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Chemistry

Tunable Nanoscale आयाम और संरचना के साथ मैंगनीज फेराइट क्लस्टर के स्थिर जलीय निलंबन

Published: February 5, 2022 doi: 10.3791/63140
Automatic Translation
*1, *1, *1, 1,2
1Department of Chemistry, Brown University, 2Center for Biomedical Engineering, School of Engineering, Brown University
* These authors contributed equally

Summary

हम मैंगनीज फेराइट क्लस्टर (एमएफसी) के एक-पॉट हाइड्रोथर्मल संश्लेषण की रिपोर्ट करते हैं जो भौतिक आयाम और संरचना पर स्वतंत्र नियंत्रण प्रदान करता है। चुंबकीय पृथक्करण तेजी से शुद्धिकरण की अनुमति देता है जबकि सल्फोनेटेड पॉलिमर का उपयोग करके सतह कार्यात्मकता यह सुनिश्चित करती है कि सामग्री जैविक रूप से प्रासंगिक माध्यम में गैर-एकत्रित हो रही है। परिणामी उत्पादों को बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए अच्छी तरह से तैनात किया गया है।

Abstract

मैंगनीज फेराइट क्लस्टर (एमएफसी) सैकड़ों प्राथमिक नैनोक्रिस्टल के लिए दसियों की गोलाकार असेंबली हैं जिनके चुंबकीय गुण विविध अनुप्रयोगों में मूल्यवान हैं। यहां हम वर्णन करते हैं कि इन सामग्रियों को एक हाइड्रोथर्मल प्रक्रिया में कैसे बनाया जाए जो उत्पाद क्लस्टर आकार (30 से 120 एनएम तक) और परिणामी सामग्री की मैंगनीज सामग्री के स्वतंत्र नियंत्रण की अनुमति देता है। अल्कोहल प्रतिक्रिया मीडिया में जोड़े गए पानी की कुल मात्रा और लोहे के अग्रदूत के लिए मैंगनीज का अनुपात जैसे पैरामीटर कई प्रकार के एमएफसी नैनोस्केल उत्पादों को प्राप्त करने में महत्वपूर्ण कारक हैं। एक तेजी से शुद्धिकरण विधि चुंबकीय पृथक्करण का उपयोग करती है ताकि चुंबकीय नैनोमटेरियल्स के ग्राम के उत्पादन को काफी कुशल बनाने वाली सामग्रियों को पुनर्प्राप्त किया जा सके। हम इन nanomaterials की सतह पर अत्यधिक चार्ज सल्फोनेट पॉलिमर लागू करके चुंबकीय nanomaterial एकत्रीकरण की चुनौती को दूर कोलाइडली स्थिर MFCs कि अत्यधिक खारा वातावरण में भी गैर-एकत्रित रहते हैं उपज. ये गैर-एकत्रित, समान, और ट्यूनेबल सामग्री बायोमेडिकल और पर्यावरणीय अनुप्रयोगों के लिए उत्कृष्ट संभावित सामग्री हैं।

Introduction

लौह ऑक्साइड जाली में एक डोपंत के रूप में मैंगनीज को शामिल करने से, उचित परिस्थितियों में, शुद्ध लौह ऑक्साइड की तुलना में उच्च लागू क्षेत्रों में सामग्री के चुंबकत्व में वृद्धि हो सकती है। नतीजतन, मैंगनीज फेराइट (MnxFe3-xO4) नैनोकणों उनके उच्च संतृप्ति चुंबकत्व, बाहरी क्षेत्रों के लिए मजबूत प्रतिक्रिया, और कम cytotoxicity1,2,3,4,5 के कारण अत्यधिक वांछनीय चुंबकीय nanomaterials हैं। एकल डोमेन नैनोक्रिस्टल के साथ-साथ इन नैनोक्रिस्टल के समूहों, जिन्हें मल्टीडोमेन कण कहा जाता है, दोनों की जांच विभिन्न जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों में की गई है, जिसमें दवा वितरण, कैंसर के उपचार के लिए चुंबकीय हाइपरथर्मिया और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) 6,7,8 शामिल हैं। उदाहरण के लिए, 2017 में हाइओन समूह ने कैंसर हाइपोक्सिया को प्रेरित करने के लिए एक फेंटन उत्प्रेरक के रूप में एकल डोमेन मैंगनीज फेराइट नैनोकणों का उपयोग किया और एमआरआई ट्रैकिंग 9 के लिए सामग्री के टी 2 कॉन्ट्रास्ट का शोषण किया। फेराइट सामग्री के इन और अन्य सकारात्मक अध्ययनों के प्रकाश में यह आश्चर्यजनक है कि शुद्ध लौह ऑक्साइड (Fe3O4) नैनोमटेरियल्स की तुलना में विवो प्रदर्शनों में कुछ ही हैं, और मनुष्यों में कोई रिपोर्ट नहीं किया गया है9,10।

क्लिनिक में फेराइट नैनोमैटेरियल्स की विशेषताओं का अनुवाद करने में सामना की जाने वाली एक बड़ी चुनौती समान, गैर-एकत्रित, नैनोस्केल क्लस्टर 11,12,13,14 की पीढ़ी है। जबकि मोनोडोमेन नैनोक्रिस्टल के लिए पारंपरिक सिंथेटिक दृष्टिकोण अच्छी तरह से विकसित हैं, इस काम में रुचि के प्रकार के मल्टीडोमेन क्लस्टर आसानी से एक समान और नियंत्रित फैशन 15,16 में उत्पादित नहीं होते हैं। इसके अतिरिक्त, फेराइट संरचना आमतौर पर गैर-स्टोइकोमेट्रिक होती है और केवल अग्रदूतों की शुरुआती एकाग्रता से संबंधित नहीं होती है और यह इन सामग्रियों के व्यवस्थित संरचना-फ़ंक्शन लक्षण वर्णन को और अस्पष्ट कर सकती है9,12,13,17। यहां, हम एक सिंथेटिक दृष्टिकोण का प्रदर्शन करके इन मुद्दों को संबोधित करते हैं जो मैंगनीज फेराइट नैनोमैटेरियल्स के क्लस्टर आयाम और संरचना दोनों पर स्वतंत्र नियंत्रण पैदा करता है।

यह काम फेराइट नैनोमटेरियल्स 18,19,20 की खराब कोलाइडल स्थिरता को दूर करने के लिए एक साधन भी प्रदान करता है। चुंबकीय नैनोकणों आम तौर पर मजबूत कण कण आकर्षण के कारण एकत्रीकरण के लिए प्रवण हैं; फेराइट इस समस्या से अधिक पीड़ित हैं क्योंकि उनके बड़े शुद्ध चुंबकत्व कण एकत्रीकरण को बढ़ाते हैं। प्रासंगिक जैविक मीडिया में, ये सामग्री बड़े पर्याप्त समुच्चय उत्पन्न करती हैं जो सामग्री तेजी से एकत्र होती हैं, जिससे जानवरों या लोगों के संपर्क के उनके मार्गों को सीमित किया जा सकता है20,21,22। हिल्ट एट अल. मैग्नेटोथर्मल हीटिंग और डाई क्षरण 23 के अपने अध्ययन में कण-कण एकत्रीकरण का एक और परिणाम पाया। थोड़ा अधिक कण सांद्रता, या क्षेत्र के संपर्क में आने के समय में वृद्धि पर, सामग्री की प्रभावशीलता कम हो गई थी क्योंकि समय के साथ एकत्रित सामग्री और सक्रिय कण सतह क्षेत्रों में कमी आई थी। ये और अन्य अनुप्रयोगों को स्टेरिक बाधाओं को प्रदान करने के लिए डिज़ाइन किए गए क्लस्टर सतहों से लाभ होगा जो कण-कण इंटरैक्शन को रोकते हैं24,25।

