Iron Oxide Nanoparticles:Multiwall Carbon Nanotube Composite Materials untuk Batch atau Pemisahan Biomolekul Kromatografi

Hasil dan Diskusi

Karbon nanotube multiwall cukup hidrofobik dan karena itu cenderung tidak berinteraksi kuat dengan nanopartikel oksida besi polar. Untuk membuat CNT lebih polar dan memungkinkan interaksi dengan oksida besi, permukaan diperlakukan dengan asam nitrat dan asam sulfat. Perlakuan ini menghasilkan cacat permukaan dan bahkan kelompok permukaan bermuatan, yang bertindak sebagai co-presipitasi nanopartikel benih dan sebagai situs pengikatan untuk nanopartikel oksida besi. Beberapa metode dan agen untuk menghasilkan situs cacat diuji dan dianalisis dengan spektroskopi Raman (File tambahan 1:Gbr. S1). Spektroskopi Raman menghasilkan rasio pita cacat (D ) ke pita grafit (G ) [41, 42, 50, 51]. Rasio integral dari G untuk D pita tergantung pada panjang gelombang laser yang digunakan [52]. Namun, peningkatan rasio ini biasanya merupakan indikator yang baik untuk oksidasi permukaan nanotube dan dengan demikian mengidentifikasi metode terbaik untuk modifikasi permukaan CNT [52,53,54,55]. Sementara hasil kami menunjukkan rasio yang sangat tinggi untuk D :G setelah perlakuan asam nitrat dari suspensi nanotube, campuran asam nitrat dan asam sulfat menyebabkan sedikit peningkatan rasio ini (File tambahan 1:Tabel S1). Untuk percobaan lebih lanjut hanya CNT diperlakukan dengan campuran asam nitrat dan sulfat digunakan yang mewakili metode yang paling direproduksi mengarah ke nanotube yang dapat dikemas dalam kolom kromatografi sesuai dengan percobaan kami dan literatur [54]. Tabung nano ini disebut sebagai CNT terkarboksilasi (cCNT).

Nanopartikel oksida besi yang disintesis dengan pengendapan bersama dengan adanya cCNT menghasilkan SPION dengan ukuran rata-rata yang sedikit lebih besar sebagai partikel yang disintesis serupa tanpa cCNT (Gbr. 1c). Namun, distribusi ukuran lebih luas dalam kisaran 5-20 nm dan partikel yang disintesis dengan cCNT melekat pada nanotube. Bahan komposit yang disintesis terutama memiliki sifat nanopartikel oksida besi dan didekorasi secara homogen. Dekorasi cCNTs dengan nanopartikel oksida besi, yang hadir sebagai bintik-bintik gelap, dapat diamati dengan mikroskop elektron transmisi sesuai dengan literatur [32, 36,37,38]. Hasil kami menunjukkan beban homogen SPION pada cCNT karena tidak ada agregat nanopartikel yang lebih besar yang dapat diamati pada gambar (Gbr. 1b).

Gambar TEM dari cCNT (a ) dan cCNT-SPION (b ). Distribusi ukuran dari empat gambar dan jumlah minimal 30 partikel per gambar untuk setiap materi c

Pengukuran magnetisasi pada suhu kamar menunjukkan material komposit superparamagnetik dengan magnetisasi saturasi 67 emu g ⁻¹ dan tidak ada remanen magnetik (< 1 emu g ⁻¹ ). Magnetisasi saturasi hanya sedikit lebih rendah dari nanopartikel oksida besi murni dan bentuk kurva histeresis serupa (Gbr. 2) [45, 56, 57]. Oleh karena itu, lapisan permukaan dan komposisi inti komposit SPION dan cCNT-SPION serupa [57]. Analisis kristalografi material komposit menunjukkan struktur spinel yang sesuai dengan magnetit atau maghemit, sementara tidak ada struktur kristal CNT yang dapat diamati (Gbr. 2b) [37, 57]. Sinyal pada 11,8° terjadi di CNT dan cCNT dapat diindeks sebagai 0 0 2⟩ refleksi dari struktur grafit heksagonal [17]. Hiasan cCNT dengan nanopartikel oksida besi menyebabkan terjadinya pemantulan:  ⟨1 1 1⟩ pada 5.4° ⟨2 2 0⟩ pada 13,7°, ⟨3 1 1⟩ pada 16,1°, ⟨4 0 0⟩ pada 19,4° , ⟨4 2 2⟩ pada 23,8°, ⟨5 1 1⟩ pada 25,3° dan ⟨4 4 0⟩ pada 25,6° [29, 41]. Refleksi ini konsisten dengan data XRD standar untuk fasa kubik Fe₃ O₄ (JCPDS no. 89-4319) dengan struktur kubik berpusat muka dan SPION referensi kami sendiri [17, 32]. Pantulan material komposit menunjukkan FWHM yang lebih besar menghasilkan diameter Scherrer material kristal yang lebih kecil. Perilaku ini dapat dijelaskan dengan distribusi ukuran partikel yang lebih besar dari bahan komposit seperti yang diamati dengan TEM, dan biji nukleasi tambahan pada permukaan cCNT [46]. Jumlah biji nukleasi yang lebih tinggi biasanya menghasilkan kristalit primer yang lebih kecil [36, 46]. Magnetisasi serta pola difraksi sesuai dengan metode dekorasi lainnya seperti modifikasi elektrostatik melalui polietilenimin atau asam poliakrilat [18, 22]. Intensitas pantulan yang sesuai dengan grafit serupa pada material murni dan material komposit dan tidak ada perubahan signifikan yang dapat diamati. Namun, intensitas pantulan yang sesuai dengan struktur oksida besi menunjukkan sinyal yang jauh lebih intens.

