Stabile wässrige Suspensionen von Manganferritclustern mit abstimmbarer nanoskaliger Dimension und Zusammensetzung

In diesem Video stellen wir die Synthese von superparamagnetischen Manganferrit-Nanoclustern vor. Wir berichten über eine hydrothermale Ein-Topf-Synthese von Manganferritclustern oder MFCs, die eine unabhängige Kontrolle sowohl über die primäre Nanokristall- und Clusterdimension als auch über das Eisen-Mangan-Verhältnis bietet. Die magnetische Trennung ermöglicht eine schnelle Probenreinigung, während die Funktionalisierung mit einem sulfonierten Polymer sicherstellt, dass die Materialien auch in biologisch relevanten wässrigen Lösungen nicht aggregieren.

Die daraus resultierenden Produkte sind für Anwendungen in der Biotechnologie und Medizin gut positioniert. Waschen und trocknen Sie alle Glaswaren, die bei der Synthese verwendet werden sollen, gründlich. Die Wassermenge in der Synthese beeinflusst die Abmessungen der MFCs.

Daher ist es wichtig sicherzustellen, dass die Glaswaren kein Restwasser enthalten. Um die Glaswaren zu waschen, mit Wasser und Reinigungsmittel abspülen und mit einer FLAS-Bürste schrubben, um Ablagerungen zu entfernen. Gründlich abspülen, um das gesamte Reinigungsmittel zu entfernen, und mit der Spülung von entionisiertem Wasser abschließen.

Spülen Sie die mit Polyphenol ausgekleideten Reaktoren mit 37% Salzsäure aus, um Ablagerungen aus dem vorherigen Gebrauch zu entfernen. Legen Sie dazu die Reaktoren und ihre Kappen in ein großes Becherglas und füllen Sie es mit Salzsäure, bis die Reaktoren vollständig untergetaucht sind. Lassen Sie dies 30 Minuten ruhen, bevor Sie die Salzsäure ausgießen.

Spülen Sie das Becherglas mit den Reaktoren kontinuierlich für ein bis zwei Minuten mit Wasser ab und stellen Sie die Reaktoren dann zum Trocknen in den Ofen. Verwenden Sie eine automatische Pipette, um 20 Milliliter Ethylenglyko in ein 50 Milliliter-Becherglas mit einem magnetischen Rührstab zu geben. Gewichten Sie die erforderliche Menge an Eisenchlorid, um eine Endkonzentration von 1,3 Millimol zu erreichen, und geben Sie sie dem Becherglas hinzu.

Legen Sie das Becherglas auf eine Rührplatte und schalten Sie es mit 480 U / min ein, um mit dem kontinuierlichen Rühren des Becherglases zu beginnen. Wiegen Sie 250 Milligramm Polyacrylsäure und geben Sie sie in das Becherglas. Nach der Zugabe von PAA wird die Lösung undurchsichtig und etwas heller in der Farbe.

Wiegen Sie 1,2 Gramm Harnstoff und geben Sie ihn in den Becher. Mit einer Pipette 0,7 Millimolar-Manganchlorid in das Becherglas geben. Zum Schluss mit der Pipette die erforderliche Menge an ultrareinem Wasser in das Becherglas geben.

Lassen Sie die Lösung dreißig Minuten lang umrühren und bemerken Sie die Farbveränderung. Es wird als durchscheinende dunkelorange Farbe präsentiert. Übertragen Sie das Reaktionsgemisch in den PPL-Reaktor.

Beachten Sie, dass sich nach dem Rühren der Lösung einige Feststoffe an den Seiten des Becherglases angesammelt haben können. Verwenden Sie einen Magneten, um den Rührstab um die Wände des Becherglases zu ziehen, um sicherzustellen, dass alle Feststoffe, die sich an den Seiten angesammelt haben, in die Reaktionslösung verteilt werden. Sobald die Lösung gemischt und fertig ist, übertragen Sie sie in den 50 Milliliter PPL ausgekleideten Reaktor.

Verwenden Sie eine Klemme und einen Hebel, um den Reaktor im Edelstahlautoklaven so fest wie möglich abzudichten. Klemmen Sie den Reaktorbehälter an eine stabile Oberfläche und setzen Sie ihn mit einem Stab als Hebel in die Kappe ein, drücken Sie den Reaktor zum Abdichten. Beachten Sie, dass der versiegelte Reaktor nicht von Hand geöffnet werden kann.