यहां हम नियंत्रणीय आयामों और संरचना के साथ मैंगनीज फेराइट क्लस्टर (एमएफसी) को संश्लेषित करने के लिए एक सिंथेटिक दृष्टिकोण की रिपोर्ट करते हैं। इन मल्टीडोमेन कणों में प्राथमिक मैंगनीज फेराइट नैनोक्रिस्टल की एक असेंबली होती है जो कठिन एकत्रित होती है; प्राथमिक नैनोक्रिस्टल का करीबी संबंध उनके चुंबकीय गुणों को बढ़ाता है और एक समग्र क्लस्टर आकार, 50-300 एनएम के लिए प्रदान करता है, जो नैनोमेडिसिन के लिए इष्टतम आयामों से अच्छी तरह से मेल खाता है। पानी और मैंगनीज क्लोराइड अग्रदूत की मात्रा को बदलकर, हम स्वतंत्र रूप से समग्र व्यास और संरचना को नियंत्रित कर सकते हैं। विधि सरल और कुशल एक-पॉट हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रियाओं का उपयोग करती है जो लगातार प्रयोग और सामग्री अनुकूलन की अनुमति देती है। इन एमएफसी को आसानी से एक केंद्रित उत्पाद समाधान में शुद्ध किया जा सकता है, जिसे आगे सल्फोनेटेड पॉलिमर द्वारा संशोधित किया जाता है जो कोलाइडल स्थिरता प्रदान करते हैं। उनकी tunability, एकरूपता, और समाधान चरण स्थिरता जैव चिकित्सा और पर्यावरण इंजीनियरिंग में nanomaterials के अनुप्रयोगों में महान मूल्य की सभी विशेषताएं हैं।

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Protocol

1. एमएफसी के समग्र व्यास और फेराइट संरचना पर नियंत्रण के साथ एमएफसी का संश्लेषण

  1. संश्लेषण में उपयोग किए जाने वाले सभी कांच के बर्तनों को धोएं और अच्छी तरह से सुखाएं। संश्लेषण में पानी की मात्रा एमएफसी के आयामों को प्रभावित करती है, इसलिए यह सुनिश्चित करना महत्वपूर्ण है कि ग्लासवेयर में कोई अवशिष्ट पानी न हो16,26।
    1. कांच के बर्तन धोने के लिए, पानी और डिटर्जेंट के साथ कुल्ला करें और मलबे को हटाने के लिए फ्लास्क ब्रश के साथ स्क्रब करें। सभी डिटर्जेंट को हटाने के लिए अच्छी तरह से कुल्ला और विआयनीकृत पानी के कुल्ला के साथ समाप्त करें।
    2. ग्लासवेयर को सुखाने के लिए, कांच के बर्तन की सतह से पानी की बूंदों को हिलाएं और पूरी तरह से सूखने तक 60 डिग्री सेल्सियस पर ओवन में रखें।
    3. पिछले उपयोग से किसी भी मलबे को हटाने के लिए पॉलीफेनिलीन-पंक्तिबद्ध (पीपीएल) रिएक्टरों को 37% हाइड्रोक्लोरिक एसिड के साथ कुल्ला करें। ऐसा करने के लिए, रिएक्टरों और उनकी टोपी को एक बड़े बीकर में रखें और हाइड्रोक्लोरिक एसिड से भरें जब तक कि रिएक्टर पूरी तरह से जलमग्न न हो जाएं। हाइड्रोक्लोरिक एसिड डालने से पहले इसे 30 मिनट तक बैठने दें। लगातार 1-2 मिनट के लिए पानी के साथ रिएक्टरों युक्त बीकर कुल्ला, और फिर सूखने के लिए ओवन में रिएक्टरों जगह।
  2. एथिलीन ग्लाइकोल के 20 मिलीलीटर को चुंबकीय हलचल बार के साथ 50 एमएल बीकर में स्थानांतरित करने के लिए एक स्वचालित पिपेट का उपयोग करें।
  3. लोहे (III) क्लोराइड (FeCl3·6H2O, ठोस) की आवश्यक मात्रा का वजन करें ताकि 1.3 mM की अंतिम एकाग्रता प्राप्त की जा सके और इसे बीकर में जोड़ा जा सके। एक हलचल प्लेट पर बीकर रखो और बीकर की निरंतर सरगर्मी शुरू करने के लिए इसे 480 आरपीएम पर चालू करें।
    नोट: जैसा कि यह एक हाइड्रेट है, इसे मापा जाना चाहिए और परिवेशी हवा से पानी के अवांछित अवशोषण से बचने के लिए जल्दी से जोड़ा जाना चाहिए।
  4. पॉलीएक्रिलिक एसिड (पीएए, मेगावाट ~ 6,000, पाउडर) के 250 मिलीग्राम वजन और इसे बीकर में जोड़ें। पीएए के अतिरिक्त के बाद, समाधान अपारदर्शी हो जाता है और रंग में थोड़ा हल्का हो जाता है।
  5. यूरिया के 1.2 ग्राम वजन (सीओ (NH2)2, पाउडर) और इसे बीकर में जोड़ें।
  6. एक पिपेट का उपयोग करते हुए, बीकर में 0.7 mM मैंगनीज (II) क्लोराइड (MnCl2·6H2O aq, 3.5 M, 0.2 mL) जोड़ें।
  7. अंत में, एक पिपेट का उपयोग करके बीकर में अल्ट्रा-शुद्ध पानी की आवश्यक मात्रा (0.5 मिलीलीटर) जोड़ें।
  8. समाधान को 30 मिनट के लिए हिलाने दें और रंग परिवर्तन पर ध्यान दें। यह एक पारभासी, गहरे नारंगी रंग के रूप में प्रस्तुत करेगा।
  9. प्रतिक्रिया मिश्रण को पॉलीफेनिलीन लाइन (पीपीएल) रिएक्टर में स्थानांतरित करें। ध्यान दें कि समाधान के बाद हलचल हुई है, बीकर के किनारों पर कुछ ठोस जमा हो सकते हैं।
    1. एक चुंबक का उपयोग करें (घन स्थायी दुर्लभ पृथ्वी चुंबक, 40 x 40 x 20 मिमी, इसके बाद सभी अलगाव और चुंबकीय संग्रह प्रक्रियाओं के लिए एक "चुंबक" के रूप में जाना जाता है) बीकर की दीवारों के चारों ओर हलचल बार को खींचने के लिए यह सुनिश्चित करने के लिए कि पक्षों पर जमा हुए किसी भी ठोस को प्रतिक्रिया समाधान में फैलाया गया है।
    2. एक बार जब समाधान मिश्रित और तैयार हो जाता है, तो इसे 50 एमएल पीपीएल लाइन वाले रिएक्टर में स्थानांतरित करें।
    3. स्टेनलेस स्टील आटोक्लेव में रिएक्टर को यथासंभव कसकर सील करने के लिए एक क्लैंप और लीवर का उपयोग करें। रिएक्टर पोत को एक स्थिर सतह पर क्लैंप करें, और एक लीवर के रूप में टोपी में डाली गई रॉड का उपयोग करके, रिएक्टर को सील करने के लिए धक्का दें। ध्यान दें कि सील किए गए रिएक्टर को हाथ से खोलने में सक्षम नहीं होना चाहिए। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि ओवन के उच्च दबाव वाले वातावरण को रिएक्टर पर एक तंग सील की आवश्यकता होती है।
  10. रिएक्टर को 215 डिग्री सेल्सियस पर 20 घंटे के लिए ओवन में रखें।
  11. हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रिया होने के बाद, रिएक्टर को ओवन से हटा दें और इसे कमरे के तापमान तक ठंडा होने दें। ओवन का दबाव रिएक्टर को हाथ से खोलने में सक्षम बनाएगा। ध्यान दें कि इस बिंदु पर, रिएक्टर में एथिलीन ग्लाइकोल में अन्य अशुद्धियों के साथ बिखरे हुए एमएफसी उत्पाद होंगे, जैसे कि अप्रभावित बहुलक, और एक अपारदर्शी काला समाधान होगा। उत्पाद को निम्न चरणों में अलग किया जाएगा।