Kurva histeresis magnetik diperoleh dengan SQUID dari -50.000 hingga 50.000 Oe pada 300 K (a ) dan pola bubuk XRD dari cCNT-SPION, cCNT, CNT, dan SPION yang diperoleh dengan sumber MoKα (b )

Oleh karena itu, material komposit menggabungkan sifat nanotube karbon dan nanopartikel magnetik. Spektroskopi fotoelektron sinar-X, yang merupakan metode yang sangat sensitif terhadap permukaan menunjukkan perlekatan oksida besi pada cCNT (File tambahan 1:Gbr. S2). Di sini, magnetit dan/atau maghemite hadir sejak F 2p ^3/2 pita cCNT-SPION menunjukkan maksimum pada 711 eV dan Fe 2p ^1/2 menunjukkan maksimum pada 724 eV [37, 57]. Bentuk satelit yang terguncang juga menunjukkan adanya magnetit daripada hematit [57, 58]. O 1s region menunjukkan C–O, dan COO ⁻ ikatan untuk kedua cCNTs dan cCNT-SPIONs, sedangkan bahan komposit menunjukkan pita lain pada 529,5 eV yang sesuai dengan keberadaan ikatan Fe-O [37, 41]. Ikatan antara karbon dan oksigen di daerah O1s sesuai dengan pengamatan C1s wilayah, yang juga menunjukkan spesies karbon teroksidasi berbeda (Gbr. 3). Di sini, tidak hanya gugus karboksi (289 eV) tetapi ikatan C–O lainnya (286–287,5 eV) serta sp ² karbon hibridisasi (284,5 eV) yang sesuai dengan karbon dari struktur tulang punggung CNT dapat diamati [41, 51].

Spektrum XP dalam kisaran C 1s dari cCNT (a ) dan cCNT-SPION (b ). Spektrum dilengkapi dengan kombinasi fungsi Gaussian dan Lorentzian dengan program Origin

Dekorasi cCNT dengan SPIONS dapat diamati dengan spektroskopi ATR-IR juga. Pada Gambar 4, pita pada 550 cm ⁻¹ sesuai dengan T_1u getaran kristal magnetit paling menonjol untuk material komposit [17, 58]. Pada CNT yang terkarboksilasi, COO ⁻ vibrasi regangan simetris dan asimetris yang sesuai dengan gugus karboksi dapat diamati pada 1325, 1400 (s) dan 1624 cm ⁻¹ (sebagai), masing-masing [17, 36, 50, 59]. Selanjutnya, getaran peregangan O–H sekitar 3250 cm ⁻¹ menunjukkan adanya gugus karboksi pada cCNT [17, 29, 32, 50]. Penurunan intensitas untuk puncak yang sesuai dengan getaran C–O untuk cCNT-SPION yang dikombinasikan dengan pita menonjol yang sesuai dengan getaran Fe–O adalah indikator yang baik untuk pelapisan yang homogen. Nanopartikel oksida besi adalah penyerap radiasi inframerah yang lebih baik dan oleh karena itu hasilnya tidak kuantitatif tetapi hanya indikator peningkatan oksida besi di permukaan yang dikombinasikan dengan hilangnya pita yang sesuai dengan getaran C–O.

