Waiting
로그인 처리 중...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

ייצור של חלקיקי מתכת על ידי פעימה לייזר ablation בנוזלים: כלי לחקר מאפיינים אנטיבקטריאליים של חלקיקים

Published: June 2, 2017 doi: 10.3791/55416
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 1,2, 2,3
1Physics Department, Rutgers University-Camden, 2Center for Computational and Integrative Biology, Rutgers University-Camden, 3Biology Department, Rutgers University-Camden

Summary

תכונות מיקרוביאלית של מתכות כגון נחושת וכסף הוכרו במשך מאות שנים. פרוטוקול זה מתאר פעימה לייזר ablation בנוזלים, שיטה של ​​סינתיזה חלקיקי מתכת המספק את היכולת לכוונן את המאפיינים של חלקיקים אלה כדי למטב את ההשפעות האנטי מיקרוביאלית שלהם.

Abstract

הופעתה של חיידקים עמידים בפני ריבוי מחלות היא דאגה קלינית עולמית המוליכה חלק מהשערה על החזרתנו לעידן "טרום אנטיביוטיקה" של הרפואה. בנוסף למאמצים לזהות תרופות מולקולות קטנות מולקולות קטנות, יש כבר עניין רב בשימוש חלקיקי מתכת כמו ציפויים עבור מכשירים רפואיים, תחבושות הפצע, ואריזת הצרכן, בשל תכונות מיקרוביאלית שלהם. מגוון רחב של שיטות זמין עבור סינתזה nanoparticle תוצאות בספקטרום רחב של תכונות כימיות ופיזיות אשר יכול להשפיע על יעילות אנטיבקטריאלית. כתב יד זה מתאר את פעימה לייזר ablation בנוזל (PLAL) שיטה כדי ליצור חלקיקים. גישה זו מאפשרת כוונון עדין של גודל nanoparticle, הרכב, ויציבות באמצעות שיטות שלאחר הקרנה, כמו גם תוספת של פעילי שטח או הרחקות נפח. על ידי שליטה בגודל החלקיקים ואת הרכב, מגוון רחב של תכונות פיסיקליות וכימיות של nanopa מתכתRtics ניתן לחקור אשר עשויים לתרום יעילות מיקרוביאלית שלהם ובכך פותחים אפיקים חדשים לפיתוח אנטיבקטריאלי.

Introduction

Nanoparticles (NPs) מוגדרים בדרך כלל כמו חלקיקים שיש להם לפחות ממד אחד כי הוא פחות מ -100 ננומטר אורך. שיטות כימית מסורתיות NP סינתזה בדרך כלל דורשים סוכני הפחתת מסוכנים, כגון borohydrides ו hydrazines. לעומת זאת, לייזר אבלציה של מטרות מתכת מוצק שקוע במדיום נוזלי (פולס לייזר ablation בנוזלים - PLAL) מספק נתיב ידידותי לסביבה עבור סינתזה NP אשר עונה על כל 12 של עקרונות הכימיה הירוקה 1 , 2 . ב PLAL, יעד מתכת שקוע הוא מוקרן על ידי פעימות לייזר חוזרים. כמו לייזר ablates את היעד, פלומה צפופה של אשכולות אדי אטומי הוא שוחרר לתוך המדיום הנוזלי שבו NPs במהירות coalesce. NPs המיוצרים על ידי PLAL הם מפוזרים היטב במדיום מימי ואת גודל, polydispersity, ואת ההרכב של NPs ניתן לשלוט בקלות על ידי שינוי נוזל אבלציה מימית כמו גם לייזרAmeters 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 .

מאפיינים Nanoparticle יכול להיות מכוון על ידי התאמת מספר פרמטרים לייזר, כולל: גל, גל, אורך הדופק (נסקרו בהתייחסות 7 ). פלואורס לייזר מחושב כאנרגיה הדופק חלקי שטח של נקודה לייזר על פני היעד. ההשפעות המדויקות של שטף על גודל polydispersity של NPs הם קצת שנויים במחלוקת. ככלל, הוכח כי במערכות לייזר פועלות "ארוכות" ו"מעטות " , יש משטרים נמוכים וגבוהים, המייצרים מגמות שליליות וחיוביות, בהתאמה , 8 , 9 , 10 , 11 . גודל NPOns ניתן למדוד אמפירי באמצעות טכניקות כגון פיזור אור דינמי ומיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM), כמתואר להלן.

