Multifunktions-Hybrid Fe 2 O 3 -Au Nanopartikel für effiziente Plasmonische Heizung
20. Februar 2016
Wir beschreiben die Synthese und Eigenschaften von multifunktionalen Fe2O3-Au Nanopartikeln, die durch einen nasschemischen Ansatz hergestellt werden, und untersuchen ihre photothermischen Eigenschaften mittels Laserbestrahlung. Die Komposit-Fe2-O-3-Au-Nanopartikel behalten die Eigenschaften beider Materialien bei, wodurch eine multifunktionale Struktur mit hervorragenden magnetischen und plasmonischen Eigenschaften entsteht.
Das übergeordnete Ziel dieser Forschungsstudie ist es, die Eigenschaften einer neuen Klasse von multifunktionalen Eisenoxid-Gold-Nanopartikeln zu untersuchen, die durch einen nasschemischen Ansatz hergestellt werden, und zu zeigen, wie sie Licht durch plasmonische Effekte effizient in Wärme umwandeln können. Eine Möglichkeit, die mit Edelmetall-Nanopartikeln für industrielle Anwendungen verbundenen Kosten zu senken, besteht darin, billigere Alternativen zu entwickeln, die die gleichen Eigenschaften zu einem Bruchteil der Kosten haben. So können die Eisenoxid-Gold-Nanopartikel wässrige Lösungen genauso effizient photothermisch erhitzen wie reine Gold-Nanopartikel, wobei deren ursprüngliche Eigenschaften erhalten bleiben.
Aufgrund ihrer geringen Kosten und einzigartigen Eigenschaften können unsere Nanopartikel für Anwendungen wie die photothermische Manipulation von AnaLight, die biomedizinische Bildgebung und Sensorik, die analytische Verarbeitung und die magnetische Sensorik verwendet werden. Um dieses Verfahren zu beginnen, bereiten Sie eine 25 millimolare Stammlösung von Eisenoxid in entionisiertem Wasser vor. 10 Milliliter entionisiertes Wasser und einen Rührstab in einen 25-Milliliter-Erlenmeyerkolben geben.
Nachdem Sie den Kolben auf einen Heizblock gestellt haben, fügen Sie 100 Mikroliter der Eisenoxid-Stammlösung hinzu und erhitzen Sie die Mischung unter Rühren etwa fünf Minuten lang. Bereiten Sie anschließend 10 Milliliter einer 1%igen Natriumcitratlösung vor, indem Sie 0,1 Gramm Natriumcitrat in 10 Millilitern Wasser auflösen. 1 Milliliter der 1%igen Natriumcitratlösung wird in den Kolben gegeben, der die Eisenoxidlösung enthält.
Nach dem Erhitzen der Lösung auf 100 Grad Celsius werden 250 Mikroliter 0,01 molare Chloraurinsäure in den Kolben gegeben. Erhitzen Sie die Lösung 10 Minuten lang bei 100 Grad. Nehmen Sie dann die Lösung aus dem Heizblock und lassen Sie sie ein bis zwei Stunden lang auf Raumtemperatur abkühlen.
Anschließend werden die Proben durch Zentrifugation für sieben Minuten bei 4.700 x g gereinigt. Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie den Überstand aus den Proben. Anschließend verteilen Sie die Nanopartikel in bis zu einem Milliliter entionisiertem Wasser.
Um die Nanopartikel zu charakterisieren, geben Sie drei Milliliter der rötlich-braunen wässrigen Lösung in eine Methacrylatküvette. Platzieren Sie einen handelsüblichen Magneten in unmittelbarer Nähe der Küvette. Schalten Sie an dieser Stelle die Stromversorgung und den Ausgleich des Lasers ein.
