IJzeroxide nanodeeltjes:meerwandige koolstof nanobuisjes composietmaterialen voor batch of chromatografische scheiding van biomoleculen

Resultaten en discussie

Meerwandige koolstofnanobuizen zijn behoorlijk hydrofoob en hebben daarom de neiging niet sterk te interageren met polaire ijzeroxide-nanodeeltjes. Om de CNT's polairder te maken en interacties met ijzeroxiden mogelijk te maken, werd het oppervlak behandeld met salpeter- en zwavelzuur. Deze behandeling genereert oppervlaktedefecten en zelfs geladen oppervlaktegroepen, die fungeren als co-precipitatie van zaden van nanodeeltjes en als bindingsplaatsen voor nanodeeltjes van ijzeroxide. Verschillende methoden en middelen voor het genereren van defectlocaties werden getest en geanalyseerd met Raman-spectroscopie (aanvullend bestand 1:Fig. S1). Raman-spectroscopie levert de verhoudingen van de defectband op (D ) naar de grafietband (G ) [41, 42, 50, 51]. De verhouding van de integraal van G naar D band is afhankelijk van de gebruikte lasergolflengte [52]. De toename van deze verhouding is echter meestal een goede indicator voor de oxidatie van het oppervlak van de nanobuisjes en dus voor het identificeren van de beste methode voor oppervlaktemodificatie van CNT's [52.53.54.55]. Hoewel onze resultaten wijzen op een zeer hoge ratio voor D :G na salpeterzuurbehandeling van de nanobuisjessuspensie leidt de mix van salpeter- en zwavelzuur tot een lichte verhoging van deze verhouding (Aanvullend bestand 1:Tabel S1). Voor de verdere experimenten werden alleen CNT's gebruikt die waren behandeld met het mengsel van salpeter- en zwavelzuur, wat de meest reproduceerbare methode was die leidde tot nanobuisjes die in chromatografiekolommen kunnen worden gepakt in overeenstemming met onze experimenten en literatuur [54]. Deze nanobuisjes worden gecarboxyleerde CNT's (cCNT's) genoemd.

Nanodeeltjes van ijzeroxide gesynthetiseerd door co-precipitatie in aanwezigheid van cCNT's leveren SPION's op met een iets grotere gemiddelde grootte als vergelijkbaar gesynthetiseerde deeltjes zonder cCNT's (Fig. 1c). De grootteverdeling is echter breder in het bereik van 5-20 nm en de deeltjes die zijn gesynthetiseerd met cCNT's zijn aan de nanobuisjes gehecht. Het gesynthetiseerde composietmateriaal heeft voornamelijk de eigenschappen van de ijzeroxide-nanodeeltjes en is homogeen gedecoreerd. De decoratie van cCNT's met ijzeroxide-nanodeeltjes, die aanwezig zijn als donkere vlekken, kan worden waargenomen met transmissie-elektronenmicroscopie en komt goed overeen met de literatuur [32, 36,37,38]. Onze resultaten wijzen op een homogene belasting van SPION's op cCNT's, aangezien er geen grotere aggregaten van nanodeeltjes in de afbeeldingen kunnen worden waargenomen (Fig. 1b).

TEM-afbeeldingen van cCNT's (a ) en cCNT-SPIONs (b ). Grootteverdeling van vier afbeeldingen en een telling van minimaal 30 deeltjes per afbeelding voor elk materiaal c

