通过液体中脉冲激光烧蚀法生产金属纳米颗粒：研究纳米颗粒抗菌性能的工具

摘要

铜和银等金属的抗菌特性已被认识数个世纪。本实验方案描述了液相脉冲激光烧蚀法，这是一种合成金属纳米颗粒的方法，可精确调控这些纳米颗粒的特性，从而优化其抗菌效果。

摘要

多重耐药细菌的出现已成为全球临床关注的问题，一些人甚至推测医学可能正在回归“抗生素前时代”。除了致力于发现新型小分子抗菌药物外，由于金属纳米颗粒具有抗菌特性，其作为医疗器械涂层、伤口敷料和消费品包装材料的应用也引起了广泛关注。目前已有多种纳米颗粒合成方法，这些方法会导致纳米颗粒在化学和物理性质上存在广泛差异，从而影响其抗菌效果。本文描述了液相脉冲激光烧蚀（PLAL）法用于制备纳米颗粒。该方法可通过辐照后处理以及添加表面活性剂或排阻剂，精确调控纳米颗粒的尺寸、组成和稳定性。通过控制颗粒的尺寸和组成，可以探索金属纳米颗粒多种多样的物理和化学性质，这些性质可能与其抗菌效能相关，从而为抗菌剂的开发开辟新的途径。

引言

纳米颗粒（NPs）通常被定义为至少有一个维度小于100 nm的颗粒。传统的化学合成纳米颗粒方法通常需要使用有害的还原剂，如硼氢化物和肼类化合物。相比之下，将固体金属靶材浸入液体介质中进行激光烧蚀（液相脉冲激光烧蚀——PLAL）提供了一种环境友好的纳米颗粒合成途径，符合绿色化学的全部12项原则^1,2。在PLAL过程中，浸没的金属靶材受到重复激光脉冲的辐照。随着激光对靶材的烧蚀，大量原子团簇和蒸气被释放到液体介质中，并迅速凝聚形成纳米颗粒。通过PLAL制备的纳米颗粒可均匀分散在水相介质中，且通过调节水相烧蚀液体以及激光参数，可方便地控制纳米颗粒的尺寸、多分散性及组成^1,2,3,4,5,6。

通过调节多种激光参数（包括：能量密度、波长和脉冲持续时间，详见参考文献⁷），可以调控纳米颗粒的特性。激光能量密度定义为脉冲能量除以激光在靶....

方案

1. 纳秒激光的聚焦与能量密度测量

1. 将磁力搅拌子和多孔烧蚀平台放入一个50 mL玻璃烧杯中，组装烧蚀装置。
   注：烧蚀平台由一个直径3.81 cm、厚1.6 mm的不锈钢平台构成，其上按图1所示模式钻有十个直径0.65 cm的孔和六个直径0.50 cm的孔。这些孔的作用是允许液体流过靶材表面，防止颗粒在靶材正上方立即积聚。混合不充分会导致激光与已生成颗粒之间产生不利的相互作用。此外，在平台边缘附近设有三个#29（8-32）螺纹孔，用于安装紧定螺钉作为支脚，以抬高平台并为磁力搅拌子留出空间（图1A）。
   1. 将烧杯置于磁力搅拌器上，并将搅拌器放置在xy平移台上，以便在烧蚀过程中移动靶材（图1A）。
2. 将Nd:YAG激光器设置为以1,064 nm的基本波长运行，脉冲持续时间为5 ns，脉冲重复频率为10 Hz。使用激光功率与能量计测量每个脉冲的能量。所需能量为240–250 mJ。
3. 使用焦距为250 mm的会聚透镜（NA = 0.05）将激光束聚焦于烧蚀平台上的靶材下方。
   注：入射光束半径为4.025 mm，需将透镜高度设为161 mm以达到所需的光斑尺寸。最佳光斑尺寸通过实验确定。采用较大的光斑尺寸....