2. चुंबकीय पृथक्करण और MFCs के शुद्धिकरण

  1. एक कांच की शीशी में 200 मिलीग्राम स्टील ऊन रखें। रिएक्टर से प्रतिक्रिया मिश्रण के साथ कांच की शीशी को आधे रास्ते में भरें। बाकी शीशी को एसीटोन से भरें और अच्छी तरह से हिलाएं। ध्यान दें कि स्टील ऊन शीशी में चुंबकीय क्षेत्र की ताकत को बढ़ाता है और समाधान से नैनोक्लस्टर के चुंबकीय अलगाव में मदद करेगा।
  2. चुंबकीय संग्रह होने के लिए एक चुंबक पर शीशी रखें। परिणाम नीचे अवक्षेप के साथ एक पारभासी समाधान होगा।
    1. Supernatant समाधान बंद डालो, जबकि MFCs चुंबकीय रूप से स्टील ऊन द्वारा फंस रहे हैं, जबकि शीशी के तल पर चुंबक पकड़ कर, जबकि डालने. एथिलीन ग्लाइकोल ज्यादातर इस चरण में हटा दिया जाएगा।
    2. पानी के लिए एसीटोन के कम अनुपात के साथ धोना शुरू करें और शुद्ध होने तक बाद के धोने में अनुपात बढ़ाएं। ऐसा 3-4 बार करें।
  3. चुंबक से शीशी निकालें और इसे पानी से भरें। एमएफसी को भंग करने के लिए अच्छी तरह से हिलाएं। अब उत्पाद पूरी तरह से पानी में बिखर जाएगा।
  4. पिछले दो चरणों को कई बार दोहराएं जब तक कि एमएफसी का जलीय समाधान हिलने पर कोई बुलबुले पैदा नहीं करता है। परिणाम एक अंधेरे, अपारदर्शी फेरोफ्लुइड होगा जो मैग्नेट के लिए दृढ़ता से प्रतिक्रिया देगा।
    नोट: एथिलीन ग्लाइकोल के 20 मिलीलीटर के साथ एक विशिष्ट संश्लेषण में, लगभग 80 मिलीग्राम एमएफसी उत्पाद प्राप्त किया जाएगा।

3. अल्ट्रा उच्च कोलाइडल स्थिरता की ओर MFCs की सतह functionalization

नोट: नाइट्रो-डोपामाइन और पॉली (एए-को-एएमपीएस-सह-पीईजी) का संश्लेषण हमारे पिछले काम 16 में पाया जा सकता है। copolymer मुक्त कट्टरपंथी polymerization के माध्यम से बनाया गया है. 2,2′-Azobis (2-methylpropionitrile) (AIBN), ऐक्रेलिक एसिड (AA) के 0.25 ग्राम के 0.20 ग्राम जोड़ें, 2-Acrylamido-2-methylpropane sulfonic एसिड (AMPS) के 0.75 ग्राम, और पॉली (एथिलीन ग्लाइकोल) मिथाइल ईथर एक्रिलेट (PEG) के 10 mL में N, N-Dimethylformamide (DMF)। मिश्रण को 1 घंटे के लिए 70 डिग्री सेल्सियस पानी के स्नान में गर्म करें और इसे पानी में एक डायलिसिस बैग (सेल्यूलोज झिल्ली, 3 केडीए) में स्थानांतरित करें। AA, AMPS और PEG का वजन अनुपात 1:3:4 है। इन मोनोमर्स के लिए पोलीमराइजेशन में 100% रूपांतरण दर होती है जैसा कि फ्रीज सुखाने और वजन द्वारा पुष्टि की जाती है।

  1. संतृप्त एन के 10 मिलीलीटर के साथ 20 मिलीलीटर शीशी में शुद्ध नैनोकणों (लगभग 100 मिलीग्राम) के 10 मिलीलीटर को संयोजित करें- [2-(3,4-dihydroxyphenyl)एथिल] नाइट्रामाइड (नाइट्रो-डोपामाइन) समाधान (~ 1 मिलीग्राम / एमएल)। 5 मिनट तक प्रतीक्षा करें।
  2. चुंबकीय पृथक्करण का उपयोग करके नाइट्रो-डोपामाइन लेपित एमएफसी को धोएं। पीला-पीला supernatant बाहर डालो. पानी डालें और जोर से हिलाएं। फिर, उत्पाद को बनाए रखने के लिए चुंबक का उपयोग करके पानी डालें। शीशी में गहरे भूरे रंग के संग्रह को छोड़कर इस धुलाई को कई बार दोहराएं।
    नोट: 20 मिलीग्राम / एमएल की एकाग्रता के साथ एक जलीय समाधान तैयार करें, 100 मिलीग्राम / एमएल की एकाग्रता के साथ एक बफर समाधान, और 20 मिलीग्राम / एमएल की एकाग्रता के साथ एक पॉली (एए-को-एएमपीएस-सह-पीईजी) बहुलक समाधान।
  3. EDC समाधान के 1 mL, एमईएस बफर के 1 mL, और बहुलक समाधान के 3 mL मिश्रण। मिश्रण को घुमाकर हल्के से हिलाएं, और इसे लगभग 5 मिनट तक बैठने दें। यह पूरी तरह से संयुक्त होने पर एक स्पष्ट और रंगहीन समाधान होना चाहिए।
  4. इस मिश्रण को एमएफसी संग्रह में जोड़ें और शीशी को बर्फ के स्नान में रखें। समाधान में जांच sonicator कम, और फिर इसे चालू (20 kHz पर शक्ति के 250 वाट) चालू करें।
    1. एक 5 मिनट sonication उपचार के बाद, शीशी के लिए अल्ट्रा शुद्ध पानी के लगभग 5 मिलीलीटर जोड़ें, जबकि sonicator अभी भी चल रहा है. यह सुनिश्चित करने के लिए जहाज की निगरानी जारी रखें कि कोई उत्पाद फैलता नहीं है। बर्फ के पानी के मिश्रण में बर्फ को बनाए रखें क्योंकि शुरुआती बर्फ में से कुछ sonication की तीव्रता और गर्मी के कारण पिघल जाएगा।
    2. मिश्रण को एक अतिरिक्त 25 मिनट के लिए sonicate करने की अनुमति दें, कुल 30 मिनट के लिए।
  5. एमएफसी को अलग करने के लिए एक चुंबक के शीर्ष पर शीशी रखें और supernatant समाधान बाहर डालें।
  6. विआयनीकृत पानी के साथ संशोधित एमएफसी को कई बार धोएं।
  7. अल्ट्रा-शुद्ध पानी के साथ एमएफसी युक्त शीशी को भरें। किसी भी अपरिवर्तनीय रूप से एकत्रित MFCs को हटाने के लिए 0.1 μm polyethersulfone झिल्ली फ़िल्टर के साथ एक वैक्यूम निस्पंदन प्रणाली में इस तरल पदार्थ को पिपेट करें। उत्पाद के किसी भी नुकसान को कम करने के लिए फ़नल की दीवारों को फ्लश करना सुनिश्चित करें।
  8. वैक्यूम समाधान फ़िल्टर करें। इस प्रक्रिया को 2-3 बार दोहराएं। परिणाम monodispersed MFCs का एक शुद्ध जलीय समाधान होगा।
    नोट: उत्पाद का लगभग 10% अपरिवर्तनीय रूप से एकत्रित किया जाएगा और यह सामग्री फ़िल्टर पर रहेगी और इसे छोड़ दिया जाना चाहिए।

