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DOI : 10.2240/azojono0117

Oberfläche Erhöhter Raman-Spektroskopie-Kohlenstoff Nanotube Basierte Zelluläre Fühler

Alia Sabur

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Eingegeben: Am 22. Juli 2007

Bekannt gegeben: Am 3. Oktober 2007

Themen Umfaßt

Zusammenfassung

Hintergrund

Ergebnisse und Diskussion

Schlussfolgerung

Methoden und Materialien

Quittungen

Bezüge

Kontaktdaten

Zusammenfassung

Kohlenstoff nanotubes und nanopipes sind gezeigt worden, um großes Potenzial als zelluläre Fühler zu haben, für Gebrauch als nanofluidic Einheiten, Lösungen nach oder von Zellen zu transportieren. Die Herstellung dieser nanopipes fähig, innerhalb der Zellen zu ermittlen erlaubt, dass ein enormes der Menge zusätzlicher Information erreicht wird. Oberfläche-Erhöhte Raman-Spektroskopie (SERS) ist eine Technik, groß erhöhte Raman-Signale erlaubend, die für Spurnbefund und Kennzeichnung von biologischen Probenmaterialien mit extrem hoher Ortsauflösung verwendet werden. In dieser Arbeit functionalized Kohlenstoff nanotubes und nanopipes mit SERS-aktiven nanoparticles, um Entwicklung von vielseitigen nanoprobes zu erlauben. Glycin wurde verwendet, um die SERS-Aktivität und entsprechenden den Verbesserungsfaktor (10) zu schätzen8.

Hintergrund

Kohlenstoff nanotubes (CNTs) haben großes Potenzial für Gebrauch als zelluläre Fühler gezeigt. Als „nanopipes“ können sie verwendet werden, um Flüssigkeiten nach oder von Zellen zu transportieren und Lösungen oder Drogen direkt in einzelne Zellen und in einzelne Organellen innerhalb der Zellen einzuspritzen. Darüber hinaus wegen der kleinen Durchmesser der Kohlenstoff nanotubes verursachen Sie wenig Schaden der Zellen nach Durchdringen. Kohlenstoff nanopipes (CNPs) sind mit Wasser [1], den Flüssigkristallen [2], Leuchtstoff [3] gefüllt worden, und die magnetischen nanoparticles [4] zeigend, dass sie für den Transport von verschiedenen Baumustern von Flüssigkeiten nach und von Zellen verwendet werden können. Indem man diese Fühler fähig, innerhalb der Zellen zu ermittlen machte, konnten Informationen über chemische Interaktionen innerhalb der Zellen gefunden werden. Oberfläche-Erhöhte Raman-Spektroskopie (SERS) hat diese Fähigkeit. Kohlenstoff nanotubes SERS-aktiv Machend durch functionalization mit SERS-aktiven nanoparticles, erstellt die Möglichkeit der extrem empfindlichen Studie und Kennzeichen von Bauteilen von Zellen. Darüber hinaus können die nanotubes auf eine nanofluidic Einheit, in der sie als Verbindung zwischen einem flüssigen Hydrauliktank und der Zelle dienen können, zu zugetroffen werden entbinden und extrahieren Flüssigkeiten. Die Effekte der Flüssigkeiten auf die Zellen konnten in situ studiert werden.

Die SERS-Technik kann, um das Raman-Signal zu erhöhen durch Faktoren von bis 10 verwendet werden14 [5]. Sie hat zwei Hauptzwecke; das erste, das verhältnismäßig schwache Raman-Signal, das es schwierig, ausführlichen chemischen Inhalt vieler komplexen Probenmaterialien zu prüfen macht und das zweite erhöhen, Informationen von der Oberfläche von komplexen Materialien (monomolekulare Schichten) zu erhalten. In SERS wird seitliche Auflösung nicht durch die Beugungsgrenze, aber durch die räumliche Beschränkung der lokalen Bereiche [6] bestimmt. Diese analytische Fähigkeit der Spur ist für biologische Studien am interessantesten und erlaubt molekulares Kennzeichen am nanoscale. Dieses ist besonders wichtig, weil biologisch relevante Moleküle häufig für Kennzeichnung extrem in den kleinen Mengen erhältlich sind. Es gibt zwei Hauptvorrichtungen für die SERS-Verbesserung, elektromagnetisch und chemisch [7-10]. Die elektromagnetische Verbesserung betrifft die Erregung von Oberflächenplasmons auf nanoscale Metallbauten, während die chemische Verbesserung einen Ladungübertragung Komplex zwischen dem analysiert zu werden Metall und der betrifft Probe.