הבחירה של אורך גל לייזר יכולה להשפיע על המנגנונים הפיזיים שבאמצעותם NPs נוצרים. באורכי גל קצרים יותר (אולטרה סגול), פוטונים באנרגיה גבוהה מסוגלים לשבור את הקשרים הבין-אטומיים 12 . מנגנון זה של אבלציה צילום הוא דוגמה של סינתזה NP מלמעלה למטה כי זה גורם לשחרור של קטעים קטנים במיוחד של חומר אשר נוטים לייצר דגימות polydisperse גדול יותר על מרווה בנוזל צולל 12 , 13 , 14 . לעומת זאת, אבלציה ליד אינפרא אדום (λ = 1,064 ננומטר) מניב מנגנון סינתזה מלמטה למעלה הנשלט על ידי אבלציה פלזמה 12 . ספיגת לייזר על ידי המטרה משחררת אלקטרונים מתנגשים עם, ולאחר מכן בחינם, אלקטרונים מחויב. כגOllisions להגדיל, החומר הוא מיונן, ובכך הצתה פלזמה. הנוזל שמסביב מגביל את הפלסמה, משפר את יציבותה ומגדיל עוד יותר את הקליטה. כמו פלזמה מתרחבת הוא הרווה על ידי נוזל החסימה, NP הם מרוכזים עם גיאומטריות שונות 4 , 12 , 15 .

הבחירה של משך הדופק לייזר יכול להשפיע עוד יותר על תהליך היווצרות NP. נפוץ לייזרים ארוכים פעמו, עם משכי הדופק יותר מאשר כמה picosonds, כוללים את כל מילי, מיקרו, ננו וכמה לייזרים פעמו picosond. במשטר רוחב הפולס הזה, משך הדופק של הלייזר ארוך יותר מהזמן של איזון הפלקטרון אלקטרונים, שהוא בדרך כלל בסדר גודל של כמה picoseconds 4 , 16 , 17 , 18 , 19. התוצאה היא דולף של אנרגיה לתוך המדיום אבלציה שמסביב היווצרות של NPs על ידי מנגנונים תרמיים כגון פליטת thermionic, אידוי, רותחים ונמס 1 , 20 .

הפעילות האנטיבקטריאלית של NPs מושפעת במידה רבה על ידי גודל החלקיקים 21 , 22 , 23 , 24 . כדי להגביר את הפחתת גודל monodispersity, NPs יכול להיות מוקרן בפעם השנייה באמצעות לייזר של אורך גל ליד התהודה פלסמון (SPR) של NP. קרינת לייזר האירוע נספג על ידי NP דרך עירור של SPR. פיצול של NP עשוי להתרחש באמצעות אויד תרמי 25 , 26 או קולומב פיצוץ 27 , 28 . צילום החידוש מעלההוא הטמפרטורה של NP מעל נקודת ההיתוך, וכתוצאה מכך שפיכת השכבה החיצונית של החלקיקים. הוכח כי הוספת סוכנים כגון polyvinylpyrrolidone (PVP) או נתרן dodecyl סולפט (SDS) לפתרון יכול מאוד לשפר את ההשפעות שלאחר קרינה 5 . ההשפעה של תוספת של מומסים שונים תוארו במספר דוחות 1 , 4 , 6 . הקלות של מניפולציה של המאפיינים NP ידי PLAL מעניקה שיטה חדשה לפתח מיקרוביאלית חדש NP מבוססי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. מיקוד לייזר Nanosecond ו מדידת Fluence

