN-stretch), 1083 (NH 3 + logre) og 1453 (CH 2 bøjning) cm -1. Forskellene mellem de regelmæssige Raman og SER spektre kan forklares ved gradient feltet og quadrupol effekter, som nævnt ovenfor. Tabel I. Frekvenser (cm -1) og tildelinger af bands i den konventionelle Raman spektre og SERS af glycin. | | 816 s, 872 w | 817 w, 872 s | NH 2 twist + CH 2 twist | 901 s | 950 w | | CC stræk | 1033 w | 1026 w | 1048 w | KN-stretch | 1131 w | 1175 s | 1083 w | NH 3 + logre | | 1229 w, 1273 m | | | 1328 s | 1311 w | | CH 2 logre | | 1374 w | | C-NH 3 + stretch | 1407 s | | | COOH SYM. stræk | 1438 m | 1437 w | 1453 m | CH 2 Bend | 1513 w | 1527 s | | NH 3 + SYM. def. | | | 1590 w | | COOH Asym. stræk | 1612 m | | | NH 3 + Asym. def. |
Dou et al. påvist, at glycin interagerer med guld nanopartikler gennem aminogrupper [18] der er derfor mere påvirket af plasmon-genererede elektrisk felt. Sammenligning af disse resultater til SERS af glycin i en Au kolloid løsning, viser en upshift på omkring 5-10 cm -1 af glycin toppe. Desuden observerede SERS toppe svarer godt overens med ab initio beregninger fra Kumar et al [19] . Styrkelse synes at være lille, men klart adskiller sig, idet signalet fra få glycin molekyler inde i et enkelt rør. Mens SERS toppe er relativt lav i intensitet, har det tidligere vist, at tilstedeværelsen af kulstof nær SERS-aktive metal kan mindske intensiteten af SERS signal ved faktorer af flere hundrede [20] . Selvom SERS undersøgelser har været udført på kulstof-nanorør, sammenligning af Raman spektre af CNTs og CNPS viste ingen ændringer tyder på en mangel på SERS effekter. For at give en mere kvantitativ vurdering af SERS styrkelse styrkelsen faktor (EF) blev beregnet i overensstemmelse med [21] . EF = Jeg SERS N RR / (jeg RR N SERS) (Eq. 1) Hvor N RR og N SERS er antallet af molekyler probed ved regelmæssig Raman spektroskopi og SERS, henholdsvis, og jeg RR og jeg SERS er de tilsvarende intensiteter. For at beregne ekstraudstyr faktor, er det afgørende at vurdere de mængder probed af de to metoder. I tilfælde af regelmæssige Raman spektroskopi, antager vi, at volumen tastede er en cylinder af 2 '5 m m (leveret af en 50' mål i konfokale mode med en maskestørrelse på 50 m m), hvilket giver et volumen på 15,7 '10 -15 L. Derfor er en glycin koncentration på 2,7 M svarer til ~ 2 '10 10 molekyler i dette bind, hvilket giver en Raman intensitet på 30 cps. I tilfælde af SERS, kommer signalet fra på maksimalt en trekant inde i CNP. Fordi diameteren af CNPS er ca 300 nm, den største størrelse trekant, som kan træde i rørene er 300 nm kantlængde. Antages det, at det elektriske felt, der kommer fra trekanterne ikke omfatter en afstand større end 35 nm [22] , Kan de analyserede volumen betragtes som en trekantet prisme udvide omkring nanotriangle 35 nm i alle retninger. Det har en volumen på 8x10 -19 L. Så på en 1 mm eller 10 -3 M glycin koncentrationen er ~ 480 molekyler probed i dette bind, som producerer en SERS intensitet på 200. Fra disse parametre, opnår vi en EF = (200 '2,5' 10 10) / (30 '480) »4' 10 8. På grund af de anvendte metoder, er det vanskeligt at kontrollere den nøjagtige mængde af partikler, der kommer ind eller tillægger nanorør. Som anført af SEM og TEM, de CNPS indeholde højst en trekantet partikel. Den Bingel Rx CNTs en tendens til at indeholde grupper af partikler, hvoraf nogle er trekantet. Naturligvis vil en højere koncentration af trekanter være mere effektive i forstærkning