Übliche Methoden des Erstellens der Verbesserung, die für SERS notwendig ist, werden oder kopierte Metallplatten oder kugelförmige nanoparticles aufgeraut. Jedoch verwenden diese „Krisenherde“, um die beträchtlichen gewünschten Verbesserungsfaktoren zu erstellen. Einleitende Ergebnisse haben gezeigt, dass die kugelförmigen nanoparticles, die in den Wänden von Kohlenstoff nanotubes eingebettet werden, ein schwaches aber wahrnehmbares Signal [11] produzieren.

Es ist, dass facettierte nanoparticles eine viel höhere SERS-Intensität als die kolloidalen nanoparticles [12] wegen des Quadrupols geben [13] und Steigungsfeldwirkungen [14] und also wird in dieser Studie gezeigt worden, verwendet. Diese können sich die Auswahlregeln entspannen und verursachen das Aussehen von normalerweise verbotenen Raman-Zeilen und einige der Änderungen erklären, die in den SERS-Spektren beobachtet werden.

Facettierte nanoparticles können diese Krisenherde einzeln erstellen und den Bedarf an der genauen Regelung der Anhäufung [15] löschen.

Ergebnisse und Diskussion

Zwei Arten nanoprobes wurden erstellt und geprüft. Zuerst erlauben CNPs mit den nanotriangles, die nach innen befestigt werden, das Studie von Interaktionen innerhalb der Gefäße. Eine Suspension von CNPs im Äthanol und von Lösung der nanotriangles wurde vorbereitet und ließ die Dreiecke innerhalb des CNPs ausbreiten. Vor Gebrauch wurde ein Tröpfchen dieser Suspension auf eine Siliziumscheibe gelegt und lassen gänzlich trocknen. Obgleich keine Dreiecke auf der Oberfläche des CNPs mit Transmissions-Elektronenmikroskopie beobachtet wurden (TEM), wurden das CNPs leicht mit DI water gewaschen, um alle mögliche Dreiecke auf der Oberfläche zu löschen. Nanotubes wurden unter Verwendung der umgekehrten Elektrondarstellung mit Rasterelektronenmikroskopie beobachtet (SEM), um auf Goldpartikel zu scannen, die nicht auf der Außenseite der Gefäße erschienen. Nach Verdampfung des Wassers, wurde die Glycinlösung auf das CNPs abgegeben. Weil das CNPs im Durchmesser groß sind, waren einzelne Gefäße offenbar sichtbar.

Zweitens schmale Multiwand nanotubes mit den Dreiecken chemisch befestigt zur Außenseite durch die Bingel-Reaktion [16]. Die Bingel-Reaktion ist ein Beispiel von Reaktion cycloaddition a [2+1]. Die Hauptschritte im Prozess sind: Zuerst wurden die nanotubes auf einer Oberfläche stillgestellt und umgeestert durch verlängerten Stirring in einem Überfluss von 2 (Methylschwefel-) ethanolfollowed durch umfangreiche Reinigung mit Diethylether, um sich zu bilden [(COOCHCHSMe22)2 C<SWNT]. Dann indem man die verbindliche Interaktion des Gold-Schwefels ausnutzte, wurde die Cyclopropanegruppe unter Verwendung der Gold-nanoparticles „mit Warnschild versehen“. Die Proben, die ohne die Bingel-Reaktion gemischt wurden, zeigten keinen Anhang von Dreiecken zu den nanotubes.

Ähnlich wurden das CNTs mit den befestigten Dreiecken auf einer Siliziumscheibe abgegeben und gewaschen leicht mit DI water. Nach Verdampfung wurde Glycin auf das CNTs abgegeben. Raman-Spektren wurden von den kleinen Clustern von nanotubes genommen und enthielten nur sichtbares mit der instrumentellen verwendeten Installation.

Kein überflüssiges Glycin, das um die nanotubes während der Raman-Maße bleibt, beeinflußt nicht die Ergebnisse. Die Konzentration des Glycins ist zu niedrig, durch herkömmliche Raman-Spektroskopie beobachtet zu werden und macht es nur wahrnehmbar wenn in Verbindung mit den nanotriangles, die nur innerhalb des CNT oder des CNPs sind. Alle Spektren des Glycins wurden genommen, wenn naß, um die Entstehung von Kristalliten auf der Oberfläche des Gefäßes während des trocknenden Prozesses zu verhindern.