Magnetisatiemetingen bij kamertemperatuur duiden op een superparamagnetisch composietmateriaal met een verzadigingsmagnetisatie van 67 emu g ⁻¹ en geen magnetische remanentie (< 1 emu g ⁻¹ ). De verzadigingsmagnetisatie is slechts iets lager dan die van zuivere ijzeroxide-nanodeeltjes en de vorm van de hysteresecurve is vergelijkbaar (Fig. 2) [45, 56, 57]. Daarom zijn de samenstelling van de oppervlaktelaag en de kern van SPION's en cCNT-SPIONs-composieten vergelijkbaar [57]. De kristallografische analyse van het composietmateriaal toont een spinelstructuur die overeenkomt met magnetiet of maghemiet, terwijl er geen kristallijne structuur van CNT's kan worden waargenomen (Fig. 2b) [37, 57]. Het signaal bij 11,8° dat voorkomt in CNT's en cCNT's kan worden geïndexeerd als de ⟨0 0 2⟩ reflectie van de hexagonale grafietstructuur [17]. De decoratie van cCNT's met ijzeroxide nanodeeltjes leidt tot het optreden van de reflecties:  ⟨1 1 1⟩ at 5.4° ⟨2 2 0⟩ at 13.7°, ⟨3 1 1⟩ at 16.1°, ⟨4 0 0⟩ at 19,4° , ⟨4 2 2⟩ bij 23,8°, ⟨5 1 1⟩ bij 25,3° en ⟨4 4 0⟩ bij 25,6° [29, 41]. Deze reflecties komen overeen met de standaard XRD-gegevens voor de kubische fase Fe₃ O₄ (JCPDS nr. 89-4319) met een kubusvormige structuur in het midden van het gezicht en onze eigen referentie-SPION's [17, 32]. De reflecties van het composietmateriaal laten een grotere FWHM zien, wat resulteert in een kleinere Scherrer-diameter van het kristallijne materiaal. Dit gedrag kan worden verklaard met de grotere deeltjesgrootteverdeling van het composietmateriaal zoals waargenomen met TEM, en de extra kiemvormende zaden op het oppervlak van cCNT's [46]. Hogere aantallen kiemvormende zaden leiden meestal tot kleinere primaire kristallieten [36, 46]. Zowel de magnetisatie als de diffractiepatronen komen goed overeen met andere decoratiemethoden zoals elektrostatische modificatie door polyethyleenimine of polyacrylaatzuur [18, 22]. De intensiteit van de reflectie die overeenkomt met grafiet is vergelijkbaar in het zuivere materiaal en het composietmateriaal en er kunnen geen significante veranderingen worden waargenomen. De intensiteit van de reflecties die overeenkomen met ijzeroxidestructuren tonen echter een veel intenser signaal.

Magnetische hysteresecurve verkregen met een SQUID van -50.000 tot 50.000 Oe bij 300 K (a ) en poeder XRD-patronen van cCNT-SPIONs, cCNTs, CNTs en SPIONs verkregen met een MoKα-bron (b )

Daarom combineert het composietmateriaal de eigenschappen van koolstofnanobuisjes en magnetische nanodeeltjes. Röntgenfoto-elektronspectroscopie, een zeer oppervlaktegevoelige methode, toont de hechting van ijzeroxide aan cCNT's (aanvullend bestand 1:Fig. S2). Hier zijn magnetiet en/of maghemiet aanwezig sinds de F 2p ^3/2 band van de cCNT-SPIONs toont een maximum bij 711 eV en de Fe 2p ^1/2 toont een maximum bij 724 eV [37, 57]. De vorm van de schudsatellieten wijst ook op de aanwezigheid van magnetiet in plaats van hematiet [57, 58]. De O 1s regio geeft C–O aan, en COO ⁻ bindingen voor zowel cCNT's als cCNT-SPION's, terwijl het composietmateriaal een andere band vertoont bij 529,5 eV die overeenkomt met de aanwezigheid van Fe-O-bindingen [37, 41]. De bindingen tussen koolstof en zuurstof in het O 1s-gebied komen goed overeen met de waarnemingen van de C 1s regio, die ook verschillend geoxideerde koolstofsoorten aangeeft (Fig. 3). Hier niet alleen carboxygroepen (289 eV), maar ook andere C-O-bindingen (286-287,5 eV) evenals sp ² gehybridiseerde koolstof (284,5 eV) overeenkomend met koolstof uit de ruggengraatstructuur van CNT's kan worden waargenomen [41, 51].

XP-spectra in het bereik van C 1s van cCNT's (a ) en cCNT-SPIONs (b ). De spectra zijn uitgerust met een combinatie van Gauss- en Lorentz-functies met het programma Oorsprong

De decoratie van cCNT's met SPIONS kan ook worden waargenomen met ATR-IR-spectroscopie. In Fig. 4, de band op 550 cm ⁻¹ komt overeen met een T_1u vibratie van magnetietkristallen is het meest prominent voor het composietmateriaal [17, 58]. Op de gecarboxyleerde CNT's de COO ⁻ symmetrische en asymmetrische rektrillingen die overeenkomen met de carboxygroep kunnen worden waargenomen bij 1325, 1400 (s) en 1624 cm ⁻¹ (as), respectievelijk [17, 36, 50, 59]. Verder rekken de O–H rektrillingen rond de 3250 cm ⁻¹ wijzen op de aanwezigheid van carboxygroepen op de cCNT's [17, 29, 32, 50]. De afname van de intensiteit voor de pieken die overeenkomen met C-O-trillingen voor cCNT-SPION's in combinatie met de prominente band die overeenkomt met Fe-O-trillingen is een goede indicator voor een homogene coating. Nanodeeltjes van ijzeroxide absorberen infraroodstraling beter en daarom zijn de resultaten niet kwantitatief, maar slechts een indicator van een toename van ijzeroxide op het oppervlak in combinatie met het verdwijnen van banden die overeenkomen met C–O-trillingen.

