マンガンの熱分解による酸化マンガンナノ粒子合成(II) アセチルアセトネート

金属酸化物ナノ粒子は、磁気、電気、および触媒特性^,を有し、バイオイメージング^{1、2、3、2}センサー¹技術^34、5、5触媒^{466、7、8、7,8}エネルギー貯蔵^9、及び水浄化¹⁰に適用されている。生物医学分野において、酸化鉄ナノ粒子およびマンガン酸化物(MnO)ナノ粒子は、磁気共鳴画像(MRI)1,2における造影剤としての^1,2有用性を証明している。酸化鉄ナノ粒子は_、T2*MRI上で強い負のコントラストを生成し、生体内^{11、12、1312,13}で単一ラベル細胞を視覚化するのに十分強力です。¹¹しかし、負のMRI信号は変調できず、典型的な実験の期間を通して「オン」のままです。肝臓に存在する内因性鉄、骨髄、血液および脾臓により、酸化鉄ナノ粒子から生じる負のコントラストを解釈することは困難である。一方、MnOナノ粒子は、pHの低下に反応する。MnOナノ粒子のMRIシグナルは、ナノ粒子が癌細胞^,,,14、15、16、17、18、18などの標的細胞の低pHエンドソームおよびリソソーム^14,15,の内部に内部化されると、「オフ」から「ON」に移行することができる。^16171819低pHでMnOから^Mn2+に溶解して産生される_T1 MRIの正のコントラストは紛れもなく、悪性腫瘍内の標的部位で点灯するだけで癌検出特異性を改善することができる。ナノ粒子サイズ、形態および組成の制御は、MnOナノ粒子からの最大MRI信号を達成するために重要である。本明細書では、熱分解法を用いてMnOナノ粒子を合成および特徴付ける方法を説明し、合成過程で変数を変化させることによってナノ粒子特性を微調整するための異なる戦略に注目する。このプロトコルは、酸化鉄ナノ粒子のような他の磁性ナノ粒子を生成するために容易に変更することができる。

^,MnOナノ粒子は、熱分解^,20、21、22、23、24、25、水力/ソルボサーマル^{21,22,23,24,2520}26、27、28、29、剥離を含む様々な技術によって製造されています^26,27,292830、31、32、33、34、過マンガン酸塩減少^{30,31,32,33,3435、36、37、38、36,37,38}および吸着酸化³⁵39、40、41、42。^39,40,41,42熱分解は、MnOナノ粒子⁴³を形成する不活性気体雰囲気の下で高温(180〜360°C)でマンガン前駆体、有機溶媒、および安定化剤を溶解する最も一般的に使用される技術である。これらの技術の中で、熱分解は、狭いサイズ分布を有する純相(MnO、Mn3O4および₃Mn2O3)の様々₄なMnOナノ結晶₃を生成する優れた方法である。₂^47,その汎用性は、反応時間^,,,44、45、46、⁴⁵温度^{44、47、48、49、,47}反応体の種類/比率^{48,4644,49,を20、47、48、5045}および不活性ガス⁴⁸47、48、50を使用して、ナノ粒子サイズ^{48、形態および}組成物を厳密に制御^47,する能力を通じて強調される。^{50 50}この方法の主な制限は、高温、無酸素雰囲気、および合成ナノ粒子の疎水性コーティングの要件であり、生物学的用途^{14、51、52、53,52,}に対する溶解性を高めるためにポリマー、脂質または他のリガン^14,ドでさらなる修飾を必要とする。⁵³

熱分解以外にも、水力/ソルボサーマル法は、MnO、Mn3O4、MnO₂を含む様々な₃MnO相を生成できる唯一の技術です。₄他のすべての戦略は、MnO₂製品を形成するだけです。水力/ソル熱合成の間、Mn(II)ステアレート^54、55、55およびMn(II)酢酸²⁷などの前駆体は、狭いサイズ分布を有するナノ粒子を達成するために、数時間にわたって120〜200°Cの間に加熱される。⁵⁴しかし、特殊な反応容器が必要であり、反応は高圧で行われます。対照的に、剥離戦略は、2D単層への解離を促進するために、層状またはバルク材料の処理を伴う。その主な利点は、MnO₂ナノシートを製造する上で、合成プロセスは数日を必要とし、その結果、シートのサイズを制御することは困難である。あるいは、KMnO4などの過マンガン酸塩は₄、オレイン酸^56、57、57グラフェン⁵⁶オキシド⁵⁸またはポリ(塩酸アライラミン塩酸塩⁾⁵⁹などの還元剤と反応してMnO2ナノ粒子を作り出すことができる。₂KMnO₄の使用は、水性条件⁴³内で数分から数時間にわたって室温でナノ粒子形成を促進する。残念ながら、急速な合成とナノ粒子の成長は、得られるナノ粒子サイズを細かく制御することが困難になります。_MnO2ナノ粒子は、Mn2+イオンが吸着し、基本的な条件下で²⁺酸素によってMnO2に酸化される吸着酸化を用いて₂合成することもできる。この方法は、水性媒体中₂の数時間にわたって室温で狭いサイズ分布を有する小さなMnO2ナノ粒子を生成する。しかし、Mn²⁺イオンとアルカリ条件の吸着の要件は、その広範なアプリケーション⁴³を制限します。

