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

Manganoxid nanopartikel syntese ved termisk nedbrydning af mangan(II) Acetylacetonate

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

Summary

Denne protokol beskriver en facile, one-pot syntese af manganoxid (MnO) nanopartikler ved termisk nedbrydning af mangan(II) acetylacetonate i overværelse af oleylamin og dibenzyl ether. MnO nanopartikler er blevet udnyttet i forskellige applikationer, herunder magnetisk resonans billeddannelse, biosensing, katalyse, batterier og spildevandsbehandling.

Abstract

Til biomedicinske anvendelser er metaloxidnanopartikler som jernoxid og manganoxid (MnO) blevet anvendt som biosensorer og kontrastmidler i magnetisk resonansbilleddannelse (MRI). Mens jernoxid nanopartikler giver konstant negativ kontrast på MR over typiske eksperimentelle tidsrammer, MnO genererer omskiftelige positiv kontrast på MR gennem opløsning af MnO til Mn2 + ved lav pH i celle endosomer til 'tænde' MRI kontrast. Denne protokol beskriver en en-pot syntese af MnO nanopartikler dannet ved termisk nedbrydning af mangan (II) acetylacetonate i oleylamin og dibenzyl ether. Selvom det er nemt at gengive syntesen af MnO-nanopartikler, kan det være svært at reproducere den indledende eksperimentelle opsætning, hvis der ikke gives detaljerede instruktioner. Således er glasvarer og slanger samling først grundigt beskrevet for at give andre efterforskere til nemt at reproducere opsætningen. Syntesemetoden indeholder en temperaturregulator for at opnå automatiseret og præcis manipulation af den ønskede temperaturprofil, hvilket vil påvirke den resulterende nanopartikelstørrelse og kemi. Den termiske nedbrydningsprotokol kan let tilpasses til andre nanopartikler af metaloxid (f.eks. jernoxid) og til at omfatte alternative organiske opløsningsmidler og stabilisatorer (f.eks. oliesyre). Desuden kan forholdet mellem organisk opløsningsmiddel og stabilisator ændres til yderligere indvirkning nanopartikel egenskaber, som er vist heri. Syntetiserede MnO nanopartikler er karakteriseret for morfologi, størrelse, bulk sammensætning, og overflade sammensætning gennem transmission elektron mikroskopi, X-ray diffraktion, og Fourier-transform infrarød spektroskopi, henholdsvis. MnO nanopartikler syntetiseret ved denne metode vil være hydrofob og skal yderligere manipuleres gennem ligand udveksling, polymerindkapsling, eller lipid capping at indarbejde hydrofile grupper for interaktion med biologiske væsker og væv.

Introduction

Metaloxid nanopartikler besidder magnetiske, elektriske og katalytiske egenskaber, som er blevet anvendt i bioimaging1,2,,3, sensor teknologier4,5, katalyse6,7,8, energilagring9, ogvandrensning 10. Inden for det biomedicinske område har nitrogenpartikler af jernoxid og manganoxid (MnO) nanopartikler vist sig nytte som kontrastmidler i mri -billeddannelse (MAGNETIC Resonans Imaging)1,2. Jernoxid nanopartikler producerer robust negativ kontrast på T2* MRI og er stærke nok til at visualisere enkelt mærkede celler in vivo11,12,13; Det negative MR-signal kan dog ikke moduleres og forbliver "ON" i hele varigheden af typiske eksperimenter. På grund af endogen jern til stede i leveren, knoglemarv, blod og milt, den negative kontrast genereret fra jernoxid nanopartikler kan være vanskeligt at fortolke. MnO nanopartikler, på den anden side, er lydhøre over for et fald i pH. MR-signal til MnO nanopartikler kan overgangen fra "OFF" til "ON", når nanopartiklerne er internaliseret inde i de lave pH-endosomer og lysosomer i målcellen, såsom en kræftcelle14,15,16,17,18,19. Den positive kontrast på T1 MR produceret fra opløsningen af MnO til Mn2 + ved lav pH er umiskendelig og kan forbedre kræft detektion specificitet ved kun at lyse op på målet stedet inden for en ondartet tumor. Kontrol over nanopartikelstørrelse, morfologi og sammensætning er afgørende for at opnå maksimalt MR-signal fra MnO-nanopartikler. Heri beskriver vi, hvordan man syntetiserer og karakteriserer MnO-nanopartikler ved hjælp af den termiske nedbrydningsmetode og bemærker forskellige strategier for finjustering af nanopartikelegenskaber ved at ændre variabler i synteseprocessen. Denne protokol kan let ændres til at producere andre magnetiske nanopartikler såsom jernoxid nanopartikler.

MnO-nanopartikler er fremstillet ved hjælp af en række forskelligeteknikker,herunder termisk nedbrydning20,21,22,23,24,25, hydro/solvotermal26,27,28,29, exfoli reduktion af30,31,32,,33,34, permanganater reduktion35,36,37,38ogadsorption-oxidation39,40,41,42. Termisk nedbrydning er den mest almindeligt anvendte teknik, der indebærer opløsning af manganprækursorer, organiske opløsningsmidler og stabiliserende midler ved høje temperaturer (180 – 360 °C) under tilstedeværelse af en inert gasformig atmosfære til at danne MnO nanopartikler43. Ud af alle disse teknikker er termisk nedbrydning den overlegne metode til at generere en række MnO nanokrystaller af ren fase (MnO, Mn3O4 og Mn2O3) med en smal størrelsesfordeling. Dens alsidighed er fremhævet gennem evnen til stramt at kontrollere nanopartikel størrelse, morfologi og sammensætning ved at ændre reaktionstiden44,45,46, temperatur44,47,48,49, typer / nøgletal af reaktanter20,45,47,48,50 oginert gas47,48,50 anvendes. De vigtigste begrænsninger ved denne metode er kravet om høje temperaturer, den iltfri atmosfære og den hydrofobe belægning af de syntetiserede nanopartikler, hvilket kræver yderligere modifikation med polymerer, lipider eller andre ligander for at øge opløseligheden til biologiskeanvendelser 14,51,52,53.

Ud over termisk nedbrydning er den hydro/solvotermiske metode den eneste anden teknik, der kan producere en række MnO-faser, herunder MnO, Mn3O4og MnO2; alle andre strategier kun danne MnO2 produkter. Under hydro/solvotermal syntese opvarmes prækursorer som Mn(II) stearate54,,55 og Mn(II) acetat27 til mellem 120-200 °C over flere timer for at opnå nanopartikler med en smal størrelsesfordeling. der kræves dog specialiserede reaktionsbeholdere, og der udføres reaktioner ved højt tryk. I modsætning hertil omfatter eksfolieringsstrategien behandling af et lagdelt eller bulkmateriale for at fremme dissociation i 2D enkeltlag. Dens største fordel er at producere MnO2 nanosheets, men synteseprocessen er lang kræver flere dage, og den resulterende størrelse af arkene er vanskeligt at kontrollere. Alternativt kan permanganater som KMnO4 reagere med reduktionsmidler såsom oliesyre56,57,grafenoxid58 eller poly (allylaminhydrochlorid)59 for at skabe MnO2 nanopartikler., Anvendelse af KMnO4 letter dannelsen af nanopartikel ved stuetemperatur i løbet af få minutter til timer under vandige forhold43. Desværre gør den hurtige syntese og nanopartikelvækst det udfordrende at styre den resulterende nanopartikelstørrelse fint. MnO2 nanopartikler kan også syntetiseres ved hjælp af adsorption-oxidation, hvorved Mn2 + ioner adsorberes og oxideres til MnO2 af ilt under grundlæggende forhold. Denne metode vil producere små MnO2 nanopartikler med en smal størrelse fordeling ved stuetemperatur over flere timer i vandige medier; kravet om adsorption af Mn2+ ioner og alkalibetingelser begrænser dog dens udbredte anvendelse43.

Af de diskuterede MnO nanopartikelsyntesemetoder er termisk nedbrydning den mest alsidige til at generere forskellige monodisperse rene fase nanokrystaller med kontrol over nanopartikelstørrelse, form og sammensætning uden at kræve specialiserede syntesebeholdere. I dette manuskript beskriver vi, hvordan man syntetiserer MnO-nanopartikler ved termisk nedbrydning ved 280 °C ved hjælp af mangan(II) acetylacetonate (Mn(II) ACAC) som kilde til Mn2+ ioner, oleylamin (OA) som reduktionsmiddel og stabilisator og dibenzylæther (DE) som opløsningsmiddel under en nitrogenatmosfære. Glasvarer og slanger setup for nanopartikel syntese er forklaret i detaljer. En fordel ved teknikken er medtagelsen af en temperaturregulator, termoelementsonde og varmekappe for at muliggøre præcis kontrol over opvarmningshastigheden, toptemperaturen og reaktionstider ved hver temperatur for at finjustere nanopartikelstørrelse og -sammensætning. Heri viser vi, hvordan nanopartikelstørrelse også kan manipuleres ved at ændre forholdet mellem OA og DE. Derudover demonstrerer vi, hvordan man forbereder nanopartikelprøver og måler nanopartikelstørrelse, bulksammensætning og overfladesammensætning ved hjælp af transmissionseleknmikroskopi (TEM), røntgendiffraktion (XRD) og Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR). Yderligere vejledning er inkluderet om, hvordan man analyserer de indsamlede billeder og spektre fra hvert instrument. For at generere ensartet formede MnO-nanopartikler skal der være en stabilisator og tilstrækkelig nitrogenstrøm. XRD- og TEM-resultater vises for uønskede produkter, der dannes uden OA og under lav nitrogenstrøm. I afsnittet Diskussion fremhæver vi vigtige trin i protokollen, målinger til bestemmelse af vellykket nanopartikelsyntese, yderligere variation af nedbrydningsprotokollen for at ændre nanopartikelegenskaber (størrelse, morfologi og sammensætning), fejlfinding og begrænsninger af metoden og anvendelser af MnO-nanopartikler som kontrastmidler til biomedicinsk billeddannelse.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Glasvarer og slanger samling - der skal udføres kun første gang

BEMÆRK: Figur 1 viser den eksperimentelle opsætning for MnO nanopartikelsyntesen med nummererede slangeforbindelser. Figur S1 viser den samme opsætning med de vigtigste glaskomponenter mærket. Hvis der er et misforhold mellem den kemisk resistente slange og glastilslutningsstørrelsen, skal glasforbindelsen først dækkes med et kort stykke mindre slange, før du tilføjer den kemisk resistente slange for at gøre forbindelserne tætte.

