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Bioengineering

Síntesis de nanopartículas de óxido de manganeso por descomposición térmica de manganeso(II) acetilacetonato

Published: June 18, 2020
doi:
10.3791/61572
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,
1Department of Chemical and Biomedical Engineering,West Virginia University

Summary

Este protocolo detalla una síntesis fácil de un solo papel de nanopartículas de óxido de manganeso (MnO) por descomposición térmica de acetilacetona de manganeso(II) en presencia de oleilamina y éter de dibenzilo. Las nanopartículas MnO se han utilizado en diversas aplicaciones, incluyendo imágenes por resonancia magnética, biodesefacción, catálisis, baterías y tratamiento de aguas residuales.

Abstract

Para aplicaciones biomédicas, las nanopartículas de óxido metálico como el óxido de hierro y el óxido de manganeso (MnO) se han utilizado como biosensores y agentes de contraste en la resonancia magnética (RM). Mientras que las nanopartículas de óxido de hierro proporcionan un contraste negativo constante en la RMN sobre los períodos de tiempo experimentales típicos, MnO genera contraste positivo conmutable en la RMN a través de la disolución de MnO a Mn2+ a pH bajo dentro de los endosomas celulares para “encender” el contraste de LA RMN. Este protocolo describe una síntesis de una sola olla de nanopartículas MnO formada por la descomposición térmica del acetilcetono de manganeso(II) en oleilamina y éter de dibenzilo. Aunque ejecutar la síntesis de nanopartículas MnO es simple, la configuración experimental inicial puede ser difícil de reproducir si no se proporcionan instrucciones detalladas. Por lo tanto, el conjunto de cristalería y tubos se describe primero a fondo para permitir que otros investigadores reproduzcan fácilmente la configuración. El método de síntesis incorpora un controlador de temperatura para lograr una manipulación automatizada y precisa del perfil de temperatura deseado, lo que afectará al tamaño y la química de las nanopartículas resultantes. El protocolo de descomposición térmica se puede adaptar fácilmente para generar otras nanopartículas de óxido metálico (por ejemplo, óxido de hierro) e incluir disolventes orgánicos alternativos y estabilizadores (por ejemplo, ácido oleico). Además, la relación entre disolvente orgánico y estabilizador se puede cambiar para seguir impactar las propiedades de las nanopartículas, que se muestra en este documento. Las nanopartículas MnO sintetizadas se caracterizan por su morfología, tamaño, composición a granel y composición superficial a través de microscopía electrónica de transmisión, difracción de rayos X y espectroscopia infrarroja de transformación de Fourier, respectivamente. Las nanopartículas MnO sintetizadas por este método serán hidrófobas y deben manipularse aún más a través del intercambio de ligandos, encapsulación polimérica o taponamiento lipídico para incorporar grupos hidrófilos para la interacción con fluidos biológicos y tejidos.

Introduction

Las nanopartículas de óxido metálico poseen propiedades magnéticas, eléctricas y catalíticas, que se han aplicado en la bioimagen1,2,3, tecnologías de sensores4,5, catálisis6,7,8, almacenamiento de energía9, y purificación de agua10. Dentro del campo biomédico, las nanopartículas de óxido de hierro y las nanopartículas de óxido de manganeso (MnO) han demostrado utilidad como agentes de contraste en la resonancia magnética (RM)1,,2. Las nanopartículas de óxido de hierro producen un contraste negativo robusto en la RMN T2* y son lo suficientemente potentes como para visualizar células etiquetadas individuales in vivo11,12,,13; sin embargo, la señal de RMN negativa no se puede modular y permanece “ON” durante toda la duración de los experimentos típicos. Debido al hierro endógeno presente en el hígado, la médula ósea, la sangre y el bazo, el contraste negativo generado a partir de nanopartículas de óxido de hierro puede ser difícil de interpretar. Las nanopartículas MnO, por otro lado, responden a una caída del pH. La señal de RMN para nanopartículas MnO puede pasar de “OFF” a “ON” una vez que las nanopartículas se internalizan dentro de los endosomas de pH bajo y lisosomas de la célula diana, como una célula cancerosa14,15,16,17,18,19. El contraste positivo en la RMN T1 producido desde la disolución de MnO hasta Mn2+ a pH bajo es inconfundible y puede mejorar la especificidad de la detección de cáncer al iluminarse únicamente en el sitio objetivo dentro de un tumor maligno. El control sobre el tamaño, la morfología y la composición de las nanopartículas es crucial para lograr la máxima señal de RMN a partir de nanopartículas MnO. En este documento, describimos cómo sintetizar y caracterizar nanopartículas MnO utilizando el método de descomposición térmica y observamos diferentes estrategias para ajustar las propiedades de las nanopartículas alterando variables en el proceso de síntesis. Este protocolo se puede modificar fácilmente para producir otras nanopartículas magnéticas como nanopartículas de óxido de hierro.