Positionieren Sie die Waagenfenster so, dass sie den Laserweg nicht behindern oder die IR-Thermoelemente blockieren. Nachdem Sie die Schutzabdeckungen von den IR-Thermoelementen entfernt haben, öffnen Sie die Datenerfassungssoftware, klicken Sie auf Ausführen und nennen Sie die Messung Warm Up.Während das System aufwärmt, bereiten Sie die Probe in einer Haube vor, indem Sie die entsprechende Menge der gewünschten Lösung in eine Methacrylatküvette pipettieren. Stellen Sie die Laserleistung auf die niedrigste Einstellung ein, die einen kaum sichtbaren Strahl erzeugt.
Vergewissern Sie sich, dass der Laserstrahlpunkt frei ist und im Brennpunkt des IR-Thermoelements verbleibt. Anschließend wird die Probe so auf den Waagearm gelegt, dass die Seite der Küvette senkrecht zum IR-Messstrahl des Thermoelements steht und der Laserstrahlpunkt auf die Mitte der Lösung trifft. Reduzieren Sie die Laserleistung, bis der Strahl nicht mehr sichtbar ist.
Sobald das Aufwärmen abgeschlossen ist, stoppen Sie das Messprogramm und beenden Sie die Software. Nachdem Sie das Guthaben auf Null gesetzt und die Datenerfassungssoftware geöffnet haben, klicken Sie auf Ausführen, und erstellen Sie einen Namen für die Datendatei. Starten Sie die Datenerfassung, indem Sie auf Speichern klicken.
Drehen Sie nach 120 Sekunden Datenerfassung die Laserleistung auf die gewünschte Einstellung hoch. Stellen Sie nach der Datenerfassung für weitere 1000 Sekunden die Laserleistung auf die minimale Einstellung ein und schalten Sie die Laserstromversorgung aus. Sobald das Experiment abgeschlossen ist, beenden Sie das Programm.
Nachdem Sie alles ausgeschaltet und alle Geräte wiederhergestellt haben, speichern Sie die experimentellen Daten in einem ASCII-Format für die weitere Verarbeitung. Die REM-Analyse zeigt die Morphologie der Eisenoxid-Gold-Nanopartikel und zeigt Aggregate aus abgerundeten, unregelmäßigen Eisenoxidpartikeln, die mit kleineren, hellen und abgerundeten Gold-Nanopartikeln funktionalisiert erscheinen. Ein deutlicher Absorptionspeak im UV-Vis-NIR-Spektrum der Hybrid-Nanopartikel wird bei 520 Nanometern beobachtet und wird auf den LSPR-Modus der Goldnanopartikel zurückgeführt, der das Eisenoxid funktionalisiert.
Die UV-Vis-Absorptionsspektren der Reaktionslösung zeigen eine anfängliche geringe Absorption des sichtbaren Lichts, die auf die in der Lösung dispergierten Eisenoxid-Nanopartikel zurückzuführen ist. Im weiteren Verlauf der Reaktion bildet sich nach 1,5 Minuten ein Peak, der mit der Bildung und Ablagerung von Goldnanopartikeln auf der Eisenoxidoberfläche korrespondiert. Photothermische Erwärmungsmessungen des Eisenoxid-, Gold- und Gold-Nanopartikels weisen ein nahezu identisches Temperaturprofil auf, wobei die Temperaturen um mehr als 40 Grad Celsius ansteigen.
Das Experiment mit deionisiertem Wasser zeigt keine Veränderung, was zeigt, dass der Temperaturanstieg in den Nanopartikellösungen ausschließlich auf die Dissipation der absorbierten elektromagnetischen Energie in den Nanopartikeln zurückzuführen ist. Die Änderung der Masse für die Nanopartikellösung ist viel größer als die Hintergrundverdampfungsrate, was auf ausreichend hohe Oberflächentemperaturen hinweist, um Dampf mit einer signifikanten Geschwindigkeit zu erzeugen. Einmal gemeistert, kann diese Technik in zwei Stunden durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird.