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Representative Results

हाइड्रोथर्मल उपचार के बाद, प्रतिक्रिया मिश्रण एक चिपचिपा काले फैलाव में बदल जाता है जैसा कि चित्र 1 में देखा जा सकता है। शुद्धिकरण के बाद क्या परिणाम एक अत्यधिक केंद्रित एमएफसी समाधान है जो फेरोफ्लुइड की तरह व्यवहार करता है। शीशी में तरल पदार्थ सेकंड के भीतर प्रतिक्रिया करता है जब एक हैंडहेल्ड चुंबक (<0.5 टी) के पास रखा जाता है, जो एक मैक्रोस्कोपिक काले द्रव्यमान का निर्माण करता है जिसे चुंबक को विभिन्न स्थानों पर रखा जाता है।

यह संश्लेषण उन उत्पादों की पैदावार करता है जिनका आयाम और फेराइट संरचना जोड़े गए पानी की मात्रा और प्रतिक्रिया मिश्रण में लोहे के अग्रदूत के लिए मैंगनीज के अनुपात पर निर्भर करती है। चित्रा 2 दिखाता है कि क्लस्टर आकृति विज्ञान पानी और अग्रदूत एकाग्रता पर कैसे निर्भर करता है; यह तालिका 1 में सूचीबद्ध नमूनों को प्राप्त करने के लिए उपयोग की जाने वाली प्रतिक्रिया स्थितियों का भी विवरण देता है। हम पाते हैं कि एमएफसी व्यास जोड़े गए पानी की मात्रा से प्रभावित होता है, और एमएफसी संरचना अग्रदूतों में लोहे और मैंगनीज के अनुपात पर निर्भर करती है। इस प्रकार दोनों मापदंडों को स्वतंत्र रूप से अलग-अलग आयामों और मैंगनीज सामग्री के साथ एमएफसी की लाइब्रेरी बनाने के लिए नियंत्रित किया जा सकता है।

हालांकि यह एक बहुत ही सरल सिंथेटिक प्रक्रिया है, विधि निष्पादन में त्रुटियां विफल उत्पादों को जन्म दे सकती हैं। चित्रा 3 अनियमित एमएफसी आकारिकी के साथ नमूनों को दर्शाता है। चित्रा 3ए में, विषम आकार के एमएफसी का परिणाम होता है यदि पानी को प्रतिक्रिया वातावरण से पूरी तरह से बाहर रखा जाता है। पानी की कमी प्राथमिक नैनोक्रिस्टल की गतिशील असेंबली में बाधा डालती है और इसके परिणामस्वरूप नैनोक्लस्टर आयाम और गैर-गोलाकार आकारों का एक बहुत व्यापक वितरण होता है। चित्रा 3B में दिखाए गए नमूनों में अपर्याप्त प्रतिक्रिया समय (6-12 h) था और परिणामस्वरूप पर्याप्त प्राथमिक नैनोक्रिस्टल वृद्धि नहीं हुई थी। इन खराब परिणामों से पता चलता है कि अभिकारक की एक उचित मात्रा, साथ ही साथ प्रतिक्रिया समय, सुसंगत और समान समूहों को प्राप्त करने के लिए आवश्यक है।

हाइड्रोथर्मल संश्लेषण के पूरा होने के बाद, फेराइट एमएफसी को अलग किया गया और चुंबकीय पृथक्करण का उपयोग करके शुद्ध किया गया। पोत के तल पर उनके संग्रह को मजबूर करने के लिए समाधान के नीचे एक चुंबक रखा गया था। संश्लेषण में गठित अशुद्धियों और गैर-चुंबकीय उप-उत्पादों, अतिरिक्त विलायक के साथ, फिर शुद्ध और मोनोडिस्पर्स्ड एमएफसी 27 उत्पन्न करने के लिए डिकैंट किया जा सकता है। चित्रा 4 स्टील ऊन के अतिरिक्त के साथ और बिना एमएफसी के लगभग पूर्ण चुंबकीय संग्रह के लिए आवश्यक समय को दर्शाता है। चुंबकीय पृथक्करण के दौरान शीशी में रखा गया स्टील ऊन शीशी के भीतर चुंबकीय क्षेत्र के ढाल को बढ़ाता है, जिससे बहुत तेजी से पृथक्करण की अनुमति मिलती है28।

चुंबकीय पृथक्करण का उपयोग करके शुद्ध किए गए एमएफसी एक अधिक पारंपरिक अल्ट्रासेंट्रीफ्यूजेशन प्रक्रिया का उपयोग करके शुद्ध किए गए लोगों की तुलना में एकरूपता की एक उच्च डिग्री दिखाते हैं। चित्रा 5 चुंबकीय पृथक्करण (ए और बी) का उपयोग करके प्राप्त एमएफसी के आकार वितरण को अल्ट्रासेंट्रीफ्यूजेशन (30 मिनट के लिए 5,000 ग्राम) (सी और डी) का उपयोग करने वालों की तुलना में दिखाता है। चुंबकीय पृथक्करण के परिणामस्वरूप अल्ट्रासेंट्रीफ्यूजेशन की तुलना में एक संकीर्ण क्लस्टर व्यास वितरण होता है और यह एमएफसी के लिए पसंदीदा शुद्धिकरण रणनीति है।