  1. להרכיב את מכשיר אבלציה על ידי הנחת מוט מערבי מגנטי שלב אבלציה נקבובי בתוך כוס זכוכית 50 מ"ל.
    הערה: שלב אבלציה מורכב קוטר 3.81 ס"מ, 1.6 מ"מ עובי נירוסטה פלטפורמה עם 10 חורים בקוטר 0.65 ס"מ ושש חורים בקוטר 0.50 ס"מ בקדוח בתבנית מאויר באיור 1 . מטרת חורים אלה היא לאפשר לנוזל לנוע על פני היעד, כך שחלקיקי לא צוברים מיד מעל היעד. ערבוב לא מספיק מוביל אינטראקציות מזיקות בין הלייזר לבין חלקיקים שכבר נוצרו. בנוסף, שלושה # 29 (8-32) חורים tapped ממוקמים ליד המערכת של הפלטפורמה כדי לקבל ברגים להגדיר המשמשים הרגליים כדי להרים את הפלטפורמה ולספק מקום לבר מגנטי מערבי ( איור 1 א ).
    1. מניחים את הכוס על מגנטימערבבים את הצלחת ולהגדיר את הצלחת מערבבים על הבמה תרגום XI כדי לאפשר תנועה של המטרה במהלך אבלציה ( איור 1 א ).
  2. הגדר את Nd: YAG לייזר לפעול באורך גל בסיסי של 1,064 ננומטר, עם משך הדופק של 5 ns, ואת שיעור חזרת הדופק של 10 הרץ. למדוד את האנרגיה לדופק עם כוח לייזר ומד אנרגיה. האנרגיה הדרושה היא 240-250 mJ.
  3. פוקוס את קרן מתחת ליעד על שלב אבלציה באמצעות 250 מ"מ אורך מוקד העדשה מתכנס (NA = 0.05).
    הערה: לקרן הנכנסת יש רדיוס של 4.025 מ"מ וגובה עדשה של 161 מ"מ נדרש כדי להשיג את גודל הנקודה הרצוי. גודל הנקודה האופטימלי נקבע באופן אמפירי. גודל נקודה גדול יותר מנוצל כדי להפחית את ההשפעה של סיכוך על ידי NPs נוכח בפתרון. זה מאוזן עם העובדה כי הגדלת גודל ספוט דורש אנרגיה גבוהה יותר כדי לשמור על נאותות.
  4. קביעת גודל נקודה על ידי הצבת יעד מתכת (ראה סעיףN 2) על הבמה ואת ablating עם כמה פעימות לייזר. הצג את המטרה ablated יחד עם שקופית מיקרומטר על מיקרוסקופ אור מצויד במצלמת CCD (מטרת 4X) כדי למדוד את גודל נקודה ( איור 1 א ).
    הערה: עבור המנגנון כאן, מערכת אבלציה תשואות גודל נקודה עם שטח ממוצע של 5.51 מ"מ 2 . גודל המקום נשאר בטווח זה עבור כל אבלציה.
  5. חישוב fluence על ידי חלוקת האנרגיה הדופק על ידי אזור נקודה. עבור המנגנון כאן, השטף הוא 4.80 J / cm 2 .

2. סינתזה של חלקיקי כסף על ידי פעימה לייזר ablation ב נוזלי

  1. לשקול יעד כסף שטוח באמצעות microbalance כדי להשיג את המוני מראש אבלציה.
  2. לדבוק היעד כסף לשלב נקבובי באמצעות דו צדדית קלטת פחמן. הוסף 40 מ"ל של נוזל אבלציה כדי כוס ( איור 1 א ). הגובה הנוזלי מעל היעד הוא 11 מ"מ.
    הערה: ליקוי אבלציה אופייניUids הם פתרונות מימיים המכילים גם 60 מ"מ SDS או 2 מ"מ PVP כדי לחזק monodispersity.
  3. תחת זעזוע מתמיד, להזיז את השלב xy ממונע מבוקרת מחשב בדפוס אליפטי (מימדים: ציר ראשי = 2.09 ס"מ, ציר קטן = 0.956 ס"מ, שטח = 1.57 ס"מ 2 ) במהירות של 0.42 ס"מ / s ו ablate היעד עבור 20-40 דקות.
    הערה: ריכוז NPs גדל עם פעמים אבלציה ארוכה יותר. ודא כי ערבוב מספיק נמרץ כדי לשמור על מדים ריכוז NP לאורך הפתרון כדי למזער את ההשפעות סיכוך 7 .