議論されたMnOナノ粒子合成法のうち、熱分解は、特殊な合成容器を必要とせずにナノ粒子サイズ、形状および組成を制御する異なる単分散純相ナノ結晶を生成するのに最も汎用性が高い。本稿では^、Mn2+ イオンの供給源としてマンガン(II)アセチルアセトネート(Mn(II)ACACを用いて280°Cで熱分解することによりMnOナノ粒子を合成する方法、還元剤と安定剤としてオレイラミン(OA)、窒素雰囲気下の溶媒としてジベンジルエーテル(DE)を用いて合成する方法を説明する。ナノ粒子合成用のガラス製品とチューブのセットアップについて詳しく説明します。この技術の利点の1つは、温度コントローラ、熱電対プローブ、加熱マントルを含めることで、各温度での加熱速度、ピーク温度、反応時間を正確に制御し、ナノ粒子のサイズと組成を微調整することです。ここでは、ナノ粒子サイズをOA対DEの比率を変化させることによってもどのように操作できるかを示す。また、ナノ粒子サンプルの作成方法、透過型電子顕微鏡(TEM)、X線回折(XRD)、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)を用いたナノ粒子サイズ、バルク組成、表面組成をそれぞれ測定する方法を実演します。各機器から収集した画像やスペクトルを分析する方法については、さらにガイダンスが含まれています。均一な形のMnOナノ粒子を生成するには、安定剤と適切な窒素流が存在する必要があります。XRDおよびTEMの結果はOAの不在および低窒素流の下で形成される望ましくないプロダクトのために示される。「考察」では、プロトコルの重要なステップ、ナノ粒子合成の成功を決定するための指標、ナノ粒子の特性(サイズ、形態および組成)を修飾するための分解プロトコルのさらなる変動、方法のトラブルシューティングと限界、およびバイオメディカルイメージングの造影剤としてのMnOナノ粒子の応用を強調する。

1.ガラス製品とチューブアセンブリ - 初回にのみ実行されます

注: 図 1 は、番号付きチューブ接続を使用した MnO ナノ粒子合成の実験用セットアップを示しています。 図 S1 は、ラベル付けされた主なガラス製品コンポーネントと同じセットアップを示しています。耐薬品性チューブとガラス接続サイズの間に不一致がある場合は、まず、より小さなチューブでガラス接続をカバーしてから、耐薬品性チューブを追加して接続をぴったりとします。

1. 承認されたストラップの拘束を使用して、化学発煙フードの近くの壁に空気のない窒素タンクを固定します。適切な窒素レギュレータをタンクに追加します。
   注意:ガスボンベは転倒すると非常に危険な場合があるため、適切に固定する必要があります。
2. ガス乾燥カラムに乾燥剤を充填します。空気を含まない窒素レギュレータからガス乾燥カラムの底部入口に耐薬品性チューブを取り付けます(図1#1)。
3. 2つの金属爪クランプを使用して、少なくとも2つの出口ストップコックを含むガラスマニホールドをヒュームフードの上部に固定します。ガス乾燥カラムの出口( 図1の#2)からマニホールドの入口に耐薬品性チューブを取り付けます( 図1の#3)。
4. 図1に示す金属爪クランプを使用して、ヒュームフードに3個の鉱物油バブラーを置いて固定します。2つのバブラーを左に、1つのバブラーを右に置きます。
5. 左端のバブラーを( 図1の#9)最少量のシリコーンオイル(バブラーの底から1インチ程度)で満たします。中のバブラーを中量のシリコーンオイル(バブラーの底から約1.5インチ)で満たします( 図1の#7,8)。右端のバブラーを( 図1の#11)最も多くのシリコーンオイル(バブラーの底から2インチの油)で満たします。
   注:ミネラルバブラー間のシリコーンオイルの相対的な量は、システムを通して空気フリー窒素ガスの適切な流れを達成するために非常に重要です。反応中に油が泡立ち、過剰に充填された場合にバブラーを出ることができるので、あまりにも多くの油(〜2.5インチ以上)を追加しないでください。
6. マニホールドの右栓の右側の栓( 図1の#4)を、耐薬品性チューブを使用してガラス肘アダプタ(図 1#5)のネジ付き端に接続します。
7. 化学的に抵抗力のあるチューブを使用して、別のガラスエルボアダプタ(図 1の#6)のネジ付きエンドを、中央のバブラーの入口( 図1の#7)に取り付けます。化学耐性チューブを使用して、中央のバブラーの出口( 図1の#8)を左端のバブラーの入口( 図1の#9)に接続します。
8. マニホールドの左側のストップコック ( 図 1の#10) の出口を、右端のバブラーの入口に接続します ( 図 1の#11)。
9. スペースが収容される場合は、ヒュームフードに予備のセットアップを残します。実験が実行されていないときに、フュームフードの金属格子にチューブ( 図1の#5,6)を取り付けた2つのガラスエルボアダプタを固定します。

2.機器とガラス製品のセットアップ - すべての実験中に実行されます

注意:溶剤を含むすべてのステップは、化学発煙フードだけでなく、安全メガネ、ラボコート、手袋を含む適切な個人用保護具(PPE)の使用を必要とします。ナノ粒子製造セットアップは、ヒュームフードに組み立てる必要があります。