के रूप में संश्लेषित MFCs polyacrylate (PAA) के साथ लेपित कर रहे हैं, जो एक नकारात्मक रूप से चार्ज सतह और interparticle प्रतिकर्षण की कुछ डिग्री प्रदान करता है कि interparticle एकत्रीकरण (चित्रा 6A) को रोकता है प्रदान करता है। हालांकि, नाइट्रोडोपामाइन (चित्रा 6 बी) के साथ लिगैंड प्रतिस्थापन प्रतिक्रिया करके, हम पीएए कोटिंग को पी (एए-सह-एएमपीएस-सह-पीईजी) के कॉपोलीमर कोटिंग के साथ बदल सकते हैं, जो उच्च आयनिक शक्ति समाधानों में अधिक स्थिरता की अनुमति देता है। चित्रा 7 इस सतह functionalization प्रक्रिया की योजनाबद्ध दिखाता है. एक पीबीएस बफर में बिखरे हुए एमएफसी की कोलाइडल स्थिरता चित्र 8 में स्पष्ट है। पीएए के साथ लेपित के रूप में संश्लेषित एमएफसी तेजी से कुल और 30 मिनट के भीतर समाधान से अलग होते हैं और जैविक अनुप्रयोगों में बहुत कम उपयोग के होते हैं। इसके विपरीत, एक पॉलीसल्फोनेट कोटिंग के साथ कार्यात्मक एमएफसी एकत्रीकरण के किसी भी संकेत के बिना 2 दिनों से अधिक समय तक इस समाधान में अच्छी तरह से बिखरे रहे। यहां वर्णित पोस्ट-संश्लेषण सतह संशोधन जैविक वातावरण में परिचय के लिए उपयुक्त एमएफसी के सजातीय समाधान बनाने के लिए एक मार्ग प्रदान करता है।

Figure 1
चित्रा 1: मैंगनीज फेराइट नैनोक्लस्टर्स के संश्लेषण के लिए योजनाबद्ध। अभिकर्मकों, लौह (III) क्लोराइड, मैंगनीज (II) क्लोराइड, पॉलीएक्रेलिक एसिड (पीएए), यूरिया, पानी और एथिलीन ग्लाइकोल को हाइड्रोथर्मल परिस्थितियों में मैंगनीज फेराइट नैनोक्लस्टर का उत्पादन करने के लिए जोड़ा जाता है। यह उत्पाद शुद्ध पानी में एक स्थिर कोलाइडल समाधान बनाता है जैसा कि बीच में दिखाया गया है। संश्लेषण में जोड़े गए पानी की मात्रा और अग्रदूतों में लोहे के लिए मैंगनीज के अनुपात का उपयोग क्रमशः क्लस्टर आकार और फेराइट संरचना को ट्यून करने के लिए किया जाता है। चुंबकीय अलगाव के बाद, नैनोक्लस्टर एक फेरोफ्लुइड बनाते हैं जैसा कि दाईं ओर दिखाया गया है, यह दर्शाता है कि वे छोटे लागू चुंबकीय क्षेत्रों के लिए भी अत्यधिक उत्तरदायी हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: मैंगनीज फेराइट नैनोक्लस्टर और उनके व्यास वितरण की ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप (टीईएम) छवियां। छवियों में ए-डी, क्लस्टर व्यास (डीसी) संश्लेषण में जोड़े गए पानी की मात्रा को कम करने के परिणामस्वरूप बढ़ता है। औसत क्लस्टर व्यास क्रमशः A, B, C, और D के लिए 31, 56, 74, और 120 nm है, जिसमें Mn0.15Fe2.85O4 की निरंतर संरचना है। छवियों में ई-एच, फेराइट संरचना मोनोटोनिक रूप से अग्रदूतों के Mn / Fe अनुपात के अनुपात में बदल जाती है। उनकी विभिन्न रचनाओं के बावजूद, लगभग बराबर क्लस्टर व्यास प्राप्त किया जाता है। हमारा संश्लेषण क्लस्टर व्यास और फेराइट संरचना दोनों पर स्वतंत्र नियंत्रण की अनुमति देता है, दोनों विशेषताएं जो नैनोस्केल फेराइट्स के चुंबकीय गुणों के लिए महत्वपूर्ण हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

चित्र 2 में लेबल H2O (mL) FeCl3 (mmol) MnCl2 (mmol) फेराइट संरचना Dc (nm)
एक 1.5 1.3 0.7 Mn0.15Fe2.85O4 34
B & G 0.7 1.3 0.7 Mn0.15Fe2.85O4 56
C 0.5 1.3 0.7 Mn0.15Fe2.85O4 74
D 0.1 1.3 0.7 Mn0.15Fe2.85O4 120
E 1.3 2 0 Fe3O4 56
F 0.6 1.5 0.5 Mn0.06Fe2.94O4 56
H 2 1 1 Mn0.6Fe2.4O4 55

तालिका 1: चित्र 2 में दिखाए गए नैनोक्लस्टर नमूनों के संश्लेषण के लिए प्रतिक्रिया की स्थिति। अन्य संश्लेषण पैरामीटर हैं: 20 मिलीलीटर एथिलीन ग्लाइकोल, 250 मिलीग्राम पीएए, और 1.2 ग्राम यूरिया। प्रतिक्रिया मिश्रण को 200 डिग्री सेल्सियस पर 20 घंटे के लिए हाइड्रोथर्मल रूप से गर्म किया जाता है। ए, बी, सी और डी के लिए, अन्य मापदंडों को स्थिर रखते हुए पानी की मात्रा को कम करने के परिणामस्वरूप बड़े व्यास के क्लस्टर होते हैं। ई, एफ, जी, और एच के लिए, प्रारंभिक प्रतिक्रिया मिश्रण में MnCl2to FeCl3 के अनुपात में वृद्धि के परिणामस्वरूप क्लस्टर संरचना में मैंगनीज के उच्च अनुपात वाले क्लस्टर होते हैं। एक ही समय में पानी ई, एफ, जी और एच की मात्रा को अलग-अलग करने से विभिन्न संरचनाओं के समूहों के लिए अनुमति मिलती है लेकिन समकक्ष व्यास के पास।

