Waiting
登录处理中...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Tangential Flow Ultrafiltrering: "Grønt" Metode til størrelse udvælgelse og koncentration af kolloidt sølv Nanopartikler

Published: October 4, 2012 doi: 10.3791/4167
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 1
1Department of Chemistry, Wright State University, 2Department of Neuroscience, Cell Biology, and Physiology, Wright State University

Summary

Tangentiel strømnings-ultrafiltrering (TFU) er en recirkulation metode, der anvendes til den vægtbaserede adskillelse af biosamples. TFU blev tilpasset til størrelsen-select (1-20 nm diameter) og yderst koncentreret en stor mængde polydisperse sølvnanopartikler (4 L på 15,2 ug ml

Abstract

I dag er AgNPs flittigt brugt til fremstilling af forbrugsgoder, 1 vand desinfektionsmidler, 2 terapi, 1, 3 og biomedicinsk udstyr 4 på grund af deres stærke antimikrobielle egenskaber. 3-6 Disse nanopartikler applikationer er kraftigt påvirket af den AgNP størrelse og sammenlægning tilstand . Mange udfordringer findes i den styrede fremstilling 7 og størrelse baseret isolation 4,8 af ikke-funktionaliseret, homogene AgNPs der er fri for kemisk aggressive capping / stabiliseringsmidler eller organiske opløsningsmidler. 7-13 Begrænsninger komme ud toksiciteten af reagenser, høje omkostninger og reduceret effektiviteten af de AgNP syntese eller isolering metoder (f.eks, centrifugering, størrelse-afhængig opløselighed, gelpermeationskromatografi, etc.). 10,14-18 For at overvinde dette har vi for nylig vist, at TFU tillader større kontrol over størrelsen, koncentrationen og sammenlægning tilstand af Creighton AgNPs (300ml 15,3 ug ml-1 ned til 10 ml 198,7 ug ml-1) end konventionelle fremgangsmåder til isolation, såsom ultracentrifugering. 19

TFU er en recirkulation, der almindeligvis anvendes til den vægtbaserede isolering af proteiner, vira og celler. 20,21 Kort fortalt anvendes den flydende prøve ledes gennem en serie af hulfibermembraner med en porestørrelse i området fra 1000 kD til 10 kD. Mindre suspenderet eller opløst i prøven vil passere gennem den porøse barriere sammen med opløsningsmidlet (filtrat), medens de større bestanddele bevares (retentat). TFU kan betragtes som en "grøn" metode, da det hverken skader prøve heller ikke kræver yderligere opløsningsmiddel til at fjerne giftige overskydende reagenser og biprodukter. Endvidere kan TFU anvendes på et stort udvalg af nanopartikler som både hydrofobe og hydrofile filtre findes.

De to vigtigste mål med denne undersøgelse var: 1) at illustrerede eksperimentelle aspekter af TUF tilgang gennem en indbudt video oplevelse og 2) at demonstrere muligheden for at TUF metoden til større mængder kolloide nanopartikler og mindre mængder af retentat. Første, unfuctionalized AgNPs (4 L, 15,2 ug ml-1) blev syntetiseret under anvendelse af veletablerede Creighton metoden 22,23 ved reduktion af AgNO 3 med NaBH4. AgNP polydispersitet blev derefter minimeret via en 3-trins TFU anvendelse af en 50-nm filter (460 cm2) for at fjerne AgNPs og AgNP-aggregater større end 50 nm, efterfulgt af to 100-kD (200 cm 2 og 20 cm 2) filtre at koncentrere de AgNPs. Repræsentative prøver blev karakteriseret ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, UV-Vis absorptionsspektrofotometri, Raman spektroskopi, og induktiv koblet optisk emissionsspektroskopi. Det endelige retentat bestod af stærkt koncentreret (4 ml, 8,539.9 ug ml-1) endnu ringe aggregerede og homogenAgNPs på 1-20 nm i diameter. Dette svarer til en sølvkoncentration udbytte på ca 62%.

Protocol

1. Syntese af Kolloide AgNPs

Reaktionsmekanismen for Creighton metoden (let modificeret, billig) 22 er beskrevet i detaljer i Hjælpeoplysninger reference Pavel et.al sammen med den uønskede hydrolyse sidereaktion af NaBH4 ved stuetemperatur eller højere. 23