1. ヒュームフードに攪拌板を入れ、攪拌板の上に加熱マントルを置きます。
   注:加熱マントルは、300°C以上の温度に耐えることができる必要があります。
2. 4つの首500 mL丸い底フラスコを暖房マントルに置き、金属爪クランプで中首を固定します。丸い底フラスコに磁気攪拌棒を加えます。丸い底フラスコの中の首にガラス漏斗を置きます。
3. マニホールドを確認してください: 安全停止装置 ( 図 1の#10) と入力ストップコック (図 1の#4) が開いているかどうかを確認します。
   注意:安全停止孔は、システムに圧力が蓄積されないように常に開く必要があります。ストップコックが閉じている場合、爆発が起こる可能性があります。
4. マンガン(II)アセチルアセトネート(Mn(II)ACACの重量を1.51gとし、ガラス漏斗を使用して丸底フラスコの中に入れます。
5. ガラスピペットとガラス漏斗を使用して、ラウンドボトムフラスコにオレイラミン20mLとジベンジルエーテル40mLを加えます。漏斗を取り除き、ヘキサンできれいにしてください。
   注意: 実験はスケールアップすることができます (例えば、2回) しかし、それより多くの量の反応物を使用する場合は、保守的にすることをお勧めします。反応物の量が多いほど、反応が安定しなくなり、危険になる可能性があります。
6. 丸い底フラスコの左首にコンデンサーを取り付け、金属の爪クランプでコンデンサーを固定します。コンデンサーの上にガラス肘アダプター( 図1の#6)を追加します。
   メモ:アダプタは、中央の鉱物油バブラーに対する耐薬品性チューブと接続する必要があります( 図1の#7)。
7. フュームフードの水出口スパウト( 図1の#12)からコンデンサの入口( 図1#13)に水に対応したチューブを接続します。また、水に対応したチューブを使用して、凝縮器の出口( 図1の#14)をヒュームフードのドレインに接続します( 図1の#15)。インターロックされたウォームギアの金属ホースクランプでコンデンサー接続( 図1の#13,14)にチューブを固定します。
8. 丸い底フラスコの右首にロトバップトラップを追加します。ガラス肘アダプター( 図1#5)をロトバップトラップの上に置きます。
   メモ:アダプタは、右側のストップコックマニホールドアウトレットに耐薬品性の高いチューブと接続する必要があります( 図1の#4)。
9. 丸い底フラスコの中首にゴム栓を取り付け、側面がフラスコの首を覆うように折り畳みます。プラスチック製の円錐ジョイントクリップ( 図1の4つの緑色のクリップ)を追加して、肘アダプタとロトヴァップトラップ、ロトバップトラップと丸いボトムフラスコ、丸底フラスコとコンデンサー、コンデンサーとエルボーアダプタなどのガラス製品のネック接続を固定します。
10. 温度プローブを丸底フラスコの最小の首に入れ、ネックキャップとOリングでプローブを締めて固定します。パラフィンプラスチックフィルムとの接続をシールします。
    注:温度プローブが流体混合物の中に浸漬されていることを確認しますが、ガラスの底部には触れないでください。プローブがガラス表面に接触している場合、測定された温度は真の流体温度と比較して不正確になり、温度コントローラが反応に誤った熱量を与えます。
11. 温度プローブを温度コントローラの入力に接続します。温度コントローラーの出力に加熱マントルを接続します。
12. 攪拌板をオンにし、激しくかき混ぜ始めます。
13. 空気を使いなずした窒素タンクを開き、ゆっくりと窒素をシステムに流し始めます(これは空気を取り除きます)。中央の鉱物油バブラーに安定した遅い気泡が形成されるまで、レギュレータを使用して窒素の流れを調整します( 図1の#7)。
14. フュームフード( 図1の#12)の冷たい水をコンデンサーに入れ、チューブから水が漏れないように確認します。
15. 反応が始まる前に、煙のフードのサッシを下に置きます。

3. ナノ粒子合成

1. 温度コントローラ(電源と加熱供給)をオンにして、反応を開始します。各段階で反応混合物の色を観察し、記録します。反応は、ステージ1〜3で暗褐色として始まり、ステージ4の間に緑色になります。
   メモ:温度コントローラはそれぞれ異なる動作をします。正しいマニュアルとプログラムを使用してください。
2. ステージ1:温度コントローラディスプレイを観察し、室温から30分以上で60°Cに上昇することを確認します。
3. ステージ2:ステージ3で加熱速度を速くするため、温度コントローラが1分間60°Cで安定するようにします。
4. ステージ3:温度が22分あたり10°Cで280°Cに上昇する温度コントローラディスプレイを確認します。この段階で混合物が蒸発し始めるので、凝縮器を通る水の流れが十分であることを確認してください。
5. ステージ4:温度コントローラが30分間280°Cの一定の反応温度を表示したことを確認します。反応色が緑色のトーンに変化し、MnO形成を示します。反応が280°Cに達したら、窒素タンクをオフにし、マニホールド上の反応の入口に対して右栓を閉じる( 図1の#4)。
   注意: 安全停止装置( 図1の#10)を開いたままにしてください。
6. ステージ5:温度コントローラディスプレイをチェックして、加熱が自動的に停止することを確認します。温度プローブを内部に入れておき(丸底フラスコを開かないでください)、温度が室温に達するまで待ってナノ粒子の収集を進めます。
   注意:フラスコは非常に熱くなるでしょう。より速い冷却速度が望まれる場合は、加熱マントルを除去するために耐熱性手袋を着用する必要があります。
   注: プロトコルはここで一時停止することができます。

