タンジェンシャルフロー限外濾過：コロイダルシルバーナノ粒子の大きさの選択と集中のための "グリーン"メソッド

この手順の全体的な目的は、より大量のコロイド状ナノ粒子および少量の下液（Tate）に対するタンジェンシャルフロー超ろ過法の実現可能性を実証することです。まず、4 Lのクエン酸コロイド銀ナノ粒子を合成します。次に、UV-vis吸収分光光度法を用いて表面プラズモン共鳴を測定し、コロイドの品質を確認します。

次に、接線流超ろ過を用いて、このコロイドの分画、選択および4 mLの水への濃縮を行います。その後、誘導結合プラズマ発光分光法を用いて、元のコロイドおよび超ろ過プロセスの代表サンプルの銀含有量を定量します。最終的に、透過電子顕微鏡と画像処理を組み合わせて解析します。

Image Jソフトウェアを用いて、元のコロイドおよび最終的な限外ろ過における銀ナノ粒子の粒度分布を示します。I-C-P-O-E-Sを用いたナノ材料の定量分析に不慣れな方は、ガラス器具に痕跡量の金属汚染がないことを確実にするために不可欠な、ガラス器具の洗浄手順を習得する必要があります。また、コロイド試料を適切に分解し、I-C-P-O-E-Sの検量線標準溶液を調製するために必要な時間も重要です。

分画サイズ、溶解度依存的な分画、サイズ排除クロマトグラフィー、分画結晶化、ゲル電気泳動などの他の手法とは異なり、本手法では、凝集、合成試薬の毒性、不要なコーティング、高コスト、または効率の低下といった問題が回避されます。コロイド状金ナノ粒子の合成と、可視・紫外分光光度法およびICP-OESによる特性評価の実演は、私の研究室の研究学生であるAustin Williams、Joshua Baker、Catherine Andersが行います。私はDr. Woolleyで、タンジェンシャルフローろ過を担当し、Jackie Ciscoが電子顕微鏡観察を担当します。すべてのガラス器具は、付随するテキストに記載されている通り、細心の注意を払って洗浄してください。

10°Cに冷却したオートクレーブ滅菌水を用いて、2 mMの水素化ホウ素ナトリウム溶液を300 mL、1 mMの硝酸銀溶液を100 mL調製します。次に、撹拌子を入れた500 mLのエルレンマイヤーカー反応フラスコに、水素化ホウ素ナトリウム溶液300 mLを加えます。銀の酸化を防ぐため、フラスコをアルミホイルで包み、氷上で撹拌します。

25 mLのビュレットをプライミングするには、まず超純水で全量を満たして洗浄し、次に硝酸銀溶液を用いて全量を満たして洗浄します。その後、ビュレットをアルミホイルで巻き、硝酸銀溶液を満たします。暗室にて、ナトリウムまたはヒドリド溶液に硝酸銀溶液を50 mL加えます。

光への曝露を最小限にするため、装置の中央部分をアルミホイルで覆います。この間、氷浴を定期的に補充してください。氷上でコロイド溶液をさらに45〜50分間撹拌し続けます。

銀ナノ粒子の形成は、無色から黄金色への色変化によって示され、これは銀ナノ粒子の表面プラズモン共鳴最大値に特徴的な現象です。得られたコロイドを冷蔵保存します。1 mL使い捨てQ-キュベットに、コロイドと超純水を1:10の容量比で満たします。ブランクのベースライン補正用に、別のQ-キュベットに超純水を満たします。

両方のキュベットの外側をキムワイプで拭きます。分光光度計を吸光度モードに設定し、Y軸の範囲を最小-0.5から最大1.0に設定します。また、X軸のスキャンウィンドウを200〜800ナノメートルに設定し、ベースライン補正を有効にした高速スキャンを選択します。

水で満たしたQ vetを装置に挿入し、ベースラインスキャンを実行します。ゼロではないベースラインコントロールが得られるまで、必要に応じてこれを繰り返します。ブランクのQ.VetをサンプルQ vetに交換し、コロイドサンプルのUV-vis吸収スペクトルを収集するための吸収スキャンを開始します。

付属のテキストに従い、17 master flexフィードチューブをペリスタルティックポンプに接続し、DIRボタンを使用してポンプの回転方向を反時計回りに設定して、モードボタンがINTになっていることを確認します。ポンプの流量を300 milliliters per minute未満に設定してください。次に、ろ過ループ内に真空を形成して、システムのプライミングを行います。

液体がシステム内をスムーズに流れたことを確認したら、ポンプの電源を切り、チューブ接合部のポートを閉じてクランプを取り外します。再びポンプを起動し、チューブ回路に漏れがないか確認してください。その後、チューブのサイズに合わせてポンプの流量を上げます。