Bei diesem Verfahren ist es wichtig, saubere Laborgläser zu verwenden, um reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Im Anschluss an dieses Verfahren können weitere Methoden wie Elektronenmikroskopie, UV-Vis und DLS durchgeführt werden, um festzustellen, ob laserinduzierte Schäden aufgetreten sind. Treffen Sie geeignete Vorsichtsmaßnahmen, wenn Sie mit offenen Laserstrahlen arbeiten, wie z. B. das Ausrichten des Systems mit minimaler Laserleistung, das Überprüfen von Fremdblockierreflexionen, das Schließen des Lasers, wann immer dies möglich ist, und das Tragen einer geeigneten Laserschutzbrille, falls erforderlich.
Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie billige Nanopartikel in großen Mengen herstellen und wie Sie gezielte Wärme drahtlos und auf Abruf für reale Anwendungen erzeugen können.
Übersicht
Diese Studie untersucht die Synthese und Eigenschaften multifunktionaler Eisenoxid-Gold-Nanopartikel, die über einen nasschemischen Ansatz hergestellt wurden. Die Nanopartikel weisen hervorragende magnetische und plasmonische Eigenschaften auf, wodurch eine effiziente photothermische Erwärmung durch Laserbestrahlung ermöglicht wird.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Nanopartikelsynthese
- Photothermische Eigenschaften
- Biomedizinische Anwendungen
Hintergrund
- Eisenoxid-Gold-Nanopartikel sind eine kostengünstige Alternative zu reinen Gold-Nanopartikeln.
- Sie können Licht durch plasmonische Effekte effizient in Wärme umwandeln.
- Diese Nanopartikel behalten die Eigenschaften sowohl von Eisenoxid als auch von Gold bei.
- Anwendungen umfassen die photothermische Manipulation und die biomedizinische Bildgebung.
Zweck der Studie
- Synthese multifunktionaler Eisenoxid-Gold-Nanopartikel.
- Untersuchung ihrer photothermischen Eigenschaften.
- Erforschung ihrer potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen.
Verwendete Methoden
- Herstellung von Eisenoxid- und Natriumcitrat-Lösungen.
- Erhitzen und Mischen der Lösungen zur Synthese von Nanopartikeln.
- Zentrifugation zur Reinigung der Nanopartikel.
- Charakterisierung mittels UV-Vis-Spektroskopie und REM-Analyse.
Hauptergebnisse
- Nanopartikel zeigten ein deutliches Absorptionsmaximum bei 520 nm.
- Photothermische Heizmessungen wiesen auf Temperaturerhöhungen von über 40 Grad Celsius hin.
- Nachgewiesene effektive Erwärmung in wässrigen Lösungen.
- Die Ergebnisse deuten auf ein Potenzial für industrielle Anwendungen hin.
Schlussfolgerungen
- Eisenoxid-Gold-Nanopartikel stellen eine gangbare Alternative zu Edelmetall-Nanopartikeln dar.
- Sie können in großen Mengen zu geringeren Kosten hergestellt werden.
- Diese Nanopartikel weisen ein erhebliches Potenzial für reale Anwendungen auf.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Multifunktionale Fe2O3-Au-Nanopartikel bieten eine kostengünstige Alternative zu reinen Goldnanopartikeln für photothermische Anwendungen und ermöglichen eine effiziente Umwandlung von Licht in Wärme, während sie gleichzeitig magnetische Funktionalität beibehalten. Dieser Ansatz unterstützt die Validierung von Zielstrukturen in einem frühen Stadium und die Absicherung hinsichtlich mechanistischer Risiken, indem er eine abstimmbare und skalierbare Plattform zur Untersuchung therapeutischer Hypothesen in krankheitsrelevanten Systemen bereitstellt. Die Technologie erhöht die Vorhersagesicherheit bei der Identifizierung von Leitverbindungen durch reproduzierbare, quantitative thermische Messsignale, die über Go/No-Go-Entscheidungen informieren.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen mittels plasmonischem Heizen, das durch die Gestaltung von Nanopartikeln gesteuert wird.
- Operationaler Wert: Unterstützt die biologische Risikominimierung durch reproduzierbare Temperaturprofile in wässrigen Lösungen.