Las nanopartículas MnO han sido producidas por una variedad de técnicas incluyendo la descomposición térmica20,,21,22,23,24,25, hidro/solvothermal26,27,28,29, exfoliante30,31,32,33,34, reducción de permanganatos35,36,37,38, y adsorción-oxidación39,40,41,42. La descomposición térmica es la técnica más utilizada que consiste en disolver precursores de manganeso, disolventes orgánicos y agentes estabilizadores a altas temperaturas (180 – 360 oC) bajo la presencia de una atmósfera gaseosa inerte para formar nanopartículas MnO43. De todas estas técnicas, la descomposición térmica es el método superior para generar una variedad de nanocristales MnO de fase pura (MnO, Mn3O4 y Mn2O3)con una distribución de tamaño estrecho. Su versatilidad se destaca a través de la capacidad de controlar estrechamente el tamaño, la morfología y la composición de las nanopartículas alterando el tiempo de reacción44,45,46, temperatura44,47,48,48, tipos / ratios de reactivos20,45,47,48,50 y gas inerte47,48,50 utilizados. Las principales limitaciones de este método son el requisito de altas temperaturas, la atmósfera libre de oxígeno y el recubrimiento hidrófobo de las nanopartículas sintetizadas, que requiere una mayor modificación con polímeros, lípidos u otros ligandos para aumentar la solubilidad para aplicaciones biológicas14,,51,,52,,53.

Además de la descomposición térmica, el método hidro/solvotermal es la única otra técnica que puede producir una variedad de fases MnO incluyendo MnO, Mn3O4y MnO2; todas las demás estrategias sólo forman productos MnO2. Durante la síntesis hidro/solvotermal, precursores como el estearato Mn(II)54,55 y Mn(II) acetato27 se calientan a entre 120-200 oC durante varias horas para lograr nanopartículas con una distribución de tamaño estrecho; sin embargo, se requieren recipientes de reacción especializados y las reacciones se realizan a altas presiones. Por el contrario, la estrategia de exfoliación implica el tratamiento de un material en capas o a granel para promover la disociación en capas individuales 2D. Su principal ventaja está en la producción de nanohojas MnO2, pero el proceso de síntesis es largo que requiere varios días y el tamaño resultante de las hojas es difícil de controlar. Alternativamente, permanganatos como KMnO4 pueden reaccionar con agentes reductores como el ácido oleico56,57, óxido degrafeno 58 o poli(clorhidrato de alilamina)59 para crear nanopartículas MnO2. El uso de KMnO4 facilita la formación de nanopartículas a temperatura ambiente durante unos minutos o horas en condiciones acuosas43. Desafortunadamente, la síntesis rápida y el crecimiento de las nanopartículas hacen que sea difícil controlar con tarifas el tamaño resultante de las nanopartículas. Las nanopartículas MnO2 también se pueden sintetizar utilizando adsorción-oxidación mediante la cual los iones Mn2+ se adsorben y se oxidan a MnO2 por oxígeno en condiciones básicas. Este método producirá pequeñas nanopartículas MnO2 con una distribución de tamaño estrecho a temperatura ambiente durante varias horas en medios acuosos; sin embargo, el requisito de adsorción de iones Mn2+ y condiciones alcalinas limita su aplicación generalizada43.

De los métodos de síntesis de nanopartículas MnO discutidos, la descomposición térmica es la más versátil para generar diferentes nanocristales monodispersos de fase pura con control sobre el tamaño, la forma y la composición de las nanopartículas sin necesidad de recipientes de síntesis especializados. En este manuscrito, describimos cómo sintetizar nanopartículas MnO por descomposición térmica a 280 oC utilizando el acetilcetonato de manganeso (II) (Mn(II) ACAC) como la fuente de iones Mn2+, oleilamina (OA) como agente reductor y estabilizador, y éter de dibenzil (DE) como disolvente bajo una atmósfera de nitrógeno. La configuración de cristalería y tubos para la síntesis de nanopartículas se explica en detalle. Una ventaja de la técnica es la inclusión de un controlador de temperatura, sonda termopar y manto de calentamiento para permitir un control preciso sobre la velocidad de calentamiento, la temperatura máxima y los tiempos de reacción a cada temperatura para ajustar el tamaño y la composición de las nanopartículas. Aquí, mostramos cómo el tamaño de las nanopartículas también se puede manipular cambiando la proporción de OA a DE. Además, demostramos cómo preparar muestras de nanopartículas y medir el tamaño de las nanopartículas, la composición a granel y la composición de la superficie mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (RDX) y espectroscopia infrarroja de transformación de Fourier (FTIR), respectivamente. Se incluyen más instrucciones sobre cómo analizar las imágenes y espectros recopilados de cada instrumento. Para generar nanopartículas MnO de forma uniforme, debe estar presente un estabilizador y un flujo de nitrógeno adecuado; XRD and TEM results are shown for undesired products formed in the absence of OA and under low nitrogen flow. En la sección Discusión, destacamos los pasos cruciales en el protocolo, las métricas para determinar la síntesis exitosa de nanopartículas, la variación adicional del protocolo de descomposición para modificar las propiedades de las nanopartículas (tamaño, morfología y composición), la solución de problemas y las limitaciones del método, y las aplicaciones de las nanopartículas MnO como agentes de contraste para la imagen biomédica.