Figure 3
चित्रा 3: असफल और अपूर्ण प्रतिक्रियाओं की TEM छवियां। इन छवियों में देखी गई छोटी, कम विपरीत विशेषताएं प्राथमिक नैनोक्रिस्टल हैं जो नैनोक्लस्टर में विकसित नहीं हुई हैं। चित्रा 3 ए में नमूना बिना किसी अतिरिक्त पानी के तैयार किया गया था, जबकि चित्रा 3 बी में दिखाई गई सामग्री में एक अपर्याप्त, चार घंटे, प्रतिक्रिया समय था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: नैनोक्लस्टर्स के चुंबकीय पृथक्करण की तुलना। (ए) के बिना नैनोक्लस्टर के चुंबकीय पृथक्करण की तुलना और (बी) के साथ कंटेनर में स्टील ऊन के अलावा। स्टील ऊन नैनोक्लस्टर्स के तेजी से चुंबकीय पृथक्करण के लिए अनुमति देने के लिए शीशी के अंदर चुंबकीय क्षेत्र की ढाल को बढ़ाता है। नतीजतन, नमूना गुणवत्ता का त्याग किए बिना नैनोक्लस्टर्स के उत्पादन को कुशलतापूर्वक स्केल-अप करना संभव है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: अल्ट्रासेंट्रीफ्यूजेशन और चुंबकीय पृथक्करण की तुलना। अल्ट्रासेंट्रीफ्यूजेशन (ए, बी) और चुंबकीय पृथक्करण (सी, डी) की तुलना और शुद्ध समूहों की एकरूपता पर उनके प्रभाव। ए और सी शुद्ध समूहों की टीईएम छवियां हैं, और बी और डी क्रमशः ए और सी में समूहों के आकार के वितरण हैं। y अक्ष गिने गए समूहों की संख्या का प्रतिनिधित्व करता है, और प्रत्येक नमूने के लिए, कुल 150 क्लस्टर का सर्वेक्षण किया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्रा 6: पॉली (ऐक्रेलिक एसिड) (पीएए) (ए) और नाइट्रो-डोपामाइन (बी) की संरचना सतह संशोधन चरण में उपयोग की जाती है। संश्लेषण में उपयोग की जाने वाली प्रारंभिक पीएए कोटिंग जैविक या अम्लीय मीडिया में आदर्श नहीं है क्योंकि कार्बोक्जिलिक एसिड आसानी से प्रोटोनेटेड होता है। नाइट्रो-डोपामाइन का उपयोग पीएए कोटिंग को बदलने के लिए किया जाता है जो एक सल्फोनेटेड कॉपोलीमर को लंगर डालने के लिए एक कार्यात्मक समूह बनाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्रा 7: क्लस्टर सतह संशोधन प्रक्रिया की योजनाबद्धता( A) मूल PAA कोटिंग, (B) मध्यवर्ती नाइट्रो-डोपामाइन कोटिंग, और (C) अंतिम P (AA-co-AMPS-co-PEG) कोटिंग। (सी) में, नीले, लाल और हरे रंग के वक्र क्रमशः एए, एएमपीएस और पीईजी इकाइयों का प्रतिनिधित्व करते हैं। क्लस्टर की संरचना या तो Fe3O4 या MnxFe3-xO4 हो सकती है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्रा 8: पॉलीसल्फोनेट के साथ नैनोक्लस्टर्स की सतह कार्यात्मकता उन सामग्रियों की ओर ले जाती है जो कई अलग-अलग जलीय स्थितियों के तहत कोलाइड रूप से स्थिर होती हैं। दो अलग-अलग सतह कोटिंग्स के साथ क्लस्टर, जैसा कि संश्लेषित पीएए लेपित (ए) और पी (एए-सह-एएमपीएस-सह-पीईजी) सतह कार्यात्मक (बी) पीबीएस बफर समाधान में भंग हो जाते हैं जो जैविक सेटिंग्स के लिए प्रासंगिक है और समय के साथ उनकी कोलाइडल स्थिरता के लिए मनाया जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

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Discussion

यह काम मैंगनीज फेराइट नैनोक्रिस्टल के एक संशोधित पॉलीओल संश्लेषण को प्रदर्शित करता है जो एक साथ समान नैनोस्केल समुच्चय 29 में क्लस्टर किया गया है। इस संश्लेषण में, लौह (III) क्लोराइड और मैंगनीज (II) क्लोराइड एक मजबूर हाइड्रोलिसिस प्रतिक्रिया और कमी से गुजरते हैं, जिससे आणविक MnxFe3-xO4 बनता है। ये फेराइट अणु रिएक्टरों में उच्च तापमान और उच्च दबाव के तहत प्राथमिक नैनोक्रिस्टल बनाते हैं, अंततः गोलाकार समुच्चय में इकट्ठा होते हैं जिन्हें यहां मैग्नेटाइट फेराइट क्लस्टर (एमएफसी) कहा जाता है। पर्याप्त प्रतिक्रिया समय या पर्याप्त पानी के बिना, एकत्रीकरण प्रक्रिया पूरी तरह से पूरी नहीं हो सकती है जिससे गैर-समान, खराब रूप से गठित कण होते हैं। इसके विपरीत, पर्याप्त समय और पर्याप्त पानी को देखते हुए, धातु ऑक्साइड क्रिस्टलीकरण और असेंबली प्रक्रिया पूरी हो जाती है और एक समान गोलाकार क्लस्टर उत्पन्न होती है जिसमें सैकड़ों प्राथमिक नैनोक्रिस्टल होते हैं। इन सामग्रियों में प्राथमिक नैनोक्रिस्टल को कठिन एकत्रित किया जाता है, कुछ क्रिस्टलीय इंटरफेस साझा करते हैं, जिससे एक उच्च प्रारंभिक संवेदनशीलता होती है, और यहां तक कि हैंडहेल्ड स्थायी मैग्नेट 27 से उपलब्ध छोटे क्षेत्रों के लिए भी चुंबकीय प्रतिक्रिया का उच्चारण किया जाता है। नतीजतन, इन सामग्रियों में दवा वितरण, चुंबकीय हाइपरथर्मिया, चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग और चुंबकीय कण इमेजिंग 30,31,32 में अनुप्रयोगों के लिए बड़ी क्षमता है।

हम पाते हैं कि प्रारंभिक प्रतिक्रिया मिश्रण में जोड़े गए पानी की मात्रा इकट्ठे हुए समूहों के व्यास को नियंत्रित करती है। जैसे-जैसे अभिकारकों में पानी की मात्रा में वृद्धि होती है, समूहों का व्यास और एकत्रित प्राथमिक नैनोक्रिस्टल की संख्या कम हो जाती है। इष्टतम सीमा 0.8 M से 5.0 M पानी है, जो क्रमशः, 150 nm से 30 nm तक के क्लस्टर व्यास उत्पन्न करती हैं। इस प्रक्रिया में पानी की एक महत्वपूर्ण भूमिका है क्योंकि धातु के अग्रदूतों के तेजी से हाइड्रोलिसिस, प्राथमिक क्रिस्टलीय का अधिक तेजी से एकत्रीकरण, और परिणामस्वरूप छोटे क्लस्टर 16 सुनिश्चित करना आवश्यक है। क्योंकि संश्लेषण पानी के प्रति असाधारण रूप से संवेदनशील है, चर आर्द्रता की परिवेशी परिस्थितियों में संभाले गए अभिकारक हवा से पानी की विभिन्न मात्राओं को अवशोषित कर सकते हैं। यह उत्पाद के बाद के आयामों और आकृति विज्ञान को प्रभावित कर सकता है। जबकि अधिकांश शोध प्रयोगशालाओं में आर्द्रता नियंत्रण (उदाहरण के लिए, 30% -60% आरएच) इस मुद्दे को कम करने के लिए पर्याप्त है, यह रिपोर्ट की गई प्रक्रिया में व्यवस्थित त्रुटि का एक स्रोत है। उत्पाद में मैंगनीज से लोहे के अनुपात में मैंगनीज का नियंत्रण लौह अग्रदूतों के लिए मैंगनीज के अनुपात को बदलकर प्राप्त किया जाता है। यह आश्चर्यजनक है क्योंकि कई हाइड्रोथर्मल प्रतिक्रियाओं में उत्पादों का डोपिंग स्तर अक्सर शुरुआती सामग्री 4,6,8,12,13,17 के स्टोइकोइमेट्री से संबंधित नहीं होता है। इन स्थितियों के लिए, हालांकि, उत्पाद संरचना धातु अग्रदूतों के अनुपात द्वारा अच्छी तरह से भविष्यवाणी की जाती है। एक साथ लिया गया, क्लस्टर व्यास के साथ-साथ इसकी संरचना दोनों का स्वतंत्र नियंत्रण शुरुआती अभिकारक मिश्रण के सीधे हेरफेर के माध्यम से संभव है।