4. ナノ粒子コレクション

1. 温度コントローラ、攪拌板、冷水をオフにします。コンデンサー、フュームフードの水栓、排水管から水に対応したチューブを取り除きます。プラスチック製の円錐ジョイントクリップをすべてガラス製品の接続から取り外します。
2. ガラス肘アダプタをロトバップ トラップ ( 図 1の#5) とコンデンサ (図 1の#6) から取り外します。肘アダプタをボンネットの金属格子に固定して、将来の実験に使用します。
3. コンデンサーとロトヴァップトラップを丸底フラスコから取り外し、コンデンサーとロトヴァップトラップの内側をヘキサンですすきます。
4. ゴム栓と温度プローブを取り外し、70%エタノールで洗浄します。
5. 丸底フラスコからMnOナノ粒子溶液をきれいな500 mLビーカーに注ぎます。ヘキサン(〜5 mL)を使用して丸底フラスコをすすい、残留MnOナノ粒子を含むヘキサンを500 mLビーカーに加えます。
   注:ヘキサンはMnOナノ粒子を再懸濁し、200個の証拠エタノールが沈殿剤として作用します。
6. MnOナノ粒子混合物の電流量に注意してください。2:1の体積比を使用してMnOナノ粒子混合物に200個の証拠エタノールを加える(例えば、ナノ粒子混合物が75mLの場合は150mLのエタノールを加える)。
7. ナノ粒子混合物を4つの遠心管に均等に注ぎ、約3/4フル。適切なキャップをねじ込みます。流体レベルのバランスが取れているか確認してください。
   注:余分なナノ粒子混合物は、遠心分離の次のラウンドでチューブに追加されます。
8. 遠心分離機ナノ粒子は10°Cで17,400 x g で10分間用いた。
   注: 遠心分離時間が長く、より高い遠心分離速度を使用して、小さいナノ粒子分率の収集を増やすことができますが、ナノ粒子凝集は増加させることができます。
9. 上清を無駄なビーカーに捨て、ペレットを乱さないよう注意してください。必要に応じて、上清を収集するために転送ピペットを使用してください。
   注:遠心分離の初期のラウンドでは、茶色の上清を生成するのが正常です。上清は茶色で透明であるべきですが、曇りではありません。曇りは、ナノ粒子がまだ上清に存在することを示す。上清が曇っている場合は、上清を捨てる前にチューブを再び遠心分離します。再び遠心分離は合成されたナノ粒子の損失を減らすだろうが、より多くの凝集を引き起こす可能性がある。
10. 5 mLのヘキサンと、MnOナノ粒子ペレットを含む各遠心管に残った余分なナノ粒子溶液を加えます。バスソニッカレーターおよび/または渦を使用してナノ粒子を再懸濁します。溶液が白濁し、ペレットが消えるまで続け、ナノ粒子の再懸濁が成功したことを示します。
11. 3/4フルになるまで遠心分離機チューブにさらに200の証拠エタノールを加えます。
12. ステップ 4.8 から 4.10 を繰り返します。次に、4つの遠心管から2つの遠心管に再懸濁されたナノ粒子を組み合わせます。次に、ステップ 4.11 を繰り返します。
13. ステップ 4.8~4.10 をもう一度繰り返し、ヘキサンと200個の証拠エタノールで合計 3 回のスキッシュを行います。遠心分離管に200個の証拠エタノールを加えないで下してください。
14. ミキサンに再懸濁したMnOナノ粒子を組み合わせて、前の20 mLガラスシンチレーションバイアルに移します。フュームフードでヘキサンが一晩蒸発できるように、バイアルの蓋を外しておきます。
15. 翌日、ナノ粒子を含むガラスシンチレーションバイアルを真空オーブンに移します。バイアルの蓋はオーブンの外の安全な場所に保管してください。ナノ粒子を100°Cで24時間乾燥させます。
16. ナノ粒子を乾燥させたら、スパチュラを使ってバイアル内の粉末を分解します。乾燥したMnOナノ粒子を含むバイアルを秤量し、ナノ粒子収率を決定するためにガラスシンチレーションバイアルの既知の重量を差し引いた。
    注意:乾燥したナノ粒子は容易に空中になることができるし、N95またはP100のような粒子の呼吸器を使用して人員によって扱われるべきである。
17. 蓋をしたガラスシンチレーションバイアル内の室温でナノ粒子を保存します。パラフィンプラスチックフィルムで蓋を包みます。

5. ナノ粒子サイズと表面形態(TEM)