  1. Rens alt glasudstyr i 12-24 timer i en 10% HNO 3 bad, derefter i 4 til 12 timer i en 1,25 M NaOH i 40% ethanol-bad, og til slut autoklaven. Glasgenstande bør skylles grundigt mindst fem gange med ultrarent vand (17 MOhm eller højere) efter syre-og base bad trin.
  2. Fremstille 300 ml af en 2 mM NaBH4-opløsning og 100 ml af en 1 mM AgNO 3 opløsning under anvendelse af autoklaveret vand afkølet til 10 ° C. De lavere temperaturer vil forhindre sidereaktion af NaBH4.
  3. Tilsættes 300 ml 2 mM NaBH4 opløsning til en 500 ml Erlenmeyer reaktionskolbe containing en omrørerstav og Kolben omvikles med aluminiumfolie for at forhindre sølv oxidation. Kolben anbringes i et isbad på en omrøringsplade og omrøre opløsningen ved 325 rpm i 10 min.
  4. Prime en 25 ml burette ved skylning med en fuld søjle af ultrarent vand. Efter grunding, fylde buretten med AgNO 3-opløsning og wrap med alufolie.
  5. I et mørkt rum, tilsættes 50 ml 1 mM AgNO 3 opløsning med en hastighed på 1 dråbe sekund-1 til NaBH4 opløsningen under kontinuerlig omrøring (figur 1A). Dække den midterste del af anordningen med en "folie telt" for at minimere udsættelse for lys under AgNO 3 tilsætningen. Den AgNO 3 Desuden vil kræve 30-40 min. Efterfylde isbad periodisk.
  6. Efter AgNO 3 tilsætningen er afsluttet, opfyld isbad, og fortsæt omrøring den kolloide opløsning i yderligere 45-50 min. Dannelsen af ​​kolloide AgNPs signaleres ved en ændring i farven fra farveløstil en gylden gul, hvilket er karakteristisk for overfladeplasmonresonans højst AgNPs (figur 1B).
  7. Når reaktionen er fuldført, afkøles kolloidet. Kolloide AgNP batches kan kombineres efter en uge, hvis kolloid er forblevet konsekvent, dvs har den kolloide løsning ikke aggregeres og batchen er blevet karakteriseret ved hjælp af UV-Vis absorptionsspektrofotometri og Raman spektroskopi til at identificere mulig sammenlægning eller forureninger.

2. Karakterisering af Kolloide AgNPs

A Cary 50 UV-VIS-NIR spektrofotometer (Varian Inc.) og en LabRamHR 800 Raman system (Horiba Jobin Yvon, Inc.) forsynet et Olympus BX41 konfokal Raman mikroskop, blev anvendt til AgNP karakterisering. The Cary WinUV software, LabSpec V.5 og Oprindelse 8,0 software blev anvendt til dataindsamling og analyse.

Bemærk: optagelsesparametre skal optimeres for andre instrumentering modeller.

Bestemmelse af overfladeplasmonresonans af kolloide AgNPs via UV-Vis spektrofotometri

  1. En 1 cm 3 engangskuvette med Creighton kolloid og ultrarent vand i en 1:10 volumenforhold. Fyld en anden 1 cm3 kuvette med ultrarent vand til en tom baseline korrektion. Tør ydersiden af ​​begge kuvetter med en Kimwipe.
  2. Indstil spektrofotometeret til absorbans tilstand fra en Y minimum på -0,5 til en Y højst 1,0. Sæt X scanning vinduet til 200-800 nm og vælge en hurtig scanning sats af 4.800 nm min -1 med baseline korrektion.
  3. Indsæt kuvetten fyldes med vand i instrumentet og køre en baseline scanning. Gentag om nødvendigt, indtil en ikke-nul baseline kontrol opnås.
  4. Erstatte den tomme kuvette med prøvekuvetten og initiere en absorbans scanning til opsamling af det UV-synlige absorptionsspektrum for det kolloide prøve (figur 1C).

    Renhed Test af kolloide AgNPs via Raman spektroskopi

    På grund af tidsbegrænsningen for video demonstration (10-15 min video) og den plads begrænsning af protokollen tekst (maks. 3 sider), vil dette eksperimentelle afsnit ikke blive videofilmet.

    1. Instrumentet indstilles parameterindstillinger som følger: excitationskilde (632,8 nm He-Ne), filter (ingen filter, lasereffekt på prøven ~ 17 mW), konfokal hul (300 um), spektrometer (730 cm -1), holografisk gitter (600 lunde / mm), objektiv (50x lang arbejdsafstand luft mål), eksponeringstid (30 s), og ophobning cykler (5).
    2. Brug en ren pipette til at fylde en 2 ml kvartscuvette med kolloid og indsæt forsigtigt proppen. Brug en Kimwipe at rense ud fingeraftryk, snavs eller kolloid fra overfladen af ​​kuvetten. Væsentligt lavere mikroskopbordet. Vælg 50x objektiv og placer kuvetten ind på scenen.
    3. Fokuser lasis stråle på AgNP kolloid direkte under den indre væg af kuvetten med videotilstand af instrumentet og Olympus kamera. Sluk værelse lys og erhverve Raman spektrum (Figur 1D).