  1. Fastgør den luftfrie nitrogentank til væggen tæt på en kemisk røghætte ved hjælp af godkendte remfastholdelsesanordninger. Tilsæt den relevante nitrogenregulator til tanken.
    FORSIGTIG: Gasflaskerne skal være ordentligt fastgjort, da de kan være meget farlige, hvis de væltes.
  2. Fyld gastørresøjlen med tørremiddel. Fastgør kemikalieresistente slanger fra den luftfrie nitrogenregulator til bunden af gastørringssøjlen (#1 figur 1).
  3. Fastgør glasmanifolden, der indeholder mindst 2 udløbsstophaner, til toppen af røghætten ved hjælp af to kloklemmer i metal. Fastgør kemikalieresistente slanger fra gastørringssøjlens udløb (#2 figur 1) til manifoldens indløb (#3 figur 1).
  4. Der skal være 3 mineraloliebobler i røghætten ved hjælp af metalkloklemmer i henhold til figur 1. Sæt to bubblers til venstre og en bubbler til højre.
  5. Fyld den venstre bubbler (ved #9 i figur 1) med den mindste mængde silikoneolie (~ 1 tomme olie fra bunden af bobleren). Fyld den midterste bubbler (med #7,8 i figur 1) med en medium mængde silikoneolie (~ 1,5 inches af olie fra bunden af bobleren). Fyld den højre bubbler (ved #11 i figur 1) med den største mængde silikoneolie (~ 2 inches af olie fra bunden af bubbler).
    BEMÆRK: Den relative mængde silikoneolie mellem mineralboblerne er meget vigtig for at opnå en passende strøm af den luftfrie nitrogengas gennem systemet. Tilsæt ikke for meget olie (over ~ 2,5 inches), da olien vil boble under reaktionen og kan forlade boblerne, hvis overfyldte.
  6. Forbiløb på den højre stophane på manifolden (#4 figur 1) til den gevindende ende af en glasalbueadapter (#5 figur 1)ved hjælp af kemisk resistent slange.
  7. Fastgør gevindenden af en anden glasørleadapter (#6 figur 1) til indløbet af den midterste bobler (#7 figur 1)ved hjælp af kemisk resistent slange. Tilslut udløbet af den midterste bobler (#8 figur 1)til indløbet på den venstre bubbler (#9 figur 1)ved hjælp af kemisk resistent slange.
  8. Forbind udløbet på manifoldens venstre stophane (#10 figur 1)til indløbet på den højre bubbler (#11 figur 1).
  9. Lad den indledende opsætning i røghætten, hvis pladsen passer. Fastgør de to glas albue adaptere med slange fastgjort (#5,6 i figur 1) til metal gitter i røghætten, når forsøget ikke kører.

2. Udstyr og glastøj setup - der skal udføres under hvert eksperiment

FORSIGTIG: Alle trin, der involverer opløsningsmidler, kræver brug af en kemisk røghætte samt korrekt personlige værnemidler (PPE), herunder sikkerhedsbriller, laboratoriekittel og handsker. Nanopartikelfabrikationsopsætningen skal samles i røghætten.

  1. Ansk af rørpladen i røghætten, og sæt varmekyppen oven på rørepladen.
    BEMÆRK: Varmekylen skal kunne modstå temperaturer over 300 °C.
  2. Sæt 4 hals 500 ml runde bundkolbe på varme kappe og fastgør den midterste hals med en metal klo klemme. Der tilsættes en magnetisk rørebjælke til den runde bundkolbe. Anstå glastragten i den midterste hals på den runde bundkolbe.
  3. Manifolden kontrolleres: Sørg for, at sikkerhedsstophanen (#10 figur 1) og indgangsstophane (#4 i figur 1)er åbne.
    FORSIGTIG: Sikkerhedsstophanen skal altid være åben for at sikre, at der ikke opbygges tryk i systemet. Hvis stophanen er lukket, kan der forekomme en eksplosion.
  4. 1,51 g mangan(II) acetylacetonat (Mn(II) ACAC) vejes, og den rundkolbe anbringes indvendigt med glastragten.
  5. Der tilsættes 20 ml oleylamin og 40 ml dibenzylæter til den runde bundkolbe med en glaspipette og glastragten. Fjern tragten og rengør den med hexan.
    FORSIGTIG: Forsøget kan skaleres op (f.eks. 2 gange), men det anbefales at være konservativ, når der anvendes større mængder reaktanter. Større mængder reaktanter kan medføre, at reaktionen bliver mindre stabil og derfor farlig.
  6. Fastgør kondensatoren til venstre hals af den runde bundkolbe og fastgør kondensatoren med en metalkloklemme. Tilsæt glas albue adapter (#6 i figur 1) på toppen af kondensatoren.
    BEMÆRK: Adapteren skal forbindes med kemisk resistent slange til den midterste mineraloliebobler (#7 i figur 1).
  7. Der tilslut vandkompatibel slange fra vandudløbets tud i røghætten (#12 figur 1) til kondensatorens indløb (#13 figur 1). Brug også vandkompatible slanger til at forbinde kondensatorens udløb (#14 i figur 1) med afløbet i røghætten (#15 figur 1). Fastgør slangen til kondensatortilslutningerne (#13,14 i figur 1) med sammenlåste ormegear metalslangeklemmer.
  8. Rotovap-fælden til højre hals af den runde bundkolbe. Anbring glasalbueadapteren (#5 i figur 1)oven på rotovapfælden.
    BEMÆRK: Adapteren skal forbindes med kemikalieresistente slanger til højre stopcockmanifoldudtag (#4 i figur 1).
  9. Fastgør gummiproppen til den midterste hals på den runde bundkolbe, og fold den over, så siderne dækker kolbens hals. Der tilsættes de plastkoniske ledclips (4 grønne klip i figur 1)for at sikre følgende glas nakkeforbindelser: albueadapter og rotovapfælde, rotovapfælde og rund bundkolbe, rund bundkolbe og kondensator og kondensator- og albueadapter.
  10. Temperatursonden anbringes i den mindste hals i den runde bundkolbe, strammes og fastgøres sonden med nakkehætten og o-ringen. Forsegl forbindelsen med paraffin plastfilm.
    BEMÆRK: Sørg for, at temperatursonden er nedsænket i væskeblandingen, men ikke rører ved glassets bund. Hvis sonden er i kontakt med glasoverfladen, vil den målte temperatur være unøjagtig i forhold til den sande væsketemperatur, hvilket vil medføre, at temperaturregulatoren giver en forkert mængde varme til reaktionen.
  11. Tilslut temperatursonden til indgangen fra temperaturregulatoren. Tilslut varmekylen til temperaturregulatorens output.
  12. Tænd for rørepladen, og begynd at røre kraftigt.
  13. Åbn den luftfrie nitrogentank og begynd langsomt at flyde kvælstof ind i systemet (dette vil fjerne luften). Nitrogenstrømmen justeres ved hjælp af regulatoren, indtil der dannes en konstant langsom strøm af bobler i den midterste mineraloliebobler (#7 i figur 1).
  14. Tænd for det kolde vand i røghætten (#12 figur 1)til kondensatoren og kontroller, at der ikke lækker vand fra slangen.
  15. Sæt røghættens skærf ned, før reaktionen begynder.

3. Nanopartikelsyntese

  1. Tænd for temperaturregulatoren (strøm- og varmeforsyningen) for at starte reaktionen. Observere og registrere farven på reaktionen blandingen i hvert trin. Reaktionen vil begynde som en mørk brun farve i fase 1 til 3 og vil blive grøn i fase 4.
    BEMÆRK: Hver temperaturregulator fungerer forskelligt. Sørg for at bruge den korrekte manual og det korrekte program.
  2. Trin 1: Overhold temperaturregulatordisplayet for at bekræfte temperaturstigningerne fra stuetemperatur til 60 °C over 30 min.
  3. Trin 2: Sørg for, at temperaturregulatoren stabiliseres ved 60 °C i 1 min. da den forbereder sig på en hurtigere opvarmningshastighed i trin 3.
  4. Trin 3: Kontroller temperaturregulatorvisningen, når temperaturen stiger til 280 °C ved 10 °C pr. minut over 22 min. Sørg for, at vandstrømmen gennem kondensatoren er tilstrækkelig, da blandingen begynder at fordampe i denne fase.
  5. Trin 4: Temperaturregulatoren er inspektøren med en konstant reaktionstemperatur på 280 °C i 30 min. Overhold reaktionsfarvens skift til en grøn tone, som indikerer MnO-formation. Når reaktionen når 280 °C, slukkes nitrogentanken, og den højre stophane lukkes for indløbet af reaktionen på manifolden (#4 i figur 1).
    FORSIGTIG: Hold sikkerhedsstophanen (#10 i figur 1) åben.
  6. Trin 5: Kontroller temperaturkontrolvisningen for at sikre, at opvarmningen stopper automatisk. Hold temperatursonden inde (åbn ikke den runde bundkolbe) og vent, indtil temperaturen når stuetemperaturen for at fortsætte med nanopartikelsamling.
    FORSIGTIG: Kolben vil være meget varm. Varmebestandige handsker skal bæres for at fjerne varmekappet, hvis der ønskes en hurtigere kølehastighed.
    BEMÆRK: Protokollen kan sættes på pause her.