Abbildung 1. Mikroskopie von nanotube Fühlern. (a) TEM-Abbildung eines Dreiecks und des kugelförmigen Partikels innerhalb eines nanopipe. (b) SEM-Bild eines Dreiecks und des sechseckigen Partikels befestigt zu MWNT durch die Bingel-Reaktion. (c) Ein SEM-Bild eines Dreiecks innerhalb eines nanopipe machte transparent durch die Hochspannung (25 KV). (d) Ein SEM-Bild des gleichen nanopipe wie in (c) mit einer Beschleunigungsspannung von 4 KV, nichts in der Region von (c) zeigend und bedeuten, dass das Dreieck auf dem Innere des Gefäßes ist.

SEM ein verwendet wurde nanotube, das, um SERS zu erreichen, wurde geholt und beobachtet und zeigte ein Dreieck auf dem Innere des nanotube. Mit einer Beschleunigungsspannung von 4 KV, wurden keine Partikel beobachtet, aber, als angehoben zu 25 KV, wurden erlaubten die Wände des Gefäßes transparent und die Beobachtung des Dreiecks, gezeigt in Abbildung 1.

Entsprechende Raman-Spektren von diesen zwei Methoden werden in Abbildung 2. gezeigt. Die Glycinspitzen, die sichtbar sind, sind in beiden Fällen identisch und entsprechen gut mit vorhergehender Literatur auf SERS des Glycins. Auch sind bestehen die Raman-Spektren des CNPs und des CNTs sichtbar und herum aus einem Band (1350 cm-1), das ein Band der doppelten Resonanz ist, das für Kohlenstoffmaterialien geläufig sind (D-Band) und ein Band gegen 1600 cm-1 auf gleicher Ebene in Verbindung gestanden auf Schwingungen des Graphits ( Band). Diese Bänder sehen zwischen dem CNTs und dem CNPs wegen des Unterschiedes bezüglich ihrer Synthese [aus 17] unterschiedlich - das CNTs sind größtenteils Graphit, während das CNPs eine zerrüttete Wandzelle haben.

Abbildung 2. Raman-Spektren, die erhalten werden, indem sie nanotube verwendet, prüft. (1) von CNPs mit Dreiecken auf dem Innere, (2) von MWNT mit den Dreiecken befestigt zur Außenseite und (3) ohne nanotube Geschenk, den Mangel an irgendeinem Signal außer von Si zeigend. (a) Ein Bild eines kleinen Clusters von MWNT verwendet, um SERS zu erreichen. (b) Ein einzelnes nanopipe verwendet, um SERS zu erreichen.

Vier zusätzliche Spitzen vom Glycin erscheinen, bei 817 - 872 (NH-2 Torsion - CH-2 Torsion), 1048 (KN-Ausdehnung), 1083 (NH-3+ Witzbold) und 1453 (CH-2 Biegung) cm-1. Die Unterschiede zwischen dem regelmäßigen Raman und SER-Spektren können durch die Gradientenfeld- und Quadrupoleffekte erklärt werden, wie oben behandelt worden.

Tabelle I. Frequenzen (cm-1) und Aufgaben von Bändern in den herkömmlichen Raman-Spektren und im SERS des Glycins.

Regelmäßiger Raman

SERS, Kugeln

SERS, nanotubes

Aufgabe

816 s, 872 w

817 w, 872 s

NH-2 Torsion + CH-2 Torsion

901 s

950 w

Cm-Ausdehnung

w 1033

w 1026

w 1048

KN-Ausdehnung

w 1131

s 1175

w 1083

NH-3+ Witzbold

1229 w, 1273 m

s 1328

w 1311

CH-2 Witzbold

w 1374

C-NH3+ Ausdehnung

s 1407

COOH-sym. Ausdehnung

1438 m

w 1437

1453 m

CH-2 Biegung

w 1513

s 1527

NH-3+ sym. def.

w 1590

COOH-asym. Ausdehnung

1612 m

NH-3+ asym. def.