3. אפיון חלקיקי מתכת

  1. לאסוף את הפתרון nanoparticle מן כוס על ידי decanting. לאשר את נוכחותם של חלקיקים על ידי מדידה ספקטרום האור הנראה שלהם UV (200-1,100 ננומטר).
    הערה: NPs יש ספיגה שיא על פני גל plasmon תהודה (SPR) אורך. עבור כסף, SPR הוא מרוכז ב 400 ננומטר. מרוכז מאוד NPפתרונות דורשים דילול לפני מדידת UV-VIS ספקטרום על מנת להבטיח את ספיגת הקריאות להישאר בטווח ליניארי של ספקטרופוטומטר.
  2. למדוד את הקוטר הידרודינמי של NPs על ידי פיזור אור דינמי (DLS) תוך שימוש בשיטת ניתוח הפצה מספר 29 .
    1. לדלל את הפתרון NP 1:40 ב פתרון אבלציה פיפטה 1 מ"ל לתוך קובט 1 ס"מ פלסטיק. ניצול זווית המדידה של 180 מעלות , למדוד את פיזור האור באורך גל של 633 ננומטר כדי לקבוע את קוטר NP על פי משוואת סטוקס איינשטיין:
      משוואה 1
      כאשר d הוא רדיוס הידרודינמי, k הוא קבוע של בולצמן, T הוא טמפרטורה מוחלטת, η הוא צמיגות, ו D מקדם דיפוזיה translational או מהירות תנועה בראוני.
  3. אישור NP גודל וצורה באמצעות אלקטרונים שידור מיקרו(TEM) 30 .
    הערה: הקוטר הידרודינמי הנמדד באמצעות DLS גדול מהגודל הנמדד באמצעות TEM עקב שכבת הממס סביב NP.
    1. לדלל את הפתרון NP 1:40 במים מזוקקים פעמיים כדי להסיר את כל תוספים עודפים ( למשל SDS או PVP) שעלולים להפריע הדמיה. Drop 2 μL של הפתרון על גבי רשת TEM נחושת מראש מצופה בסרט פחמן דק / רזה (זמין מסחרית, לראות את רשימת החומרים) ויבש לילה בטמפרטורת החדר תחת ואקום ב desiccator.
    2. התמונה NPs כדי להעריך את גודל וצורה כמתואר בהתייחסות 30 .
  4. כדי לחשב את ריכוז NP, לזרוק כל NPs המצורפת באופן רופף מן המטרה מתכת ablated (שלב 2.3) על ידי הנחת המטרה באמבט מים sonicating המכיל מים מזוקקים במשך 1 דקות.
    1. יבש את היעד תחת זרם של אוויר דחוס במשך 1 דקות. למדוד את המסה של taRget על microbalance. לכמת את המסה של NPs בפתרון כמו ההבדל במשקל לפני ואחרי אבלציה, אשר מניחה להיות תוצאה של פליטה של ​​חלקיקי מתכת לתוך הפתרון.

4. לאחר הקרנה

  1. מדולל את NPs לריכוז מקסימלי של 100 מיקרוגרם / מ"ל ​​ב פתרון אבלציה אותו בשימוש 2.2. גבול ריכוז זה הוא קריטי כדי להבטיח קרינה אחידה.
  2. העברת 15-17 מ"ל של NPs מדולל כדי קובט קוורץ המכיל מוט ומערבבים ( איור 1 ב ). מניחים את קובט על מגש מערבי מגנטי מיושר במקביל עם הלייזר הנכנס.
  3. השתמש Nd: YAG לייזר המערכת לייצר 25 PS 532 ננומטר פולסים לייזר ו 75 מ"מ אורך מוקד העדשה להתמקד לייזר במרכז הפתרון. מסננים את הפתרון למשך 30 דקות למספר שעות, בהתאם לגודל הרצוי.
    הערה: האנרגיה הכוללת נמסר תלוי בריכוז של הפתרון tIme של הקרנה והוא יכול לנוע בין 0.5 mJ ל 3.5 mJ. עבור המנגנון כאן, 30 דקות שלאחר הקרנה של מדגם ריכוז שקוף, נמוך (<50 מיקרוגרם / מ"ל) מניב כסף NPs עם קוטר של 10 ננומטר.

5. מדידת תכונות אנטיבקטריאליות של חלקיקים

הערה: הרעילות של NPs כסף נגד שני חיובי גראם ( Bacillus subtilis ) ו- Gram שלילית ( Escherichia coli ) נבדק 31 . השיטה מותאמת בקלות לכל מינים; אולם המינון היעיל של חלקיקים עשוי להשתנות במידה ניכרת ויש לקבוע באופן אמפירי. כאן, E. coli משמש כמערכת מודל לתיאור של השיטה.

  1. לגדול E. תרבויות coli (זן MG1655) לילה ב 37 ° C ב Luria Broth (LB) המכיל 10 גרם / L Bacto טריפטון, 5 גרם / l תמצית שמרים, 10 גרם / L כלורי נתרן. מדלל את תרבויות הלילה לצפיפות אופטית (λ = 600)ננומטר) של 0.01 ב LB טריים.
  2. אם NPs היו מסונתז בתקשורת אבלציה המכילים תוספים ( למשל SDS או PVP), להוסיף את הכימיקל בהתאמה LB כך ריכוז נשאר קבוע עם הוספת NPs.
    הערה: לדוגמה, בניסוי טיפוסי יעד כסף הוא ablated לתוך פתרון 60 מ"מ SDS להניב פתרון 100 מיקרוגרם / מ"ל ​​של NPs. אם הריכוז הסופי של NPs בתקשורת התרבות הוא 10 מיקרוגרם / מ"ל, להכין LB ​​המכיל 6 מ"מ SDS ( כלומר 1/10 ריכוז SDS ב אבלציה נוזל). אין השפעה שלילית על הצמיחה של חיידקים בעת שימוש בריכוזים אלה. זה מוצג בשליטה -AgNP באיור 3 .
  3. הוסף את NPs תרבויות מדולל בריכוזים הנעים בין 0-50 מיקרוגרם / מ"ל ​​לגדול תרבויות עם רועד ב 37 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות נוספות. בתור שליטה חיובית על רעילות, לטפל E. קולי עם אנטיביוטיקה ( למשל 30 ק"ג מיקרוגרם / מ"לYcin).
  4. לאחר הדגירה 2 שעות, לדלל באופן סדרתי את דגימות תרבות 1:10 לתוך LB טרי במקום 10 טיפות μL של דילול כל על גבי צלחות אגר LB. בדרך כלל, 10 4 -10 8 דילולים מתקפלים מספיק כדי לראות מושבות בודדות.
  5. לאחר טיפות נקלטו, דגירה צלחות לילה ב 37 מעלות צלזיוס ו ספירת המושבה להרכיב יחידות (cfu) למחרת בבוקר.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