4. Nanopartikel samling

  1. Sluk for temperaturregulatoren, rørepladen og det kolde vand. Fjern vandkompatible slanger fra kondensatoren, vandhane i røghætten og afløbet. Fjern alle plastkoniske ledclips fra glastilslutninger.
  2. Glas albue adaptere fra rotovap fælde (#5 i figur 1) og kondensatoren (#6 i figur 1). Fastgør albueadapterne til metalgitteret i emhætten, så de kan bruges til et fremtidigt eksperiment.
  3. Kondensatoren og rotovapfælden af den runde bundkolbe afmonteres, og kondensatorens indvolde og rotovapfælden skylles med hexan.
  4. Fjern gummiproppen og temperatursonden, og rengør den med 70 % ethanol.
  5. MnO-nanopartikelopløsningen hældes fra den runde bundkolbe i et rent 500 ml bægerglas. Brug hexan (~5 ml) til at skylle den runde bundkolbe og tilsæt hexanen med resterende MnO-nanopartikler i bægerglasset på 500 ml.
    BEMÆRK: Hexan vil resuspendre MnO nanopartikler, mens 200 bevis ethanol vil fungere som den udløsende middel.
  6. Bemærk den aktuelle volumen af MnO nanopartikel blandingen. Der tilsættes 200 bevis ethanol til MnO-nanopartikelblandingen ved hjælp af et volumenforhold på 2:1 (f.eks. tilsættes 150 ml ethanol, hvis nanopartikelblandingen er 75 ml).
  7. Hæld nanopartikelblandingen ligeligt i fire centrifugerør, ca. 3/4 fulde. Skru på de relevante hætter. Kontroller, at væskeniveauet er afbalanceret.
    BEMÆRK: Enhver ekstra nanopartikelblanding tilsættes rørene i den næste centrifugeringsrunde.
  8. Centrifuge nanopartikler i 10 min ved 17.400 x g ved 10 °C.
    BEMÆRK: Længere centrifugeringstider og/eller højere centrifugeringshastigheder kan bruges til at øge indsamlingen af mindre nanopartikelfraktioner, men nanopartikelsammenlægning kan øges.
  9. Kassér supernatanten i et affaldsnæbbe, og pas på ikke at forstyrre pellet. Hvis det er nødvendigt, skal du bruge en overførselspipette til at indsamle supernatanten.
    BEMÆRK: Det er normalt for de tidlige runder af centrifugering at producere en brun farvet supernatant. Supernatanten skal være brun og klar, men ikke uklar. Enhver uklarhed indikerer, at nanopartiklerne stadig er til stede i supernatanten. Hvis supernatanten er uklar, centrifuges rørene igen, før supernatanten kasseres. centrifugering igen vil reducere tab af syntetiserede nanopartikler, men kan forårsage mere agglomeration.
  10. Der tilsættes 5 ml hexan og eventuel ekstra nanopartikelopløsning, der er overladt til hvert centrifugerør, der indeholder MnO-nanopartikelpillerne. Resuspend nanopartiklerne ved hjælp af et bad sonicator og / eller vortex. Fortsæt, indtil opløsningen bliver uklar, og pellet forsvinder, hvilket indikerer vellykket resuspension for nanopartikel.
  11. Tilsæt mere 200 bevis ethanol til centrifugerørene indtil 3/4 fuld.
  12. Gentag trin 4.8-4.10. Derefter kombineres de resuspenderede nanopartikler fra fire centrifugerør til to centrifugerør. Gentag derefter trin 4.11.
  13. Gentag trin 4.8-4.10 igen, hvilket vil gøre i alt tre vasker med hexan og 200 bevis ethanol. Tilsæt ikke 200 bevis ethanol til centrifugerørene.
  14. Kombiner og overfør MnO-nanopartiklerne, der er opslænget i hexan, til et forhalet 20 ml glasscintillationshætteglas. Lad låget af hætteglasset, så hexanen kan fordampe natten over i røghætten.
  15. Den næste dag overføres det udækkede glasscintillationshætteglas, der indeholder nanopartiklerne, til en vakuumovn. Opbevar låget til hætteglasset på et sikkert sted uden for ovnen. Nanopartiklerne udtørres ved 100 °C i 24 timer.
  16. Når nanopartiklerne er tørret, skal du bruge en spatel til at bryde pulveret op inde i hætteglasset. Hætteglasset, der indeholder tørrede MnO-nanopartikler, afvejes, og den kendte vægt af glasscintillationshætteglasset trækkes fra for at bestemme nanopartikeludbyttet.
    FORSIGTIG: Tørrede nanopartikler kan let blive luftbårne og bør håndteres af personale, der bruger en partikel respirator såsom N95 eller P100.
  17. Opbevar nanopartikler ved stuetemperatur inde i glasscintillationshætteglasset med låget på. Wrap låget med paraffin plastfolie.

5. Nanopartikelstørrelse og overflademorfologi (TEM)

  1. Pulverisere MnO nanopartikler i et tyndt pulver ved hjælp af en morter og støder.
  2. Der tilsættes 5 mg MnO-nanopartikler til et 15 ml konisk centrifugerør. Tilsæt 10 ml 200 bevis ethanol.
    BEMÆRK: 200 bevis ethanol fordamper hurtigt for at opnå en mere homogen spredning af nanopartikler på TEM-nettet. Et andet opløsningsmiddel kunne have bedre nanopartikelaffjedring, men det ville tage længere tid at fordampe, og på grund af overfladespænding ville nanopartiklerne ophobes ved TEM-gitrenes grænser.
  3. Bad sonikere nanopartikel blandingen i 5 min eller indtil fuld resuspension af nanopartikler.
  4. Umiddelbart efter resuspension, tilsæt tre 5 μL dråber af nanopartikel blandingen på en 300 mesh kobber gitter støtte film af kulstof type-B. Lad luften tørre.
    1. Brug omvendt pincet for lettere prøve forberedelse. Placer gitteret på pincet med den mørkere side op, før du tilføjer dråberne, der indeholder nanopartikler.
      BEMÆRK: Gitrene er skrøbelige, så pas på ikke at bøje og beskadige gitrene for bedre billeddannelse. Når ristene er tørre, skal de opbevares i kommercielt tilgængelige TEM-netbokse til beskyttelse.
  5. Vurder nanopartikelform og -størrelse ved hjælp af transmissionselektroansmikroskopi (TEM). Påfør typiske parametre for TEM, herunder en strålestyrke på 200 kV, en staffagestørrelse på 1 og en forstørrelse på 300x.
  6. Saml billeder på områder af nettet, hvor nok nanopartikler (10 - 30 nanopartikler) er jævnt fordelt. Undgå områder, der indeholder nanopartikelsammenlægninger, da nøjagtig størrelse ikke kan foretages, hvis nanopartikler ikke er synligt adskilte.
    1. Billedområder fra forskellige gitter firkanter for at sikre en jævn fordeling. For en optimal størrelsesfordeling skal du tage mellem 25 - 30 billeder fra hver prøve for at opnå en tilstrækkelig stikprøvestørrelse.

6. Kvantitativ analyse af nanopartikeldiameteren

  1. Hvis du vil analysere TEM-billeder med ImageJ, skal du først åbne et af billederne ved at klikke på Filer | Åbn. Vælg det ønskede billede, og klik på Åbn.
  2. Hvis du vil kalibrere afstandsmålingen i ImageJ fra pixel til nanometer, skal du først klikke på værktøjet til lige linje. Hold Skift nede, og spor skalalinjens længde. Klik derefter på Analysér | Angiv skalering.
  3. Skriv den sande skalalinjemåling i feltet Kendt afstand (skriv f.eks. 50, hvis skalabjælken er 50 nm) i pop op-vinduet Angiv skalering. Længdeenheden skiftes til de tilsvarende enheder (f.eks. type nm for nanometer). Markér afkrydsningsfeltet Global for at holde skalaen ensartet i alle billederne, og klik på OK.
  4. Når vægten er indstillet, skal du bruge værktøjet til at spore diameteren af en nanopartikel. Klik derefter på Analysér | Mål eller klik på Ctrl+M-taster.
  5. Se efter et pop op-vindue med resultater, der skal vises med forskellige oplysninger om målingen. Bekræft, at længdekolonnen er til stede, da den vil give nanopartiklernes diameter de enheder, der er angivet under trin 6.3.
  6. Gentag trin 6.4, indtil alle nanopartikler i billedet er dimensioneret. Hvis du vil flytte til det næste billede, skal du enten klikke på Filer | Åbn næsteeller Ctrl+Skift+O-taster.
  7. Når alle nanopartikler er dimensioneret i alle billeder, skal du gå til vinduet Resultater og klikke på Filer | Gem som. Omdøb resultatfilen, og klik på Gem. Få vist og analyser alle nanopartikeldiametre i et regnearksprogram efter import af resultatfilen.

7. Nanopartikel bulk sammensætning (XRD)

  1. Hvis det ikke gøres i løbet af trin 5.1, pulverisere MnO nanopartikler i et tyndt pulver ved hjælp af en morter og støder. Det fine nanopartikelpulver anbringes i prøveholderen med en spatel. Følg den prøvebelastningsprocedure, der er angivet for den XRD-maskine (X-ray diffraction), der skal anvendes.
  2. Bestem bulksammensætningen af MnO-nanopartikler ved hjælp af XRD. XRD-spektrene opsamls over et 2θ område fra 10° til 110° for at se toppene af MnO (30° til 90°) og Mn3O4 (15° til 90°).
    BEMÆRK: Andre indstillingsparametre, der anbefales til XRD, er en trinstørrelse på 0,05 s, en strålemaske på 10 mm og et scanningstrin på 64,77 s.
  3. Gem den genererede . XRD-fil og åbn den i XRD-analyseprogrammet.