1. モルタルと害虫を使用して、MnOナノ粒子を薄い粉末に粉砕します。
2. 15 mL円錐形遠心分離管に5mgのMnOナノ粒子を加えます。200個の証拠エタノールを10mL加えます。
   注:200の証拠エタノールは、TEMグリッド上のナノ粒子のより均質な広がりを得るために迅速に蒸発します。別の溶媒は、より良いナノ粒子懸濁液を有することができるが、蒸発するのに時間がかかり、表面張力のために、ナノ粒子はTEMグリッドの境界に蓄積するであろう。
3. 浴は5分間、またはナノ粒子の完全な再懸濁までナノ粒子混合物を超音波処理する。
4. 再懸濁直後に、ナノ粒子混合物の3つの5μL滴を、カーボンタイプBの300メッシュ銅グリッド支持フィルムに加えます。空気を乾燥させてください。
   1. サンプルの準備を容易にするため、逆ピンセットを使用します。ナノ粒子を含む滴を追加する前に、暗い側でピンセットの上にグリッドを配置します。
      注: グリッドは壊れやすいので、より良いイメージングのためにグリッドを曲げたり損傷しないように注意してください。乾燥したら、保護のために市販のTEMグリッド収納ボックス内にグリッドを保管する必要があります。
5. 透過型電子顕微鏡(TEM)を用いてナノ粒子の形状とサイズを評価する。200 kVのビーム強度、1のスポットサイズ、300倍の倍率を含むTEMの典型的なパラメータを適用します。
6. 十分なナノ粒子(10〜30ナノ粒子)が均等に分布しているグリッドの領域に画像を収集します。ナノ粒子が目に見えて分離されていない場合、正確なサイズ変更ができないので、ナノ粒子凝集を含む領域を避けてください。
   1. 異なるグリッドの正方形からのイメージ領域は均等な配分を保証する。最適なサイズ分布を得るためには、各サンプルから25~30枚の画像を取り出して、十分なサンプルサイズを得ます。

6. ナノ粒子径の定量分析

1. ImageJ で TEM イメージを分析するには、まず [ファイル ] メニューの 1 つのイメージを開きます 。 を開きます。目的のイメージを選択し、[ 開く] をクリックします。
2. ImageJ で距離の計測をピクセルからナノメートルに調整するには、まず直線ツールをクリックします。Shift キー を押しながら、スケール バーの長さをトレースします。次に、[ 分析 ] をクリックします。 スケールを設定します。
3. [スケールの設定] ポップアップ ウィンドウで、実際のスケール バーの測定値を [既知の距離 ] ボックスに入力します(縮尺バーが 50 nm の場合は「50」と入力します)。長さの単位を対応する単位に変更します(例えば、ナノメートルの場合は nm と入力します)。[ グローバル ] チェック ボックスをオンにして、すべてのイメージで縮尺の一貫性を維持し 、[OK]をクリックします。
4. スケールを設定した後、直線ツールを使用してナノ粒子の直径をトレースします。次に、[ 分析 ] をクリックします。 Ctrl キーを押しながら M キーを測定またはクリックします。
5. 測定に関するさまざまな情報を含む結果のポップアップ ウィンドウを探します。ステップ 6.3 で指定された単位を持つナノ粒子の直径を提供するため、 長さ列が存在することを確認します。
6. 画像内のすべてのナノ粒子のサイズが設定されるまで、ステップ6.4を繰り返します。次の画像に移動するには、[ファイル] メニューの [ファイル] をクリックします。次のキーを開くか、Ctrl キーを押しながら Shift キーを押しながら O キーを押します。
7. すべてのナノ粒子がすべての画像でサイズ設定された後、[ 結果 ]ウィンドウに移動し、[ ファイル ]をクリックします。 名前を付けて保存します。結果ファイルの名前を変更し、[ 保存] をクリックします。結果ファイルを読み込んだ後、スプレッドシート プログラムですべてのナノ粒子径を表示および解析します。

7. ナノ粒子バルク組成物(XRD)

1. ステップ5.1の間に行われなければ、モルタルと害虫を用いてMnOナノ粒子を薄い粉末に粉砕する。ヘラを使用して、サンプルホルダーに細かいナノ粒子粉末を入れます。X線回折(XRD)マシンに指定されたサンプルローディング手順に従ってください。
2. XRDを用いてMnOナノ粒子のバルク組成を決定する。10°から110°の範囲でXRDスペクトルを収集し、MnO(30°~90°)およびMn 3O4(15°~90°)のピークを表示します。₃₄
   注:XRDの他の設定パラメータは、0.05 sのステップサイズ、10 mmのビームマスク、64.77 sのスキャンステップ時間です。
3. 生成された を保存します。XRDファイルを開き、XRD分析プログラムで開きます。

8. XRDスペクトルの解析

1. XRD分析プログラムでは、ソフトウェアの IdeAll ボタンをクリックして、サンプルの測定されたXRDスペクトル内のすべての主要なピークを特定します。
2. データを保存するには、ツールバーの [ファイル] を選択し、[ 名前を付けて保存....] を選択して、スプレッドシート プログラムで開くことができる ASC ファイルとしてデータを保存します。
3. このプログラムを使用して、既知の化合物のXRDデータベースとパターンマッチして、サンプルに最も適した組成を見つけます。検索を絞り込むには、予想される化合物(マンガンや酸素など)を指定します。
   1. スペクトルをパターンに合わせるには、 解析 | 検索と一致.ポップアップウィンドウで[ 化学] を選択し、目的の化学元素をクリックして、サンプルに基づいてプログラム検索を制限します。
   2. すべての要素を選択したら、[ 検索] を選択します。XRDスペクトルに一致する化学組成のリストが表示されるまで待ちます。
      注: プログラムは、既知の XRD スペクトルがサンプルの構成に対応する可能性を提供します。2つ以上の組成物が選択された場合、プログラムはそれぞれの組成の割合を与えます(例えば、MnO対Mn_3O4)。
4. 必要に応じて、[背景にフィット]ボタン()をクリックして、XRDスペクトルから 背景 を削除 します。次に、ポップアップ ウィンドウで [ 背景 ] をクリックし、続いて [減算] をクリックします。Y 軸上で 0 から始まるスペクトルが表示されることを確認します。
   1. 手順 8.2 に示すように、背景なしでデータを再度保存します。
5. XRDスペクトルをプロットする際、各一致化合物の特性ピークを示す(例えば、MnOおよび_Mn3O4)。4
   1. データベースから一致した化合物の特性ピークのリストを取得するには、まずパターンマッチスペクトルを右クリックし、次に [パターンの表示] を選択します。選択したパターンに対応するすべてのピーク情報がポップアップ ウィンドウに表示されるまで待ちます。
   2. その化合物から所望の情報を選択、コピー、貼り付け、測定されたXRDスペクトルを使用して特性ピークをスプレッドシートプログラムにプロットします。