अक्सर प्रतिक्रिया मीडिया से नैनोकणों का शुद्धिकरण उच्च गुणवत्ता वाली सामग्री उत्पन्न करने में सबसे अधिक समय लेने वाला और जटिल कदम है। Ultracentrifugation अक्सर इस उद्देश्य के लिए लागू किया जाता है और जबकि यह आणविक उप-उत्पादों से नैनोकणों को अलग करने में प्रभावी है, यह अवांछित ठोस उत्पादों को हटाने के लिए खराब अनुकूल है। जब nanomaterials के शुद्धिकरण के लिए यहाँ लागू किया जाता है, ultracentrifugation चर आयामों और आकार के साथ अपेक्षाकृत polydispersed कणों का उत्पादन करता है। अंतिम उत्पाद की एकरूपता और शुद्धता में सुधार करने के लिए चुंबकीय पृथक्करण को लागू करके इन सामग्रियों की चुंबकीय प्रतिक्रिया का लाभ उठाना कहीं अधिक कुशल है। हम समाधान में डूबे स्टील ऊन और नमूना कंटेनरों के बाहर लागू एक दुर्लभ-पृथ्वी स्थायी चुंबक का उपयोग करके मैक्रोस्कोपिक शीशी के भीतर चुंबकीय क्षेत्रों के बहुत उच्च ग्रेडिएंट बनाकर चुंबकीय अलगाव को गति देते हैं। यह व्यवस्था समान नमूनों को उच्च पैदावार (~ 90%) के साथ तीस मिनट से कम समय में पुनर्प्राप्त करने की अनुमति देती है। प्रत्याशित एमएफसी क्लस्टर व्यास के समाधान के लिए पेश किए गए स्टील ऊन की मात्रा से मेल खाना महत्वपूर्ण है। उदाहरण के लिए, 40 एनएम के औसत व्यास वाले एमएफसी को तेजी से अलगाव के लिए 100 से 200 मिलीग्राम स्टील ऊन की आवश्यकता होती है, जबकि बड़ी सामग्रियों को बहुत कम या यहां तक कि कोई स्टील ऊन की आवश्यकता हो सकती है। यह अच्छी तरह से स्थापित है कि चुंबकीय नैनोकणों के छोटे अपने छोटे चुंबकीय आयतन 15,17,26 के आधार पर लागू क्षेत्रों के लिए कम उत्तरदायी हैं। चुंबकीय पृथक्करण प्रक्रिया इस प्रकार इन सामग्रियों की एकरूपता को तेज करने का एक साधन प्रदान करती है क्योंकि छोटे समूहों को प्रक्रिया 16 द्वारा कुशलतापूर्वक बनाए नहीं रखा जाता है। इस चुंबकीय पृथक्करण विधि का उपयोग न केवल प्रयोगशाला में समय बचाता है, बल्कि इसके परिणामस्वरूप व्यास में अधिक एकरूपता वाले उत्पाद भी होते हैं।

यद्यपि के रूप में संश्लेषित MFCs शुद्ध पानी में स्थिर हैं, वे कम पीएच या उच्च आयनिक शक्ति के साथ समाधान में गरीब कोलाइडल स्थिरता प्रदर्शित करते हैं। मैंगनीज फेराइट्स में बड़े चुंबकत्व घनत्व होते हैं, और इन व्यासों के परिणामस्वरूप समूहों में चुंबकीय द्विध्रुव होते हैं जो अंतरकण आकर्षण का कारण बनते हैं। सामग्री के गठन के दौरान उपयोग की जाने वाली देशी पॉलीएक्रिलेट कोटिंग कण सतहों को एक नकारात्मक चार्ज प्रदान करती है और कण-कण एकत्रीकरण को रोकने में मदद करती है। हालांकि, कम पीएच पर कार्बोक्जिलिक समूहों को सजातीय एमएफसी फैलाव को बनाए रखने के लिए आवश्यक इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण को हटाने के प्रभाव में पूरी तरह से प्रोटोनेटेड किया जाता है; वैकल्पिक रूप से, उच्च आयनिक शक्ति मीडिया में, चार्ज प्रतिकर्षण कम हो जाता है जिससे अधिक कण एकत्रीकरण होता है। एमएफसी का एकत्रीकरण मैक्रोस्कोपिक सामग्री बनाता है जो समाधान में सजातीय रूप से बिखरे हुए नहीं होते हैं, जिससे विवो में या उन अनुप्रयोगों में सामग्री का उपयोग करना चुनौतीपूर्ण हो जाता है जिन्हें बड़े और उपलब्ध नैनोपार्टिकल सतहों की आवश्यकता होती है। इन कारणों से, हम मूल पीएए कोटिंग को बदलने के लिए प्रतिक्रिया में एक दूसरा बहुलक पेश करते हैं। copolymer, P (AA-co-AMPS-co-PEG), में बायोकॉम्पैटिबिलिटी और स्टेरिक बाधा की कुछ डिग्री प्रदान करने के लिए तटस्थ पॉलीथीन ग्लाइकोल (PEG) शामिल है। इसके अतिरिक्त, पॉलीसल्फोनेट घटक (पीएएमपीएस) पॉलीएक्रिलेट की तुलना में अधिक चार्ज घनत्व के साथ-साथ एक कार्यात्मक समूह प्रदान करता है जिसमें बहुत कम पीकेए होता है और परिणामस्वरूप एक अधिक काम करने वाला पीएच रेंज (पीकेए ~ 1.2)24 होता है। इन सतह कोटिंग्स के साथ संशोधित मैंगनीज फेराइट क्लस्टर अम्लीय और जैविक मीडिया में नाटकीय रूप से बढ़ी हुई स्थिरता दिखाते हैं। सही सतह संशोधन सुनिश्चित करने की प्रक्रिया विस्तृत है, हालांकि, और यह सुनिश्चित करने के लिए सावधानीपूर्वक पालन किया जाना चाहिए कि नमूने प्रभावी ढंग से लेपित हैं। विशेष रूप से, विधि को प्रतिक्रिया मिश्रण की निरंतर निगरानी की आवश्यकता होती है, जबकि इसे प्रारंभिक पॉलीएक्रिलेट कोटिंग के सजातीय, पूर्ण प्रतिस्थापन को सुनिश्चित करने के लिए एक जांच सोनिकेटर के साथ इलाज किया जाता है। जोरदार sonication के दौरान किसी भी उत्पाद के नुकसान को कम करने के लिए उचित आकार के ग्लासवेयर का उपयोग करना और जांच sonication के कारण पॉलिमर के थर्मल गिरावट को कम करने के लिए sonication मिश्रण के लिए एक बर्फ स्नान लागू करने के लिए भी महत्वपूर्ण है।