באמצעות מטרות כסף, פרמטרים לייזר המתואר לעיל, ו 60 מ"מ SDS ב נוזל אבלציה, NPs כסף נוצרים עם ספיגה אופיינית UV- VIS ב SPR ( איור 2 א ). מדידות TEM ו- DLS חושפות קוטר NP ממוצע של כ 25 ננומטר לפני שלאחר הקרנה ( איור 2 ב ). אבלציה של היעד כסף במשך 30 דקות בדרך כלל התשואות ריכוז NP של 200 מיקרוגרם / מ"ל. בהערכת רעילות אנטי מיקרוביאלית של NPs כסף, 15 מיקרוגרם / מ"ל ​​מעכב מאוד צמיחה E. coli ( איור 3 ).

איור 1
איור 1 : תצורות מכשיר. ( א ) עבור תהליך PLAL, Nd: YAG לייזר הפועלים באורך גל של 1,064 ננומטר הואממוקד דרך עדשה מוקד 250 מ"מ אורך לייצר בגודל נקודה של 5.51 מ"מ 2 על שלב היעד. התמונה בגודל ספוט נתפס באמצעות מצלמת CCD יחד עם מיקרוסקופ אופטי. המטרה אבלציה מוגדר על שלב נקבובי עם 10 חורים בקוטר 0.65 ס"מ ושש חורים בקוטר 0.50 ס"מ. 3 חורים נוספים הם tapped עבור ברגים להגדיר אשר מתפקדים כרגליים כדי לתמוך את הבמה מעל הבר מערבלים. ( ב ) עבור שלאחר הקרנה, Nd: YAG לייזר פלט מוגדר 532 ננומטר וממוקד דרך עדשה מוקד 75 מ"מ אורך אל מרכז קוואט קוורץ המכיל NPs. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 2
איור 2 : אפיון של חלקיקי כסף. A ) ספקטרום UV- VIS של NPs כסף מראה שיא אופייני על אורך גל SPR (400 ננומטר). ( ב ) התפלגות גודל של NPs כסף לפני שלאחר הקרנה נמדדה על ידי TEM. הבלעה מציגה תמונה נציג TEM של AgNPs (הגדלה 85,000X, קנה מידה בר = 100 מיקרומטר). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3 . השפעות אנטימיקרוביאליות של חלקיקי כסף. E. תאים coli טופלו במשך 2 שעות עם ריכוזים שונים של NPs כסף. דילולים סידוריים של תרבויות היו מצופה על LB אגר כדי לקבוע את הכדאיות חיידקי. תאים טופלו עם 30 מיקרוגרם / מ"ל ​​kanamycin כבקרה חיובית. שים לב כי celאני לא מקבל AgNPs (מדגם AGNP) גדלו בנוכחות של SDS 6 מ"מ על מנת להבטיח כי פעילי שטח לא לגרום באופן עצמאי רעילות. הדמות היא מורכבת של מושבות על שתי צלחות מאותו ניסוי הוא תוצאה נציג (n = 5). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

השפעות אנטי מיקרוביאליות חוזרות של NP דורשות ייצור עקבי של NPs בגדלים וריכוזים דומים. לכן, זה קריטי כדי לתקנן פרמטרים לייזר כולל גל, גל, אורך הדופק. בעוד פיזור אור דינמי היא שיטה קלה ומהירה להערכת גודל NP, כימות מדויק של התפלגות גודל דורש מדידה ישירה על ידי TEM. כמו כל קרן לייזר יש מאפיינים שונים במונחים של פרופיל מצב סטייה, זה קריטי להעסיק תהליך אמפירי להניב את הרצף אופטימלי וגובה נוזלי מעל המטרה. מאז הגודל של חלקיקים יכול להיות מותאם על ידי שלאחר הקרנה, את היעילות של ייצור החלקיקים ניתן אופטימיזציה באמצעות יעד המוני הפסד מדידות צפיפות אופטי.

