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DOI : 10.2240/azojono0117

表面改進的喇曼分光學碳 Nanotube 根據蜂窩電話探測

Alia Sabur

版權 AZoM.com 有限公司 Pty。

這是在許可證無限制的使用提供原始工作適當地被援引,但是被限制到非商業配電器和再生產的 AZo 槳被分配的一個偶氮開路獎勵系統 (AZo 槳) 條款 http://www.azonano.com/oars.asp 條件下

提交: 2007年 7月 22日

張貼: 2007年 10月 3日

包括的事宜

摘要

背景

結果和論述

結論

方法和材料

鳴謝

參考

聯絡詳細資料

摘要

碳 nanotubes 和 nanopipes 顯示有巨大潛在作為蜂窩電話探測,為使用作為 nanofluidic 設備運輸解決方法到/從細胞。 使這些 nanopipes 能在細胞內感覺允許巨大相當數量附加信息獲得。 表面改進的喇曼分光學 (SERS)是技術允許用於跟蹤生物標本的檢測和描述特性的非常地增加的喇曼信號與非常高空間分辨率的。 在此工作,碳 nanotubes 和 nanopipes functionalized 以 SERS 有效的 nanoparticles 允許多才多藝的 nanoprobes 的發展。 氨基乙酸用於估計 SERS 活動和對應的改進系數 (10)8

背景

碳 nanotubes (CNTs) 顯示了巨大潛在為使用作為蜂窩電話探測。 作為 「nanopipes」他們可以用於運輸液體到/從細胞和注射解決方法或藥物直接地到各自的細胞和各自的細胞器在細胞內。 另外,由於碳 nanotubes 的小直徑请導致對細胞的一點故障在滲透。 碳 nanopipes (CNPs) 充滿了水 [1],液晶 [2],螢光 [3] 和向顯示的磁性 nanoparticles [4] 他們可以為流體的不同的類型運輸使用到/從細胞。 通過使這些探測能在細胞內感覺,能找到關於化工交往的信息在細胞內。 表面改進的喇曼分光學 (SERS)有此功能。 使碳 nanotubes SERS 有效由與 SERS 有效的 nanoparticles 的 functionalization,創建非常敏感研究的細胞要素的可能性和確定。 另外, nanotubes 可以適用於他們可以擔當在一個流動水庫和這個細胞之間的互聯的一個 nanofluidic 設備,對傳送并且提取流體。 流體的作用對細胞能在原處被學習。

SERS 技術可以由系數 10 用於提高喇曼信號14 [5]。 它有二個主要目的; 第一,提高使難檢查許多複雜標本詳細化工目錄的相對地弱的喇曼信號和第二,從表面複雜材料獲得信息 (單層)。 在 SERS,側向解決方法取決於不由衍射極限,而且局部域 [6 的] 空間的分娩。 此跟蹤分析功能為生物研究是最有趣,允許分子確定在 nanoscale。 因為生物相關分子為描述特性經常是可用的在非常少量,這是特別重要的。 有 SERS 改進的二個主要結構,電磁式和化工 [7-10]。 而這種化工改進有關在將被分析的這種金屬和這個範例之間的充電調用複雜這種電磁式改進有關表面胞質基因的勵磁在 nanoscale 金屬結構的。

創建這種改進通常方法必要為 SERS 被粗化或被仿造的金屬板或者球狀 nanoparticles。 然而,這些使用 「熱點」創建希望的重大的改進系數。 初步的結果向顯示在碳 nanotubes 牆壁埋置的球狀 nanoparticles 導致一個弱,但是可測的信號 [11]。

顯示雕琢平面的 nanoparticles 比膠質 nanoparticles [12] 產生一種更高的 SERS 強度由於四極 [13] 和梯度場效應 [14] 和,因此用於此研究。 這些可能放鬆選擇規則,并且導致通常禁止的喇曼線路外觀,解釋被觀察的某些變化在 SERS 光譜上。

雕琢平面的 nanoparticles 可能單個創建這些熱點,取消對準確的控制的需要彙總 [15]。

結果和論述

二种 nanoprobes 被創建了并且被測試了。 首先,與附上的 nanotriangles 的 CNPs 裡面,那允許交往的研究在管裡面的。 CNPs 和 nanotriangles 的解決方法暫掛在對氨基苯甲酸二的準備,允許三角分佈在 CNPs 裡面。 在使用前,小滴此暫掛被安置了在硅片上并且讓十分地烘乾。 雖然三角在 CNPs 的表面未被觀察與透射電鏡術的 (TEM), CNPs 輕輕地洗滌與 DI water 去除在表面的所有三角。 Nanotubes 被觀察使用與掃描電子顯微鏡術的 backscattered 電子想像 (SEM)瀏覽金微粒,沒有出現在管的外部。 在這杯水的蒸發以後,氨基乙酸解決方法存款在 CNPs 上。 由於 CNPs 是大直徑,各自的管明顯地是可視的。