अंत में, यह विधि मैंगनीज फेराइट क्लस्टर (एमएफसी) के त्वरित और कुशल उत्पादन के लिए अनुमति देती है, जिसमें लोहे की रचनाओं के लिए ट्यूनेबल व्यास और मैंगनीज होते हैं। अभिकारक पानी की सामग्री के साथ-साथ मैंगनीज के लिए लोहे का अनुपात सामग्री उत्पाद विशेषताओं को परिभाषित करने में महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। एक हैंडहेल्ड चुंबक और स्टील ऊन का उपयोग करने वाली एक सरल चुंबकीय पृथक्करण तकनीक अधिक समान समूहों को उत्पन्न करने वाले संश्लेषण के बाद उत्पाद को शुद्ध करने के लिए एक कुशल साधन प्रदान करती है। अंत में, एक sulfonated पीईजी copolymer सामग्री के लिए लागू किया जाता है यह सुनिश्चित करने के लिए कि वे विभिन्न पीएच और आयनिक ताकत मीडिया की एक किस्म में गैर-एकत्रित रहते हैं। शुद्ध लौह ऑक्साइड (Fe3O4) nanomaterials की तुलना में इन मैंगनीज-डोप्ड लौह ऑक्साइड की बढ़ी हुई चुंबकीय जवाबदेही इसे सरल, सस्ता और विवो में सामग्री में हेरफेर करने के लिए बाहरी क्षेत्रों को लागू करने के लिए उपकरणों को विकसित करने में आसान, सस्ता और आसान बनाती है। उनकी बेहतर सतह कोटिंग्स भी दवा वितरण, पानी के उपचार, और उन्नत इमेजिंग प्रणालियों में चुंबकीय नैनोकणों के लिए अनुप्रयोगों के रूप में महत्वपूर्ण हैं, सभी को ऐसी सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो विभिन्न प्रकार के जैविक और पर्यावरणीय मीडिया में गैर-एकत्रित और सजातीय हैं।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है।

Acknowledgments

इस काम को ब्राउन विश्वविद्यालय और उन्नत ऊर्जा कंसोर्टियम द्वारा उदारतापूर्वक समर्थित किया गया था। हम कृतज्ञतापूर्वक आयरन ऑक्साइड एमएफसी की अपनी स्थापित सिंथेटिक विधि के लिए डॉ किंगबो झांग को धन्यवाद देते हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
0.1 Micron Vaccum Filtration Filter Thermo Fisher Scientific NC9902431 for filtration of aggregated clusters after synthesis and surface coating to achieve a uniform solution
2-Acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid (AMPS, 99%) Sigma-Aldrich 282731-250G reagent used in copolymer to surface coat nanoclusters and functionalize them for biological media
2,2′-Azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN) Sigma-Aldrich 441090-100G reagent used in copolymer making as the free ridical generator
4-Morpholineethanesulfonic acid, 2-(N-Morpholino)ethanesulfonic acid (MES) Sigma-Aldrich M3671-250G acidic buffer used to stabilize nanocluster surface coating process
Acrylic acid Sigma-Aldrich 147230-100G reagent used in copolymer to surface coat nanoclusters and functionalize them for biological media; anhydrous, contains 200 ppm MEHQ as inhibitor, 99%
Analytical Balance Avantor VWR-205AC used to weigh out solid chemical reagents for use in synthesis and dilution
Digital Sonifier and Probe Branson B450 used to sonicate nanocluster solution during surface coating to break up aggregates
Dopamine hydrochloride Sigma-Aldrich H8502-25G used in surface coating for ligand exchange reaction
Ethylene glycol (anhydrous, 99.8%) Sigma-Aldrich 324558-2L reagent used as solvent in hydrothermal synthesis of nanoclusters
Glass Vials (20mL) Premium Vials B1015 container for nanocluster solution during washing and surface coating as well as polymer solutions
Graduated Beaker (100mL) Corning 1000-100 container for mixing of solid and liquid reagents during hydrothermal synthesis (to be transferred into autoclave reactor before oven)
Handheld Magnet MSC Industrial Supply, Inc. 92673904 1/2" Long x 1/2" Wide x 1/8" High, 5 Poles, Rectangular Neodymium Magnet low strength magnet used to precipitate nanoclusters from solution (field strength is increased with steel wool when needed)
Hydrochloric acid (ACS grade, 37%) Fisher Scientific 7647-01-0 for removing leftover nanocluster debris and cleaning autoclave reactors for next use
Hydrothermal Autoclave Reactor Toption TOPT-HP500 container for finished reagent mixture to withstand high temperature and pressure created by the oven in hydrothermal synthesis
Iron(III) Chloride Hexahydrate (FeCl3·6H2O, ACS reagent, 97%) ACS 236489-500G reagent used in synthesis of nanoclusters as source of iron (III) that becomes iron (II) in finished nanocluster product (keep dry and weigh out quickly to avoid water contamination)
Labware Washer Brushes Fisher Scientific 13-641-708 used to wash and clean glassware before synthesis
Magnetic Stir Plate Thermo Fisher Scientific 50093538 for mixing of solid and liquid reagents during hydrothermal synthesis
Manganese chloride tetrahydrate (MnCl2·4H2O, 99.0%, crystals, ACS) Sigma-Aldrich 1375127-2G reagent used in synthesis of nanoclusters as source of manganese
Micropipette (100-1000μL) Thermo Fisher Scientific FF-1000 for transferring liquid reagents such as water and manganese chloride
N-(3-Dimethylaminopropyl)-N′-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) Sigma-Aldrich 25952-53-8 used in surface coating to assist in ligand exchange of copolymer (keep bulk chemical in freezer and diluted solution in refrigerator)
N,N-Dimethylformamide (DMF) Sigma-Aldrich 227056-2L reagent used in copolymer making as the solvent
Polyacrylic acid sodium salt (PAA, Mw~6,000) PolyScience Inc. 06567-250 reagent used in hydrothermal synthesis to initially coat the nanoclusters (eventually replaced in surface coating step)
Poly(ethylene glycol) methyl ether acrylate Sigma-Aldrich 454990-250ML reagent used in copolymer to surface coat nanoclusters and functionalize them for biological media; average Mn 480, contains 100 ppm BHT as inhibitor, 100 ppm MEHQ as inhibitor
Reagents Acetone, 4L, ACS Reagent Cole-Parmer UX-78920-66 used as solvent to precipitate nanoclusters during washing
Single Channel Pipette, Adjustable 1-10 mL Eppendorf 3123000080 for transferring ethylene glycol and other liquids
Steel Wool Lowe's 788470 used to increase the magnetic field strength in the vial to aid in precipitation of nanoclusters for washing and surface coating
Stirring Bar Thomas Scientific 8608S92 for mixing of solid and liquid reagents during hydrothermal synthesis
Table Clamp Grainger 29YW53 for tight sealing of autoclave reactor to withstand high pressure of oven during hyrothermal synthesis
Urea (ACS reagent, 99.0%) Sigma-Aldrich U5128-500G reagent used in hydrothermal synthesis to create a basic solution
Vaccum Filtration Bottle Tops Thermo Fisher Scientific 596-3320 for filtration of aggregated clusters after synthesis and surface coating to achieve a uniform solution
Vacuum Controller V-850 Buchi BU-V850 for filtration of aggregated clusters after synthesis and surface coating to achieve a uniform solution
Vacuum Oven Fisher Scientific 13-262-51 used to create high temperature and pressure needed for nanocluster formation in hydrothermal synthesis

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रसायन विज्ञान अंक 180
Tunable Nanoscale आयाम और संरचना के साथ मैंगनीज फेराइट क्लस्टर के स्थिर जलीय निलंबन
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Effman, S., Avidan, S., Xiao, Z., Colvin, V. Stable Aqueous Suspensions of Manganese Ferrite Clusters with Tunable Nanoscale Dimension and Composition. J. Vis. Exp. (180), e63140, doi:10.3791/63140 (2022).

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