9. ナノ粒子表面組成(FTIR)

1. フーリエ変換赤外分光法(FTIR)分析のために、サンプルホルダーに乾燥したMnOナノ粒子粉末を加えます。
2. FTIRを用いてナノ粒子表面化学を評価する。4cm^-1の解像度で4000と400 cm -1波長範囲の間のFTIRスペクトルを^{収集します。}
3. FTIRサンプルホルダーを洗浄し、液体オレイラミンを加えます。ステップ 9.2 を繰り返します。

10. FTIRスペクトルの解析

1. FTIR 解析プログラムで、ドロップダウン メニューで [変換] を選択し、[ ベースライン正しい] を選択して、収集した FTIR スペクトルから背景を削除します。補正タイプとして [線形] を選択します。
2. マウスの左クリックを使用して、元のスペクトルの基線ポイントを選択します。完了したら、[置換] を選択して古いスペクトルを追加または置換を選択して、スペクトルを別の名前で保存します。
   注: 背景補正は、関心の弱い FTIR ピークの有病率を高めることができます。
3. FTIR スペクトルをエクスポートするには、まずリストから特定のスペクトルを選択します。次に、ツールバーの ( ファイル ) をクリックし、次に 「スペクトルをエクスポート」をクリックします。
4. [ 名前を付けて保存] ウィンドウから [csv ファイル形式] を選択し、[ 保存] をクリックします。スプレッドシート プログラムを使用して csv ファイルを開いてグラフ化します。
5. 獲得したMnOナノ粒子を、オレイラミンによるナノ粒子キャッピングを評価する「代表結果」セクションで詳述されているように、オレイラミンFTIRスペクトルと比較します。

合成に成功したことを確認するために、MnOナノ粒子は、サイズおよび形態(TEM)、バルク組成(XRD)、および表面組成(FTIR)についてアッセイする必要があります。 図2 は、ダイベンジルエーテル(DE、有機溶媒)に対するオレイラミン(OA、安定剤)の減少率を用いて合成したMnOナノ粒子の代表的なTEM画像を示しています:60:0、50:10、40:20、30:30、20:40、10:50。理想的なTEM画像は、個々のナノ粒子( 図2では暗い丸みを帯びた八角形として示されている)で構成され、最小のオーバーラップが可能です。ImageJのライントレースツールを使用してナノ粒子径を正確に手動でサイズ設定するためには、ナノ粒子を適切に分離することが重要です。

図3 は、最適でないTEMサンプル調製を示す。高濃度のMnOナノ粒子がエタノールに懸濁された場合、またはあまりにも多くのナノ粒子懸濁液がTEMグリッドに添加される場合、各画像はナノ粒子の大きな凝集からなる(図3A,B)。ナノ粒子の大きな重なりにより、各ナノ粒子径の限界を区別できないため、正確な測定ができません。低ナノ粒子濃度をエタノールで調製すれば、ナノ粒子は十分に分離することができるが、TEMグリッド上にまばらに分布する(図3C,D)。各TEM画像に1つまたは2つのナノ粒子しか現れない場合、十分な大きさのサンプルサイズを得るためにより多くの画像を撮る必要があり、フルサイズの分布は正確にキャプチャされない可能性があります。本明細書に記載されたTEM調製プロトコルは、画像あたり約10〜30ナノ粒子を有するTEM画像を生成することを目的としている(直径が小さい場合、画像当たりより多くのナノ粒子を収容することができる)。

TEMは、合成パラメータの変動を伴うナノ粒子サイズの変化を評価するために使用することができる。 図4 は、OA:DEの減少率で合成されたMnOナノ粒子の平均直径を示し、各合成条件の直径を75~90のTEM画像に定量し、各条件で合計900~1100MnOナノ粒子を分析した。再現性を確保するため、OA:DE比ごとに3バッチのナノ粒子を合成した。全体として、OA:DEの比率の低下は、サイズの変動が少ない小さなMnOナノ粒子を生み出した。唯一の例外は、合成中にOAだけを使用した場合に発生し、30:30比と同様のサイズのナノ粒子を生成しました。すべてのMnOナノ粒子群の全サイズ分布を示すヒストグラムは、 図S2に表示される。