Spektrum ATR-IR dari cCNT-SPION dan cCNT

Potensi zeta bahan komposit hanya sedikit lebih tinggi dari potensi zeta SPION telanjang, meskipun perlakuan asam harus menghasilkan bahan bermuatan negatif tinggi. Kami tidak dapat melakukan pengukuran potensial zeta dari CNT yang cenderung berkumpul di lingkungan berair. Titik isoelektrik material komposit masih dalam kisaran netral dengan pH 7,5 dibandingkan dengan pH 6,5 untuk nanopartikel telanjang (Gbr. 5a) [57]. Perilaku ini menunjukkan pelapisan yang baik atau dekorasi cCNT dengan nanopartikel oksida besi dan mendukung karakterisasi analitik lain dari komposit. Terjadinya besi dalam spektrum XP, munculnya getaran Fe-O dalam spektrum IR, magnetisasi saturasi yang tinggi dan terjadinya bahan dengan kepadatan yang lebih tinggi di TEM semuanya menunjukkan keberhasilan penempelan nanopartikel oksida besi ke cCNT. Lebih lanjut, perilaku potensi zeta bersifat amfifilik dan serupa untuk kedua bahan dengan peningkatan dan penurunan pH, yang juga menunjukkan oksida besi sebagai spesies permukaan yang paling menonjol. Kami mengamati perilaku yang sangat mirip untuk eksperimen pembasahan dengan metode kenaikan kapiler (File tambahan 1:Gbr. S3). Di sini, energi bebas permukaan serta bagian polar dan dispersif, yang dihasilkan oleh beberapa percobaan dengan pelarut yang berbeda, serupa untuk nanopartikel oksida besi komposit dan telanjang. Kapilaritas bahan ditentukan dengan etilen glikol untuk nanotube karbon telanjang seperti yang dijelaskan dalam literatur [60, 61]. Untuk semua bahan lainnya, heksana sebagai fluida dengan tegangan permukaan yang sangat rendah (18,4 mJ m ⁻² ) dipilih untuk menentukan kapilaritas. Nanopartikel besi oksida telanjang memiliki energi bebas permukaan total 55,9 mJ m ⁻² , sedangkan material komposit memiliki energi permukaan sebesar 47,1 mJ m ⁻² (Gbr. 5b). Bahan komposit memiliki bagian kutub yang sedikit lebih tinggi, Namun, CNT yang tidak diolah dan cCNT berperilaku sangat berbeda. CNT yang tidak diberi perlakuan menunjukkan energi bebas permukaan dispersif yang tinggi, sedangkan cCNT sangat polar menurut metode dari Owens Wendt Rabel dan Kälble [48]. Dari metode ini bagian polar dan dispersif dari cairan pembasahan dan sudut kontak yang dihasilkan dari eksperimen kenaikan kapiler dapat dibandingkan (File tambahan 1:Gbr. S4). Energi bebas permukaan CNT yang diperoleh dari metode ini sedikit lebih tinggi dari hasil yang diperoleh dari Dresel dan Teipel yang juga melakukan eksperimen kenaikan kapiler dengan Baytube CNT [60]. Hasil tensiometri yang diperoleh dengan metode kenaikan kapiler merupakan indikator yang menarik untuk menggambarkan perbedaan seperti polaritas dan pembasahan dengan air permukaan nanomaterial. Namun, terutama dengan permukaan berstrukturnano dan kapiler berstrukturnano, metode ini rentan terhadap kesalahan. Di sini, semua bahan menunjukkan luas permukaan spesifik yang tinggi (File tambahan 1:Gambar S5). Nanopartikel besi oksida telanjang menunjukkan luas permukaan spesifik 110 m ² g ⁻¹ , cCNT memiliki luas permukaan spesifik 228 m ² g ⁻¹ dan material komposit menunjukkan luas permukaan spesifik 131 m ² g ⁻¹ . Luas permukaan spesifik ini berada dalam kisaran yang sama, terutama ketika mempertimbangkan luas permukaan volumetrik karena densitas cCNT (1,46 g cm ⁻¹ ), cCNT-SPION (2,38 g cm ⁻¹ ) dan SPION (3,8 g cm ⁻¹ ) bervariasi secara signifikan. Densitas CNT sesuai dengan variasi densitas untuk karbon nanotube [53].