8. Analyse af XRD-spektre

  1. I XRD-analyseprogrammet skal du identificere alle de vigtigste toppe i prøvens målte XRD-spektrum ved at klikke på IdeAll-knappen i softwaren.
  2. Hvis du vil gemme dataene, skal du vælge Filer på værktøjslinjen efterfulgt af Gem som... for at gemme dataene som en ASC-fil, der kan åbnes med et regnearksprogram.
  3. Brug programmet til at mønster matche XRD database over kendte forbindelser for at finde den bedste sammensætning match til prøven. For at indsnævre søgningen skal du angive forventede forbindelser (f.eks. mangan og ilt).
    1. Hvis du vil mønstre, der svarer til frekvensspektret, skal du vælge Analyse | Søg og match. I pop op-vinduet skal du vælge Kemi og klikke på de ønskede kemiske elementer for at begrænse programsøgningen baseret på eksemplet.
    2. Når alle elementer er valgt, skal du vælge Søg. Vent på en liste over kemiske sammensætninger, der matcher XRD spektrum vises.
      BEMÆRK: Programmet vil give sandsynligheden for, at kendte XRD spektre svarer til prøvens sammensætning. Hvis der vælges to eller flere kompositioner, vil programmet give sammensætningsprocenten af hver3af dem (f.eks.4
  4. Hvis det ønskes, skal du fjerne baggrunden fra XRD-spektret ved at klikke på knappen Tilpas baggrund ( Equation 1 ). Klik derefter på Baggrund i pop op-vinduet efterfulgt af Træk fra. Bekræft, at spektret vises startende med 0 på y-aksen.
    1. Gem dataene igen uden baggrunden som vist i trin 8.2.
  5. Når XRD-spektret afbildes, vises de karakteristiske toppe for hver afsvaret3forbindelse (f.eks.4
    1. Hvis du vil hente listen over de karakteristiske toppe for matchede forbindelser fra databasen, skal du først højreklikke på mønstermatchspektret og derefter vælge Vis mønster. Vent på, at der vises et pop op-vindue med alle de topoplysninger, der svarer til det valgte mønster.
    2. Vælg, kopier og indsæt de ønskede oplysninger fra den pågældende forbindelse, og afbild de karakteristiske toppe med det målte XRD-spektrum i et regnearksprogram.

9. Nanopartikel overfladesammensætning (FTIR)

  1. Der tilsættes tør MnO-nanopartikelpulver til prøveholderen for at analysere Fireier-transform infrarød spektroskopi (FTIR).
  2. Vurder nanopartikeloverfladekemi ved hjælp af FTIR. Opsaml FTIR-spektre mellem et 4000 og 400 cm-1 bølgelængdeområde med en opløsning på 4 cm-1.
  3. Rengør FTIR-prøveholderen, og der tilsættes flydende oleylamin. Gentag trin 9.2.

10. Analyse af FTIR-spektre

  1. I FTIR-analyseprogrammet skal du fjerne baggrunden fra det indsamlede FTIR-spektrum ved at vælge Transforms i rullemenuen efterfulgt af Oprindelig rettelse. Vælg Lineær som korrektionstype.
  2. Brug venstre museklik til at vælge grundpunkterne på det oprindelige spektrum. Når du er færdig, skal du gemme spektret under et andet navn ved at vælge Tilføj eller udskift det gamle spektrum ved at vælge Erstat.
    BEMÆRK: Baggrundskorrektion kan øge forekomsten af svagere FTIR-toppe af interesse.
  3. Hvis du vil eksportere FTIR-frekvenserne, skal du først vælge det specifikke spektrum på listen. Klik derefter på Filer på værktøjslinjen efterfulgt af Eksporter spektrum.
  4. Vælg csv-filformatet i vinduet Gem som, og klik på Gem. Åbn og udregn csv-filen ved hjælp af et regnearksprogram.
  5. Sammenlign erhvervet MnO nanopartikel med oleylamin FTIR spektre som beskrevet i afsnittet Repræsentative resultater for at evaluere nanopartikel capping med oleylamin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For at bekræfte en vellykket syntese bør MnO-nanopartikler analyseres for størrelse og morfologi (TEM), bulksammensætning (XRD) og overfladesammensætning (FTIR). Figur 2 viser repræsentative TEM-billeder af MnO-nanopartikler syntetiseret ved hjælp af faldende forhold af oleylamin (OA, stabilisatoren) til dibenzylæther (DE, det organiske opløsningsmiddel): 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. Ideelle TEM-billeder består af individuelle nanopartikler (vist som mørke afrundede octagoner i figur 2) med minimal overlapning. Det er afgørende at opnå tilstrækkelig adskillelse af nanopartikler for nøjagtig manuel dimensionering af nanopartikeldiametrene ved hjælp af linjesporingsværktøjet i ImageJ.

Figur 3 viser suboptimal TEM-prøvepræparat. Hvis en høj koncentration af MnO-nanopartikler suspenderes i ethanol, eller der tilsættes for mange dråber nanopartikelsuspension til TEM-nettet, vil hvert billede bestå af store byområder af nanopartikler (figur 3A, B). På grund af nanopartiklernes betydelige overlapning kan grænserne for hver nanopartikeldiameter ikke skelnes fra hinanden, hvilket forhindrer nøjagtig måling. Hvis der fremstilles en lav nanopartikelkoncentration i ethanol, kan nanopartikler meget adskilles, men fordeles sparsomt på TEM-nettet(figur 3C, D). Når der kun vises en eller to nanopartikler i hvert TEM-billede, skal der tages flere billeder for at opnå en tilstrækkelig stor stikprøvestørrelse, og fordelingen i fuld størrelse er muligvis ikke præcist taget. Den TEM forberedelse protokol beskrevet heri har til formål at producere TEM billeder med ca 10-30 nanopartikler pr billede (flere nanopartikler kan rummes pr billede, hvis diameteren er lille).

TEM kan bruges til at evaluere ændringer i nanopartikelstørrelse med en variation i synteseparametrene. Figur 4 viser de gennemsnitlige diametre af MnO nanopartikler syntetiseret med faldende forhold af OA:DE. Diametre for hver syntese tilstand blev kvantificeret fra 75 til 90 TEM billeder, med i alt 900 til 1100 MnO nanopartikler analyseret per tilstand. For at sikre reproducerbarhed blev 3 partier nanopartikler syntetiseret for hvert OA:DE-forhold. Samlet set gav et fald i forholdet mellem OA:DE mindre MnO-nanopartikler med mindre variation i størrelse; den eneste undtagelse opstod, da OA alene blev anvendt under syntesen, som producerede nanopartikler af samme størrelse som forholdet 30:30. Histogrammer, der viser fuld størrelsesfordelingen af alle MnO-nanopartikelgrupper, vises i figur S2.

Efter bekræftelse af nanopartikelstørrelse og morfologi med TEM kan bulknanopartiklersammensætningen testes ved hjælp af XRD. Ved måling af vinklen og intensiteten af den røntgenstråle, der er diffracteret af prøven, kan XRD anvendes til at bestemme nanopartiklernes krystalstruktur og -fase. Figur 5A-F viser det rå indsamlede XRD-spektre for hver syntetiseret MnO-nanopartikelprøve med faldende forhold på OA:DE. De XRD-toppe, der opnås på prøvespektre, matches med XRD-toppe fra kendte forbindelser som MnO og Mn3O4 via XRD-analyseprogramdatabasen. Standardtoppene for MnO vises ved 35°, 40°, 58°, 70°, 73° og 87°, som er vist i figur 5G. Når man sammenligner nanopartikel XRD-spektre med kendt MnO, er det tydeligt, at alle nanopartikelspektre har de 5 højeste toppe af MnO, hvilket indikerer en vellykket syntese af MnO-nanopartikler. XRD kan også anvendes til at anslå nanopartikelstørrelse ved hjælp af Scherrer-ligningen; bredere toppe på XRD indikerer mindre nanopartikeldiametre. Figur 5F med de bredeste XRD-toppe er f.eks.

Figur 6 viser XRD-spektre af to uønskede produkter i MnO nanopartikelsyntese. For at fremme dannelsen af MnO-fasen ved høje temperaturer (280 oC) anvendes nitrogen under nanopartikelsyntesen til at rense luft ud af systemet. Hvis der anvendes utilstrækkelig nitrogenstrøm, skal der anvendes en blandet fasesammensætning på Mn3O4 (51%) og MnO (49 %) er produceret (Figur 6A). Ved sammenligning med standardtoppene på Mn3O4 (Figur 6C) og MnO (Figur 6D) producerer lav nitrogenstrøm XRD-spektre med de 8 højeste toppe for Mn3O4 og de 5 højeste toppe for MnO. TEM af nanopartikler syntetiseret under lav kvælstofstrøm afslørede en blandet population af store nanopartikler omgivet af mindre nanopartikler (figur 6E). Nitrogenstrømmen kan overvåges gennem nitrogenregulatorens aflæsning og hastigheden af boblende gennem mineraloliebobleren. En anden kritisk parameter i MnO nanopartikel syntese er inddragelse af en stabilisator. I et forsøg på at producere endnu mindre MnO nanopartikler end 10:50 OA: DE forholdet, ren DE blev brugt uden OA. En meget lille mængde af et ukendt pulver blev syntetiseret i mangel af stabilisator. Som vist i figur 6Bvar XRD-spektrene for forholdet 0:60 OA:DE støjende og indeholdt de 3 højeste toppe af Mn3O4. Fra analyse i XRD program database, forbindelsen havde en kemisk sammensætning af 67% Mn3O4 og 33% MnO. Som understøttet af de brede toppe i XRD-spektre bekræftede TEM, at meget små nanopartikler blev syntetiseret uden stabilisator (figur 6F). Nanopartikler syntes også uregelmæssigt formet og agglomereret. Derudover blev der kun opnået et udbytte på 33 % uden stabilisator, hvilket betyder, at en lille mængde produkt blev syntetiseret. Derfor er høj kvælstofstrøm og inklusion af en stabilisator som OA eller oliesyre nødvendig for syntese af MnO-nanopartikler.