ATR-IR-spectra van cCNT-SPION's en cCNT's

De zeta-potentiaal van het composietmateriaal is slechts iets hoger dan de zeta-potentiaal van kale SPION's, hoewel de zure behandeling zou moeten resulteren in een sterk negatief geladen materiaal. We waren niet in staat om zeta-potentiaalmetingen uit te voeren van CNT's die de neiging hebben om te aggregeren in waterige omgevingen. Het iso-elektrische punt van het composietmateriaal bevindt zich nog steeds in het neutrale bereik met pH 7,5 vergeleken met pH 6,5 voor de naakte nanodeeltjes (Fig. 5a) [57]. Dit gedrag suggereert een goede coating of decoratie van de cCNT's met ijzeroxide nanodeeltjes en ondersteunt de andere analytische karakteriseringen van de composiet. Het voorkomen van ijzer in de XP-spectra, het verschijnen van Fe-O-trillingen in het IR-spectrum, de hoge verzadigingsmagnetisatie en het voorkomen van materialen met een hogere dichtheid in TEM wijzen allemaal op een succesvolle hechting van ijzeroxide-nanodeeltjes aan cCNT's. Bovendien is het gedrag van de zeta-potentiaal amfifiel en vergelijkbaar voor beide materialen met toenemende en afnemende pH, wat ook aangeeft dat ijzeroxiden de meest prominente oppervlaktesoort zijn. We nemen een zeer vergelijkbaar gedrag waar voor bevochtigingsexperimenten met de capillaire stijgmethode (aanvullend bestand 1:Fig. S3). Hier zijn zowel de oppervlakte-vrije energie als het polaire en dispersieve aandeel, verkregen door meerdere experimenten met verschillende oplosmiddelen, vergelijkbaar voor composiet en naakte ijzeroxide nanodeeltjes. De capillariteit van de materialen wordt bepaald met ethyleenglycol voor naakte koolstof nanobuisjes zoals beschreven in de literatuur [60, 61]. Voor alle andere materialen geldt hexaan als vloeistof met een zeer lage oppervlaktespanning (18,4 mJ m ⁻² ) werd gekozen om de capillariteit te bepalen. Kale ijzeroxide nanodeeltjes hebben een totale vrije oppervlakte-energie van 55,9 mJ m ⁻² , terwijl het composietmateriaal een oppervlakte-energie heeft van 47,1 mJ m ⁻² (Fig. 5b). Het composietmateriaal heeft een iets hoger polair aandeel, maar de onbehandelde CNT's en de cCNT gedragen zich compleet anders. De onbehandelde CNT's vertonen een hoge dispersieve oppervlaktevrije energie, terwijl de cCNT's zeer polair zijn volgens de methode van Owens Wendt Rabel en Kälble [48]. Met deze methode kunnen de polaire en dispersieve aandelen van de bevochtigingsvloeistoffen en de resulterende contacthoek afgeleid van capillaire stijgingsexperimenten worden vergeleken (aanvullend bestand 1:Fig. S4). De oppervlakte-vrije energie van de CNT's die met deze methode worden verkregen, is iets hoger dan de resultaten van Dresel en Teipel die ook capillaire stijgingsexperimenten uitvoerden met Baytube CNT's [60]. De tensiometrieresultaten verkregen met de capillaire stijgmethode zijn een interessante indicator om de verschillen zoals polariteit en bevochtiging met water van nanomateriaaloppervlakken te beschrijven. Vooral bij nanogestructureerde oppervlakken en nanogestructureerde capillairen kan deze methode echter gevoelig zijn voor fouten. Hier vertonen alle materialen een hoog specifiek oppervlak (aanvullend bestand 1:figuur S5). Kale ijzeroxide nanodeeltjes vertonen een specifiek oppervlak van 110 m ² g ⁻¹ , de cCNT's hebben een specifiek oppervlak van 228 m ² g ⁻¹ en het composietmateriaal heeft een specifiek oppervlak van 131 m ² g ⁻¹ . Dit specifieke oppervlak ligt in een vergelijkbaar bereik, vooral als we kijken naar het volumetrische oppervlak sinds de dichtheden van cCNT's (1,46 g cm ⁻¹ ), cCNT-SPIONs (2,38 g cm ⁻¹ ) en SPION's (3,8 g cm ⁻¹ ) verschillen aanzienlijk. De dichtheid van CNT's komt goed overeen met de variatie in dichtheid voor koolstofnanobuisjes [53].