    3. Size-udvælgelse og koncentration af kolloide AgNPs via Tangential Flow Ultrafiltrering (TFU)

    En KrosFlo II Research filtrering system (Spectrum Laboratories, Rancho Dominguez, CA) blev anvendt til at begrænse AgNP polydispersitet og koncentrere dem (figur 2). De tre trin i TUF processen var: (1) Størrelse-udvælgelse af AgNPs og AgNP-aggregater af 50 nm i diameter og større anvendelse af en 50-nm MidiKros polysulfon modul (460 cm2), 2) Size udvælgelse og koncentration af AgNPs på 1-20 nm i diameter ved anvendelse af en 100-kD MidiKros filter (200 cm2), og (3) Yderligere volumenreduktion ved hjælp af en 100-kD MicroKros polysulfon filter (20 cm2) (figur 3).

    1. Tilslut str. 17 MASTERFLEX fodring slange til den peristaltiske pumpe ifølge fig 2A. En Y-kryds og en slange junction vil der være behov for set-up. Fastgør slangen med 50-nm MidiKros modul. Vær sikker på at sikre slangen til at filtrere ved hjælp af zip bånd. Vælg rør str. 17 med SIZE knappen.
    2. Vælg uret pumpe retning med DIR-knappen. Sørg MODE-knappen er på INT.
    3. Sænk pumpen sats på under 300 ml min -1 før pumpen. Pumpen bør justeres efter størrelsen af ​​den anvendte slange. Det bør være en lille indstilling for at tillade operatøren at reagere hurtigt på potentielle lækager, men store nok til stadig have en effekt af priming af systemet. For at skabe vakuum for at trække kolloider fra reservoiret ind i røret og filtret, skæres røret, der fører fra den nederste del af filteret til den øverste del af Y-forbindelsen i midten af ​​røret.
    4. Når væsken flyder frit gennem røret, skal du slukke for pumpen, tiltræder den knækkede del af slangen med en slange krydset og fastgør den med zip bånd. Tænd pumpen igen og fortsætte filtrering.
    5. Kontroller slangen kredsløb for utætheder. Hvis der findes en lækage, løse lækagen ved at justere montering eller re-sikring med en lynlås slips. Når slangen system er lækfri, pumpen strømningshastighed kan forøges til højst 700 ml min-1. Denne pumpe rate værdi bør optimeres i henhold til slange størrelse for at undgå slange fiasko. Fortsæt filtrering indtil væsken i reservoiret flasken er tømt til næsten ingenting.
    6. Når filtreringen er færdig, filtratet opsamles der indeholder AgNPs af 50-nm diameter og smaller. Retentatet kan gemmes til yderligere analyse i overensstemmelse med den specifikke AgNP ansøgning.

    Trin 2

    1. Skyl slangen med 2% HNO 3 og ultrarent vand før du monterer 100-kD MidiKros filtrere bruger den samme opsætning som for 50-nm-modul.
    2. Gentag trin 3,3 bruges 100-kD MidiKros modul.
    3. Når filtreringen er afsluttet, samle indholdet af røret og filteret (100-kD retentat). Lydstyrken skal være ca 50 ml.

    Trin 3

    1. Tilslut størrelse 14 MASTERFLEX rør, og 100-kD MicroKros FILTER til den peristaltiske pumpe ifølge fig 2B. Fastgør alle kryds med zip bånd. Vælg slange størrelse 14 på pumpen ved hjælp af knappen SIZE og lavere pumpen sats på 30 ml min -1.
    2. Begynd filtreringsprocessen. Kontroller slangen kredsløb for utætheder. Hvis der findes en lækage, løse lækagen ved at justere pasformTing eller re-sikring med en lynlås slips.
    3. Når slangen systemet er lækfri, kan pumpens strømningshastighed øges til ikke større end 90 ml min-1. Fortsæt filtrering indtil væsken tilbage i reservoiret flaske indeholder en minimal mængde koncentrat.
    4. Det resterende indhold af røret og filtret kan opsamles i reservoiret flasken ved at fjerne påfyldningsrør fra flasken, medens pumpen er i gang. Når slangen og filtreres indholdet i reservoiret flasken, kan pumpen slukkes.

    4. Kvantificering af Silver Beløb i kolloid AgNPs ved induktiv koblet optisk Emission Spectroscopy (ICP-OES)

    Hvert kolloid prøve blev kemisk fordøjet, og mængden af ​​sølv blev kvantificeret ved ICP-OES under anvendelse af et A 710E-spektrometer (Varian Inc.). En lineær regressiv kalibreringskurve for sølv (figur 4) blev konstrueret ved brug af otte standarder sølv (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50 og 100 ug L -1), der var fremstillet ud fra en 10.000 ug ml-1 sølv standard til sporstofanalyse (Ultra Scientific).