其次,與三角的縮小的多牆壁 nanotubes 化工附有外部由 Bingel 回應 [16]。 Bingel 回應是 a [2+1] cycloaddition 回應的示例。 主要步驟在這個進程中是: 首先, nanotubes 在表面被固定了并且由在廣泛的洗滌物 (methylthio) ethanolfollowed 的超額的長時期的攪拌酯基交換 2 以二乙基醚形成 [(COOCHCHSMe22)2 C<SWNT]。 然後,使用金 nanoparticles,通過利用金硫磺約束交往環丙烷組 「標記」。 範例混合,不用 Bingel 回應沒有顯示三角的附件對 nanotubes。

同樣,與附上的三角的 CNTs 在硅片存款并且輕輕地洗滌了與 DI water。 在蒸發以後,氨基乙酸存款在 CNTs 上。 喇曼光譜從 nanotubes 小的字符串被採取了,包含只有可視對使用的有助設置。

保持在 nanotubes 附近的任何過剩氨基乙酸在喇曼評定期間不影響結果。 氨基乙酸的濃度是太低的以至於不能由常規喇曼分光學觀察,使它仅可測,當與仅是在 CNT 或 CNPs 裡面的 nanotriangles 聯繫。 在這個乾式法期間時,氨基乙酸所有光譜被採取,當濕,防止晶子的形成在管的表面的。

圖 1. nanotube 探測顯微學。 (a) 一個三角和球狀微粒的 TEM 照片在 nanopipe 裡面。 (b) 三角和一個六角微粒的 SEM 圖像附有 MWNT 由 Bingel 回應。 (c) 一個三角的 SEM 圖像在 nanopipe 裡面的使透明由高壓 (25 kV)。 (d) nanopipe 的 SEM 圖像和一樣在 (c) 與 4 kV 加速的電壓,顯示大約 (c),意味這個三角位於管的於。

用於的 nanotube 獲得 SERS 給 SEM 帶來并且被觀察了,顯示在 nanotube 的於的一個三角。 4 kV 加速的電壓,微粒未被觀察,但是,當上升對 25 kV 管的牆壁變得透明,允許這個三角的觀察,顯示在圖 1. 上。

從這兩個方法的對應的喇曼光譜在表 2. 顯示。 可視氨基乙酸的峰頂在兩種情況下是相同的,并且很好對應與在氨基乙酸 SERS 的早先文件。 並且可視的是 CNPs 和 CNTs 的喇曼光譜,包括範圍 (1350 cm-1),是一個雙共振範圍公用為碳材料 (D 範圍) 和範圍大約 1600 cm-1 與石墨有關 (範圍) 的飛機 振動。 這些範圍看上去不同在 CNTs 和 CNPs 之間由於在他們的綜合 [17 上的] 區別 - CNTs 主要石墨,而 CNPs 有一個混亂的牆壁結構。

圖 2. 喇曼光譜得到通過使用 nanotube 探查。 (1) 從與三角的 CNPs 在於, (2) 從與三角的 MWNT 附有外部和 (3) 沒有 nanotube 存在,顯示缺乏除從 Si 以外的任何信號。 (a) MWNT 一個小的字符串的圖像用於的獲得 SERS。 (b) 用於的一單個 nanopipe 獲得 SERS。

從氨基乙酸的四個另外的峰頂出現,於 817 - 872 (NH2 轉彎 - CH2 轉彎), 1048 (C-N 舒展), 1083 (NH3+ 小丑) 和 1453 (CH2 彎) cm-1。 在普通喇曼和 SER 光譜之間的區別可以用梯度域和四極作用解釋,如上所述。

製表 I. Frequencies (cm-1) 和分配在氨基乙酸常規喇曼光譜和 SERS 的範圍。

普通喇曼

SERS,範圍

SERS, nanotubes

分配

816 s, 872 w

817 w, 872 s

NH2 轉彎 + CH2 轉彎

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。

竇等顯示出,氨基乙酸與金 nanoparticles 配合通過因此更是受這個胞質基因被生成的電場的影響的氨基 [18]。 這些結果比較對氨基乙酸 SERS 的在澳大利亞膠態解決方法的顯示加速大約 5-10 cm-1 氨基乙酸峰頂。 另外,被觀察的 SERS 峰頂從開始起很好對應與從 Kumar 等 [19 的] 計算

這種改進看來是小,但是明顯地可區分的,是從少量氨基乙酸分子的信號在一支唯一管裡面。 當 SERS 峰頂是相對地低的在強度時,以前顯示碳出現在 SERS 有效的金屬附近的可能由系數數百減少 SERS 信號的強度 [20]。 雖然 SERS 研究在碳 nanotubes 完成的 CNTs 和的 CNPs 的喇曼光譜的比較建議沒有顯示更改缺乏 SERS 作用。

要產生 SERS 改進的一個更加定量的估計改進系數 (EF)被計算了根據 [21]

SERSN/RR(RRSERS) (Eq。 1)

那裡 NRR 和 NSERS 是正常喇曼分光學探查的分子的數量和 SERS,分別; 并且 IRR 和 ISERS 是對應的強度。 要計算改進系數,估計二個方法探查的數量是重要的。