For at supplere bulk nanopartikel sammensætning med XRD, overflade sammensætning kan evalueres ved hjælp af FTIR. Figur 7 viser FTIR-spektre af MnO-nanopartikler efter baggrundskorrektion. Alle spektre viser de symmetriske og asymmetriske CH2 toppe (2850-2854 og 2918-2926 cm-1, præget af stjerner) forbundet med oleyylgrupper 60, ud over NH2 bøjningvibrationstoppe (1593 cm-1 og 3300 cm-1, markeret med firkanter) forbundet med amingrupper61. Da MnO-nanopartikler har de samme toppe for oleylgrupper og amingrupper, der findes i OA's FTIR-spektre (figur S3),kan det konkluderes, at nanopartiklerne er belagt med et overfladelag af OA. Desuden indeholder alle nanopartikel FTIR spektre Mn-O og Mn-O-Mn obligation vibrationer omkring 600 cm-1 (præget af trekanter), som bekræfter sammensætningen findes gennem XRD62.

Figure 1
Figur 1: Nitrogen- og vandgennemstrømning gennem MnO's opsætning af nanopartikelsyntese.
Slangeforbindelser er mærket 1-15. Luftfrit nitrogen kommer ind i (1) og kommer ud (2) tørresøjlen og føres ind i manifoldens indløb (3). Under reaktionen udlufter nitrogenluften fra systemet ved at trænge ind i højre stophane på manifolden (4). Nitrogen strømmer fra stophanen til glas albue adapter (5), rotovap fælde, runde nederste kolbe, kondensator, glas albue adapter (6) og gennem en serie af to mineralolie boblere (7-9). I manifolden vil overskydende kvælstof, der ikke strømmer gennem reaktionen, forlade systemet gennem venstre stophane (10), som er forbundet til mineraloliebobleren med den største mængde silikoneolie (11). Stopcock #10 altid at forblive åben. Vand vil flyde fra vandhanen (12) gennem kondensatoren indløb (13) og udløb (14) og ind i røghætte afløb (15). Slangen er fastgjort til kondensatoren med metalklemmer. Alle slanger skal være kemisk resistente slanger bortset fra den vandkompatible slange, der anvendes til kondensatoren. Hovedglasset og det primære udstyr er mærket i figur S1. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: TEM-billeder af MnO-nanopartikler syntetiseret med faldende forhold af OA:DE.
Følgende nøgletal blev anvendt: (A) 60:0,B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. MnO-nanopartikler fremstår som separate, afrundede octagoner med minimal overlapning for at muliggøre en klar afgrænsning af nanopartikelgrænser. Reaktantforholdet blev observeret for at påvirke den samlede nanopartikelstørrelse, hvor 50:10 syntetiserede de største nanopartikler og 10:50 producerer de mindste nanopartikler. Skalastænger er 50 nm. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: Suboptimal TEM-billeder som følge af forkert forberedelse af TEM-gitteret.
(A,B) Hvis nanopartikelsuspensionen er for koncentreret, eller hvis overskydende dråber af nanopartikelaffjedring lastes på TEM-nettet, vil nanopartiklerne samles i store masser med betydelig overlapning. Individuelle nanopartikler kan ikke observeres i de fleste områder af nettet. (C,D) Alternativt kan en lav nanopartikelkoncentration resultere i TEM-net befolket med en knap mængde nanopartikler. Individuelle nanopartikler er spredt langt fra hinanden, men kræver flere billeder for at fange stikprøvens fordeling af populationsstørrelse. Skalastænger er 50 nm. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4: Gennemsnitlige MnO nanopartikeldiametre målt fra TEM-billeder.
Generelt resulterede en lavere mængde stabilisator (OA) med en højere mængde organisk opløsningsmiddel (DE) i mindre, mere ensartede MnO-nanopartikler. I alt 900 til 1100 nanopartikeldiametre blev beregnet på TEM-billeder ved hjælp af linjesporingsværktøjet i ImageJ for hver gruppe. Fejllinjer viser standardafvigelse. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 5
Figur 5: XRD-spektre af MnO-nanopartikler syntetiseret med faldende forhold af OA:DE.
Følgende nøgletal blev anvendt: (A) 60:0,B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. (G) Standard diffraktionsspidserne for MnO vises fra XRD-analyseprogramdatabasen. Alle producerede nanopartikler udviser de 5 højeste intensitets XRD-toppe til MnO, hvilket indikerer en vellykket syntese af MnO-nanopartikler. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 6
Figur 6: XRD-spektre- og TEM-billeder af uønskede nanopartikler.
XRD-spektre er vist for MnO nanopartikelsyntesen ved hjælp af (A) lav nitrogenstrøm og (B) et 0:60-forhold på OA:DE (der er ingen stabilisator til stede). Standarddiffraktionstopene for (C) Mn3O4 og(D)MnO vises fra XRD-analyseprogramdatabasen. Til sammenligning med standardspektre skabte utilstrækkelig nitrogenstrøm (A) nanopartikler med en blanding af Mn3O4 (51%) og MnO (49 %). I mangel af oleylamin (B) opnås et bredere XRD-spektrum, som svarer til de 3 højeste toppe af Mn3O4. Baseret på den analyse, der udføres af XRD program database, disse syntetiserede nanopartikler er 67% Mn3O4 og 33% MnO. TEM-billeder af (E) nanopartikler syntetiseret med lavt kvælstofflow viser store nanopartikler omgivet af mindre. TEM-billeder af (F)nanopartikler syntetiseret med et 0:60-forhold på OA:DE viser meget små aggregerede nanopartikler med uregelmæssig form. Skalastænger er 50 nm. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 7
Figur 7: FTIR-spektre af MnO-nanopartikler syntetiseret med faldende forhold af OA:DE.
Følgende nøgletal blev anvendt: (A) 60:0,B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Stjerner og firkanter svarer til henholdsvis oleylgrupper og amingrupper, mens trekanter angiver vibrationerne i Mn-O- og Mn-O-Mn-bindinger. De indkædle indlæg fremhæver de to forskellige toppe af oleylgrupper. FTIR-spektre indikerer, at MnO-nanopartikler er belagt med oleylamin, som bekræftet ved sammenligning med oleylamins kun FTIR-spektrum i figur S3. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur S1: Større glasvarer og udstyr i MnO nanopartikelsyntesesetup. Manifolden fastgøres til metalgitteret med metalklomme klemmer og spreder kvælstof i reaktionen. Mn(II) ACAC, dibenzylæther, oleylamin og en rørebjælke tilsættes den runde bundkolbe med fire halse. Kolbens højre hals er fastgjort til rotovapfælden og en albueadapter, mens venstre hals er fastgjort til en kondensator og en albueadapter. Den midterste hals af den runde bundkolbe er dækket med en gummiprop. Temperatursonden indsættes i den mindste åbning af den runde bundkolbe og er omgivet af en o-ring og paraffinplastf, der danner en lufttæt forsegling. Den runde bundkolbe sidder oven på en varmekæle og en røreplade for kraftigt at røre ved reaktionen under opvarmning. Temperatursonden og varmekylen er forbundet til temperaturregulatoren for at give automatiseret regulering af temperaturprofilen i realtid. Den runde bundkolbe og kondensatoren fastgøres til metalgitteret med metalklokler. Der er tre mineralolieboblere, to til venstre og en til højre, fyldt med stigende mængder silikoneolie fra venstre bubbler til højre bubbler i billedet. Boblerne er også fastgjort til metalgitteret med kloklemmer. Grøn plast konisk fælles klip er fastgjort til at sikre glas tilslutninger, før reaktionen begynder. Slangetilslutningerne er beskrevet i figur 1. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S2: Histogrammer, der viser fordelingen af MnO-nanopartikelstørrelsen for faldende forhold mellem OA:DE. Følgende nøgletal blev anvendt: (A) 60:0,B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Samlet set som forholdet nærmer sig 10:50, nanopartikel størrelse distribution skifter til venstre (angiver mindre diametre) og bliver mere kompakt (hvilket indikerer mere ensartet nanopartikel størrelse). Gennemsnitsdiameteren for hver fordeling er vist i figur 4. Klik her for at downloade dette tal.

Figur S3: FTIR spektrum af oleylamin. Stjerner og firkanter repræsenterer henholdsvis oleylgrupper og amingrupper af oleylamin. Klik her for at downloade dette tal.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen heri beskriver en letkøbt, one-pot syntese af MnO nanopartikler ved hjælp af Mn (II) ACAC, DE og OA. Mn(II) ACAC anvendes som udgangsmateriale til at tilvejebringe en kilde til Mn2+ til MnO-nanopartikeldannelse. Udgangsmaterialet kan let erstattes for at muliggøre produktion af andre metaloxid nanopartikler. F.eks. når jern(III) ACAC anvendes, kan Fe3O4-nanopartikler genereres ved hjælp af det samme nanopartikelsynteseudstyr og den protokol, der er beskrevet63. DE fungerer som et ideelt organisk opløsningsmiddel til termisk nedbrydningsreaktioner, da det har et højt kogepunkt på 295-298 °C. OA er en almindeligt anvendt billig stabilisator / mildt reducerende middel, som hjælper med at lægge loft over og koordinere metaloxid nanopartikelkernekernering og vækst61,63. I lighed med DE har OA et højt kogepunkt på 350 °C til at modstå de høje temperaturer af termisk nedbrydning. Følgende to observationer kan anvendes som bevis for en vellykket generering af MnO-nanopartikler under syntesen: 1) fremkomsten af en grøn nuance til reaktionsblandingen under termisk nedbrydning ved 280 °C og 2) dannelsen af en mørkebrun stor pellet i bunden af centrifugerørene efter centrifugering i hexan og ethanol. Resulterende nanopartikler bør karakteriseres yderligere af TEM, XRD og FTIR for at evaluere størrelse/ morfologi, bulk sammensætning og overflade sammensætning, henholdsvis.

Under nanopartikelsyntesen skal flere variabler noteres og kontrolleres for at sikre produktion af ensartede nanopartikler med MnO-krystallinsk fase. For det første bør forholdet mellem alle udgangsmaterialer forblive det samme, da vi har vist, at faldende forhold mellem OA og DE mindsker nanopartikelstørrelsen (figur 4). For det andet skal reaktionen omrøres kraftigt for at muliggøre tilstrækkelig spredning af nukleerende nanopartikler, ensartet opvarmning og reduktion af størrelsesvariationen. For det tredje, da temperaturen spiller en stor rolle i at kontrollere metaloxid nanopartikel størrelse47,48,50 og fase sammensætning47,48,50, er det afgørende at korrekt nedsænke temperatursonden spidsen i reaktionsblandingen uden at kontakte glasset i den runde bund kolbe, der vil læse en unøjagtig temperatur. For det fjerde skal kvælstofstrømmen være høj nok til at rense al luft fra reaktionen for at tilskynde til dannelse af MnO krystallinsk fase over Mn3O4. Som vist i figur 6Avil lav nitrogenstrøm resultere i nanopartikler med en blandet MnO/Mn3O4-sammensætning. Korrekt fyldning af mineralolieboblerne med stigende mængder silikoneolie fra venstre bubbler (1 tomme olie) til den midterste bobler (1,5 inches olie) til højre bubbler (2 inches af olie) vil indstille modstanden for kvælstof flow at være lavest gennem reaktionen (#4 i figur 1). Den boblende hastighed af den midterste mineraloliebobler (med #7,8 i figur 1)kan anvendes til at måle hastigheden af kvælstof, der strømmer gennem reaktionen. Endelig skal der tilsættes en stabilisator som OA til reaktionsblandingen for at koordinere nanopartikelkerneration og vækst. Som vist i figur 6Bskabte DE uden OA en lille mængde produkt, hovedsagelig af en Mn3O4 (67 %) Sammensætning. Dette produkt blev også observeret for at have en uregelmæssig form med aggregerede nanopartikler af TEM, som ikke fandtes, da OA var til stede i reaktionen (Figur 6F).

Flere variabler i den termiske nedbrydningsreaktion kan ændres for at optimere nanopartikelstørrelsen, morfologi og sammensætning, herunder typen af inert gas47,48,50, topreaktionstemperatur44,47,48,49, samlet reaktionstid44,45,46og typer/forhold af de oprindelige kemiske forbindelser , der anvendes ireaktionen 20,45,47,,48,50. Salazar-Alvarez et al.50 og Seo et al.48 har vist, at argonflow under termisk nedbrydning af Mn(II) danner Mn3O4 ved lavere topreaktionstemperaturer fra 150 °C til 200 °C. Ved anvendelse af nitrogen eller luft opnåede Nolis et al.47 lignende resultater for Mn(III) ACAC-nedbrydning, hvor Mn3O4 nanopartikler blev produceret ved lavere temperaturer (150 oC eller 200 oC) og MnO-nanopartikler, blev kun genereret ved højere temperaturer (250 °C og 300 °C)47. Højere peak reaktionstemperaturer og længere tider holdt ved den maksimale reaktionstemperatur, også kendt som aldringstiden, har også været forbundet med en stigning i nanopartikel størrelse44,,45,46,47,48,49. Desuden kan opvarmningshastigheden af reaktionen påvirke nanopartikel størrelse. Schladt et al.44 fandt, at en forøgelse af varmehastigheden fra 1,5 °C/min.,5 %,op til 90 o C/min. faldt henholdsvis 18,9 nm til 6,5 nm. Endelig kan forskellige kemikalier tilsættes som reduktionsmidler og stabilisatorer i mangan termiske nedbrydningsreaktioner; OA20,47,48,50 ogoliesyre20,45 er dog mest almindeligt anvendt. Forholdet mellem OA og oliesyre har vist sig at påvirke kemi og form af syntetiserede MnO nanopartikler. Ifølge Zhang et al.20resulterede OA kun i dannelsen af Mn3O4 nanopartikler, en kombination af OA og oliesyre førte til en blanding af Mn3O4 og MnO nanopartikler, og oliesyre kun produceret MnO nanopartikler. Interessant, erfaring viser, at MnO nanopartikler kan fremstilles med OA kun, og at oliesyre ikke er nødvendig for at fremme dannelsen af MnO krystallinsk fase. Desuden, brugen af OA i sig selv fabrikerede sfæriske nanopartikler, mens oliesyre alene genereret stjerneformede nanopartikler20,64. Det er klart, at der er stor fleksibilitet i at ændre synteseparametre for at påvirke de deraf følgende fysiske og kemiske egenskaber af MnO-nanopartikler.

På trods af den detaljerede protokol kan der opstå forekomster, der kræver fejlfinding. I det følgende afsnit beskrives nogle almindelige problemer og løsninger. Under reaktionen, hvis temperaturen ser ud til at stabilisere omkring 100 °C, kan noget vand være sivet ind i varmeknæen. Kontroller synligt det omkringliggende område for vandlækage fra kondensatoren. Rør ikke direkte ved kappen eller den runde bundkolbe uden varmebestandige handsker, da de vil være meget varme. Hvis der observeres vand, skal du straks slukke for temperaturregulatoren, tage varmekællen ud og lade den tørre natten over. For at forhindre fremtidige lækager, skal du bruge en sammenlåst orm gear slange klemme for at sikre vandslangen til kondensatoren. I tilfælde af, at det ønskede produkt er MnO, men kun Mn3O4 produceres, er det vigtigt at kontrollere kvælstofstrømmen under reaktionen. Den midterste bubbler skal have en konstant strøm af bobler (se videoen for korrekt boblende sats), mens den rigtige bubbler bør kun have en eller to bobler danner i det. Der kan opstå en forkert nitrogenstrøm, hvis de differentierede silikoneolieniveauer i hver mineraloliebobler ikke opretholdes. Kontroller olieniveauerne før hvert eksperiment, og fyld boblerne op i henhold til trin 1.5, hvis det er nødvendigt. Under nanopartikelsamling specificerer protokollen at hælde supernatanten ud uden at forstyrre nanopartikelpillerlen. Den bedste måde at kassere supernatant er at hælde det ud med en hurtig kontinuerlig bevægelse i stedet for en langsom en. Men hvis pellet bliver let løsrevet fra centrifugerøret, anbefales det at bruge en overførselspipette til at fjerne supernatanten. Under nanopartikel indsamling og TEM gitter forberedelse, bad sonikering er et vigtigt skridt. Hvis nanopartiklerne ikke resuspending korrekt, flytte røret rundt i vandbad sonicator indtil et område er placeret, hvor sonikering kan mærkes ved hånden holder røret. Nanopartikelpille kan også ses synligt opløses under stærk bad sonikering, hvis røret er på det rigtige sted. Efter nanopartikel resuspension er det vigtigt, at TEM-gitteret er ophængt i luften med omvendt pincet i stedet for at blive placeret på en tørre eller direkte på en absorberende bænkoverflade. Den tørre eller absorberende bænk overflade vil væge nanopartikel suspension ud af TEM nettet før tørring, hvilket resulterer i utilstrækkelig nanopartikel deposition på nettet til billeddannelse.

Selv om den termiske nedbrydning reaktion er forholdsvis enkel og ligetil at følge for at syntetisere MnO nanopartikler, der er nogle begrænsninger forbundet med metoden. Selv om det er muligt at kontrollere nanopartiklernes fysiske og kemiske egenskaber til en vis grad, påvirker nogle variabler såsom temperatur og aldringstid både nanopartikelstørrelse og fasesammensætning samtidigt. Derfor er det vanskeligt altid at have præcis uafhængig kontrol af nanopartikelegenskaber ved hjælp af denne metode. Desuden kan opskalering af nanopartikelsyntesen ved at tredoble eller firdoble mængden af råvarer medføre, at reaktionen bliver ustabil og voldelig. Større batchstørrelse er også forbundet med et nedsat udbytte. På trods af opbevaring af MnO-nanopartikler inde i udjævnede scintillationsglas pakket ind i paraffinplastfolie har vi desuden set oxidation af nanopartikeloverfladen til Mn3O4 som evalueret ved røntgenfotoelektroskopi. Endelig vil MnO-nanopartiklerne, der genereres ved denne teknik, være hydrofobe og begrænset med OA (figur 7). Yderligere overfladeændring af overgangen nanopartikler til en hydrofil tilstand skal anvendes for at muliggøre nanopartikelaffjedring i vandige medier. Der er etableret flere metoder til at fremme spredningen af nanopartikler i biologiske opløsninger, herunder nanopartikelindkapsling inde i polymerer14, belægning af nanopartikeloverfladen med lipider52eller ligandudveksling for at erstatte OA på nanopartikeloverfladen med hydrofile ligaander som poly (akrylsyre)20. For at opnå indkapsling af MnO-nanopartikler i poly(mælkesyre-co-glykolsyre) (PLGA) polymer skal mccall og Siriannis detaljerede JoVE-protokol 65følges MnO nanopartikler kan tilføjes direkte til PLGA polymer opløsning som beskrevet for hydrofobe lægemidler i trin 8 i Nanopartikel Forberedelse sektion. MnO nanokrystalfordeling inde i PLGA nanopartikler kan vurderes ved hjælp af TEM, og indlæsning af Mn inde i PLGA-polymeren kan bestemmes ved termogravimetrisk analyse som vist i Bennewitz et al.14.

Selvom MnO nanopartikler kan udnyttes til en bred vifte af applikationer på grund af deres magnetiske, elektroniske og katalytiske egenskaber, er vi interesseret i at anvende MnO nanopartikler som omskiftelige, T1 MR-kontrastmidler. Tidligere har vores gruppe og andre vist, at intakte MnO nanopartikler har ubetydelig T1 MR-kontrast (MR-signal er "OFF") ved fysiologisk pH 7,4 efterligne blodet14,,15,16,17,18,19. Men, MnO opløses for at skabe betydelige Mn2 + ioner ved lav pH 5 efterligne cellulære endosomer; frigivet Mn2 + vil koordinere med omkringliggende vandmolekyler til at tænde "ON" MR-signal ved lav pH14,15,,16,,17,18,19. MnO nanopartikler kan lokaliseres til forskellige celler af interesse, såsom kræftceller, ved tilsætning af målretning peptider eller antistoffer til nanopartikel overflade51,,66. Her beskriver vi syntesen af MnO nanopartikler med en gennemsnitlig diameter fra 18,6 nm til 38,8 nm. Kontrol af nanopartikel størrelse kan være nyttigt for at forbedre MR-kontrastmiddel effektivitet. Konkret forventes det, at større nanopartikler vil have mere areal til fastgørelse af målretning ligander til at forbedre nanopartikel ophobning på det sted af interesse såsom tumorer. Men, samlede nanopartikel størrelse med tilsat overflade grupper bør begrænses til 50-100 nm at maksimere tumorophobning 67,68. Mindre nanopartikler har på den anden side et højere forhold mellem areal og volumen for at lette hurtigere frigivelse af Mn2+ under sure miljøer og bør give mulighed for forbedrede nanopartikelemballagemængder inde i polymere fremføringssystemer. Syntese af MnO over Mn3O4 bør også forbedre MR-kontrasten, da MnO har vist sig at opløses hurtigere end Mn3O4 i koncentrerede sure opløsninger for at generere flere Mn2+ ioner69. Sammenfattende har vi beskrevet en termisk nedbrydning protokol for fremstilling af MnO nanopartikler, der er relativt ligetil og tilpasses at give mulighed for at optimere nanopartikel design til fremtidig brug i applikationer såsom smart MR-kontrastmidler, biosensorer, katalysatorer, batterier og vandrensning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har intet at afsløre.