结果

使用银靶材、上述激光参数以及含有60 mM SDS的消融液，可生成具有特征性表面等离子体共振（SPR）紫外-可见光吸收峰的银纳米颗粒（图2A）。透射电子显微镜（TEM）和动态光散射（DLS）测量结果显示，辐照后纳米颗粒的平均直径约为25 nm（图2B）。对银靶材进行30分钟的消融通常可获得约200 µg/mL的纳米颗粒浓度。在评估银纳米颗粒的抗菌毒性时，15 µg/mL浓度可显著抑制大肠杆菌（E. coli）的生长（图3）。

讨论

纳米颗粒（NPs）需具有相似的尺寸和浓度，才能实现可重复的抗菌效果。因此，标准化激光参数（包括能量密度、波长和脉冲持续时间）至关重要。尽管动态光散射法是一种估算纳米颗粒尺寸的简便快速方法，但对其尺寸分布的精确定量仍需通过透射电子显微镜（TEM）进行直接测量。由于每束激光在模式分布和发散特性方面均具有独特性质，因此必须采用经验方法来确定相对于靶材的最佳能量密度和液面高度。由于纳米颗粒的尺寸可通过辐照后处理进行调节，因此可通过测量靶材的质量损失和光学密度来优化颗粒生成效率。

与传统的化学合成方法相比，液相激光烧蚀法具有能够在纯水或表面活性剂溶液中生成纳米颗粒的优势。该方法不存在会污染培养物并产生干扰的前驱化合物。研究人员可在短时间内于实验室中制备纳米颗粒，以便立即使用。该技术具有高度可重复性，且无需特殊培训或专业人员操作。然而，需要注意该方法的局限性。首先，液相激光烧蚀所生成的纳米颗粒在形态上具有较宽范围的多样性。若需获得特定长径比或其他形状参数的纳米颗粒，可能需要进行大量重复性处理，甚至在某些情况下难以实现。该技术最显著的局限性可能是：对于需要大量纳米颗粒的实验将面临困难。尽管可以实.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
纳秒 Nd:YAG 激光器	Ekspla	NL303
电动 xy 扫描平台	Standa	8MTF
紫外-可见分光光度计	Agilent	Cary 60
动态光散射仪	Malvern	Zetasizer ZS 90
微量天平	Maktek	TM 400
透射电子显微镜	Zeiss	EM 902
银箔靶材	Alfa Aesar	12127
250 mm 焦距透镜	Edmund Optics	69-624
铜制透射电镜载网	Pacific Grid-Tech	Cu-400LD	带lacey/薄膜涂层的载网
E. coli MG1655	ATCC	47076
胰蛋白胨	BD Biosciences	211705
酵母提取物	BD Biosciences	212750
氯化钠	Fisher Scientific	BP3581
细菌琼脂	BD Biosciences	214010
十二烷基硫酸钠	Fisher Scientific	BP166-100
聚乙烯吡咯烷酮	Fisher Scientific	BP431-100
不锈钢圆片（用于烧蚀平台）	Metal Remnants, Inc.	N/A	直径 1.5 英寸，16 号规格
烧杯	Fisher Scientific	02-540G
磁力搅拌子	Fisher Scientific	14-513-57
磁力搅拌器	Fisher Scientific	11-100-49SH
激光能量与功率计	Coherent	1098579
导电碳胶带	Shinto Chemitron Co. Ltd.	STR Tape
超声水浴槽	Branson	1510
空气压缩机	GMC	Syclone 3010	用于干燥烧蚀靶材
75 mm 焦距透镜	Edmund Optics	34-096	用于辐照后聚焦的透镜
石英比色皿	Precision Cells Inc	21UV40	光程 50 mm（用于辐照后测量）
卡那霉素	Fisher Scientific	BP906-5
光学显微镜	Nikon	50i	该显微镜用于将激光聚焦在烧蚀平台上。此特定型号已不再供货，但任何配备 4X 物镜的光学显微镜均可使用。
CCD 相机	AmScope	MT5000-CCD
千分尺载玻片	Ted Pella	2280-70