Zeta-potentieel van SPIONs en cCNT-SPIONs van pH 4 tot 10 (a ) en oppervlakte-vrije energie verkregen uit capillaire stijgingsexperimenten met de OWRK-methode (b )

Om gebruik te maken van het composietmateriaal voor vastefase-extractie en chromatografieprocessen, is de statische en dynamische bindingscapaciteit van aminozuren vergeleken. Een van de hoofddoelen van deze studie was om te verifiëren of het composietmateriaal kan worden gebruikt in een chromatografiesysteem, waar ijzeroxide-nanodeeltjes als stationaire fase kunnen fungeren. De kale nanodeeltjes kunnen vanwege de grote drukval en mogelijke verliezen door het filter niet alleen als stationaire fase in een chromatografiekolom worden gebruikt. Het bindingsgedrag van aminozuren aan kale nanodeeltjes kan dus alleen worden vergeleken met adsorptie-isothermen in evenwicht. In Fig. 6a kan een soortgelijk gedrag van de adsorptie-isotherm van l-lysine op cCNT-SPION's en SPION's worden waargenomen. De evenwichtsbindingsconstante (K _D ) ligt in een vergelijkbaar bereik (0,17 g L ⁻¹ voor cCNT-SPION's en 0,72 g L ⁻¹ voor SPIONs) en het grote verschil in de maximale bindingscapaciteit (0,91 g g ⁻¹ voor cCNT-SPION's en 0,15 g g ⁻¹ voor SPION's). De verschillen in affiniteit en bindingscapaciteit kunnen worden verklaard door sterke elektrostatische interacties tussen lysine en negatief geladen materialen zoals cCNT's in vergelijking met de interacties met amfifiele ijzeroxiden [62]. Nanodeeltjes van ijzeroxide zijn echter meestal ook negatief geladen omdat ze worden gecomplexeerd door fosfaationen in PBS-buffer [63]. Er is gekozen voor l-lysine omdat dit aminozuur veel gemakkelijker te detecteren is met de TNBSA-methode dan met andere aminozuren [49]. De maximale belasting ligt in een vergelijkbaar bereik als literatuur voor kationische adsorptiemiddelen zoals methyleenblauw of aniline op met ijzeroxide versierde koolstofnanobuizen [17, 51]. Voor de dynamische bindingscapaciteit, die werd verkregen uit inverse vloeistofchromatografie-experimenten, kunnen enorme verschillen tussen cCNT's en cCNT-SPION's worden waargenomen. Terwijl aminozuren zoals het positief geladen l-lysine een hogere DBC op cCNT's vertonen, vertoont het negatief geladen l-glutamaat een significant hogere DBC op cCNT-SPION's. Dit gedrag komt goed overeen met de literatuur, waar l-glutamaat een hoge affiniteit voor nanodeeltjes van ijzeroxide vertoont [59, 64]. De hoge affiniteit van de l-lysine voor cCNT's kan worden verklaard door elektrostatische interacties tussen het positief geladen aminozuur en de negatief geladen carboxy-gefunctionaliseerde nanobuisjes. Glycine vertoont een hogere dynamische bindingscapaciteit aan cCNT-SPION's dan aan cCNT's, wat kan worden verklaard door het meer amfifiele karakter van ijzeroxide-oppervlakken. De hoge dynamische bindingscapaciteit van l-cysteïne aan het composietmateriaal komt goed overeen met de literatuur en de vorming van cystine door interactie van l-cysteïne met ijzerionen [59]. l-histidine vertoont een hoge dynamische bindingscapaciteit aan alle materialen aangezien elektrostatische, coördinatieve en hydrofobe interacties mogelijk zijn. Terwijl de kolom gepakt met cCNT-SPION's een hogere HETP-waarde vertoont in vergelijking met CNT's en cCNT's, is de asymmetrie van cCNT-SPION's vergelijkbaar met cCNT's en met ongeveer 0,7 in een bereik dat de analyse van doorbraakcurven mogelijk maakt (aanvullend bestand 1:Fig. S6 en Tabel S2). De porositeit van alle systemen ligt in een vergelijkbaar bereik tussen 0,78 en 0,94 en komt goed overeen met andere stationaire fasen die worden gebruikt voor inverse chromatografie-experimenten [65].

Statische bindingscapaciteiten van l-lysine met cCNTs, cCNT-SPIONs en SPIONs bij pH 7,8 met 100 mM fosfaatbuffer (a ). Dynamische bindingscapaciteiten bij 10% van de doorbraak van cCNT-SPION's, CNT's en cCNT's verkregen uit inverse chromatografie-experimenten met verschillende aminozuren bij pH 6 (b )