Protocol

1. Vidrio y montaje de tubos – que se realizarán sólo la primera vez NOTA: La Figura 1 muestra la configuración experimental para la síntesis de nanopartículas MnO con conexiones de tubo numeradas. La figura S1 muestra la misma configuración con los componentes principales de cristalería etiquetados. Si hay un desajuste entre el tubo resistente a productos químicos y el tamaño de conexión de vidrio, cubra primero la conexión de vidrio con una pieza corta de tubo más pequeño antes de agregar el tubo resistente a productos químicos para que las conexiones se ajusten. Asegure el tanque de nitrógeno sin aire a la pared cerca de una campana de humo químico utilizando restricciones de correa aprobadas. Agregue el regulador de nitrógeno adecuado al tanque.ADVERTENCIA: Los cilindros de gas deben estar bien asegurados, ya que pueden ser muy peligrosos si se inclinan. Llene la columna de secado de gas con desecante. Adjunte tubos resistentes a productos químicos desde el regulador de nitrógeno sin aire a la entrada inferior de la columna de secado de gas (#1 en la Figura 1). Asegure el colector de vidrio que contiene al menos 2 llaves de salida en la parte superior de la campana de humo utilizando dos abrazaderas de garra metálica. Fije tubos resistentes a productos químicos desde la salida de la columna de secado de gas (#2 de la Figura 1)a la entrada del colector (#3 en la Figura 1). Coloque y asegure 3 burbujas de aceite mineral en la campana de humos utilizando abrazaderas de garra metálicas de acuerdo con la Figura 1. Pon dos burbujas a la izquierda y un burbujeador a la derecha. Llene el burbujeador más a la izquierda (por #9 en la Figura 1) con la menor cantidad de aceite de silicona (1 pulgada de aceite de la parte inferior del burbujeador). Llene el burbujeador medio (por #7,8 en la Figura 1)con una cantidad media de aceite de silicona (1,5 pulgadas de aceite desde la parte inferior del burbujeador). Llene el burbujeador más a la derecha (por #11 en la Figura 1) con la mayor cantidad de aceite de silicona (2 pulgadas de aceite de la parte inferior del burbujeador).NOTA: La cantidad relativa de aceite de silicona entre los burbujeadores minerales es muy importante para lograr el flujo adecuado del gas nitrógeno libre de aire a través del sistema. No añada demasiado aceite (más de 2,5 pulgadas), ya que el aceite se propagará durante la reacción y puede salir de los burbujeadores si se llena en exceso. Conecte la salida de la llave derecha del colector (#4 de la Figura 1)al extremo roscado de un adaptador de codo de vidrio (#5 en la Figura 1) utilizando tubos resistentes a productos químicos. Fije el extremo roscado de otro adaptador de codo de vidrio (#6 de la Figura 1)a la entrada del burbujeador medio (#7 en la Figura 1) utilizando tubos resistentes a productos químicos. Conecte la salida del burbujeador central (#8 de la Figura 1)a la entrada del burbujeador más a la izquierda (#9 en la Figura 1) utilizando tubos resistentes a productos químicos. Conecte la salida de la llavero izquierdo del colector (#10 de la figura 1)a la entrada del burbujeador situado más a la derecha (#11 en la figura 1). Deje la configuración preliminar en la campana de humo si el espacio se acomoda. Asegure los dos adaptadores de codo de vidrio con tubos conectados (#5,6 en la Figura 1)a la celosía metálica en la campana de humo cuando el experimento no está funcionando. 2. Configuración de equipos y cristalería – que se realizará durante cada experimento ADVERTENCIA: Todos los pasos que implican disolventes requieren el uso de una campana de humo químico, así como un equipo de protección personal (EPP) adecuado, incluyendo gafas de seguridad, bata de laboratorio y guantes. La configuración de fabricación de nanopartículas debe montarse en la campana de humos. Coloque la placa de agitación en la campana de humo y coloque el manto de calentamiento encima de la placa de agitación.NOTA: El manto de calentamiento debe ser capaz de soportar temperaturas superiores a 300 oC. Coloque el matraz inferior redondo de 4 cuellos de 500 ml en el manto de calentamiento y fije el cuello medio con una abrazadera de garra metálica. Agregue una barra de agitación magnética al matraz inferior redondo. Coloque el embudo de vidrio en el cuello medio del matraz inferior redondo. Compruebe el colector: asegúrese de que el llavero de seguridad (#10 en la figura 1) y el tapón de entrada (#4 en la figura 1) estén abiertos.ADVERTENCIA: El tapón de seguridad debe estar abierto en todo momento para asegurar que no se acumule presión en el sistema. Si el llavero está cerrado, puede producirse una explosión. Pesar 1,51 g de acetilacetona de manganeso(II) (Mn(II) ACAC) y colocar dentro del matraz inferior redondo utilizando el embudo de vidrio. Añadir 20 ml de oleilamina y 40 ml de éter de dibenzilo al matraz inferior redondo utilizando una pipeta de vidrio y el embudo de vidrio. Retire el embudo y límpielo con hexano.ADVERTENCIA: El experimento se puede escalar verticalmente (por ejemplo, 2 veces), pero se recomienda ser conservador cuando se utilizan cantidades mayores de reactivos. Mayores cantidades de reactivos podrían hacer que la reacción se vuelva menos estable, y por lo tanto peligroso. Fije el condensador al cuello izquierdo del matraz inferior redondo y asegure el condensador con una abrazadera de garra metálica. Agregue el adaptador de codo de vidrio (#6 en la Figura 1) en la parte superior del condensador.NOTA: El adaptador debe estar conectado con tubos resistentes a productos químicos al burbujeador de aceite mineral medio (#7 en la Figura 1). Conecte el tubo compatible con el agua de la boquilla de salida de agua en la campana de humo (#12 de la figura 1)a la entrada del condensador (#13 en la figura 1). Utilice también tubos compatibles