    1. Kemisk fordøje prøver under anvendelse HNO 3. De repræsentative prøver er den oprindelige kolloid (trin 1), 50-nm filtrat (trin 1), 100-kD retentat (trin 2), og endelig 100-kD retentat (trin 3) (figur 3).
    2. Prøverne skal fortyndes med 2% HNO 3 ved hjælp af følgende volumenforhold: 1:1000 for det oprindelige kolloid, 1:1000 for 50-nm filtrat, 1:25.000 for den første 100-kD retentat, og 1:250,000 for den sidste 100-kD retentat. For at forhindre sølv udvaskning skal alle prøver opbevares i low-density polypropylen beholdere.
    3. Indstil ICP-OES instrument parametre som følger: bølgelængde for Ag (328,068 nm), magt (1,20 kW), plasma flow (15,0 L min -1), ekstra strøm (1,50 L min -1), og forstøver tryk (200 kPa ).
    4. Hver sample bør måles i tre eksemplarer med en gengivelse på 10 sek. Mellem-måling stabiliseringstid på 15 sekunder og en 30 sek prøve optagelse forsinkelse skal anvendes. Fremgangsmåde blank bør indføres mellem hver prøve for at reducere risikoen for krydskontaminering.

    5. Størrelsesfordelingen af ​​kolloide AgNPs via Transmission Electron Microscopy (TEM)

    En Phillips EM 208S TEM blev anvendt til at visualisere de kolloide AgNPs. Elektronmikrografier blev indfanget med en høj opløsning Gatan Bioscan kamera og analyseret i ImageJ software. 24

    1. Fortynd 100-kD retentat prøve med ultrarent vand (1:100 volumenforhold). Deposit 20 pi af den oprindelige kolloid og den fortyndede 100-kD retentat (trin 3) på 300-mesh Formvar-coatede guld gitre (Electron Microscopy Sciences). Lad tavlerne til tørre i en ekssikkator. Se på én dag.
    2. Indstil accelererende potentiale af TEM instrument ved 70 kV at visualisere AgNPs. CApture elektronmikrografier (figur 5) ved hjælp af høj opløsning kamera og gem som mærkede billedfiler format (TIFF).

    6. Repræsentative resultater

    Syntese og karakterisering af kolloide AgNPs

    Fire liter Creighton kolloide AgNPs blev med held syntetiseret under anvendelse opsætningen vist i figur 1A. Den endelige kolloid havde en karakteristisk gylden farve (figur 1B). 22, 23 det UV-synlige absorptionsspektrum for dette kolloid havde en typisk skarpe, symmetrisk overfladeplasmon peak (SPR) ved 394 nm (figur 1C). Raman-spektret af den oprindelige Creighton kolloid og den endelige 100-kD retentatet præsenteres kun tre vibrationelle tilstande, nemlig bøjning (1640 cm-1) og symmetriske og asymmetriske strækker former for H2O (3245 cm-1 og 3390 cm-1 , henholdsvis) (figur 1D). </ P>

    TFU af Kolloide AgNPs

    TUF opsætning og skematisk af 3-trins TFU fremgangsmåde er afbildet i figur 2 og 3, henholdsvis. I trin 1 blev en 50-nm filter (460 cm 2) anvendes til at størrelses-udvælge og fjerne AgNPs og AgNP-aggregater 50-nm diameter og større fra den oprindelige kolloid (ca. 100 ml 50-nm retentat). Dette skridt blev også ledsaget af et lille volumen reduktion fra 4 l original kolloid ned til 3,9 L af 50-nm filtrat. Ingen returskylning eller flow forstyrrelser trin blev anvendt. Den største mængde reduktion (dvs. fjernelse af vand) blev opnået i trin 2, hvor 50-nm filtrat blev derefter kørt gennem en 100-kD filter (200 cm2). Den resulterende 100-kD retentatet havde et samlet volumen på 50 ml. De fleste af syntesen biprodukter og overskydende reagenser blev fjernet i dette trin gennem vandet opløsningsmiddel (3,850 ml 100-kD filtrat). Endvidere blev AgNP koncentration opnås ved addition af en tredje filtreringstrin til den tidligere beskrevne procedure. 19. I dette trin 3, et 100-kD filter i et mindre overfladeareal (20 cm2) reducerede 100-kD retentat volumen til 4,0 ml. TEM målingerne vil vise, at denne sidste 100-kD retentat består hovedsageligt af ydmyge aggregerede AgNPs på 1-20 nm i diameter.

    ICP-OES og TEM af kolloide AgNPs

    En lineær regressiv kalibreringskurve (figur 4) for sølv blev konstrueret ud fra otte standarder (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50 og 100 ug L -1). Mængden af sølv i hver af de fire repræsentative kolloide prøver blev derefter bestemt fra ICP-OES kalibreringskurve ved ekstrapolation: original kolloid (15,2 ppm, figur 3A), 50-nm filtrat (14,1 ppm, figur 3B), første 100 - kD retentat (683,1 ppm, figur 3C) og endelig 100-kD retentat (8,538.9 ppm, figur 3D).Det faktiske udbytte på 15,2 ppm er meget tæt på den typiske teoretiske udbytte på 15,4 ppm for Creighton reaktionen. Den ekstreme koncentration af AgNPs (4 ml 8,538.9 ppm) blev afspejlet i en dramatisk ændring i farve fra gylden til den oprindelige kolloid til mørk brun for den endelige 100-kD retentat (Figur 3, mellemværker af hætteglas billeder). Kvaliteten af ​​filtrene viste sig at være kritisk for TUF processen, navnlig til trin 1. Det endelige retentat koncentrationer varierede fra 3,390.1 ppm til 9,333.3 ppm afhængigt af tilstanden af ​​filtrene (stærkt bruges versus splinterny). Hvis membranen porer bliver kompromitteret, vil AgNPs der har diametre mindre end 50-nm også bibeholdes og vil efterfølgende reducere den samlede mængde af AgNPs, der indsamles i filtratet. Optimering af filtreringsprocessen at omfatte trykovervågning og passende rensning kan forlænger levetiden af ​​filtrene.