TEMでナノ粒子サイズと形態を確認した後、XRDを用いてバルクナノ粒子組成を試験することができる。試料によって回折されたX線ビームの角度と強度を測定することにより、XRDを用いてナノ粒子の結晶構造と位相を決定することができる。図5A-Fは、OA:DEの減少率を有する合成されたMnOナノ粒子サンプルごとに生収集されたXRDスペクトルを示す。サンプルスペクトルで得られたXRDピークは、XRD分析プログラムデータベースを介してMnOやMn3O4などの既知の化合物4からのXRDピークと一致します。MnO の標準ピークは、図 5Gに示されている 35°、40°、58°、70°、73°、および 87°に表示されます。ナノ粒子XRDスペクトルを既知のMnOと比較すると、すべてのナノ粒子スペクトルがMnOの5つの最高峰を有することが明らかになっている。MnOナノ粒子の合成に成功したことを示す。XRDは、シェラー方程式を用いてナノ粒子サイズを推定するためにも利用することができる。XRDの大きいピークは、より小さなナノ粒子径を示す。例えば、最も広いXRDピークを有する図5Fは、TEM(18.6±5.5nm)で示されるように最小のナノ粒子と関連している。

図6は、MnOナノ粒子合成における2つの望ましくない製品のXRDスペクトルを示す。高温(280o C)でのMnO相の形成oを促進するために、窒素は、システムから空気をパージするためにナノ粒子合成中に使用されます。不十分な窒素流量が適用される場合、Mn3O44の混合相組成(51%)3およびMnO (49%)が生成されます (図 6A)。Mn3O4 (図6C)およびMnO(図6D)の標準ピークとの比較により、低窒素流量はMn3O4の8最高3峰と4MnOの5最高峰のXRDスペクトルを生成します。低窒素流下で合成されたナノ粒子のTEMは、より小さいナノ粒子に囲まれた大きなナノ粒子の混合集団を明らかにした(図6E)。窒素の流れは、窒素調節器の読み取りと鉱物油バブラーを通るバブリングの速度を通して監視することができる。MnOナノ粒子合成におけるもう一つの重要なパラメータは、安定剤の含有である。10:50 OA:DE比よりもさらに小さいMnOナノ粒子を生成しようとして、純粋なDEは、任意のOAなしで使用されました。非常に少量の未知の粉末を安定剤の不在下で合成した。図6Bに示すように、0:60 OA:DE比のXRDスペクトルは騒がしかったし、Mn3O4の3最高峰を含んでいた。XRDプログラムデータベースの分析から、化合物は67%Mn3O4および33%MnOの化学組成を有していた。4XRDスペクトルの広いピークによって支持されるように、TEMは、安定剤の不在時に非常に小さなナノ粒子が合成されたことを確認した(図6F)。ナノ粒子も不規則な形状と凝集して現れた。さらに、安定剤を使用せずに33%の収率しか得られなかったので、少量の生成物が合成された。そのため、MnOナノ粒子の合成にはOAやオレイン酸などの安定剤の高い窒素流量と含入が必要である。

XRDを用いたバルクナノ粒子組成を補体するために、FTIRを用いて表面組成を評価することができる。図7は、バックグラウンド補正後のMnOナノ粒子のFTIRスペクトルを示す。すべてのスペクトルは、アミン群61に関連付けられた対称および非対称のCH2ピーク(2850-2854および2918-2926cm-1、アスタリスクでマーク)を示し、NH22曲げ振動ピーク(1593cm-1および3300 cm-1は正方形でマーク)に加えて、61に関連する。MnOナノ粒子は、OAのFTIRスペクトルに存在するオレイル基とアミン基(図S3)について同じピークを共有するので(図S3)、ナノ粒子がOAの表面層で被覆されていると結論付けることができる。さらに、すべてのナノ粒子FTIRスペクトルは、XRD62を介して見つかった組成を確認する600cm-1(三角形でマーク)の周りのMn-OおよびMn-O-Mn結合振動を含む。