בניגוד לשיטות קונבנציונליות סינתזה כימית, אבלציה לייזר נוזלים יש את היתרון של ייצור חלקיקים במים טהורים או סולאפקטנט סול הזהירות. אין תרכובות מבשר לזיהום התרבויות ולפעול כמפריעים. החוקרים יכולים לייצר את חלקיקים במעבדה שלהם בפרק זמן קצר לשימוש מיידי. הטכניקה היא לשחזור מאוד ואינו דורש הכשרה מיוחדת או כוח אדם. עם זאת, חשוב לציין את המגבלות של שיטה זו. ראשית, המגוון בצורות של חלקיקים המיוצרים על ידי אבלציה לייזר נוזלים יכול להשתנות על פני מגוון רחב. אם יש צורך למקד יחסי היבט מסוימים או פרמטרים של צורות אחרות, יהיה צורך בעיבוד איטרטיבי מאוד אם הדבר אפשרי בכלל. אולי המגבלה המשמעותית ביותר של טכניקה זו היא כי ניסויים הדורשים מסות גדולות של חלקיקים יהיה קשה. סינתזת גרם גרם יכול להתרחש, אבל זה מאתגר דורש ציוד לייזר מיוחדים 32 , 33 , 34 .

Ent "> חשוב לציין כי NPs מתכת רבים הם רגישים לאור, ואכן, הקרנה של חלקיקי כסף עם אור הנראה תוצאות ברעילות אנטיבקטריאלית מוגברת 31. היעילות המשופרת נובעת מגידול של יון כסף לשחרר מן NPs. , חשוב לשקול אם לבצע את שיטת PLAL ולאחסן את NPs וכתוצאה מכך מוגן מפני האור.

לבסוף, הבחירה של פעילי שטח פעילי שטח ( כגון SDS ו- PVP) כדי להקטין את גודל NP הוא קריטי כאשר לומדים את העוצמה האנטי מיקרוביאלית של NPs. חשוב לבצע ניסויים שליטה על מנת להבטיח כי תוספים אינם רעילים בכוחות עצמם. לדוגמה, E. coli סובל SDS בריכוזי עד 10 מ"מ; עם זאת, ב subtilis הוא הרבה יותר רגיש 31 . לכן, כאשר עובדים עם תת subtilis, ריכוזים שאינם רעילים של PVP (2 מ"מ) ניתן להוסיף נוזל אבלציה כדי לקבל 25 ננומטרחלקיקים.

לייזר אבלציה בנוזלים יחד עם שלאחר הקרנה ניתן להשתמש כדי לייצר הפצות nanoparticle עם מגוון של dispersities וגדלים. זה יאפשר מחקרים עם חיידקים שונים, מתכות, ואפילו סגסוגות. השימוש PLAL עבור סינתזה nanoparticle מספק שיטה חדשה לפיתוח NPs מיקרוביאלית כדי להתמודד עם האתגר הגדל בהתנגדות אנטיבקטריאלית.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgments

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (NSF פרסים CMMI-0922946 ל- DB, CMMI-1300920 ל- DB ו- S.O'M., ו- CMMI-1531789 ל- S.O'm, DB ו- EAK) בוש מענק מחקר ביו-רפואי ל- EAK ו- S.O'M.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nanosecond Nd:YAG laser Ekspla NL303
Motorized xy scanning stage Standa 8MTF
UV-VIS spectrophotometer Agilent Cary 60
Dynamic light scattering unit Malvern Zetasizer ZS 90
Microbalance Maktek TM 400
Transmission electron microscope Zeiss EM 902
Silver foil target Alfa Aesar 12127
250 mm focal length lens Edmund Optics 69-624
Copper TEM grids Pacific Grid-Tech Cu-400LD Lacey/thin film coated grid
E. coli MG1655 ATCC 47076
Bacto tryptone BD Biosciences 211705
Yeast extract BD Biosciences 212750
Sodium chloride Fisher Scientific BP3581
Bacto agar BD Biosciences 214010
Sodium dodecyl sulfate Fisher Scientific BP166-100
Polyvinylpyrrolidone Fisher Scientific BP431-100
Stainless steel disc (for ablation stage) Metal Remnants, Inc. N/A 1.5 inch diameter, 16 gauge
Beaker Fisher Scientific 02-540G
Magnetic stir bar Fisher Scientific 14-513-57
Magnetic stir plate Fisher Scientific 11-100-49SH
Laser energy and power meter Coherent 1098579
Carbon tape Shinto Chemitron Co. Ltd. STR Tape
Sonicating water bath Branson 1510
Air compressor GMC Syclone 3010 For drying ablation target
75 mm focal length lens Edmund Optics 34-096 Focusing lens for post-irradiation
Quartz cuvette Precision Cells Inc 21UV40 50 mm light path (for post-irradiation)
Kanamycin Fisher Scientific BP906-5
Light microscope Nikon 50i This microscope is used to focus the laser on the ablation stage. This particular model is no longer available, but any light microscope with a 4X objective will work.
CCD camera AmScope MT5000-CCD
Micrometer slide Ted Pella 2280-70

