Karbon nanorør (CNTs) har vist stort potensial for bruk som cellulære sonder. Som "nanopipes" de kan brukes til å transportere væske til eller fra celler og injisere løsninger eller legemidler direkte inn i individuelle celler og individuell organeller i cellene. I tillegg, på grunn av liten diameter av karbon nanorør indusere lite skade på cellene ved penetrasjon. Carbon nanopipes (CNPS) har blitt fylt med vann [1] , Flytende krystaller [2] , Fluorescerende [3] , Og magnetiske nanopartikler [4] viser at de kan brukes til transport av ulike typer væsker til og fra celler. Ved å gjøre disse sonder i stand til fornuft i cellene, kan informasjon om kjemiske interaksjoner innenfor cellene bli funnet. Surface-enhanced Raman spektroskopi (SERS) har denne evnen. Making karbon nanorør SERS-aktiv ved funksjonalisering med SERS-aktive nanopartikler, skaper muligheten for ekstremt sensitiv undersøkelse og identifisering av komponenter av celler. I tillegg kan nanorør kan brukes på en nanofluidic enhet der de kan tjene som en samtrafikk mellom en flytende reservoar og cellen, både levere og hente væsker. Virkningene av væsker på cellene kan bli studert in situ. Den SERS teknikken kan brukes til å forbedre Raman signal ved faktorer på opp til 10 14 [5] . Den har to hovedformål, den første, for å forbedre den relativt svake Raman signal som gjør det vanskelig å undersøke nærmere kjemisk innhold av mange komplekse prøver, og den andre, for å få informasjon fra overflaten av komplekse materialer (monolayers). I SERS er lateral oppløsning bestemmes ikke av diffraksjon grensen, men av romlige innesperring av de lokale feltene [6] . Dette spore analytiske evnen er mest interessant for biologiske studier, slik at molekylær identifikasjon på nanonivå. Dette er spesielt viktig fordi biologisk relevante molekyler er ofte tilgjengelig for karakterisering i svært små mengder. Det er hovedsakelig to mekanismer for SERS ekstrautstyr, elektromagnetisk og kjemiske [7-10] . Den elektromagnetiske ekstrautstyr gjelder eksitasjon av overflaten plasmons på nanoskala metallkonstruksjoner, mens den kjemiske forbedringen gjelder en kostnad-transfer kompleks mellom metall og prøven som skal analyseres. Vanlige metoder for å skape forbedring er nødvendig for SERS er ru eller mønstret metallplater eller sfæriske nanopartikler. Men disse benytter "hot-spots" for å lage betydelig forbedring faktorer ønsket. Foreløpige resultater har vist at sfæriske nanopartikler innebygd i veggene av karbon nanorør produsere en svak, men observerbar signal [11]. Det har vist seg at fasetterte nanopartikler gir en mye høyere SERS intensitet enn kolloidalt nanopartikler [12] grunn kvadrupol [13] og gradient felt effekter [14] og det er brukt i denne studien. Disse kan slappe av utvalget reglene, og føre utseende normalt forbudt Raman linjer, forklarer noen av de observerte endringene i SERS spektra. Fasetterte nanopartikler kan opprette disse hot-spots individuelt, fjerner behovet for presis kontroll av aggregering [15]. Resultater og Diskusjon To typer nanoprobes ble opprettet og testet. Først CNPS med nanotriangles festet inni, som gjør at studiet av interaksjoner på innsiden av rørene. En suspensjon av CNPS i etanol og en løsning av nanotriangles ble utarbeidet, slik at trekantene å spre inne i CNPS. Før bruk, var en dråpe av denne suspensjonen plassert på en silisium wafer og lov til å tørke grundig. Selv om ingen trekanter ble observert på overflaten av CNPS med transmisjon elektron mikroskopi (TEM) ble CNPS forsiktig vasket med DI vann for å fjerne trekanter på overflaten. Nanorør ble observert med tilbakespredte elektron bildebehandling med scanning elektronmikroskopi (SEM) for å søke etter gull partikler, som ikke vises på utsiden av rørene. Etter fordampning av vannet, var glysin løsning avsettes på CNPS. Fordi CNPS er store i diameter, var individuelle rør godt synlig. Sekund, smal multi-vegg nanorør med trekanter kjemisk festet på utsiden av Bingel reaksjon [16] . Den Bingel reaksjonen er et eksempel på en [2 + 1] cycloaddition reaksjon. De viktigste trinnene i prosessen er: Først var nanorør immobilisert på en overflate og transesterified ved lengre tids røring i et overskudd av 2 (methylthio) ethanolfollowed ved grundig vasking med dietyleter å danne [(COOCH 2 CH 2 SMB) 2 C <SWNT]. Så, ved å utnytte gullet svovel forpliktende samhandling i cyclopropane gruppen var "merket" ved hjelp av gull nanopartikler. Prøvene blandes uten Bingel reaksjon viste ingen festing av trekanter til nanorør. Tilsvarende ble CNTs med trekanter festet deponert på en silisium wafer og vasket forsiktig med DI vann. Etter fordampning, var glysin avsettes på CNTs. Raman spektra ble tatt fra små klynger av nanorør, som inneholder så få som er synlig med det instrumentale setup brukes. Eventuelle overflødige glysin igjen rundt nanorør under Raman målinger påvirker ikke resultatene. Konsentrasjonen av glysin er for lav til å bli observert av konvensjonell Raman spektroskopi, noe som gjør det bare observerbar når du er i kontakt med nanotriangles som er bare inne i CNT eller CNPS. Alle spektra av glysin ble tatt mens våte, for å hindre dannelse av krystallitter på overflaten av røret under tørkeprosessen.  Figur 1. Mikroskopi av nanorør sonder. (A) TEM bilde av en trekant og sfærisk partikkel inne i en nanopipe. (B) SEM bilde av en trekant og et sekskantet partikkel festet til MWNT av Bingel reaksjon. (C) En SEM bilde av en trekant inne i en nanopipe gjort gjennomsiktig ved høyspent (25 kV). (D) Et SEM bilde av samme nanopipe som i (c) med en akselererende spenning på 4 kV, som viser ingenting i regionen (c), som betyr at trekanten er plassert på innsiden av røret. Et nanorør brukes til å hente SERS ble brakt til SEM og observerte, viser en trekant på innsiden av nanorør. Med en akselererende spenning på 4 kV, var ingen partikler observert, men da hevet til 25 kV veggene av røret ble gjennomsiktig, slik observasjon av trekanten, vist i figur 1. Tilsvarende Raman spektra fra disse to metodene er vist i figur 2. Den glysin toppene synlige er identiske i begge tilfeller, og samsvarer godt med tidligere litteratur om SERS av glysin. Også synlig er Raman spektra av CNPS og CNTs, bestående av et bånd rundt (1350 cm -1), som er en dobbel resonans bandet felles for karbonmaterialer (D band) og et bånd rundt 1600 cm -1 relatert til in- Flyet vibrasjoner av grafitt (G band). Disse bandene vises forskjellig mellom de CNTs og CNPS grunn av forskjellen i syntese deres [17] - Den CNTs er for det meste graphitic, mens CNPS har en unormal vegg struktur.  Figur 2. Raman spektra oppnås ved hjelp av nanorør sonder. (1) fra CNPS med trekanter på innsiden, (2) fra MWNT med trekanter festet på utsiden, og (3) uten nanorør til stede, viser mangel på noe signal foruten fra Si. (A) Et bilde av en liten klynge av MWNT brukes til å hente SERS. (B) En individuell nanopipe brukes til å hente SERS. Ytterligere fire topper fra glysin vises på 817-872 (NH 2 vri - CH 2 vri), 1048 (CN strekk), 1083 (NH 3 + VAG), og 1453 (CH 2 bend) cm -1. Forskjellene mellom den vanlige Raman og SER spektra kan forklares av gradient feltet og kvadrupol effekter, som omtalt ovenfor. Bord I. Frekvenser (cm -1) og oppdrag for band i konvensjonell Raman spektra og SERS av glysin. | | 816 s, 872 w | 817 w, 872 s | NH 2 twist + CH 2 twist | 901 er | 950 w | | CC strekk | 1033 w | 1026 w | 1048 w | CN strekke | 1131 w | 1175 er | 1083 w | NH 3 + logre | | 1229 m, 1273 m | | | 1328 er | 1311 w | | CH 2 logre | | 1374 w | | C-NH 3 + strekk | 1407 er | | | COOH sym. strekk | 1438 m | 1437 w | 1453 m | CH 2 bøyer | 1513 w | 1527 er | | NH 3 + sym. def. | | | 1590 w | | COOH asym. strekk | 1612 m | | | NH 3 + asym. def. |
Dou et al. viste at glysin samhandler med gull nanopartikler gjennom amino gruppene [18] som er derfor mer påvirket av plasmon-genererte elektrisk felt. Sammenligning av disse resultatene til SERS av glysin i en Au kolloid løsning viser en oppgiring på ca 5-10 cm -1 av glysin topper. I tillegg observerte SERS topper korresponderer godt med ab initio beregninger fra Kumar et al [19] . Forbedringene ser ut til å være liten, men klart kan skilles, blir signalet fra noen glysin molekylene i en enkelt tube. Mens SERS toppene er relativt lave i intensitet, har det tidligere vært vist at tilstedeværelsen av karbon nær SERS-aktive metall kan redusere intensiteten av SERS signal av faktorer av flere hundre [20] . Selv SERS studier har blitt utført på karbon nanorør, viste sammenligning av Raman spektra av CNTs og CNPS ingen endringer som tyder på en mangel på SERS effekter. For å gi en mer kvantitativ estimat av SERS forbedring forbedringen faktor (EF) ble beregnet i henhold til [21] . EF = Jeg SERS N RR / (Jeg RR N SERS) (Eq. 1) Der N RR og N SERS er antall molekyler probed ved regelmessig Raman spektroskopi og SERS, henholdsvis, og jeg RR og jeg SERS er tilsvarende intensitet. For å beregne ekstrautstyr faktor, er det avgjørende å estimere volumer probed av de to metodene. I tilfelle av vanlige Raman spektroskopi, antar vi at volumet probed er en sylinder med 2 '5 m m (levert av en 50' mål i confocal modus med en blenderåpning på 50 m m), noe som gir et volum på 15,7 '10 -15 L. Derfor tilsvarer en glysin konsentrasjon på 2,7 M til ~ 2 '10 10 molekyler i dette bindet, som gir en Raman intensitet på 30 cps. I tilfelle av SERS, kommer signalet fra på maksimum en trekant inni CNP. Fordi diameteren på CNPS er ca 300 nm, den største størrelsen trekant som kan gå inn i rørene er 300 nm kanten lengde. Forutsatt at det elektriske feltet som kommer fra trekantene ikke strekker til en avstand større enn 35 nm [22] Kan analyseres volum betraktes som en trekantet prisme som strekker seg rundt nanotriangle 35 nm i alle retninger. Dette har et volum på 8x10 -19 L. Så, ved en 1 mm eller 10 -3 M glysin konsentrasjon, er ~ 480 molekyler probed i dette bindet, som produserer en SERS intensitet på 200 personer. Fra disse parametrene, får vi en EF = (200 '2,5' 10 10) / (30 '480) »4' 10 8. På grunn av de metoder som benyttes, er det vanskelig å kontrollere den nøyaktige mengden partikler som kommer inn eller festes til nanorør. Som observert av SEM og TEM, den CNPS inneholde det meste en trekantet partikkel. Den Bingel Rx CNTs tendens til å inneholde klynger av partikler, hvorav noen er trekantet. Naturligvis ville en høyere konsentrasjon av trekanter være mer effektiv i signalet ekstrautstyr. Fremtidig arbeid ville innebære mer kompliserte metoder for å mer spesifikt feste trekantede partikler til indre eller ytre overflaten av nanorør. Konklusjon Den funksjonalisering av karbon nanorør og nanopipes for bruk som overflate-forbedret Raman spektroskopi prober er oppnådd. SERS har blitt oppnådd ved hjelp av to typer nanorør og vedlegg, til identiske resultater. Disse har stor allsidighet og fleksibilitet for spor påvisning i biologiske applikasjoner. Også CNPS tillate væske til å flyte og samhandle på innsiden og kan brukes for in situ studier. Kjemiske eksperimenter kan gjennomføres inne i røret, med reaksjonen produktene observert av SERS. Kombinere disse SERS-aktive nanorør med allerede eksisterende nano-sondering teknikker kan gjøre det mulig å studere cellene med single-molekyl følsomhet. Metoder og materialer SERS-aktive gull nanotriangles ble syntetisert av sitrongress metoden som brukes i [23] . Først var 5g av fint kuttet vasket og tørket sitrongress løv satt i 20ml kokende DI vann i 5 min å lage blad ekstrakt. Gullet ble syntetisert ved å blande 10 ml av en 1mm vandig HAuCl fire løsning med ulike mengder av sitrongress ekstrakt ved romtemperatur, og rørte over natten. Glycine, en aminosyre, ble brukt som SERS prøven som den er enkel, har blitt studert tidligere i detalj [18, 24, 25] og er et nyttig forløper til mer kompliserte biologiske prøver. Glycine ble brukt som mottas fra Sigma Co uten ytterligere rensing. Den endelige konsentrasjonen før bruk var 1 mm, med 10 mM NaCl og HCl for å lette aggregering. Denne konsentrasjonen ble valgt fordi den er for lav til å bli oppdaget i det hele tatt med standard Raman spektroskopi i konfigurasjonen som brukes (en dråpe på en Si wafer). Den CNPS ble syntetisert med et noncatalytic kjemisk damp nedfall (CVD)-metoden bruker en kommersiell alumina membran som en porøs mal (Whatman Anodisc ®), nominell pore diameter: 300 nm ± 10%, tykkelse: 60 m m. Frittstående nanopipes ble innhentet etter oppløsningen av alumina malen i en kokende 1M løsning av natriumhydroksid. Diameteren på den resulterende nanopipes tilsvarer diameteren på porene i den opprinnelige membranen, og lengde, etter sonikator, er generelt 10 m m. Etter syntese, den CNPS har en kaotisk vegg struktur [26] . Raman spektra ble anskaffet ved hjelp av en Renishaw 1000/2000 Raman mikro-spektrometer (1200 l / mm gitter) i back-spredning geometri. Eksitasjon kilden var en diode laser (785 nm), fokuserte (50x objektiv) til en spot størrelse på ca 2 mikrometer. Den spektra ble analysert ved hjelp Wire 2.0-programvaren fra Renishaw. Raman spektra ble tatt fra flere CNTs av hver type og resultatene som vises her er representative for alle studert. En Zeiss Supra 50VP ble brukt til å skaffe scanning elektronmikroskopi (SEM) bilder. Takk Takk til D. Breger for drift av SEM, D. Mattia for syntese og utarbeidelse av CNPS og drift av TEM for fig. 1a, og G. Korneva for å utføre Bingel Rx på MWNT henhold til Ref. [16], og for syntese av sfæriske gull golloid. Forfatteren erkjenner også Arkema , Frankrike for å forsyne multiwall nanorør. TEM-studier ble utført ved Penn Regional Nanoteknologi Facility. A. Sabur ble støttet av en NDSEG Fellowship og en Dean Fellowship. Raman spektroskopi og scanning elektronmikroskopi ble utført ved Sentralisert Materials Characterization Facility, Drexel Universitet . |