con el agua para conectar la salida del condensador (#14 en la figura 1)al drenaje en la campana de humo (#15 en la figura 1). Fije el tubo a las conexiones del condensador (#13,14 en la Figura 1) con abrazaderas de manguera metálicas de engranajes de gusano entrelazados. Añade la trampa de rotovap al cuello derecho del matraz inferior redondo. Coloque el adaptador de codo de vidrio (#5 en la Figura 1)en la parte superior de la trampa de rotovap.NOTA: El adaptador debe estar conectado con tubos resistentes a productos químicos a la salida del colector del tapón derecho (#4 en la figura 1). Fije el tapón de goma al cuello medio del matraz inferior redondo y dóblelo para que los lados cubran el cuello del matraz. Añada los clips de junta cónica de plástico (4 clips verdes en la Figura 1)para asegurar las siguientes conexiones de cuello de cristalería: adaptador de codo y trampa de rotovap, trampa de rotovap y matraz inferior redondo, matraz y condensador de fondo redondo, y adaptador de condensador y codo. Coloque la sonda de temperatura en el cuello más pequeño en el matraz inferior redondo, apretando y asegurando la sonda con la tapa del cuello y la junta tórica. Selle la conexión con la película de plástico de parafina.NOTA: Asegúrese de que la sonda de temperatura esté sumergida dentro de la mezcla fluida, pero no toque la parte inferior del vidrio. Si la sonda está en contacto con la superficie de vidrio, la temperatura medida será inexacta en comparación con la temperatura del fluido real, lo que hará que el controlador de temperatura proporcione una cantidad incorrecta de calor a la reacción. Conecte la sonda de temperatura a la entrada del controlador de temperatura. Conecte el manto de calentamiento a la salida del controlador de temperatura. Encienda la placa de agitación y comience a agitar vigorosamente. Abra el tanque de nitrógeno sin aire y comience lentamente a fluir nitrógeno hacia el sistema (esto eliminará el aire). Ajuste el flujo de nitrógeno utilizando el regulador hasta que se forme un flujo lento constante de burbujas en el burbujeador de aceite mineral medio (#7 en la Figura 1). Encienda el agua fría en la campana de humo (#12 en la Figura 1) al condensador y compruebe que no haya fugas de agua del tubo. Coloque la faja de la campana de humo hacia abajo antes de que comience la reacción. 3. Síntesis de nanopartículas Encienda el controlador de temperatura (alimentación y fuente de calefacción) para iniciar la reacción. Observar y registrar el color de la mezcla de reacción en cada etapa. La reacción comenzará como un color marrón oscuro en las etapas 1 a 3 y se volverá verde durante la etapa 4.NOTA: Cada controlador de temperatura funcionará de manera diferente. Asegúrese de utilizar el manual y el programa correctos. Etapa 1: Observe la pantalla del controlador de temperatura para confirmar que la temperatura aumenta de la temperatura ambiente a 60 oC durante 30 min. Etapa 2: Asegúrese de que el controlador de temperatura se estabilice a 60 oC durante 1 min mientras se prepara para una velocidad de calentamiento más rápida en la etapa 3. Etapa 3: Compruebe la visualización del controlador de temperatura a medida que la temperatura sube a 280 oC a 10 oC por minuto durante 22 min. Asegúrese de que el flujo de agua a través del condensador es suficiente, ya que la mezcla comenzará a evaporarse durante esta etapa. Etapa 4: Confirme que el controlador de temperatura muestra una temperatura de reacción constante de 280 oC durante 30 min. Observe el cambio de color de reacción a un tono verde, lo que indica la formación de MnO. Una vez que la reacción alcance los 280 oC, apague el tanque de nitrógeno y cierre el tapón derecho para la entrada de la reacción en el colector (#4 en la Figura 1).ADVERTENCIA: Mantenga abierto el llave de seguridad (#10 de la Figura 1). Etapa 5: Compruebe la pantalla del controlador de temperatura para asegurarse de que la calefacción se detiene automáticamente. Mantenga la sonda de temperatura dentro (no abra el matraz inferior redondo) y espere hasta que la temperatura alcance la temperatura ambiente para proceder con la recolección de nanopartículas.ADVERTENCIA: El matraz estará extremadamente caliente. Se deben usar guantes resistentes al calor para quitar el manto de calentamiento si se desea una velocidad de enfriamiento más rápida.NOTA: El protocolo se puede pausar aquí. 4. Colección de nanopartículas Apague el controlador de temperatura, la placa de agitación y el agua fría. Retire el tubo compatible con el agua del condensador, el grifo de agua en la campana de humo y el drenaje. Retire todos los clips de plástico cónicos de las conexiones de cristalería. Retire los adaptadores de codo de vidrio de la trampa de rotovap (#5 de la figura 1)y del condensador (#6 en la figura 1). Fije los adaptadores de codo a la celosía de metal en la campana para utilizar para un experimento futuro. Separe el condensador y la trampa de rotovap del matraz inferior redondo y enjuague el interior del condensador y la trampa de rotovap con hexano. Retire el tapón de goma y la sonda de temperatura, y limpie con 70% de etanol. Vierta la solución de nanopartículas MnO del matraz inferior redondo en un vaso de precipitados limpio de 500 ml. Utilice hexano (5 ml) para enjuagar el matraz inferior redondo y añadir el hexano con nanopartículas MnO residuales en el vaso de precipitados de 500 ml.NOTA: Hexano resuspenderá las nanopartículas MnO, mientras que 200 etanol a prueba actuarán como el agente precipitante. Observe el volumen actual de la mezcla de nanopartículas MnO. Añadir 200 etanol a prueba a la mezcla de nanopartículas MnO utilizando una relación de volumen de 2:1 (por ejemplo, añadir 150 ml de etanol si la mezcla de nanopartículas es de 75 ml). Vierta la mezcla de nanopartículas por igual en cuatro tubos centrífugos, alrededor de 3/4 llenos. Atornillar las tapas apropiadas. Compruebe que los niveles de líquido estén equilibrados.NOTA: Cualquier mezcla de nanopartículas adicionales se añadirá a los tubos en la siguiente ronda de centrifugación. Centrifugar nanopartículas durante 10 min a 17.400 x g a 10oC.NOTA: Se pueden utilizar tiempos de centrifugación más largos y/o velocidades de centrifugación más altas para aumentar la recolección de fracciones de nanopartículas más pequeñas, pero se puede aumentar la agregación de nanopartículas. Deseche el sobrenadante en un vaso de residuos, teniendo cuidado de no molestar el pellet. Si es necesario, utilice una pipeta de transferencia para recoger el sobrenadante.NOTA: Es normal que las primeras rondas de centrifugación produzcan un sobrenadante de color marrón. El sobrenadante debe ser marrón y claro, pero no nublado. Cualquier nubosidad indica que las nanopartículas todavía están presentes en el sobrenadante. Si el sobrenadante está nublado, centrifuga los tubos de nuevo antes de desechar el sobrenadante; centrifugar de nuevo reducirá la pérdida de las nanopartículas sintetizadas, pero puede causar más aglomeración. Añadir 5 ml de hexano y cualquier solución de nanopartícula adicional que quede a cada tubo centrífuga que contenga los pellets de nanopartículaS MnO. Resuspender las nanopartículas usando un sonicador de baño y/o vórtice. Continúe hasta que la solución se nubla y el pellet desaparezca, lo que indica una resuspensión exitosa de nanopartículas. Agregue más etanol a prueba de 200 a los tubos de centrífuga hasta 3/4 llenos. Repita los pasos 4.8-4.10. A continuación, combine las nanopartículas resuspendidas de cuatro tubos centrífugos a dos tubos de centrífuga. A continuación, repita el paso 4.11. Repita los pasos 4.8-4.10 una vez más, lo que hará un total de tres lavados con hexano y 200 etanol a prueba. No añada etanol a prueba de 200 a los tubos centrífugos. Combine y transfiera las nanopartículas MnO resuspendidas en hexano en un vial de centelleo de vidrio preestreado de 20 ml. Deje la tapa del vial apagada para permitir que el hexano se evapore durante la noche en la campana de humos. Al día siguiente, transfiera el vial de centelleo de vidrio descubierto que contiene las nanopartículas a un horno de vacío. Mantenga la tapa del vial en un lugar seguro fuera del horno. Secar las nanopartículas a 100oC durante 24 horas. Una vez que las nanopartículas se secan, utilice una espátula para romper el polvo dentro del vial. Pesar el vial que contiene nanopartículas MnO secas y restar el peso conocido del vial de centelleo de vidrio para determinar el rendimiento de la nanopartícula.ADVERTENCIA: Las nanopartículas secas pueden pasar fácilmente al aire libre y deben ser manejadas por personal utilizando un respirador de partículas como N95 o P100. Almacene las nanopartículas a temperatura ambiente dentro del vial de centelleo de vidrio con la tapa puesta. Envuelva la tapa con película de plástico de parafina. 5. Tamaño de nanopartículas y morfología superficial (TEM) Pulverizar las nanopartículas MnO en un polvo delgado usando un mortero y un mortero. Añadir 5 mg de nanopartículas MnO a un tubo de centrífuga cónica de 15 ml. Añadir 10 ml de etanol a prueba de 200.NOTA: El etanol a prueba de 200 se evapora rápidamente para obtener una propagación más homogénea de nanopartículas en la red TEM. Otro disolvente podría tener una mejor suspensión de nanopartículas, pero tardaría más en evaporarse, y debido a la tensión superficial, las nanopartículas se acumularían en los bordes de las rejillas TEM. Bónico de baño la mezcla de nanopartículas durante 5 minutos o hasta la resuspensión completa de las nanopartículas. Inmediatamente después de la resuspensión, agregue tres gotas de 5 l de la mezcla de nanopartículas en una película de soporte de rejilla de cobre de 300 mallas de carbono tipo B. Dejar secar al aire. Utilice pinzas inversas para facilitar la preparación de la muestra. Coloque la rejilla en las pinzas con el lado más oscuro hacia arriba antes de agregar las gotas que contienen nanopartículas.NOTA: Las rejillas son frágiles, así que tenga cuidado de no doblar y dañar las rejillas para una mejor toma de imágenes. Una vez secas, las rejillas deben mantenerse dentro de las cajas de almacenamiento de red TEM disponibles comercialmente para su protección. Evaluar la forma y el tamaño de las nanopartículas mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). Aplique parámetros típicos para TEM, incluyendo una resistencia de haz de 200 kV, un tamaño de punto de 1 y un aumento de 300x. Recoger imágenes en áreas de la red donde se distribuyen uniformemente suficientes nanopartículas (10 – 30 nanopartículas). Evite las áreas que contienen agregaciones de nanopartículas, ya que no se puede realizar un tamaño preciso si las nanopartículas no están visiblemente separadas. Iimage áreas de diferentes cuadrados de rejilla para asegurar una distribución uniforme. Para una distribución óptima del tamaño, tome entre 25 – 30 imágenes de cada muestra para obtener un tamaño de muestra suficiente. 6. Análisis cuantitativo del diámetro de las nanopartículas Para analizar las imágenes de TEM con ImageJ, abra primero una de las imágenes haciendo clic en Archivo . Abrir. Seleccione la imagen deseada y haga clic en Abrir. Para calibrar la medida de distancia en ImageJ de píxeles a nanómetros, primero haga clic en la herramienta de línea recta. Mantenga pulsada la tecla Mayús y trace la longitud de la barra de escala. A continuación, haga clic en Analizar . Establecer escala. En la ventana emergente Establecer escala, escriba la medida de la barra de escala verdadera en el cuadro Distancia conocida (por ejemplo, escriba 50 si la barra de escala es 50 nm). Cambie la unidad de longitud a las unidades correspondientes (por ejemplo, tipo nm para nanómetros). Active la casilla Global para mantener la escala coherente en todas las imágenes y haga clic en Aceptar. Después de ajustar la escala, utilice la herramienta de línea recta para trazar el diámetro de una nanopartícula. A continuación, haga clic en Analizar . Mida o haga clic en Ctrl+M teclas. Busque una ventana emergente de resultados para que aparezca con información diferente sobre la medición. Confirme que la columna Longitud está presente, ya que proporcionará el diámetro de las nanopartículas con las unidades especificadas durante el paso 6.3. Repita el paso 6.4 hasta que se dimensionen todas las nanopartículas de la imagen. Para pasar a la siguiente imagen, haga clic en Archivo . Abra lasteclas Siguiente o Ctrl+Mayús+O. Después de que todas las nanopartículas se dimensionan en todas las imágenes, vaya a la ventana Resultados y haga clic en Archivo . Guardar como. Cambie el nombre del archivo de resultados y haga clic en Guardar. Vea y analice todos los diámetros de nanopartículas en un programa de hoja de cálculo después de importar el archivo de resultados. 7. Composición a granel de nanopartículas (XRD) Si no se hace durante el paso 5.1, pulverizar las nanopartículas MnO en un polvo delgado utilizando un mortero y un mortero. Coloque el polvo de nanopartícula fina en el portavelas utilizando una espátula. Siga el procedimiento de carga de muestras especificado para la máquina de difracción de rayos X (XRD) que se va a utilizar. Determinar la composición a granel de nanopartículas MnO utilizando XRD. Recoger espectros XRD en un rango de 2o de 10o a 110o para ver los picos de MnO (30o a 90o) y Mn3O4 (15o a 90o).NOTA: Otros parámetros de ajuste recomendados para XRD son un tamaño de paso de 0,05 s, una máscara de haz de 10 mm y un tiempo de paso de escaneo de 64,77 s. Guarde el archivo . XRD y ábralo en el programa de análisis XRD. 8. Análisis de espectros XRD En el programa de análisis XRD, identifique todos los picos principales en el espectro XRD medido de la muestra haciendo clic en el botón IdeAll en el software. Para guardar los datos, seleccione Archivo en la barra de herramientas, seguido de Guardar como… para guardar los datos como un archivo ASC que se puede abrir con un programa de hoja de cálculo. Utilice el programa para crear coincidencias de patrones con la base de datos XRD de compuestos conocidos para encontrar la mejor coincidencia de composición con la muestra. Para restringir la búsqueda, especifique los compuestos previstos (por ejemplo, manganeso y oxígeno). Para que el patrón coincida con el espectro, seleccione Análisis . Buscar y coincidir. En la ventana emergente, seleccione Química y haga clic en los elementos químicos deseados para restringir la búsqueda del programa en función de la muestra. Una vez elegidos todos los elementos, seleccione Buscar. Espere a que aparezca una lista de composiciones químicas que coincidan con el espectro XRD.NOTA: El programa proporcionará la probabilidad de que los espectros XRD conocidos correspondan a la composición de la muestra. Si se eligen dos o más composiciones, el programa daría el porcentaje de composición de cada una de ellas (por ejemplo, MnO frente a Mn3O4). Si lo desea, elimine el fondo del espectro XRD haciendo clic en el botón Ajustar fondo ( ). A continuación, haga clic en Fondo en la ventana emergente, seguido de Restar. Confirme que el espectro aparece a partir de 0 en el eje Y. Guarde los datos de nuevo sin el fondo como se muestra en el paso 8.2. Al trazar el espectro XRD, muestre los picos característicos de cada compuesto emparejado (por ejemplo, MnO y Mn3O4). Para obtener la lista de los picos característicos de los compuestos coincidentes de la base de datos, haga clic con el botón derecho en el espectro de coincidencia de patrones y, a continuación, seleccione Mostrar patrón. Espere a que aparezca una ventana emergente con toda la información de pico correspondiente al patrón seleccionado. Seleccione, copie y pegue la información deseada de ese compuesto y trace los picos característicos con el espectro XRD medido en un programa de hoja de cálculo. 9. Composición de la superficie de nanopartículas (FTIR) Agregue polvo seco de nanopartículaS MnO al portacal del soporte de muestra para el análisis de espectroscopia infrarroja de transformación de Fourier (FTIR). Evalúe la química de la superficie de nanopartículas utilizando FTIR. Recoger espectros FTIR entre un rango de longitud de onda de 4000 y 400 cm-1 con una resolución de 4 cm-1. Limpie el portacuchillas FTIR y añada oleilamina líquida. Repita el paso 9.2. 10. Análisis de los espectros FTIR En el programa de análisis FTIR, elimine el fondo del espectro FTIR recogido seleccionando Transformaciones en el menú desplegable, seguido de Baseline Correct. Seleccione Lineal como tipo de corrección. Utilice el clic izquierdo del ratón para seleccionar los puntos de línea base en el espectro original. Una vez terminado, guarde el espectro con otro nombre seleccionando Agregar o reemplazar el espectro antiguo seleccionando Reemplazar.NOTA: La corrección de fondo puede mejorar la prevalencia de picos de interés FTIR más débiles. Para exportar el espectro FTIR, seleccione primero el espectro específico de la lista. A continuación, haga clic en Archivo en la barra de herramientas, seguido de Exportar espectro. Elija el formato de archivo csv en la ventana Guardar como y haga clic en Guardar. Abra y graficar el archivo csv utilizando un programa de hoja de cálculo. Compare la nanopartícula MnO adquirida con los espectros de OLEylamine FTIR como se detalla en la sección Resultados representativos para evaluar el taponamiento de nanopartículas con oleilamina.

Representative Results

Para confirmar la síntesis exitosa, se deben ensayar nanopartículas MnO para el tamaño y la morfología (TEM), la composición a granel (XRD) y la composición de la superficie (FTIR). La Figura 2 muestra imágenes TEM representativas de nanopartículas MnO sintetizadas utilizando proporciones decrecientes de oleilamina (OA, el estabilizador) al éter de dibenzilo (DE, el disolvente orgánico): 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. Las imágenes TEM ideales consisten en nanopartículas…

Discussion

El protocolo del presente documento describe una síntesis fácil y de una olla de nanopartículas MnO utilizando Mn(II) ACAC, DE y OA. Mn(II) ACAC se utiliza como el material de partida para proporcionar una fuente de Mn2+ para la formación de nanopartículas MnO. El material de partida se puede sustituir fácilmente para permitir la producción de otras nanopartículas de óxido metálico. Por ejemplo, cuando se aplica el ACAC de hierro(III), las nanopartículas Fe3O4 se pueden generar…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este trabajo fue apoyado por los fondos de inicio del Departamento de Ingeniería Química y Biomédica de WVU (M.F.B.). Los autores desean agradecer a la Dra. Marcela Redigolo por orientación sobre la preparación de la red y la captura de imágenes de nanopartículas con TEM, Dr. Qiang Wang por su apoyo en la evaluación de espectros XRD y FTIR, Dr. John Zondlo y Hunter Snoderly para programar e integrar el controlador de temperatura en el protocolo de síntesis de nanopartículas, James Hall por su asistencia en el montaje de la configuración de síntesis de nanopartículas , Alexander Pueschel y Jenna Vito por ayudar en la cuantificación de diámetros de nanopartículas MnO a partir de imágenes TEM, y el centro de investigación compartido WVU para el uso del TEM, XRD y FTIR.