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Amendola, V., Meneghetti, M. What controls the composition and the structure of nanomaterials generated by laser ablation in liquid solution? Phys Chem Chem Phys. 15 (9), 3027-3046 (2013).
  2. Anastas, P., Eghbali, N. Green chemistry: principles and practice. Chem Soc Rev. 39 (1), 301-312 (2010).
  3. Mafune, F., Kohno, J. Y., Takeda, Y., Kondow, T., Sawabe, H. Formation of Gold Nanoparticles by Laser Ablation in Aqueous Solution of Surfactant. J Phys Chem B. 105 (22), 5114-5120 (2001).
  4. Rao, S. V., Podagatlapalli, G. K., Hamad, S. Ultrafast laser ablation in liquids for nanomaterials and applications. J Nanosci Nanotechnol. 14 (2), 1364-1388 (2014).
  5. Tsuji, T., et al. Preparation of silver nanoparticles by laser ablation in polyvinylpyrrolidone solutions. Appl Surf Sci. 254 (16), 5224-5230 (2008).
  6. Zeng, H., et al. Nanomaterials via laser ablation/irradiation in liquid: a review. Adv Funct Mater. 22 (7), 1333-1353 (2012).
  7. Naddeo, J. J., et al. Antibacterial Properties of Nanoparticles: A Comparative Review of Chemically Synthesized and Laser-Generated Particles. Adv. Sci. Eng. Med. 7 (12), 1044-1057 (2015).
  8. Elsayed, K. A., Imam, H., Ahmed, M. A., Ramadan, R. Effect of focusing conditions and laser parameters on the fabrication of gold nanoparticles via laser ablation in liquid. Opt. & Laser Tech. 45, 495-502 (2013).
  9. Kabashin, A. V., Meunier, M. Synthesis of colloidal nanoparticles during femtosecond laser ablation of gold in water. J Appl Phys. 94 (12), 7941-7943 (2003).
  10. Nichols, W. T., Sasaki, T., Koshizaki, N. Laser ablation of a platinum target in water I. Ablation mechanisms. J Appl Phys. 100 (11), 114911 (2006).
  11. Povarnitsyn, M. E., Itina, T. E., Levashov, P. R., Khishchenko, K. V. Mechanisms of nanoparticle formation by ultra-short laser ablation of metals in liquid environment. Phys Chem Chem Phys. 15 (9), 3108-3114 (2013).
  12. Mortazavi, S. Z., Parvin, P., Reyhani, A., Golikand, A. N., Mirershadi, S. Effect of Laser Wavelength at IR (1064 nm) and UV (193 nm) on the Structural Formation of Palladium Nanoparticles in Deionized Water. J Phys Chem C. 115 (12), 5049-5057 (2011).
  13. Kim, J., Reddy, D. A., Ma, R., Kim, T. K. The influence of laser wavelength and fluence on palladium nanoparticles produced by pulsed laser ablation in deionized water. Solid State Sci. 37, 96-102 (2014).
  14. Mortazavi, S. Z., Parvin, P., Reyhani, A., Mirershadi, S., Sadighi-Bonabi, R. Generation of various carbon nanostructures in water using IR/UV laser ablation. J Phys D: Appl Phys. 46 (16), 165303 (2013).
  15. Hunter, B. M., et al. Highly active mixed-metal nanosheet water oxidation catalysts made by pulsed-laser ablation in liquids. J Am Chem Soc. 136 (38), 13118-13121 (2014).
  16. Momma, C., et al. Short-pulse laser ablation of solid targets. Opt Commun. 129 (1), 134-142 (1996).
  17. Sonntag, S., Roth, J., Gaehler, F., Trebin, H. R. Femtosecond laser ablation of aluminium. Appl Surf Sci. 255 (24), 9742-9744 (2009).
  18. Yamashita, Y., Yokomine, T., Ebara, S., Shimizu, A. Heat transport analysis for femtosecond laser ablation with molecular dynamics-two temperature model method. Fusion Eng Des. 81 (8), 1695-1700 (2006).
  19. Zhigilei, L. V., Lin, Z., Ivanov, D. S. Atomistic modeling of short pulse laser ablation of metals: connections between melting, spallation, and phase explosion. J Phys Chem C. 113 (27), 11892-11906 (2009).