Dies ist von entscheidender Bedeutung, da die Hochdruckumgebung des Ofens eine dichte Abdichtung des Reaktors erfordert. Stellen Sie einen Reaktor für 20 Stunden bei 215 Grad Celsius in einen Ofen. Nachdem die hydrothermale Reaktion abgeschlossen ist, entfernen Sie den Reaktor aus dem Ofen und lassen Sie ihn auf Raumtemperatur abkühlen.

Der Druck des Ofens ermöglicht es, den Reaktor von Hand zu öffnen. Beachten Sie, dass der Reaktor zu diesem Zeitpunkt das MFC-Produkt enthält, das in Ethylenglykol mit anderen Verunreinigungen, wie z. B. nicht umgesetztem Polymer, dispergiert ist. Und wird eine undurchsichtige schwarze Lösung sein.

Das produkt isoliert in den folgenden Schritten. Geben Sie 200 Milligramm Stahlwolle in eine Glasfläschchen. Füllen Sie die Glasfläschchen zur Hälfte mit dem Reaktionsgemisch aus dem Reaktor.

Den Rest der Durchstechflasche mit Aceton füllen und gut schütteln. Beachten Sie, dass die Stahlwolle die Magnetfeldstärke in der Durchstechflasche erhöht und die magnetische Trennung der Nanocluster von der Lösung unterstützt. Legen Sie die Durchstechflasche auf einen Magneten, damit eine magnetische Sammlung stattfindet.

Das Ergebnis ist eine transluzente Lösung mit Niederschlag an der Unterseite. Gießen Sie die überstehende Lösung ab, während die MFCs magnetisch von der Stahlwolle eingeschlossen werden, indem Sie den Magneten während des Gießens an den Boden der Durchstechflasche halten. Ethylenglykol wird in diesem Schritt größtenteils entfernt.

Beginnen Sie mit dem Waschen mit dem geringen Verhältnis von Aceton zu Wasser und erhöhen Sie das Verhältnis in nachfolgenden Wäschen, bis es rein ist. Tun Sie dies drei- bis viermal. Entfernen Sie die Durchstechflasche vom Magneten und füllen Sie sie mit Wasser.

Gut schütteln, um die MFCs aufzulösen. Jetzt wird das Produkt vollständig in Wasser dispergiert. Wiederholen Sie die beiden vorherigen Schritte mehrmals, bis die wässrige Lösung der MFCs beim Schütteln keine Blasen mehr erzeugt.

Das Ergebnis wird ein dunkles undurchsichtiges Ferrofluid sein, das stark auf Magnete reagiert. Um unsere Cluster stabil zu halten, modifizieren wir sie mit einem Copolymer, PAA-co-AMPS-co-PEG, das sowohl sterische als auch elektrostatische Abstoßung bietet. Die Sulfonatgruppe der AMPS-Einheiten sorgt für Ladungsstabilisierung, während die PEG-Einheit die Intercluster-Aggregation sterisch behindert.

Insgesamt bleiben die modifizierten Cluster auch unter verschiedenen rauen Bedingungen stabil. Kombinieren Sie 10 Milliliter gereinigte Nanopartikel in einer 20 Milliliter-Durchstechflasche mit 10 Milliliter gesättigter Nitra-Dopaminlösung. Warten Sie fünf Minuten.

Waschen Sie die mit Nitra Dopamin beschichteten MFCs mittels magnetischer Trennung. Gießen Sie den blassgelben Überstand aus. Wasser hinzufügen und kräftig schütteln.

Gießen Sie dann Wasser mit dem Magneten aus, um das Produkt zurückzuhalten. Wiederholen Sie diese Wäsche mehrmals und lassen Sie die dunkelbraune Sammlung in der Durchstechflasche. Mischen Sie einen Milliliter EDC-Lösung, einen Milliliter MES-Puffer und drei Milliliter Polymerlösung.

Die Mischung leicht umrühren und ca. fünf Minuten ruhen lassen. Es sollte eine klare und farblose Lösung sein, wenn es vollständig kombiniert wird. Fügen Sie diese Mischung der MFC-Sammlung hinzu und legen Sie die Durchstechflasche in ein Eisbad.

Senken Sie den Sondenschallgerät in die Lösung und schalten Sie ihn dann ein. Nach einer fünfminütigen Ultraschallbehandlung geben Sie etwa fünf Milliliter ultrareines Wasser in die Durchstechflasche, während der Ultraschallgerät noch läuft. Überwachen Sie das Schiff weiter, um sicherzustellen, dass kein Produkt verschüttet wird.