    Repræsentative TEM-mikrografer af den oprindelige Creighton kolloid og den endelige 100-kD retentat (trin 3) er vist i figur 5A og 5C, hhv. I deres ikke-aggregeret tilstand, vises AgNPs som sorte runde områder på en lysere grå baggrund. Ca. 800 AgNPs blev identificeret i TEM-mikrografier af hver af de to prøver, og de blev analyseret under anvendelse af Image J software. En partikel blev defineret af en komplet og lukket perimeter. Et område tærskelværdien blev fastsat til 1,0 nm 2 i henhold til beslutningen af TEM-mikrografier. De AgNP tæller og arealoplysninger blev derefter eksporteres til Microsoft Excel, og de AgNP diametre blev ekstrapoleret. Den gennemsnitlige AgNP diameter i den oprindelige kolloid og den endelige 100-kD retentatet blev bestemt til at være 9,3 nm og 11,1 nm. Diameteren målinger af AgNPs blev derefter udført til Origin 8,0-software og et TEM størrelse histogram blev konstrueret for hver prøve (figur 5B og 5D).

    1 "src =" / files/ftp_upload/4167/4167fig1.jpg "/>
    Fig. 1. A) Syntese setup, B) karakteristiske farve, C) UV-Vis absorptionsspektrum, og D) Ramanspektrum af Creighton kolloide AgNPs.

    Figur 2
    Figur 2 TFU eksperimentelle opstilling for a) trin 1 og 2:. I) Reservoir indeholdende Creighton kolloide AgNPs. II) Beholder til filtratet samling. III) Y-kryds i slangen. IV) peristaltisk pumpe hoved. . V) Enten 50-nm eller 100-kD Midi Kros filter B) trin 3: I) Reservoir indeholdende Creighton kolloide AgNPs. II) Beholder til filtratet samling. III) 100-kD Micro Kros filter.

    Figur 3
    Figur 3. Rutediagram der viser TUF processen. De blå-skraverede felter markerer de kolloide suspensioner af AgNPs indsamlet til videre analyse. Vial photographs viser A) Original kolloid parti, B) 50-nm filtrat opsamlet efter behandlingen af oprindelige kolloid gennem den 50-nm filter (460 cm 2), C), første 100-kD retentat opnået efter volumen reduktion ved hjælp af 100-kD Midi Kros filter (200 cm2), og D) endelig 100-kD retentat som følge af reduktion af volumen ved hjælp af 100-kD Micro Kros filter (20 cm2). Den 100-kD filtrat ligner vand.

    Figur 4
    Figur 4 ICP-OES lineær kalibreringskurve konstrueres ved brug af otte standarder: sølv. 0, 3, 7, 10, 15, 25, 50 og 100 ug L -1.

    Figur 5
    Figur 5. TEM mikrografier af A) original Creighton AgNPs og C) endelig 100-kD retentat (Målestokken er100 nm). TEM størrelse histogrammer konstrueres ved at analysere omkring 800 AgNPs for B) originale Creighton AgNPs, og D) endelig 100-kD retentat. Det indsatte i 5B viser den udvidede 41-75 nm størrelsesområde henblik på prissammenligningen. Klik her for at se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

UV-Vis absorptionsspektrofotometri og Raman spektroskopi af kolloide AgNPs

Det er velkendt, at antallet af overfladeplasmonresonans toppe i absorptionsspektret for en kolloid aftager, når symmetrien mellem de AgNPs forøges. Derudover AgNP aggregation fører til fremkomsten af bredere eller rød-skiftede toppe. 25,26 Tilstedeværelsen af et enkelt, skarp og symmetrisk SPR top ved 394 nm er tegn på små, sfæriske AgNPs af moderat aggregering og størrelsesfordeling.

Renheden af de kolloide prøver før og efter ultrafiltrering blev påvist ved Raman-spektre af den oprindelige Creighton kolloid og den endelige 100-kD retentat, som udviste kun tre vibrationelle tilstande er karakteristiske for H 2 O. Den Raman signal forbundet med organiske urenheder eller ultrafiltrering forureninger af store Raman tværsnit vil blive styrket gennem den umiddelbare nærhed til AgNPoverflade (dvs. den såkaldte overflade-forstærket Raman spektroskopi (SERS) virkning).