Dou zeigte et al., dass Glycin auf Gold-nanoparticles durch die Aminogruppen einwirkt [18] die deshalb mehr durch den plasmon-erzeugten elektrischen Bereich beeinflußt werden. Vergleich dieser Ergebnisse zu SERS des Glycins in einer kollodialen Lösung des Au zeigt einen Upshift von ungefähr 5-10 cm-1 der Glycinspitzen. Darüber hinaus entsprechen beobachtete SERS-Spitzen gut mit ab initio Berechnungen von Kumar et al. [19].

Die Verbesserung scheint, klein, aber offenbar unterscheidbar zu sein und ist das Signal von wenigen Glycinmolekülen innerhalb eines einröhrigen. Während die SERS-Spitzen in der Intensität verhältnismäßig niedrig sind, ist es vorher gezeigt worden, dass das Vorhandensein des Kohlenstoffes nahe dem SERS-aktiven Metall die Intensität des SERS-Signals durch Faktoren von mehreren hundert verringern kann [20]. Obgleich SERS-Studien auf Kohlenstoff nanotubes durchgeführt worden sind, zeigte Vergleich der Raman-Spektren des CNTs und des CNPs keine Änderungen einen Mangel an SERS-Effekten vorschlagend.

Zu einer quantitativeren Schätzung der SERS-Verbesserung den Verbesserungsfaktor zu geben (EF) wurde entsprechend berechnet [21].

SERSN/RR(HEREINRRSERS) (Eq. 1)

Wo NRR und NSERS die Anzahl von den Molekülen sind, die durch regelmäßige Raman-Spektroskopie geprüft werden und SERS, beziehungsweise; und IRR und ISERS sind die entsprechenden Intensität. Um den Verbesserungsfaktor zu berechnen, ist es kritisch die Volumen zu schätzen, die durch die zwei Methoden geprüft werden.

Im Falle regelmäßiger Raman-Spektroskopie nehmen wir an, dass das Volumen, das geprüft wird, ein Zylinder des μm 2×5 (versehen von einem Lernziel 50× im confocal Modus mit einer Öffnung von μm 50) ist und ein Volumen 15.7×10 L.-15 gibt. Deshalb entspricht eine Glycinkonzentration von 2,7 M ~ 2×1010 Molekülen in diesem Volumen und gibt einem Raman Intensität von 30 Cps.

Im Falle SERS kommt das Signal an vom Dreieck des Maximums eins innerhalb des CNP. Weil der Durchmesser des CNPs ungefähr 300 nm ist, ist das größte Größendreieck, das die Gefäße kommen kann, 300 nm-Kantenlänge. Annehmend, dass der elektrische Bereich, der von den Dreiecken kommt, sich nicht auf einen Abstand höher ausdehnt, als 35 nm [22], kann das analysierte Volumen als ein dreieckiges Prisma angesehen werden, das um das nanotriangle 35 nm in allen Richtungen sich ausdehnt. Dieses hat ein Volumen 8x10-19 L. Dann bei einer 1 Konzentration mm oder-3 10 M-Glycins, ~ 480 werden Moleküle in dieses Volumen geprüft, die eine SERS-Intensität von 200 produzieren.

Von diesen Parametern erreichen wir ein E.F.= (10200×2.5×10)/(30×480) 4×10.8

Wegen der Methoden, die angewendet werden, ist es schwierig, die genaue Menge von Partikeln zu steuern, die zu den nanotubes hereinkommen oder befestigen. Wie durch SEM und TEM beobachtet, enthalten das CNPs höchstens einen dreieckigen Partikel. Das Bingel Rx CNTs neigen, Cluster von Partikeln zu enthalten, von denen einige dreieckig sind. Natürlich würde eine höhere Konzentration von Dreiecken in der Signalverbesserung effizienter sein. Zukünftige Arbeit würde komplexere Methoden miteinbeziehen, um die dreieckigen Partikel zur inneren oder Außenseite der nanotubes im Besonderen zu befestigen.

Schlussfolgerung

Das functionalization von Kohlenstoff nanotubes und nanopipes für Gebrauch als Oberfläche-erhöhte Raman-Spektroskopiefühler ist erzielt worden. SERS ist unter Verwendung zwei Baumuster nanotubes und Anhang, zu den identischen Ergebnissen erzielt worden. Diese haben große Vielseitigkeit und Flexibilität für Spurnbefund in den biologischen Anwendungen. Auch das CNPs lassen Flüssigkeiten nach innen fließen und zusammenwirken und können für in-situstudien verwendet werden. Chemische Experimente können innerhalb des Gefäßes geleitet werden, wenn die Reaktionsprodukte durch SERS beobachtet sind. Die Kombination dieser SERS-aktiven nanotubes mit bereits existierenden Nano--prüfenden Techniken konnte die Studie von Zellen mit Einzelmolekül Empfindlichkeit aktivieren.