Halten Sie das Eis in der Eiswassermischung, da ein Teil des anfänglichen Eises aufgrund der Intensität und Hitze der Beschallung schmilzt. Lassen Sie die Mischung für weitere 25 Minuten für insgesamt 30 Minuten beschallen. Legen Sie die Durchstechflasche auf einen Magneten, um die MFCs zu trennen, und gießen Sie die überstehende Lösung aus.

Waschen Sie die modifizierten MFCs mehrmals mit entionisiertem Wasser. Füllen Sie die Durchstechflasche mit den MFCs mit hochreinem Wasser. Pipettieren Sie diese Flüssigkeit in ein Vakuumfiltrationssystem mit einem 0,1 Mikron Polyethersulfat-Membranfilter, um irreversibel aggregierte MFCs zu entfernen.

Stellen Sie sicher, dass Sie die Wände des Trichters spülen, um den Verlust des Produkts zu minimieren. Vakuumfilter die Lösung. Wiederholen Sie diesen Vorgang zwei- bis dreimal.

Das Ergebnis wird eine gereinigte wässrige Lösung aus monodispersen MFCs sein. MFCs, die isoliert werden, wenn die magnetische Trennmethode eine höhere Monodispersität aufweist als diejenigen, die mit Ultrazentrifugation getrennt sind, wie hier gezeigt. Hier sehen wir TEM-Bilder von gereinigten Nanoclustern, in der Reihenfolge des zunehmenden durchschnittlichen Clusterdurchmessers.

Bezeichnet als DC.Die Wassermenge, die in der anfänglichen Reaktionsmischung zugesetzt wird, bestimmt den Durchmesser der Nanocluster. Die Zugabe von mehr Wasser in der Reaktion führt zu Nanoclustern mit kleineren Durchmessern, während weniger Wasser ihre Durchmesser erhöht. Auf diese Weise hat der Experimentator die Kontrolle über die Größe des Nanoclusterprodukts.

Hier sehen wir TEM-Bilder von Nanoclustern in der Reihenfolge des zunehmenden Mangan-Eisen-Molar-Verhältnisses. Das Verhältnis von Mangan- zu Eisenvorläufern im anfänglichen Reaktionsgemisch bestimmt das molare Verhältnis der Metalle im Clusterprodukt. Eine Erhöhung des Mangan-Eisen-Verhältnisses in der Synthese erhöht dieses Verhältnis in den Clustern und umgekehrt.

Im Gegensatz dazu zeigen die folgenden TEM-Bilder Proben mit unregelmäßigen Morphologien. Wie im linken Bild gezeigt, wurde der aus der Form geratene, verschüttet aussehende Cluster unter Ausschluss von zusätzlichem Wasser erzeugt. Dies behindert den dynamischen Zusammenbau der primären Nanokristalle, die noch keine Cluster gebildet haben.

Die Probe im Bild rechts hatte eine unzureichende Reaktionszeit, die für das wachstum und die Clusterreifung des primären Nanokristalls nicht ausreichte. Diese schlechten Ergebnisse zeigen, dass eine angemessene Menge des Reaktanden sowie reaktionszeit notwendig ist, um konstant erfolgreiche Ergebnisse zu erzielen. Hier platzieren wir ein Beispiel der ursprünglichen PAA-codierten Cluster im PBS-Puffer auf der linken Seite.

Auf der rechten Seite machen wir dasselbe mit einer äquivalenten Menge der modifizierten PAA co-AMPS-co-PEG kodierten Cluster. Beachten Sie die schnelle Aggregation der PAA-codierten Cluster, während die geänderten Cluster für eine lange Zeit stabil bleiben. Dies deutet auf die verbesserte kolloidale Stabilität infolge der Copolymercodierung hin.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Synthese die schnelle und effiziente Produktion von Manganferritclustern ermöglicht. Die Synthese erzeugt eine unabhängig abstimmbare Clusterdimension und -zusammensetzung, indem einfach das Verhältnis von Wasser und Mangan zu Eisenvorläufer gesteuert wird. Wir können diese Methode leicht modifizieren, um verschiedene, aber vorhersagbare magnetische Nanomaterialien zu erhalten.

Darüber hinaus erreichen die magnetischen Trenn- und Servicefunktionalisierungstechniken eine hohe Monodispersität bzw. eine starke Stabilität in biologischen Medien. Unsere Methode ermöglicht eine bessere Zugänglichkeit in der Clusterproduktion und eine breite Anwendung in einer Vielzahl von Bereichen.