Potensi zeta SPION dan cCNT-SPION dari pH 4 hingga 10 (a ) dan energi bebas permukaan yang diperoleh dari percobaan kenaikan kapiler dengan metode OWRK (b )

Untuk memanfaatkan bahan komposit untuk ekstraksi fase padat dan proses kromatografi, kapasitas pengikatan statis dan dinamis asam amino telah dibandingkan. Salah satu tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk memverifikasi apakah material komposit dapat digunakan dalam sistem kromatografi, di mana nanopartikel oksida besi dapat bertindak sebagai fase diam. Nanopartikel telanjang tidak dapat digunakan sebagai fase diam dalam kolom kromatografi sendiri karena penurunan tekanan yang besar dan kemungkinan kehilangan melalui filter. Dengan demikian, perilaku pengikatan asam amino ke nanopartikel telanjang hanya dapat dibandingkan dengan isoterm adsorpsi dalam kesetimbangan. Pada Gambar 6a, perilaku serupa dari isoterm adsorpsi l-lisin pada cCNT-SPIONs, dan SPIONs dapat diamati. Konstanta pengikat kesetimbangan (K _D ) berada dalam kisaran yang sama (0,17 g L ⁻¹ untuk cCNT-SPION dan 0,72 g L ⁻¹ untuk SPION) dan perbedaan besar dalam kapasitas pengikatan maksimum (0,91 g g ⁻¹ untuk cCNT-SPION dan 0,15 g g ⁻¹ untuk SPION). Perbedaan afinitas dan kapasitas pengikatan dapat dijelaskan oleh interaksi elektrostatik yang kuat antara lisin dan bahan bermuatan negatif seperti cCNT dibandingkan dengan interaksi dengan oksida besi amfifilik [62]. Namun, nanopartikel oksida besi juga biasanya bermuatan negatif karena dikomplekskan oleh ion fosfat dalam buffer PBS [63]. l-lisin dipilih karena asam amino ini lebih mudah dideteksi dengan metode TNBSA dibandingkan dengan asam amino lainnya [49]. Beban maksimum berada dalam kisaran yang sama seperti literatur untuk adsorbsi kationik seperti metilen biru atau anilin pada nanotube karbon yang dihiasi oksida besi [17, 51]. Untuk kapasitas pengikatan dinamis, yang diperoleh dari percobaan kromatografi cair terbalik, perbedaan besar antara cCNT dan cCNT-SPION dapat diamati. Sementara asam amino seperti l-lisin yang bermuatan positif menunjukkan DBC yang lebih tinggi pada cCNT, l-glutamat yang bermuatan negatif menunjukkan DBC yang jauh lebih tinggi pada cCNT-SPION. Perilaku ini sesuai dengan literatur, di mana l-glutamat menunjukkan afinitas tinggi untuk nanopartikel oksida besi [59, 64]. Afinitas tinggi dari l-lisin ke cCNTs dapat dijelaskan oleh interaksi elektrostatik antara asam amino bermuatan positif dan nanotube fungsional karboksi bermuatan negatif. Glisin menunjukkan kapasitas pengikatan dinamis yang lebih tinggi ke cCNT-SPION daripada cCNT, yang mungkin dijelaskan oleh karakter permukaan oksida besi yang lebih amfifilik. Kapasitas pengikatan dinamis yang tinggi dari l-sistein ke bahan komposit sesuai dengan literatur dan pembentukan sistein karena interaksi l-sistein dengan ion besi [59]. l-histidine menunjukkan kapasitas pengikatan dinamis yang tinggi untuk semua bahan karena interaksi elektrostatik, koordinatif, dan hidrofobik dimungkinkan. Sementara kolom yang dikemas dengan cCNT-SPION menunjukkan nilai HETP yang lebih tinggi dibandingkan dengan CNT dan cCNT, asimetri cCNT-SPION mirip dengan cCNT dan dengan kisaran sekitar 0,7 yang memungkinkan analisis kurva terobosan (File tambahan 1:Gambar. S6 dan Tabel S2). Porositas semua sistem berada dalam kisaran yang sama antara 0,78 dan 0,94 dan sesuai dengan fase diam lainnya yang digunakan untuk percobaan kromatografi terbalik [65].

Kapasitas pengikatan statis l-lisin dengan cCNT, cCNT-SPION, dan SPION pada pH 7,8 dengan 100 mM buffer fosfat (a ). Kapasitas pengikatan dinamis pada 10% dari terobosan cCNT-SPIONs, CNTs dan cCNTs diperoleh dari percobaan kromatografi terbalik dengan asam amino yang berbeda pada pH 6 (b )