- Prädiktiver Wert: Erleichtert die Selektion von Portfolio-Kandidaten, indem die photothermische Antwort mit der Nanopartikelbeladung und -größe korreliert wird.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Liefert quantifizierbare Größen wie Temperaturänderung und Massenverlust als abhängige Variablen zur Standardisierung von Assays.
- Operativer Wert: Verwendet leicht verfügbare Geräte (IR-Thermoelemente, Waage, Laser) für skalierbare Screening-Workflows.
- Assay-Eignung: Ermöglicht die Herstellung validierter Nanopartikellösungen für die anschließende Bewertung von Verbindungen in photothermischen Assays.
Translationale und präklinische Forschung
- Translationskontinuität: Der magnetische Kern aus Fe2O3 ermöglicht die Rückgewinnung und Wiederverwendung nach dem Experiment und unterstützt damit longitudinale präklinische Studien.
- Mechanistische Ent风险bewertung: Trennt plasmonische Erwärmung von Hintergrundverdampfung durch Massenverlustmessungen und erhöht so die Zielgenauigkeit.
- Krankheitsrelevante Systeme: Die Stabilität der Nanopartikel in wässrigen Medien ermöglicht die Modellierung physiologischer Bedingungen für Hyperthermie-Anwendungen.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode fügt sich in die Entdeckungskette von der Target-Validierung bis zur Leitsubstanz-Identifizierung ein, wobei plasmonische Erwärmung als mechanistischer Nachweis für die Wirkung von Verbindungen auf nanopartikel-funktionalisierte Systeme dient.
- Entdeckungsbiochemie: Unterstützt die Hypothesenprüfung, indem eine präzise, laserinduzierte thermische Modulation biologischer Umgebungen ermöglicht wird.
- Screening: Liefert reproduzierbare quantitative Ergebnisse (Temperaturanstieg >40 °C, Massenverlust) zur Bestätigung von Hits in photothermischen Screenings.
- Analytik: Das UV-Vis-Absorptionsmaximum bei 520 nm liefert einen plasmonischen Nachweis zur Überprüfung der Batch-Konsistenz und zur Charakterisierung von Nanopartikeln.
- Translationale Forschung: Die magnetische Rückgewinnung ermöglicht den nahtlosen Übergang von der Entdeckung zur präklinischen Validierung, indem die Wiederverwendung von Nanopartikeln unterstützt wird.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Das Protokoll verwendet eine wasser- und luftverträgliche Synthese und Standard-Laborausrüstung, was eine Übertragung auf verschiedene Plattformen erleichtert.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Verringert mechanistische Unschärfen in photothermischen Untersuchungen, indem plasmonische Erwärmung von Lösungsmittel-Effekten isoliert wird.
- Operativer Wert: Standardisierung durch abstimmbare Größe/Form/Ladung von Au und Reinigung mittels Zentrifugation gewährleistet Konsistenz von Charge zu Charge.
- Strategischer Wert: Kostengünstige Synthese verbessert die Kapitalnutzungseffizienz und ermöglicht Hochdurchsatz-Screenings ohne Aufwand für Edelmetalle.
- Portfolio-Wirkung: Risikoadjustierte Fortschrittsentscheidungen ergeben sich aus der Korrelation von Nanopartikeldesigns mit thermischen Leistungsschwellen.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse in der Synthese von Nanopartikeln und in plasmonischen Charakterisierungstechniken.
- Benötigt eine Lasersicherheitsinfrastruktur, IR-Thermoelemente, eine Analysenwaage und ein UV-Vis-Spektrometer.
- Erfordert die Standardisierung von Reaktantenkonzentrationen, Reduktionsmitteln und Tensiden für eine reproduzierbare Beladung mit Au.
- Die Anpassung an biologische Systeme kann eine Oberflächenfunktionalisierung erfordern, um Aggregation in komplexen Medien zu verhindern.
- Praktische Einschränkung: Messungen der Gesamttemperatur können die lokalisierte Oberflächenheizung an der Grenzfläche der Nanopartikel unterschätzen.