Acknowledgments

Dette arbejde blev støttet af WVU Chemical and Biomedical Engineering Department startup funds (M.F.B.). Forfatterne vil gerne takke Dr. Marcela Redigolo for vejledning om nettet forberedelse og billedoptagelse af nanopartikler med TEM, Dr. Qiang Wang for støtte til evaluering af XRD og FTIR spektre, Dr. John Zondlo og Hunter Snoderly for programmering og integration af temperatur controller i nanopartikel syntese protokol, James Hall for hans bistand i forsamlingen af nanopartikel syntese setup , Alexander Pueschel og Jenna Vito til medvirken til kvantificering af MnO-nanopartikeldiametre fra TEM-billeder og WVU Shared Research Facility til brug for TEM, XRD og FTIR.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Felton, C., et al. Magnetic nanoparticles as contrast agents in biomedical imaging: recent advances in iron- and manganese-based magnetic nanoparticles. Drug Metabolism Reviews. 46 (2), 142-154 (2014).
  2. Hsu, B. Y. W., et al. Relaxivity and toxicological properties of manganese oxide nanoparticles for MRI applications. RSC Advances. 6 (51), 45462-45474 (2019).
  3. Wierzbinski, K. R., et al. Potential use of superparamagnetic iron oxide nanoparticles for in vitro and in vivo bioimaging of human myoblasts. Scientific Reports. 8 (1), 1-17 (2018).
  4. Vukojević, V., et al. Enzymatic glucose biosensor based on manganese dioxide nanoparticles decorated on graphene nanoribbons. Journal of Electroanalytical Chemistry. 823, 610-616 (2018).
  5. George, J. M., Antony, A., Mathew, B. Metal oxide nanoparticles in electrochemical sensing and biosensing: a review. Microchimica Acta. 185 (7), 358 (2018).
  6. Fei, J., et al. Tuning the Synthesis of Manganese Oxides Nanoparticles for Efficient Oxidation of Benzyl Alcohol. Nanoscale Research Letters. 12, (2017).
  7. Le, T. H., Ngo, T. H. A., Doan, V. T., Nguyen, L. M. T., Le, M. C. Preparation of Manganese Dioxide Nanoparticles on Laterite for Methylene Blue Degradation. Journal of Chemistry. 2019, 1602752 (2019).
  8. Kuo, C. H., et al. Robust Mesoporous Manganese Oxide Catalysts for Water Oxidation. ACS Catalysis. 5 (3), 1693-1699 (2015).
  9. Farzana, R., Rajarao, R., Hassan, K., Behera, P. R., Sahajwalla, V. Thermal nanosizing: Novel route to synthesize manganese oxide and zinc oxide nanoparticles simultaneously from spent Zn-C battery. Journal of Cleaner Production. 196, 478-488 (2018).
  10. Elbasuney, S., Elsayed, M. A., Mostafa, S. F., Khalil, W. F. MnO2 Nanoparticles Supported on Porous Al2O3 Substrate for Wastewater Treatment: Synergy of Adsorption, Oxidation, and Photocatalysis. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. , (2019).
  11. Shapiro, E. M., et al. MRI detection of single particles for cellular imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (30), 10901-10906 (2004).
  12. Shapiro, E. M., Skrtic, S., Koretsky, A. P. Sizing it up: Cellular MRI using micron-sized iron oxide particles. Magnetic Resonance in Medicine. 53 (2), 329-338 (2005).
  13. Bennewitz, M. F., Tang, K. S., Markakis, E. A., Shapiro, E. M. Specific chemotaxis of magnetically labeled mesenchymal stem cells: implications for MRI of glioma. Molecular imaging and biology: MIB: the official publication of the Academy of Molecular Imaging. 14 (6), 676-687 (2012).
  14. Bennewitz, M. F., et al. Biocompatible and pH-Sensitive PLGA Encapsulated MnO Nanocrystals for Molecular and Cellular MRI. ACS Nano. 5 (5), 3438-3446 (2011).
  15. Chen, Y., et al. Manganese oxide-based multifunctionalized mesoporous silica nanoparticles for pH-responsive MRI, ultrasonography and circumvention of MDR in cancer cells. Biomaterials. 33 (29), 7126-7137 (2012).
  16. Park, M., et al. Large-Scale Synthesis of Ultrathin Manganese Oxide Nanoplates and Their Applications to T1 MRI Contrast Agents. Chemistry of Materials. 23 (14), 3318-3324 (2011).
  17. Duan, B., et al. Core-Shell Structurized Fe3O4@C@MnO2 Nanoparticles as pH Responsive T1-T2* Dual-Modal Contrast Agents for Tumor Diagnosis. ACS Biomaterials Science & Engineering. 4 (8), 3047-3054 (2018).
  18. Hao, Y., et al. Multifunctional nanosheets based on folic acid modified manganese oxide for tumor-targeting theranostic application. Nanotechnology. 27 (2), 025101 (2015).
  19. Shi, Y., Guenneau, F., Wang, X., Hélary, C., Coradin, T. MnO2-gated Nanoplatforms with Targeted Controlled Drug Release and Contrast-Enhanced MRI Properties: from 2D Cell Culture to 3D Biomimetic Hydrogels. Nanotheranostics. 2 (4), 403-416 (2018).
  20. Zhang, H., et al. Revisiting the coordination chemistry for preparing manganese oxide nanocrystals in the presence of oleylamine and oleic acid. Nanoscale. 6 (11), 5918 (2014).
  21. McDonagh, B. H., et al. L-DOPA-Coated Manganese Oxide Nanoparticles as Dual MRI Contrast Agents and Drug-Delivery Vehicles. Small. 12 (3), 301-306 (2016).
  22. Ding, X., et al. Polydopamine coated manganese oxide nanoparticles with ultrahigh relaxivity as nanotheranostic agents for magnetic resonance imaging guided synergetic chemo-/photothermal therapy. Chemical Science. 7 (11), 6695-6700 (2016).
  23. Wei, R., et al. Versatile Octapod-Shaped Hollow Porous Manganese(II) Oxide Nanoplatform for Real-Time Visualization of Cargo Delivery. Nano Letters. 19 (8), 5394-5402 (2019).
  24. Na, H. B., et al. Development of a T1 contrast agent for magnetic resonance imaging using MnO nanoparticles. Angewandte Chemie (International Ed. in English). 46 (28), 5397-5401 (2007).
  25. Rockenberger, J., Scher, E. C., Alivisatos, A. P. A New Nonhydrolytic Single-Precursor Approach to Surfactant-Capped Nanocrystals of Transition Metal Oxides. Journal of the American Chemical Society. 121 (49), 11595-11596 (1999).
  26. Han, C., et al. Synthesis of a multifunctional manganese(II)-carbon dots hybrid and its application as an efficient magnetic-fluorescent imaging probe for ovarian cancer cell imaging. Journal of Materials Chemistry B. 4 (35), 5798-5802 (2016).
  27. Wang, A., et al. Redox-mediated dissolution of paramagnetic nanolids to achieve a smart theranostic system. Nanoscale. 6 (10), 5270-5278 (2014).
  28. Jia, Q., et al. A Magnetofluorescent Carbon Dot Assembly as an Acidic H2O2-Driven Oxygenerator to Regulate Tumor Hypoxia for Simultaneous Bimodal Imaging and Enhanced Photodynamic Therapy. Advanced Materials. 30 (13), 1706090 (2018).
  29. Yang, B., et al. A three dimensional Pt nanodendrite/graphene/MnO 2 nanoflower modified electrode for the sensitive and selective detection of dopamine. Journal of Materials Chemistry B. 3 (37), 7440-7448 (2015).
  30. Li, J., Li, D., Yuan, R., Xiang, Y. Biodegradable MnO2 Nanosheet-Mediated Signal Amplification in Living Cells Enables Sensitive Detection of Down-Regulated Intracellular MicroRNA. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (7), 5717-5724 (2017).
  31. Fan, H., et al. A Smart DNAzyme-MnO2 Nanosystem for Efficient Gene Silencing. Angewandte Chemie International Edition. 54 (16), 4801-4805 (2015).
  32. Zhang, Y., et al. A real-time fluorescence turn-on assay for acetylcholinesterase activity based on the controlled release of a perylene probe from MnO 2 nanosheets. Journal of Materials Chemistry C. 5 (19), 4691-4694 (2017).
  33. Meng, H. M., et al. Multiple Functional Nanoprobe for Contrast-Enhanced Bimodal Cellular Imaging and Targeted Therapy. Analytical Chemistry. 87 (8), 4448-4454 (2015).
  34. Zhao, Z., et al. Activatable Fluorescence/MRI Bimodal Platform for Tumor Cell Imaging via MnO2 Nanosheet-Aptamer Nanoprobe. Journal of the American Chemical Society. 136 (32), 11220-11223 (2014).
  35. Chen, J. L., et al. A glucose-activatable trimodal glucometer self-assembled from glucose oxidase and MnO 2 nanosheets for diabetes monitoring. Journal of Materials Chemistry B. 5 (27), 5336-5344 (2017).
  36. Yang, G., et al. Hollow MnO 2 as a tumor-microenvironment-responsive biodegradable nano-platform for combination therapy favoring antitumor immune responses. Nature Communications. 8 (1), 1-13 (2017).
  37. Wu, Y., et al. Versatile in situ synthesis of MnO2 nanolayers on upconversion nanoparticles and their application in activatable fluorescence and MRI imaging. Chemical Science. 9 (24), 5427-5434 (2018).
  38. Jing, X., et al. Intelligent nanoflowers: a full tumor microenvironment-responsive multimodal cancer theranostic nanoplatform. Nanoscale. 11 (33), 15508-15518 (2019).
  39. Peng, Y. K., et al. Engineered core-shell magnetic nanoparticle for MR dual-modal tracking and safe magnetic manipulation of ependymal cells in live rodents. Nanotechnology. 29 (1), 015102 (2018).
  40. Ren, S., et al. Ternary-Responsive Drug Delivery with Activatable Dual Mode Contrast-Enhanced in vivo Imaging. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (38), 31947-31958 (2018).
  41. Zhen, W., et al. Multienzyme-Mimicking Nanocomposite for Tumor Phototheranostics and Normal Cell Protection. ChemNanoMat. 5 (1), 101-109 (2019).
  42. Tang, W., et al. Wet/Sono-Chemical Synthesis of Enzymatic Two-Dimensional MnO2 Nanosheets for Synergistic Catalysis-Enhanced Phototheranostics. Advanced Materials. 31 (19), 1900401 (2019).
  43. Ding, B., Zheng, P., Ma, P., Lin, J. Manganese Oxide Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Theranostic Applications. Advanced Materials. , 1905823 (2020).
  44. Schladt, T. D., Graf, T., Tremel, W. Synthesis and Characterization of Monodisperse Manganese Oxide Nanoparticles-Evaluation of the Nucleation and Growth Mechanism. Chemistry of Materials. 21 (14), 3183-3190 (2009).
  45. Yin, M., O'Brien, S. Synthesis of Monodisperse Nanocrystals of Manganese Oxides. Journal of the American Chemical Society. 125 (34), 10180-10181 (2003).
  46. Chen, Y., Johnson, E., Peng, X. Formation of Monodisperse and Shape-Controlled MnO Nanocrystals in Non-Injection Synthesis: Self-Focusing via Ripening. Journal of the American Chemical Society. 129 (35), 10937-10947 (2007).
  47. Nolis, G. M., Bolotnikov, J. M., Cabana, J. Control of Size and Composition of Colloidal Nanocrystals of Manganese Oxide. Inorganic Chemistry. 57 (20), 12900-12907 (2018).
  48. Seo, W. S., et al. Size-Dependent Magnetic Properties of Colloidal Mn3O4 and MnO Nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 43 (9), 1115-1117 (2004).
  49. Douglas, F. J., et al. Formation of octapod MnO nanoparticles with enhanced magnetic properties through kinetically-controlled thermal decomposition of polynuclear manganese complexes. Nanoscale. 6 (1), 172-176 (2013).
  50. Salazar-Alvarez, G., Sort, J., Suriñach, S., Baró, M. D., Nogués, J. Synthesis and Size-Dependent Exchange Bias in Inverted Core-Shell MnO|Mn 3 O 4 Nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 129 (29), 9102-9108 (2007).
  51. Zhang, T., Ge, J., Hu, Y., Yin, Y. A General Approach for Transferring Hydrophobic Nanocrystals into Water. Nano Letters. 7 (10), 3203-3207 (2007).
  52. Chhour, P., et al. Nanodisco balls: control over surface versus core loading of diagnostically active nanocrystals into polymer nanoparticles. ACS nano. 8 (9), 9143-9153 (2014).
  53. Suk, J. S., Xu, Q., Kim, N., Hanes, J., Ensign, L. M. PEGylation as a strategy for improving nanoparticle-based drug and gene delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 99, 28-51 (2016).
  54. Huang, C. C., Khu, N. H., Yeh, C. S. The characteristics of sub 10 nm manganese oxide T1 contrast agents of different nanostructured morphologies. Biomaterials. 31 (14), 4073-4078 (2010).
  55. Zhao, N., et al. Size-Controlled Synthesis and Dependent Magnetic Properties of Nearly Monodisperse Mn3O4 Nanocrystals. Small. 4 (1), 77-81 (2008).
  56. He, D., Hai, L., He, X., Yang, X., Li, H. W. Glutathione-Activatable and O2/Mn2+-Evolving Nanocomposite for Highly Efficient and Selective Photodynamic and Gene-Silencing Dual Therapy. Advanced Functional Materials. 27 (46), 1704089 (2017).
  57. He, D., et al. Redox-responsive degradable honeycomb manganese oxide nanostructures as effective nanocarriers for intracellular glutathione-triggered drug release. Chemical Communications. 51 (4), 776-779 (2015).
  58. Chen, Y., et al. Multifunctional Graphene Oxide-based Triple Stimuli-Responsive Nanotheranostics. Advanced Functional Materials. 24 (28), 4386-4396 (2014).
  59. Prasad, P., et al. Multifunctional Albumin-MnO2 Nanoparticles Modulate Solid Tumor Microenvironment by Attenuating Hypoxia, Acidosis, Vascular Endothelial Growth Factor and Enhance Radiation Response. ACS Nano. 8 (4), 3202-3212 (2014).
  60. Perez De Berti, I., et al. Alternative low-cost approach to the synthesis of magnetic iron oxide nanoparticles by thermal decomposition of organic precursors. Nanotechnology. 24, 175601 (2013).
  61. Mourdikoudis, S., Liz-Marzán, L. M. Oleylamine in Nanoparticle Synthesis. Chemistry of Materials. 25 (9), 1465-1476 (2013).
  62. Zheng, M., et al. A simple additive-free approach for the synthesis of uniform manganese monoxide nanorods with large specific surface area. Nanoscale Research Letters. 8 (1), 166 (2013).
  63. Xu, Z., Shen, C., Hou, Y., Gao, H., Sun, S. Oleylamine as Both Reducing Agent and Stabilizer in a Facile Synthesis of Magnetite Nanoparticles. Chemistry of Materials. 21 (9), 1778-1780 (2009).
  64. Hou, Y., Xu, Z., Sun, S. Controlled Synthesis and Chemical Conversions of FeO Nanoparticles. Angewandte Chemie. 119 (33), 6445-6448 (2007).
  65. McCall, R. L., Sirianni, R. W. PLGA Nanoparticles Formed by Single- or Double-emulsion with Vitamin E-TPGS. Journal of Visualized Experiments. (82), (2013).
  66. Le Joncour, V., Laakkonen, P. Seek & Destroy, use of targeting peptides for cancer detection and drug delivery. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 26 (10), 2797-2806 (2018).
  67. Perry, J. L., et al. Mediating Passive Tumor Accumulation through Particle Size, Tumor Type, and Location. Nano Letters. 17 (5), 2879-2886 (2017).
  68. Tang, L., et al. Investigating the optimal size of anticancer nanomedicine. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (43), 15344-15349 (2014).
  69. Godunov, E. B., Izotov, A. D., Gorichev, I. G. Dissolution of Manganese Oxides of Various Compositions in Sulfuric Acid Solutions Studied by Kinetic Methods. Inorganic Materials. 54 (1), 66-71 (2018).

Tags

Bioengineering nanopartikler mangan(II) acetylacetonate manganoxid oleylamin dibenzylæther termisk nedbrydning magnetisk resonansscanning røntgendiffraktion transmissionselekniskmikroskopi Fourier-transform infrarød spektroskopi
Manganoxid nanopartikel syntese ved termisk nedbrydning af mangan(II) Acetylacetonate
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Martinez de la Torre, C., Bennewitz, … More

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).

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