  20. Schmidt, M., et al. Lasers in Manufacturing 2011 - Proceedings of the Sixth International WLT Conference on Lasers in Manufacturing Metal Ablation with Short and Ultrashort Laser Pulses. Physics Procedia. 12, 230-238 (2011).
  21. Azam, A., Ahmed, A. S., Oves, M., Khan, M. S., Memic, A. Size-dependent antimicrobial properties of CuO nanoparticles against Gram-positive and-negative bacterial strains. Int. J. Nanomed. 7, 3527-3535 (2012).
  22. Ivask, A., et al. Size-dependent toxicity of silver nanoparticles to bacteria, yeast, algae, crustaceans and mammalian cells in vitro. PLoS One. 9 (7), e102108 (2014).
  23. Kim, T. H., et al. Size-dependent cellular toxicity of silver nanoparticles. J Biomed Mater Res A. 100 (4), 1033-1043 (2012).
  24. Raghupathi, K. R., Koodali, R. T., Manna, A. C. Size-dependent bacterial growth inhibition and mechanism of antibacterial activity of zinc oxide nanoparticles. Langmuir. 27 (7), 4020-4028 (2011).
  25. Plech, A., Kotaidis, V., Gresillon, S., Dahmen, C., von Plessen, G. Laser-induced heating and melting of gold nanoparticles studied by time-resolved x-ray scattering. Phys Rev B. 70 (19), 195423 (2004).
  26. Takami, A., Kurita, H., Koda, S. Laser-Induced Size Reduction of Noble Metal Particles. J Phys Chem B. 103 (8), 1226-1232 (1999).
  27. Kamat, P. V., Flumiani, M., Hartland, G. V. Picosecond Dynamics of Silver Nanoclusters. Photoejection of Electrons and Fragmentation. J Phys Chem B. 102 (17), 3123-3128 (1998).
  28. Yamada, K., Tokumoto, Y., Nagata, T., Mafune, F. Mechanism of laser-induced size-reduction of gold nanoparticles as studied by nanosecond transient absorption spectroscopy. J Phys Chem B. 110 (24), 11751-11756 (2006).
  29. Pecora, R. Dynamic Light Scattering Measurement of Nanometer Particles in Liquids. J. Nanoparticle Res. 2 (2), 123-131 (2000).
  30. Pyrz, W. D., Buttrey, D. J. Particle size determination using TEM: a discussion of image acquisition and analysis for the novice microscopist. Langmuir. 24 (20), 11350-11360 (2008).
  31. Ratti, M., et al. Irradiation with visible light enhances the antibacterial toxicity of silver nanoparticles produced by laser ablation. Appl Phys A. 122 (4), 1-7 (2016).
  32. Sajti, C. L., Sattari, R., Chichkov, B. N., Barcikowski, S. Gram Scale Synthesis of Pure Ceramic Nanoparticles by Laser Ablation in Liquid. J Phys Chem C. 114 (6), 2421-2427 (2010).
  33. Streubel, R., Barcikowski, S., Gokce, B. Continuous multigram nanoparticle synthesis by high-power, high-repetition-rate ultrafast laser ablation in liquids. Opt Lett. 41 (7), 1486-1489 (2016).
  34. Streubel, R., Bendt, G., Gokce, B. Pilot-scale synthesis of metal nanoparticles by high-speed pulsed laser ablation in liquids. Nanotechnology. 27 (20), 205602 (2016).

Tags

הנדסת ביו-הנדסה גליון 124 הפקת לייזר-אבלציה בנוזלים חלקיקים מיקרוביאלית, פוסט-קרינה מיקרוביולוגיה
ייצור של חלקיקי מתכת על ידי פעימה לייזר ablation בנוזלים: כלי לחקר מאפיינים אנטיבקטריאליים של חלקיקים
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ratti, M., Naddeo, J. J.,… More

Ratti, M., Naddeo, J. J., Griepenburg, J. C., O'Malley, S. M., Bubb, D. M., Klein, E. A. Production of Metal Nanoparticles by Pulsed Laser-ablation in Liquids: A Tool for Studying the Antibacterial Properties of Nanoparticles. J. Vis. Exp. (124), e55416, doi:10.3791/55416 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter