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DOI : 10.2240/azojono0117

表面改进的喇曼分光学碳 Nanotube 根据蜂窝电话探测

Alia Sabur

版权 AZoM.com 有限公司 Pty。

这是在许可证无限制的使用提供原始工作适当地被援引,但是被限制到非商业配电器和再生产的 AZo 桨被分配的一个偶氮开路奖励系统 (AZo 桨) 条款 http://www.azonano.com/oars.asp 条件下

提交: 2007年 7月 22日

张贴: 2007年 10月 3日

包括的事宜

摘要

背景

结果和论述

结论

方法和材料

鸣谢

参考

联络详细资料

摘要

碳 nanotubes 和 nanopipes 显示有巨大潜在作为蜂窝电话探测,为使用作为 nanofluidic 设备运输解决方法到/从细胞。 使这些 nanopipes 能在细胞内感觉允许巨大相当数量附加信息获得。 表面改进的喇曼分光学 (SERS)是技术允许用于跟踪生物标本的检测和描述特性的非常地增加的喇曼信号与非常高空间分辨率的。 在此工作,碳 nanotubes 和 nanopipes functionalized 以 SERS 有效的 nanoparticles 允许多才多艺的 nanoprobes 的发展。 氨基乙酸用于估计 SERS 活动和对应的改进系数 (10)8

背景

碳 nanotubes (CNTs) 显示了巨大潜在为使用作为蜂窝电话探测。 作为 “nanopipes”他们可以用于运输液体到/从细胞和注射解决方法或药物直接地到各自的细胞和各自的细胞器在细胞内。 另外,由于碳 nanotubes 的小直径请导致对细胞的一点故障在渗透。 碳 nanopipes (CNPs) 充满了水 [1],液晶 [2],萤光 [3] 和向显示的磁性 nanoparticles [4] 他们可以为流体的不同的类型运输使用到/从细胞。 通过使这些探测能在细胞内感觉,能找到关于化工交往的信息在细胞内。 表面改进的喇曼分光学 (SERS)有此功能。 使碳 nanotubes SERS 有效由与 SERS 有效的 nanoparticles 的 functionalization,创建非常敏感研究的细胞要素的可能性和确定。 另外, nanotubes 可以适用于他们可以担当在一个流动水库和这个细胞之间的互联的一个 nanofluidic 设备,对传送并且提取流体。 流体的作用对细胞能在原处被学习。

SERS 技术可以由系数 10 用于提高喇曼信号14 [5]。 它有二个主要目的; 第一,提高使难检查许多复杂标本详细化工目录的相对地弱的喇曼信号和第二,从表面复杂材料获得信息 (单层)。 在 SERS,侧向解决方法取决于不由衍射极限,而且局部域 [6 的] 空间的分娩。 此跟踪分析功能为生物研究是最有趣,允许分子确定在 nanoscale。 因为生物相关分子为描述特性经常是可用的在非常少量,这是特别重要的。 有 SERS 改进的二个主要结构,电磁式和化工 [7-10]。 而这种化工改进有关在将被分析的这种金属和这个范例之间的充电调用复杂这种电磁式改进有关表面胞质基因的励磁在 nanoscale 金属结构的。

创建这种改进通常方法必要为 SERS 被粗化或被仿造的金属板或者球状 nanoparticles。 然而,这些使用 “热点”创建希望的重大的改进系数。 初步的结果向显示在碳 nanotubes 墙壁埋置的球状 nanoparticles 导致一个弱,但是可测的信号 [11]。

显示雕琢平面的 nanoparticles 比胶质 nanoparticles [12] 产生一种更高的 SERS 强度由于四极 [13] 和梯度场效应 [14] 和,因此用于此研究。 这些可能放松选择规则,并且导致通常禁止的喇曼线路外观,解释被观察的某些变化在 SERS 光谱上。

雕琢平面的 nanoparticles 可能单个创建这些热点,取消对准确的控制的需要汇总 [15]。

结果和论述

二 nanoprobes 被创建了并且被测试了。 首先,与附上的 nanotriangles 的 CNPs 里面,那允许交往的研究在管里面的。 CNPs 和 nanotriangles 的解决方法暂挂在对氨基苯甲酸二的准备,允许三角分布在 CNPs 里面。 在使用前,小滴此暂挂被安置了在硅片上并且让十分地烘干。 虽然三角在 CNPs 的表面未被观察与透射电镜术的 (TEM), CNPs 轻轻地洗涤与 DI water 去除在表面的所有三角。 Nanotubes 被观察使用与扫描电子显微镜术的 backscattered 电子想象 (SEM)浏览金微粒,没有出现在管的外部。 在这杯水的蒸发以后,氨基乙酸解决方法存款在 CNPs 上。 由于 CNPs 是大直径,各自的管明显地是可视的。

其次,与三角的缩小的多墙壁 nanotubes 化工附有外部由 Bingel 回应 [16]。 Bingel 回应是 a [2+1] cycloaddition 回应的示例。 主要步骤在这个进程中是: 首先, nanotubes 在表面被固定了并且由在广泛的洗涤物 (methylthio) ethanolfollowed 的超额的长时期的搅拌酯基交换 2 以二乙基醚形成 [(COOCHCHSMe22)2 C<SWNT]。 然后,使用金 nanoparticles,通过利用金硫磺约束交往环丙烷组 “标记”。 范例混合,不用 Bingel 回应没有显示三角的附件对 nanotubes。

同样,与附上的三角的 CNTs 在硅片存款并且轻轻地洗涤了与 DI water。 在蒸发以后,氨基乙酸存款在 CNTs 上。 喇曼光谱从 nanotubes 小的字符串被采取了,包含只有可视对使用的有助设置。

保持在 nanotubes 附近的任何过剩氨基乙酸在喇曼评定期间不影响结果。 氨基乙酸的浓度是太低的以至于不能由常规喇曼分光学观察,使它仅可测,当与仅是在 CNT 或 CNPs 里面的 nanotriangles 联系。 在这个干式法期间时,氨基乙酸所有光谱被采取,当湿,防止晶子的形成在管的表面的。

图 1. nanotube 探测显微学。 (a) 一个三角和球状微粒的 TEM 照片在 nanopipe 里面。 (b) 三角和一个六角微粒的 SEM 图象附有 MWNT 由 Bingel 回应。 (c) 一个三角的 SEM 图象在 nanopipe 里面的使透明由高压 (25 kV)。 (d) nanopipe 的 SEM 图象和一样在 (c) 与 4 kV 加速的电压,显示大约 (c),意味这个三角位于管的于。

用于的 nanotube 获得 SERS 给 SEM 带来并且被观察了,显示在 nanotube 的于的一个三角。 4 kV 加速的电压,微粒未被观察,但是,当上升对 25 kV 管的墙壁变得透明,允许这个三角的观察,显示在图 1. 上。

从这两个方法的对应的喇曼光谱在表 2. 显示。 可视氨基乙酸的峰顶在两种情况下是相同的,并且很好对应与在氨基乙酸 SERS 的早先文件。 并且可视的是 CNPs 和 CNTs 的喇曼光谱,包括范围 (1350 cm-1),是一个双共振范围公用为碳材料 (D 范围) 和范围大约 1600 cm-1 与石墨有关 (范围) 的飞机 振动。 这些范围看上去不同在 CNTs 和 CNPs 之间由于在他们的综合 [17 上的] 区别 - CNTs 主要石墨,而 CNPs 有一个混乱的墙壁结构。

图 2. 喇曼光谱得到通过使用 nanotube 探查。 (1) 从与三角的 CNPs 在于, (2) 从与三角的 MWNT 附有外部和 (3) 没有 nanotube 存在,显示缺乏除从 Si 以外的任何信号。 (a) MWNT 一个小的字符串的图象用于的获得 SERS。 (b) 用于的一单个 nanopipe 获得 SERS。

从氨基乙酸的四个另外的峰顶出现,于 817 - 872 (NH2 转弯 - CH2 转弯), 1048 (C-N 舒展), 1083 (NH3+ 小丑) 和 1453 (CH2 弯) cm-1。 在普通喇曼和 SER 光谱之间的区别可以用梯度域和四极作用解释,如上所述。

制表 I. Frequencies (cm-1) 和分配在氨基乙酸常规喇曼光谱和 SERS 的范围。

普通喇曼

SERS,范围

SERS, nanotubes

分配

816 s, 872 w

817 w, 872 s

NH2 转弯 + CH2 转弯

901 s

950 w

C-C 舒展

1033 w

1026 w

1048 w

C-N 舒展

1131 w

1175 s

1083 w

NH3+ 小丑

1229 w, 1273 m

1328 s

1311 w

CH2 小丑

1374 w

C-NH3+ 舒展

1407 s

COOH sym。 舒展

1438 m

1437 w

1453 m

CH2

1513 w

1527 s

NH3+ sym。 def。

1590 w

COOH asym。 舒展

1612 m

NH3+ asym。 def。

窦等显示出,氨基乙酸与金 nanoparticles 配合通过因此更是受这个胞质基因被生成的电场的影响的氨基 [18]。 这些结果比较对氨基乙酸 SERS 的在澳大利亚胶态解决方法的显示加速大约 5-10 cm-1 氨基乙酸峰顶。 另外,被观察的 SERS 峰顶从开始起很好对应与从 Kumar 等 [19 的] 计算

这种改进看来是小,但是明显地可区分的,是从少量氨基乙酸分子的信号在一支唯一管里面。 当 SERS 峰顶是相对地低的在强度时,以前显示碳出现在 SERS 有效的金属附近的可能由系数数百减少 SERS 信号的强度 [20]。 虽然 SERS 研究在碳 nanotubes 完成的 CNTs 和的 CNPs 的喇曼光谱的比较建议没有显示更改缺乏 SERS 作用。

要产生 SERS 改进的一个更加定量的估计改进系数 (EF)被计算了根据 [21]

SERSN/RR(RRSERS) (Eq。 1)

那里 NRR 和 NSERS 是正常喇曼分光学探查的分子的数量和 SERS,分别; 并且 IRR 和 ISERS 是对应的强度。 要计算改进系数,估计二个方法探查的数量是重要的。

一旦正常喇曼分光学,我们假设,被探查的这个数量是 2×5 μm 磁道 (带有由一个 50× 目的在共焦的模式下 50 μm 开口),产生 15.7×10 L. 的数量-15 。 所以, 2.7 M 的氨基乙酸含量对应于在此10 数量的 ~ 2×10 分子,产生喇曼强度 30 cps。

一旦 SERS,这个信号来自最大值在 CNP 里面的一个三角。 由于 CNPs 的直径是大约 300 毫微米,可能输入管的最大的范围三角是 300 个毫微米边缘长度。 假设,来自三角的这个电场不延伸到距离高于 35 毫微米 [22],这个被分析的数量可以考虑作为四面八方延伸在 nanotriangle 35 毫微米附近的三棱柱。 这有 8x10 L. 的数量-19 。 然后,以 1 mM 或 10M-3 氨基乙酸含量, ~ 480 分子在此数量被探查,导致一种 SERS 强度 200。

从这些参数,我们获得 E.F.= (10200×2.5×10)/(30×480)4×10。8

由于使用的方法,控制进入或附有 nanotubes 的准确的相当数量微粒是难的。 如观察由 SEM 和 TEM, CNPs 包含至多一个三角微粒。 Bingel Rx CNTs 倾向于包含一些是三角微粒的字符串。 自然,三角的更高的浓度是高效在信号改进。 未来工作特别地将介入更加复杂的方法对附上三角微粒对 nanotubes 的内在或外表面。

结论

碳 nanotubes 和 nanopipes 的 functionalization 为使用作为表面改进的喇曼分光学探测达到。 使用 nanotubes 和附件的二种类型的相同结果, SERS 达到。 这些有极大的通用性和灵活性跟踪检测的在生物应用。 并且, CNPs 允许液体流和配合里面并且可以为在原处研究使用。 化工试验可以做在管里面,当回应产品观察由 SERS。 结合这些 SERS 有效的 nanotubes 与已经现有的纳诺探通的技术能启用细胞的研究与单一分子区分的。

方法和材料

SERS 有效的金 nanotriangles 用柠檬香茅使用的方法综合 [23]。 首先,细致剪切被洗涤的和干柠檬香茅叶子 5g 在煮沸 5 分钟的 DI 20mL 放置 water 能创建叶子解压缩。 金子由一个 1mM 含水 HAuCl 解决方法的混合的 10mL4 用不同的相当数量的综合在室温的柠檬香茅解压缩,并且隔夜被搅动了。

使用了氨基乙酸,氨基酸,当 SERS 测试范例,因为它是简单的,以前详细被学习了 [18, 24, 25] 并且是一个有用的前体对更加复杂的生物范例。 氨基乙酸使用了如从斯格码 Co 被接受,不用进一步洗净。 最终浓度,在使用是 1 mM 前,与 10 mM 实现汇总的 NaCl 和 HCl。 此浓度被选择了,因为它是太低的以至于不能被检测与在使用的这种配置的标准喇曼分光学 (在 Si 薄酥饼的小滴)。

CNPs 综合了与一个 noncatalytic 化学气相沉积 (CVD)方法使用一个商业氧化铝膜作为一块多孔模板 (Whatman Anodisc®),名义上的毛孔直径: 300 nm±10%,厚度: 60 μm。 独立 nanopipes 在氧化铝模板的解散以后在氢氧化钠的一个煮沸的 1M 解决方法的获得了。 发生的 nanopipes 的直径对应于毛孔的直径在原始膜的,并且长度,在声处理以后,一般是 10 μm。 在综合以后, CNPs 有一个混乱的墙壁结构 [26]

喇曼光谱获取了使用 Renishaw 1000/2000 喇曼微型分光仪 (1200 个 l/mm 滤栅) 在反散射几何。 励磁来源是二极管激光 (785 毫微米),集中 (50x 目的) 对大约 2 μm 的光点直径。 使用从 Renishaw的电汇 2.0 软件光谱被分析了。 喇曼光谱从每个类型多个 CNTs 被采取了,并且显示的结果这里是代表所有学习。

蔡司在上 50VP 使用得到扫描电子显微镜术 (SEM)图象。

鸣谢

谢谢对 D. Breger 运行 SEM, D. Mattia CNPs 的综合和 TEM 的准备和运算图 1a 和 G. Korneva 执行在 MWNT 的 Bingel Rx 根据参考 [16] 和球状金 golloid 综合。 这个作者也承认 Arkema供应的 multiwall nanotubes 的法国。 TEM 研究被进行了在 Penn 地区纳米技术设备。 A. NDSEG 同伴关系和教务长的 Fellowship 支持 Sabur。 喇曼分光学和扫描电子显微镜术执行在集中的材料描述特性设备, Drexel 大学。

参考

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2. Shah HJ, Fontecchio AK, Rossi MP、 Mattia D 和 Gogotsi Y,在碳 nanopipes 限制的液晶想象。 应用物理学信函, 2006年。 89 : p. 043123-1 - 0431231-3。

3. 金 BM、钱 S 和 Bau HH,与微粒的装载的碳 Nanotubes。 纳诺信函, 2005年。 5(5) : p. 873-878。

4. Korneva G、 Ye H, Gogotsi Y, Halverson D,弗里德曼 G,布雷得里 J-C 和 Kornev KG,碳用磁性粒子装载的 Nanotubes。 纳诺信函, 2005年。 5(5) : p. 879-884。

5. Kneipp K, Wang Y, Kneipp H, Perelman Itzkan LT,我, Dasari RR 和 Feld MS,使用表面改进的喇曼分散的唯一分子检测。 实际复核 Letters, 1997年。 78 : p. 1667。

6. Kneipp K, Kneipp H, Itzkan 我, Dasari RR 和 Feld MS,表面改进的喇曼分散和生物物理学。 物理日记帐: 浓缩的问题, 2002年。 14 : p. R597-R624。

7. 在化工改进结构的剪秋罗 A、 Ivanecky 我, J.E.,子项 CM 和养育 M,在表面改进的喇曼分散的。 Americal 化工 Society, 1995年。 117 日记帐: p. 11807-8。

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联络详细资料

Alia Sabur

材料学和工程部
Drexel 大学, 3141 个栗子街道
费城 PA 19104
美国

电话: +1 215 200 7494。

电子邮件: as428@drexel.edu

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

Last Update: 15. July 2013 15:46

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