ICP-OES og TEM af ultrafiltreret kolloide AgNPs

Tilsætningen af en tredje, 100-kD filtreringstrin til den tidligere rapporterede TFU procedure 19 lettes den vellykkede reduktion af et større volumen af Creighton kolloide AgNPs (4L batch på 15,2 ppm) i en 1.000 gange mindre volumen af retentat (4 ml 8,538.9 ppm). Dette svarer til en TUF koncentration udbytte på ca 62% under hensyntagen til størrelsen af ​​AgNPs og AgNP-aggregater af 50-nm diameter og større, der blev fjernet. Koncentrationsgraden er bemærkelsesværdig, fordi den endelige 100-kD retentat meste bestod af monodisperse AgNPs, der var 1-20 nm i diameter og fri for overskydende reagenser og biprodukter. Det tredje, 100-kD filtreringstrin forbedret koncentrationen udbytte 45% 20-62%. Yderligere TFU forbedringer i størrelse udvælgelse og koncentration af AgNPskan opnås ved anvendelse af flere hulfibermembraner. Filtre med porestørrelse i området fra 1000 kD til 10 kD og overfladearealer fra 5,1 m 2-8 cm2 er for tiden tilgængelige til både hydrofobe og hydrofile prøver. Buffer udveksling kan også udføres i løbet af TFU, afhængig af efterfølgende anvendelser. Når reduktion af volumen overstiger 800-fold (dvs., når lydstyrken er reduceret fra 4 L til mindre end 5 ml), der er et fald i stabilitet og holdbarhed af den kolloide suspension på grund af den ekstreme grad af koncentration. Holdbarheden for disse stærkt koncentreret, ikke-funktionaliseret AgNP er cirka en til to uger ved 10 ° C. Mens ubelejligt, er denne begrænsning forvaltes gennem omhyggelig forskning planlægning og forberedelse. Denne ekstreme grad af koncentration ønskes til igangværende nanotoxicity studier på forskellige koncentrationer. Mindre koncentrerede portioner af AgNPs forventes at have bedre stabilitet og længere holdbarhed.

(figur 5A og 5C) udviste en øget frekvens af minimalt aggregerede AgNPs i den endelige 100-kD retentat i forhold til den oprindelige kolloid. TEM-størrelse histogrammer for de to kolloide prøver (figur 5B og 5D) endvidere bekræftet, at polydispersitet af Creighton kolloide AgNPs var begrænset igennem TFU. Yderligere polydispersitet anordningen kan opnås ved at anvende en serie af filtreringsmembraner med mindre porestørrelser. Diametrene af Creighton AgNPs varierede fra 1 nm til 75 nm (figur 5B og det indsatte diagram viser de ekspanderede 41-75 nm size bins), mens AgNPs og / eller AgNP-aggregater af 50 nm og større (0,9% ud af procent samlede AgNPs) var fraværende i TEM størrelse histogram af den endelige 100-kD prøve (fig. 5D). Den 100-kD retentat blev består mest af AgNPs der havde diametre på 1-20 nm, der var et lille bidrag (12,4%) af AgNPs i 21-40 size bins. Figur 5b og 5d bekræftet, at størrelsesfordelingen tendens blev bibeholdt til 100-kD retentat under TUF processen med undtagelse af 1-5 nm størrelsesområde. Der var en mærkbar reduktion i frekvensen af ​​de mindre AgNPs på 1-5 nm i diameter til 100-kD prøve (fra 33,2% til 21,3%), hvilket blev tilskrevet AgNP passage gennem membranfilter ind i filtratet. Som et resultat steg den gennemsnitlige AgNP diameter fra 9,3 nm til den oprindelige kolloid til 11,1 nm for den endelige 100-kD retentat. Fordi cirka 800 AgNPs blev analyseret for både kolloide prøver blev nedsat frekvens af mindre AgNPs i de 1-5 nm (11,9%) og 6-10 nm (1,3%) størrelsesområder ledsaget af en tilsvarende stigning i hyppigheden af ​​større AgNPs i 11-25 nm size beholdere (dvs. ca 12,8% fra den oprindelige kolloid til 100-kD retentat).