図1:窒素と水はMnOナノ粒子合成設定を通って流れる。
チューブ接続には 1 から 15 のラベルが付けられています。空気を含まない窒素は(1)に入り、(2)乾燥カラムを出て、マニホールド(3)の入口に供給される。反応の間、窒素はマニホールド(4)の右栓に入ることによってシステムから空気をパージする。栓からガラス肘アダプター(5)に窒素が流れ、ロトバップトラップ、丸底フラスコ、コンデンサー、ガラス肘アダプター(6)および一連の2つの鉱物油バブラー(7-9)を介して。マニホールドでは、反応を通って流れない過剰な窒素は、システムを左栓(10)を通って、シリコーンオイル(11)の量が最も多い鉱油バブラーに接続する。ストップコック#10は常に開いたままにする必要があります。水は、水が凝縮器の入口(13)と出口(14)を通って蛇口(12)から、ヒュームフードドレイン(15)に流れます。管は金属クランプによって凝縮器にしっかり止まる。すべてのチューブは、コンデンサーに使用される水互換性のあるチューブを除き、耐薬品性の高いチューブでなければなりません。主なガラス製品と機器は 図S1にラベル付けされています。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:OA:DEの減少率で合成されたMnOナノ粒子のTEM画像。
次の比率を使用しました: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E)20:40, (F) 10:50.MnOナノ粒子は、ナノ粒子の境界の明確な線引きを可能にするために、最小限の重複を有する別個の丸みを帯びた八角形として現れる。反応反応率は、ナノ粒子全体のサイズに影響を与える観察を行い、50:10は最大のナノ粒子を合成し、10:50は最小のナノ粒子を生成した。スケール バーは 50 nm です。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 3: 不適切な TEM グリッドの準備によって生じる最適でない TEM イメージ。
(A,B)ナノ粒子懸濁液が濃縮しすぎたり、ナノ粒子懸濁液の余分な滴がTEMグリッドに積み込まれた場合、ナノ粒子は実質的な重なりを伴う大きな塊に凝集する。個々のナノ粒子は、グリッドのほとんどの領域で観察することはできません。(C,D)あるいは、ナノ粒子濃度が低いと、TEMグリッドにナノ粒子の量が少ない可能性があります。個々のナノ粒子は遠く離れて広がっていますが、サンプルの母集団サイズ分布をキャプチャするためにより多くの画像が必要です。スケール バーは 50 nm です。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:TEM画像から測定した平均MnOナノ粒子径。
一般に、より多量の有機溶媒(DE)を有する安定剤(OA)の量が少ない場合、より小さく、より均一なMnOナノ粒子が生じる。TEM画像では、各グループのImageJのライントレースツールを使用して、合計900〜1100ナノ粒子径を計算しました。誤差範囲は標準偏差を示します。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:OA:DEの減少率で合成されたMnOナノ粒子のXRDスペクトル。
次の比率を使用しました: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E)20:40, (F) 10:50.(G)MnOの標準回折ピークは、XRD分析プログラムデータベースから示されている。製造されたすべてのナノ粒子は、MnOに対して5つの最高強度のXRDピークを示し、MnOナノ粒子の合成に成功したことを示す。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図6:望ましくないナノ粒子のXRDスペクトルおよびTEM画像。
XRDスペクトルは、(A)低窒素流量及び(B)OA:DE(B安定剤が存在しない)の0:60比を用いたMnOナノ粒子合成のために示されている。XRD分析プログラムデータベースから、(C)Mn3O44および(D)MnOの標準回折ピークが表示される。C3標準スペクトルとの比較を通じて、不十分な窒素流量(A)は、Mn3O4(51%)の混合物でナノ粒子を作成した34MnO(49%)と。オレイラミン(B)がない場合、Mn3O4の3つの最高峰に一致するより広いXRDスペクトルが得られる。XRDプログラムデータベースによって行われた分析に基づいて、これらの合成ナノ粒子は67%Mn3O4および33%MnOである。4低窒素流量で合成された(E)ナノ粒子のTEM画像は、より小さいナノ粒子に囲まれた大きなナノ粒子を示す。OA:DEの0:60比で合成された(F)ナノ粒子のTEM画像は、不規則な形状を有する非常に小さな凝集ナノ粒子を表示する。スケール バーは 50 nm です。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図7:OA:DEの減少率で合成されたMnOナノ粒子のFTIRスペクトル。
次の比率を使用しました: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E)20:40, (F) 10:50.アスタリスクと正方形はそれぞれオレインル基とアミン基に対応し、三角形はMn-O結合とMn-O-Mn結合の振動を示します。ボックス化されたインセットは、オレイン酸基の 2 つの異なるピークを強調します。FTIRスペクトルは、図 S3のオレイラミンのみFTIRスペクトルとの比較を通じて確認されたように、MnOナノ粒子がオレイラミンでコーティングされていることを示している。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図S1:MnOナノ粒子合成セットアップの主要なガラス製品および機器。 マニホールドは金属の爪クランプによって金属格子に固定され、反応に窒素を分散させる。Mn(II) ACAC、ジベンジルエーテル、オレイラミン、攪拌バーを4つの首で丸底フラスコに追加します。フラスコの右首はロトヴァップトラップと肘アダプタに取り付けられ、左首はコンデンサーと肘アダプタに取り付けられています。丸い底フラスコの中首はゴム栓で覆われています。温度プローブは、丸底フラスコの最小の開口部に挿入され、Oリングとパラフィンプラスチックフィルムで囲まれて気密シールを形成します。丸い底フラスコは、加熱マントルと攪拌プレートの上に座って、加熱しながら反応を激しくかき混ぜます。温度プローブと加熱マントルは温度コントローラに接続され、温度プロファイルのリアルタイムの自動調節を提供します。丸底フラスコとコンデンサーは金属の爪クランプと金属格子に固定される。画像には、左から右のバブラーまでのシリコーンオイルの量が増え、左側に2つ、右側に1つ、3つの鉱物油バブラーがあります。バブラーは、爪クランプで金属格子にも取り付けられています。緑色のプラスチック製の円錐形ジョイントクリップは、反応が始まる前にガラス製品の接続を確保するために取り付けられています。チューブ接続の詳細については、 図 1を参照してください。 こちらをダウンロードしてください。

図S2:OA:DEの減少率に対するMnOナノ粒子サイズの分布を示すヒストグラム。 次の比率を使用しました: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E)20:40, (F) 10:50.全体として比率が10:50に近づくと、ナノ粒子サイズ分布は左にシフトし(小さい直径を示す)、よりコンパクトになります(より均一なナノ粒子サイズを示します)。各分布の平均直径を 図 4に示します。 こちらをダウンロードしてください。

図S3:オレイラミンのFTIRスペクトル。 アスタリスクと正方形は、それぞれオレイラミンのオレイン基とアミン群を表します。 こちらをダウンロードしてください。

著者らは開示するものは何もない。