af signalet. Det fremtidige arbejde vil omfatte mere komplekse metoder til mere specifikt at knytte det trekantede partikler til den indre eller ydre overflade af nanorør. Konklusion Den funktionalisering af kulstof nanorør og nanopipes til brug som overflade-forstærket Raman spektroskopi sonder er opnået. SERS er opnået ved hjælp af to typer af nanorør og tilknytning, til identiske resultater. Disse har stor alsidighed og fleksibilitet for spor detektion i biologiske anvendelser. Også den CNPS give væske til at flyde og interagere i og kan bruges til in situ undersøgelser. Kemiske eksperimenter kan udføres inde i røret, med reaktionsprodukter observeret af SERS. Ved at kombinere disse SERS-aktive nanorør med allerede eksisterende nano-sondering teknikker kunne sætte studiet af celler med enkelt-molekyle følsomhed. Metoder og Materialer SERS-aktive guld nanotriangles blev syntetiseret af citrongræs metode, der anvendes i [23] . Først blev 5g af fint skåret vasket og tørret citrongræs blade sat i 20 ml kogende DI vand i 5 min at lave blad ekstrakt. Guldet blev syntetiseret ved at blande 10 ml af en 1 mm vandig HAuCl 4 opløsning med forskellige mængder af citrongræs ekstrakt ved stuetemperatur, og rørte natten over. Glycin, en aminosyre, blev brugt som SERS prøven som den er enkel, er blevet undersøgt tidligere i detaljer [18, 24, 25] og er en nyttig forløber for mere komplicerede biologiske prøver. Glycin blev anvendt som modtaget fra Sigma Co uden yderligere rensning. Den endelige koncentration før brug var 1 mm, med 10 mM NaCl og HCl til at lette sammenlægning. Denne koncentration blev valgt, fordi det er for lavt til at blive opdaget ved alle med standard Raman spektroskopi i den konfiguration, der anvendes (en dråbe på en Si wafer). De CNPS blev syntetiseret med en noncatalytic kemisk dampudfældning (CVD) metode ved hjælp af en kommerciel aluminiumoxid membran som en porøs skabelon (Whatman Anodisc ®), nominelle porestørrelse: 300 nm ± 10%, tykkelse: 60 m m. Fritstående nanopipes blev opnået, efter opløsningen af aluminiumoxid skabelon i et kogende 1M opløsning af natriumhydroxid. Diameteren af den resulterende nanopipes svarer til diameteren af porerne i den originale membran, og længde, efter sonikering, er generelt 10 m m. Efter syntese, har CNPS en uorganiseret mur struktur [26] . Raman spektre er erhvervet ved hjælp af en Renishaw 1000/2000 Raman mikro-spektrometer (1200 l / mm rist) i back-spredning geometri. Den excitation kilde var en diode laser (785 nm), fokuseret (50x objektiv) til et spot størrelse på omkring 2 μm. De spektre blev analyseret ved hjælp af Wire 2.0 software fra Renishaw. Raman spektre blev taget fra flere CNTs af hver type, og resultaterne er vist her, er repræsentative for alle undersøgte. En Zeiss Supra 50VP blev brugt til at opnå scanning elektron mikroskopi (SEM) billeder. Anerkendelser Tak til D. Breger til betjening af SEM, D. Mattia til syntese og forberedelse af CNPS og drift af TEM for Fig. 1a, og G. Korneva for at udføre de Bingel Rx på MWNT ifølge ref. [16], og til syntese af sfæriske guld golloid. Forfatteren erkender også, Arkema , Frankrig for at levere flerlags nanorør. TEM-undersøgelser blev udført på Penn Regional Nanoteknologi Facility. A. Sabur blev understøttet af en NDSEG Fellowship og en Deans Fellowship. Raman spektroskopi og Scanning Electron Microscopy blev udført på den centraliserede Materialekarakterisering Facility, Drexel Universitet . |