Som konklusion viste TFU at være et effektivt, "grøn" metode til size-udvælgelse og koncentration af kolloide AgNPs med minimal aggregering på forskellige volumen skalaer. Eliminere brugen af ​​kemisk aggressive reagenser eller organiske opløsningsmidler fra AgNP syntese (for bedre størrelse, form og aggregering kontrol) reducere AgNP toksicitet og forbedre deres terapeutiske indeks. AgNPs af begrænset polydispersitet kan finde andre umiddelbare industrielle og forskning applikationer på grund af deres forbedrede katalytiske, 27 optoelektroniske 28, 29 eller SERS-baserede biosensorer egenskaber. 9,19,30,3131 En meget nylig undersøgelse fra Lander et al. 32 viste, at mikro og ultrafiltreringsmembraner fremstillet af fem forskellige polymere materialer (polysulfon, polyethersulfon, nylon, celluloseacetat, og polyvinylidenfluorid) kan gennemføres med succes for størrelsen udvælgelse af funktionaliserede NP'er. Disse NP'er på 2-10 nm i diameter havde Ag, Au eller Ti 2 O kerner og blev funktionaliseret med organiske polymercoatinger, der førte tilpositive eller negative overfladeladninger. Både kerner og overfladen funktionalitet NPS fandtes at spille en vigtig rolle i NP bevarelse eller passage gennem membranerne (0,2 nm til 0,22 um). Som forventet var de positivt ladede NP'er fuldstændigt afvist (> 99%) med de negativt ladede membraner, som havde 20-gange større porestørrelse end NP diametre. Fra disse eksperimenter, erfarer man, at interaktionen mekanismen bør nøje overvejes i fremtidige studier med funktionaliserede NP'er.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklæret.

Acknowledgments

Finansiering fra National Science Foundation gennem NUE i Engineering og Leader Consortium Programmer er modtaget med tak.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silver nitrate (AgNO3) Acros Organics Inc. CAS: 7761-88-8
Sodium borohydride (NaBH4) Acros Organics Inc. CAS: 16940-66-2
Nitric acid (HNO3, Optima) Fisher Scientific Inc. A467-1 Trace metal grade for ICP analysis
10,000 μg ml-1 silver standard, EnviroConcentrate Ultra Scientific US-IAA-047
KrosFlo Research IIi Tangential Flow Filtration System Spectrum Laboratories Inc. SYR2-U20-01N
0.05 μm PS (0.5 mm) 460 cm2 Spectrum Laboratories Inc. X30S-900-02N
Midi 100 kD PS 200 cm2 Spectrum Laboratories Inc. X3-100S-901-02N
Micro100 kD PS 20 cm2 Spectrum Laboratories Inc. X1AB-300-10N
MasterFlex C-Flex tubing L/S Size 17 Cole-Palmer Instrument Co. 06424-17
MasterFlex C-Flex tubing L/S Size 14 Cole-Palmer Instrument Co. 06424-14
Cary 50 UV-VIS-NIR spectrophotometer Varian Inc.
LabRam HR 800 system Horiba Jobin Yvon Inc.
Varian 710ES ICP-–S Varian Inc.