Methoden und Materialien

SERS-aktive Gold-nanotriangles wurden durch die Lemongrasmethode synthetisiert, die herein angewendet wurde [23]. Zuerst wurden 5g von fein gewaschenen und getrockneten Lemongrasblättern des Schnittes in 20mL des Kochens von DI water eingesetzt, damit Protokoll 5 Blattauszug erstellt. Das Gold wurde durch mischendes 10mL einer 1mM wässrigen HAuCl-Lösung4 mit verschiedenen Mengen des Lemongrasauszuges bei Zimmertemperatur synthetisiert und gerührt über Nacht.

Glycin, eine Aminosäure, wurde während der SERS-Prüfling, da es, ist studiert worden vorher ausführlich [18, 24, 25] verwendet und ist ein nützlicher Vorläufer zu den schwierigeren biologischen Proben einfach ist. Glycin wurde verwendet, wie vom Sigma Co ohne weitere Reinigung empfangen. Die abschließende Konzentration war vor Gebrauch 1 mm, mit 10 mm NaCl und HCl, zum von Anhäufung zu ermöglichen. Diese Konzentration wurde gewählt, weil sie zu niedrig ist, an allen mit Standard-Raman-Spektroskopie in der verwendeten worden Konfiguration entdeckt zu werden (ein Tröpfchen auf einem Siwafer).

Das CNPs wurden mit einer noncatalytic chemischen Bedampfenmethode (CVD) unter Verwendung einer Handelstonerdemembran als poröse Schablone (Whatman Anodisc®), nominaler Porendurchmesser synthetisiert: 300 nm±10%, Stärke: μm 60. Freistehende nanopipes wurden nach Auflösung der Tonerdeschablone in einer kochenden 1M Lösung des Natriumhydroxids erreicht. Der Durchmesser der resultierenden nanopipes entspricht dem Durchmesser der Poren in der ursprünglichen Membran, und Länge, nach Sonorisierung, ist im Allgemeinen μm 10. Nach Synthese haben das CNPs eine zerrüttete Wandzelle [26].

Raman-Spektren wurden unter Verwendung eines Renishaw 1000/2000 Raman-mikrospektrometer (1200 l-/mmgitter) in der Rückwärtsstreuungsgeometrie erworben. Die Erregungsquelle war ein Diodenlaser (785 nm), fokussiert (Lernziel 50x) zu einer Spotgröße von μm ungefähr 2. Die Spektren wurden unter Verwendung der Software des Kabels 2,0 von Renishaw analysiert. Raman-Spektren wurden von mehrfachem CNTs jedes Baumusters genommen und die Ergebnisse, die hier gezeigt werden, sind Vertreter von ganz studiert.

Ein Zeiss Supra-50VP war gewohnt, Rasterelektronenmikroskopiebilder (SEM) zu erhalten.

Quittungen

Danke zu D. Breger für den Betrieb SEMS, D. Mattia für Synthese und Vorbereitung von CNPs und Operation des TEM für Fig. 1a und G. Korneva für die Ausführung des Bingel Rx auf MWNT entsprechend Bezug [16] und für Synthese des kugelförmigen Gold-golloid. Der Autor bestätigt auch Arkema, Frankreich für angebende multiwall nanotubes. TEM-Studien wurden am Regionalen Nanotechnologie-Teildienst Penn durchgeführt. A. wurde Sabur von einem NDSEG-Stipendium und von Fellowship eines Dekans unterstützt. Raman-Spektroskopie und -Rasterelektronenmikroskopie wurden am Zentralisierten Material-Kennzeichnungs-Teildienst, Drexel-Universität durchgeführt.

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Kontaktdaten

Alia Sabur

Materialien Wissenschaft und Technische Abteilung
Drexel-Universität, 3141 Kastanien-Straße
Philadelphia, PA 19104
USA

Telefon: +1 215 200 7494.

E-Mail: as428@drexel.edu

Date Added: Oct 3, 2007 | Updated: Jul 15, 2013

Last Update: 15. July 2013 16:03

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