リザーバーボトル内の液体がほぼなくなるまでろ過を続け、ポンプを停止します。ポンプの流速を下げて、ろ過ループからtateを回収します。tateは50 nm以上のナノ粒子で構成されています。次に、50 nm未満のナノ粒子で構成されるろ過液を回収します。

Tateをさらに分析しても安全な状態であれば、ろ液を次のステップで使用します。次に、直径20 nanometers未満のナノ粒子を選択します。チューブを超純水で調製した2%nitric acidで洗浄します。

100 kilodaltonのCROsフィルターを用いて、ろ過工程を繰り返します。ろ過ループからリテンケートを回収してください。より小さい100 KDマイクロフィルターと、より小さいサイズ14のチューブを使用し、プライミングおよびろ過ステップのポンプ速度を30 milおよび90 milという低速に設定することで、サンプルをさらに濃縮できます。

この手法は、銀ナノ粒子の調製における精製工程を通じて銀を定量するために設計されています。試料からの銀の溶出を防ぐため、低密度のポリプロピレン容器を使用してください。まず、濃硝酸を用いて試料を化学的に分解します。

また、8つの標準試料を用いて銀の検量線を準備します。次に、ICP-OES装置において、銀の測定波長、高周波出力、プラズマ流量、補助ガス流量、およびネブライザー圧力を設定します。さらに、各試料を10秒間の測定時間で3回繰り返し測定するように装置を設定します。

測定安定化時間を15秒、サンプル吸引遅延時間を30秒に設定して使用してください。また、サンプルの間には必ずメソッドブランクを導入し、潜在的なクロスコンタミネーションを低減させてください。次に、サンプルをロードし、100 kilodaltonのtateサンプルを超純水で希釈して測定します。

次に、元のコロイドおよび希釈した100 kilodaltonの試料を20 µLずつ、300メッシュのフォームバーコート金グリッド上に滴下します。グリッドを放置して風乾させます。TEM装置の加速電圧を70 kVに設定して銀ナノ粒子を観察し、高解像度カメラを用いて電子顕微鏡写真を撮影し、TIFF形式で保存します。

4リットルのCRETおよびコロイド銀ナノ粒子の調製において、最終的なコロイドは特徴的なゴールデンイエロー色を示しました。このコロイドのUV-vis吸収スペクトルでは、394 nanometersに典型的な鋭く対称的な表面プラズモンピークが観察されました。元のCRETコロイドおよび最終的な100 kilodalton Tateのラマンスペクトルでは、3つの振動モードのみが示されました。

1,640 cm⁻¹における変角振動モード、および水の対称および非対称伸縮振動モード。サイズ選択および濃縮のための3段階のタンジェンシャルフロー超ろ過プロセスにより、最終的に100 kilodaltonのリテン液 4 mLが得られた。合成副産物および過剰な試薬の大部分は、水溶媒を通じて除去された。

その後、ICP-OESの検量線を用いて銀量を測定しました。ここでは、実際の収量は一般的な理論収量である15.4 ppmに非常に近い値となりました。クレチン反応において、銀ナノ粒子の極めて高い濃度は、元のコロイドの金黄色から、最終的な100 kilodalton tateの濃褐色への劇的な色の変化として現れました。ICP-OESによる測定は、この視覚的な観察結果を裏付け、最終的な100 kilodalton tateの銀濃度を明らかにしました。

元のクレチン・コロイドと最終的な100 kilodaltonの画分のこれらのTEM顕微鏡写真は、凝集していない状態の銀ナノ粒子が、明るいグレーの背景の上に黒い円形の領域として現れることを示しています。これらのTEMサイズヒストグラムは、元のクレオン銀ナノ粒子と最終的な100 kilodalton画分について、約800個の銀ナノ粒子を分析して作成されました。このビデオを視聴することで、銀ナノ粒子の濃縮およびサイズ選択のための接線流ろ過の実施方法について、十分に理解できるはずです。

さまざまな容量を、凝集を最小限に抑えて濃縮することが可能です。また、ナノ粒子の特性評価方法についても十分に理解しておく必要があります。この手法を習得すれば、6時間以内で完了させることができます。

この手順を行う際は、高濃度のコロイド懸濁液は冷蔵保存しても寿命が限られていることに留意することが重要です。この制限は、慎重な調査、計画、および準備によって管理できます。また、I-C-P-U-S分析のための化学分解において、高温の硝酸試薬を扱う際は危険が伴うため、化学用ドラフトチャンバー内での作業や、適切な保護具の着用など、適切な予防措置を講じてください。