一旦正常喇曼分光學,我們假設,被探查的這個數量是 2×5 μm 磁道 (帶有由一個 50× 目的在共焦的模式下 50 μm 開口),產生 15.7×10 L. 的數量-15 。 所以, 2.7 M 的氨基乙酸含量對應於在此10 數量的 ~ 2×10 分子,產生喇曼強度 30 cps。

一旦 SERS,這個信號來自最大值在 CNP 裡面的一個三角。 由於 CNPs 的直徑是大約 300 毫微米,可能輸入管的最大的範圍三角是 300 個毫微米邊緣長度。 假設,來自三角的這個電場不延伸到距離高於 35 毫微米 [22],這個被分析的數量可以考慮作為四面八方延伸在 nanotriangle 35 毫微米附近的三棱柱。 這有 8x10 L. 的數量-19 。 然後,以 1 mM 或 10M-3 氨基乙酸含量, ~ 480 分子在此數量被探查,導致一種 SERS 強度 200。

從這些參數,我們獲得 E.F.= (10200×2.5×10)/(30×480)4×10。8

由於使用的方法,控制進入或附有 nanotubes 的準確的相當數量微粒是難的。 如觀察由 SEM 和 TEM, CNPs 包含至多一個三角微粒。 Bingel Rx CNTs 傾向於包含一些是三角微粒的字符串。 自然,三角的更高的濃度是高效在信號改進。 未來工作特別地將介入更加複雜的方法對附上三角微粒對 nanotubes 的內在或外表面。

結論

碳 nanotubes 和 nanopipes 的 functionalization 為使用作為表面改進的喇曼分光學探測達到。 使用 nanotubes 和附件的二種類型的相同結果, SERS 達到。 這些有極大的通用性和靈活性跟蹤檢測的在生物應用。 並且, CNPs 允許液體流和配合裡面并且可以為在原處研究使用。 化工試驗可以做在管裡面,当回應產品觀察由 SERS。 結合這些 SERS 有效的 nanotubes 與已經現有的納諾探通的技術能啟用細胞的研究與單一分子區分的。

方法和材料

SERS 有效的金 nanotriangles 用檸檬香茅使用的方法綜合 [23]。 首先,細致剪切被洗滌的和乾檸檬香茅葉子 5g 在煮沸 5 分鐘的 DI 20mL 放置 water 能創建葉子解壓縮。 金子由一個 1mM 含水 HAuCl 解決方法的混合的 10mL4 用不同的相當數量的綜合在室溫的檸檬香茅解壓縮,并且隔夜被攪動了。

使用了氨基乙酸,氨基酸,當 SERS 測試範例,因為它是簡單的,以前詳細被學習了 [18, 24, 25] 并且是一個有用的前體對更加複雜的生物範例。 氨基乙酸使用了如從斯格碼 Co 被接受,不用進一步洗淨。 最終濃度,在使用是 1 mM 前,與 10 mM 實現彙總的 NaCl 和 HCl。 此濃度被選擇了,因為它是太低的以至於不能被檢測與在使用的這種配置的標準喇曼分光學 (在 Si 薄酥餅的小滴)。

CNPs 綜合了與一個 noncatalytic 化學氣相沉積 (CVD)方法使用一個商業氧化鋁膜作為一塊多孔模板 (Whatman Anodisc®),名義上的毛孔直徑: 300 nm±10%,厚度: 60 μm。 獨立 nanopipes 在氧化鋁模板的解散以後在氫氧化鈉的一個煮沸的 1M 解決方法的獲得了。 發生的 nanopipes 的直徑對應於毛孔的直徑在原始膜的,并且長度,在聲處理以後,一般是 10 μm。 在綜合以後, CNPs 有一個混亂的牆壁結構 [26]

喇曼光譜獲取了使用 Renishaw 1000/2000 喇曼微型分光儀 (1200 个 l/mm 濾柵) 在反散射幾何。 勵磁來源是二極管激光 (785 毫微米),集中 (50x 目的) 對大約 2 μm 的光點直徑。 使用從 Renishaw的電匯 2.0 軟件光譜被分析了。 喇曼光譜從每個類型多個 CNTs 被採取了,并且顯示的結果這裡是代表所有學習。

蔡司在上 50VP 使用得到掃描電子顯微鏡術 (SEM)圖像。

鳴謝

謝謝對 D. Breger 運行 SEM, D. Mattia CNPs 的綜合和 TEM 的準備和運算圖 1a 和 G. Korneva 執行在 MWNT 的 Bingel Rx 根據參考 [16] 和球狀金 golloid 綜合。 這個作者也承認 Arkema供應的 multiwall nanotubes 的法國。 TEM 研究被進行了在 Penn 地區納米技術設備。 A. NDSEG 同伴關係和教務長的 Fellowship 支持 Sabur。 喇曼分光學和掃描電子顯微鏡術執行在集中的材料描述特性設備, Drexel 大學。

參考

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聯絡詳細資料

Alia Sabur

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Drexel 大學, 3141 個慄子街道
費城 PA 19104
美國

電話: +1 215 200 7494。

電子郵件: as428@drexel.edu

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

Last Update: 15. July 2013 15:50

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