Materials

Chemicals and Gases
Benzyl ether (DE) Acros Organics AC14840-0010 Concentration: 99%, 1 L
Drierite W. A. Hammond Drierite Co. LTD 23001 Drierite 8 mesh, 1 lb
Ethanol Decon Laboratories  2701 200 proof, 4 x 3.7 L
Hexane Macron Fine Chemicals 5189-08 Concentration:  ≥98.5%, 4 L
Hydrochloric acid VWR BDH3030-2.5LPC Concentration: 36.5 – 38.0 % ACS, 2.5 L
Manganese (II) acetyl acetonate (Mn(II)ACAC) Sigma Aldrich 245763-100G 100 g
Nitrogen gas tank Airgas NI R300 Research 5.7 grade nitrogen, size 300 cylinder
Nitrogen regulator Airgas Y11244D580-AG Single stage brass 0-100 psi analytical cylinder regulator CGA-580 with needle outlet
Oleylamine (OA) Sigma Aldrich O7805-500G Concentration: 70%, technical grade, 500 g
Silicone oil Beantown Chemical 221590-100G 100 g
Equipment
Centrifuge Beckman-Coulter Avanti J-E JA-20 fixed-angle aluminum rotor, 8 x 50 mL, 48,400 x g
Hemisphere mantle Ace Glass Inc. 12035-17 115 V, 270 W, 500 mL, temperature up to 450 °C
Hot plate stirrer VWR 97042-642 120 V, 1000 W, 8.3 A, ceramic top
Temperature controller Yokogawa Electric Corporation UP351
Temperature probe Omega KMQXL-040G-12 Immersion probe, temperature up to 1335 °C
Vacuum oven Fisher Scientific 282A 120 V, 1800 W, temperature up to 280 °C
Vortex mixer Fisher Scientific 02-215-365 120 V, 50/60 Hz, 150 W
Water bath sonicator Fisher Scientific FS30H Ultrasonic power 130 W, 3.7 L tank
Tools and Materials
Dumont tweezer Electron Microscopy Sciences 72703D Style 5/45, Dumoxel, 109 mm, for picking up TEM grids
Dumont reverse tweezer Ted Pella 5748 Style N2a, 118 mm, NM-SS, self-closing, holding TEM grids in place for sample preparation
Mortar and pestle Amazon BS0007 BIPEE agate mortar and pestle, 70 X 60 X 15 mm labware
Nalgene™ Oak Ridge tubes ThermoFisher Scientific 3139-0050 Polypropylene copolymer, 50,000 x g, 50 mL, pack of 10
Scintillation vials Fisher Scientific 03-337-4 20 mL vials with white caps, case of 500
TEM grids Ted Pella 01813-F Carbon Type-B, 300 mesh, copper, pack of 50
Glassware Setup
4-neck round bottom flask Chemglass Life Sciences CG-1534-01 24/40 joint, 500 mL, #7 chem thread for thermometers
6-port vacuum manifold Chemglass Life Sciences CG-4430-02 480 nm, 6 ports, 4 mm PTFE stopcocks
Adapter Chemglass Life Sciences CG-1014-01 24/40 inner joint, 90°
Condenser Chemglass Life Sciences CG-1216-03 24/40 joint, 365 mm, 250 mm jacket length
Drierite 26800 drying column Cole-Parmer  EW-07193-00 200 L/hr, 90 psi
Funnel Chemglass Life Sciences CG-1720-L-02 24/40 joint, 100 powder funnel, 195 mm OAL
Interlocked worm gear hose clamp Grainger 16P292 1/2" wide stainless steel clamp, 3/8" to 7/8" diameter, to secure condenser tubing, 10 pack 
Keck clips Kemtech America Inc CS002440 24/40 joint
Metal claw clamp Fisher Scientific 05-769-7Q 22cm, three-prong extension clamps
Metal claw clamp holder Fisher Scientific 05-754Q Clamp regular holder
Mineral oil bubbler Kemtech America Inc B257040 185 mm
Rotovap trap Chemglass Life Sciences CG-1319-02 24/40 joints, 100 mL, self washing rotary evaporator
Rubber stopper Chemglass Life Sciences CG-3022-98 24/40 joints, red rubber
Tubing for air/water  McMaster-Carr 6516T21 Clear Tygon PVC for air/water, B-44-3, 1/4" ID, 1/16" wall, 25 ft
Tubing for air/water  McMaster-Carr 6516T26 Clear Tygon PVC for air/water, B-44-3, 3/8" ID, 1/16" wall, 25 ft
Tubing for chemicals McMaster-Carr 5155T34 Clear Tygon PVC for chemicals, E-3603, 3/8" ID, 1/16" wall, 50 ft
Analysis Programs
XRD analysis program Malvern Panalytical N/A X'Pert HighScore Plus
FTIR analysis program Varian, Inc. N/A Varian Resolutions Pro
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Martinez de la Torre, C., Bennewitz, M. F. Manganese Oxide Nanoparticle Synthesis by Thermal Decomposition of Manganese(II) Acetylacetonate. J. Vis. Exp. (160), e61572, doi:10.3791/61572 (2020).
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