Table 1. Specific reagents and equipment.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. The Project on Emerging Nanotechnologies. , Available from: http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/analysis_draft (2011).
  2. Savage, N., Diallo, M. S. Nanomaterials and Water Purification: Opportunities and Challenges. Journal of Nanoparticle Research. 7, 331-342 (2005).
  3. Jain, J. Silver Nanoparticles in Therapeutics: Development of an Antimicrobial Gel Formulation for Topical Use. Mol. Pharmaceutics. 6, 1388-1401 (2009).
  4. Dal Lago, V., Franca, dO., de, A. G., Kobarg, J., Borba Cardoso, M. Size-selective silver nanoparticles: future of biomedical devices with enhanced bactericidal properties. J. Mater. Chem. 21, 12267-12273 (2011).
  5. Panacek, A. Silver Colloid Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Their Antibacterial Activity. J. Phys. Chem. B. 110, 16248-16253 (2006).
  6. Elechiguerra, J. Interaction of silver nanoparticles with HIV-1. Journal of Nanobiotechnology. 3, 6 (2005).
  7. Jana, N. R., Sau, T. K., Pal, T. Growing Small Silver Particle as Redox Catalyst. J. Phys. Chem. B. 103, 115-121 (1999).
  8. Tolaymat, T. M. An evidence-based environmental perspective of manufactured silver nanoparticle in syntheses and applications: A systematic review and critical appraisal of peer-reviewed scientific papers. Sci. Total Environ. 408, 999-1006 (2010).
  9. Willets, K. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) for probing internal cellular structure and dynamics. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 394, 85-94 (2009).
  10. Novak, J. P., Nickerson, C., Franzen, S., Feldheim, D. L. Purification of Molecularly Bridged Metal Nanoparticle Arrays by Centrifugation and Size Exclusion Chromatography. Anal. Chem. 73, 5758-5761 (2001).
  11. Hossain, M. K., Kitahama, Y., Huang, G. G., Han, X., Ozaki, Y. Surface-enhanced Raman scattering: realization of localized surface plasmon resonance using unique substrates and methods. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 394, 1747-1760 (2009).
  12. Henglein, A., Giersig, M. Formation of Colloidal Silver Nanoparticles: Capping Action of Citrate. J. Phys. Chem. B. 103, 9533-9539 (1999).
  13. Sapsford, K. E., Tyner, K. M., Dair, B. J., Deschamps, J. R., Medintz, I. L. Analyzing Nanomaterial Bioconjugates: A Review of Current and Emerging Purification and Characterization Techniques. Anal. Chem. 83, 4453-4488 (2011).
  14. Al-Somali, A., Krueger, K. M., Falkner, J. C., Colvin, V. L. Recycling Size Exclusion Chromatography for the Analysis and Separation of Nanocrystalline Gold. Anal. Chem. 76, 5903-5910 (2004).
  15. Hanauer, M., Pierrat, S., Zins, I., Lotz, A., Sonnichsen, C. Separation of Nanoparticles by Gel Electrophoresis According to Size and Shape. Nano Lett. 7, 2881-2885 (2007).
  16. Sweeney, S. F., Woehrle, G. H., Hutchison, J. E. Rapid Purification and Size Separation of Gold Nanoparticles via Diafiltration. J. Am. Chem. Soc. 128, 3190-3197 (2006).
  17. Clarke, N. Z., Waters, C., Johnson, K. A., Satherley, J., Schiffrin, D. J. Size-Dependent Solubility of Thiol-Derivatized Gold Nanoparticles in Supercritical Ethane. Langmuir. 17, 6048-6050 (2001).
  18. Schaaff, T. G. Isolation of Smaller Nanocrystal Au Molecules: Robust Quantum Effects in Optical Spectra. J Phys Chem B. 101, 7885-7891 (1997).
  19. Trefry, J. C. Size Selection and Concentration of Silver Nanoparticles by Tangential Flow Ultrafiltration for SERS-Based Biosensors. J. Am. Chem. Soc. 132, 10970-10972 (2010).
  20. Bhattacharjee, S., Bhattacharjee, C., Datta, S. Studies on the fractionation of & beta-lactoglobulin from casein whey using ultrafiltration and ion-exchange membrane chromatography. J. Membr. Sci. 275, 141-150 (2006).
  21. Eppler, A., Weigandt, M., Schulze, S., Hanefeld, A., Bunjes, H. Comparison of different protein concentration techniques within preformulation development. Int. J. Pharm. 421, 120-129 (2011).
  22. Creighton, J. A., Blatchford, C. G., Albrecht, M. G. Plasma resonance enhancement of Raman scattering by pyridine adsorbed on silver or gold sol particles of size comparable to the excitation wavelength. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2, 790-798 (1979).
  23. Pavel, I. E. Estimating the Analytical and Surface Enhancement Factors in Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS): A Novel Physical Chemistry and Nanotechnology Laboratory Experiment. J. Chem. Educ. , (2011).
  24. Rasband, W. S. ImageJ. , National Institutes of Health. Bethesda, Maryland, USA. Available from: http://imagej.nih.gov/ij (1997).
  25. Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment. J. Phys. Chem. B. 107, 668-677 (2003).
  26. Śileikaitċ, A., Prosyčevas, I., Puišo, J., Juraitis, A., Guobienċ, A. Analysis of Silver Nanoparticles Produced by Chemical Reduction of Silver Salt Solution. Mater. Sci. (Medziagotyra). 12, 287-291 (2006).
  27. Lewis, L. N. Chemical catalysis by colloids and clusters. Chem. Rev. 93, 2693-2730 (1993).
  28. Li, Y., Wu, Y., Ong, B. S. Facile Synthesis of Silver Nanoparticles Useful for Fabrication of High-Conductivity Elements for Printed Electronics. J. Am. Chem. Soc. 127, 3266-3267 (2005).
  29. Sun, Y., Xia, Y. Shape-Controlled Synthesis of Gold and Silver Nanoparticles. Science. 298, 2176-2179 (2002).
  30. Han, X., Zhao, B., Ozaki, Y. Surface-enhanced Raman scattering for protein detection. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 394, 1719-1727 (2009).
  31. Pavel, I. Label-Free SERS Detection of Small Proteins Modified to Act as Bifunctional Linkers. J. Phys. Chem. C. 112, 4880-4883 (2008).
  32. Ladner, D. A., Steele, M., Weir, A., Hristovski, K., Westerhoff, P. Functionalized nanoparticle interactions with polymeric membranes. J. Hazard. Mater. , (2011).

Tags

Kemi Biomedical Engineering Kemiteknik Nanoteknologi sølv nanopartikler størrelse udvælgelse koncentration tangential flow ultrafiltrering
Tangential Flow Ultrafiltrering: &quot;Grønt&quot; Metode til størrelse udvælgelse og koncentration af kolloidt sølv Nanopartikler
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Anders, C. B., Baker, J. D.,… More

Anders, C. B., Baker, J. D., Stahler, A. C., Williams, A. J., Sisco, J. N., Trefry, J. C., Wooley, D. P., Pavel Sizemore, I. E. Tangential Flow Ultrafiltration: A “Green” Method for the Size Selection and Concentration of Colloidal Silver Nanoparticles. J. Vis. Exp. (68), e4167, doi:10.3791/4167 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter