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Bioengineering

Manganoxid-Nanopartikelsynthese durch thermische Zersetzung von Mangan(II) Acetylacetonat

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

Summary

Dieses Protokoll beschreibt eine einfache, Ein-Topf-Synthese von Manganoxid (MnO) Nanopartikeln durch thermische Zersetzung von Mangan(II) Acetylaceton in Gegenwart von Oleylamin und Dibenzylether. MnO-Nanopartikel wurden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Magnetresonanztomographie, Biosensing, Katalyse, Batterien und Abwasserbehandlung.

Abstract

Für biomedizinische Anwendungen wurden Metalloxid-Nanopartikel wie Eisenoxid und Manganoxid (MnO) als Biosensoren und Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT) eingesetzt. Während Eisenoxid-Nanopartikel einen konstanten negativen Kontrast auf der MRT über typische experimentelle Zeitrahmen bieten, erzeugt MnO durch Auflösung von MnO zu Mn2+ bei niedrigem pH-Wert innerhalb von Zellendosomen einen schaltbaren positiven Kontrast auf MRT-Kontrast. Dieses Protokoll beschreibt eine One-Pot-Synthese von MnO-Nanopartikeln, die durch thermische Zersetzung von Mangan(II)-Acetylacetonat in Oleylamin und Dibenzyllether gebildet werden. Obwohl die Synthese von MnO-Nanopartikeln einfach ist, kann der anfängliche Versuchsaufbau schwierig zu reproduzieren sein, wenn keine detaillierten Anweisungen vorliegen. So wird die Glaswaren- und Schlauchbaugruppe zunächst gründlich beschrieben, damit andere Forscher das Setup problemlos reproduzieren können. Die Synthesemethode beinhaltet einen Temperaturregler, um eine automatisierte und präzise Manipulation des gewünschten Temperaturprofils zu erreichen, was sich auf die resultierende Nanopartikelgröße und -chemie auswirkt. Das thermische Zersetzungsprotokoll kann leicht angepasst werden, um andere Metalloxid-Nanopartikel (z. B. Eisenoxid) zu erzeugen und alternative organische Lösungsmittel und Stabilisatoren (z. B. Ölsäure) aufzunehmen. Darüber hinaus kann das Verhältnis von organischem Lösungsmittel zu Stabilisator in weitere Auswirkungen Nanopartikeleigenschaften geändert werden, die hierin dargestellt werden. Synthetisierte MnO-Nanopartikel zeichnen sich durch Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenbeugung bzw. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie durch Morphologie, Größe, Massenzusammensetzung und Oberflächenzusammensetzung aus. Die mit dieser Methode synthetisierten MnO-Nanopartikel sind hydrophob und müssen durch Ligandenaustausch, polymere Verkapselung oder Lipidverkapselung weiter manipuliert werden, um hydrophile Gruppen für die Interaktion mit biologischen Flüssigkeiten und Geweben zu integrieren.

Introduction

Metalloxid-Nanopartikel besitzen magnetische, elektrische und katalytische Eigenschaften, die in bioimaging1,2,3, Sensortechnologien4,5, Katalyse6,7,8, Energiespeicherung9und Wasserreinigung10angewendet wurden. Im biomedizinischen Bereich haben sich Eisenoxid-Nanopartikel und Manganoxid (MnO)-Nanopartikel als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT)1,2bewährt. Eisenoxid-Nanopartikel erzeugen einen robusten negativen Kontrast aufT2* MRT und sind leistungsstark genug, um einzelne markierte Zellen in vivo11,12,13zu visualisieren; Das negative MRT-Signal kann jedoch nicht moduliert werden und bleibt während der gesamten Dauer typischer Experimente "ON". Aufgrund von endogenem Eisen in Leber, Knochenmark, Blut und Milz kann der negative Kontrast, der durch Eisenoxid-Nanopartikel entsteht, schwer zu interpretieren sein. MnO-Nanopartikel hingegen reagieren auf einen rückgangen pH-Wert. MRT-Signal für MnO-Nanopartikel kann von "OFF" zu "ON" übergehen, sobald die Nanopartikel innerhalb der niedrigen pH-Endosomen und Lysosomen der Zielzelle wie einer Krebszelle14,15,16,17,18,19verinnerlicht sind. Der positive Kontrast aufT1 MRT, der von der Auflösung von MnO zu Mn2+ bei niedrigem pH-Wert entsteht, ist unverkennbar und kann die Spezifität der Krebserkennung verbessern, indem er nur an der Zielstelle innerhalb eines bösartigen Tumors aufleuchtet. Die Kontrolle über Nanopartikelgröße, Morphologie und Zusammensetzung ist entscheidend, um ein maximales MRT-Signal von MnO-Nanopartikeln zu erreichen. Hierin beschreiben wir, wie ManmnO-Nanopartikel mithilfe der thermischen Zersetzungsmethode synthetisiert und charakterisiert und beachten verschiedene Strategien zur Feinabstimmung der Nanopartikeleigenschaften, indem Variablen im Syntheseprozess verändert werden. Dieses Protokoll kann leicht geändert werden, um andere magnetische Nanopartikel wie Eisenoxid-Nanopartikel zu produzieren.

MnO-Nanopartikel wurden durch eine Vielzahl von Techniken hergestellt, einschließlich thermischer Zersetzung20,21,22,23,24,25, hydro/solvothermal26,27,28,29, Peeling30,31,32,33,34, Permanganate Reduktion35,36,37,38und Adsorption-Oxidation39,40,41,42. Thermische Zersetzung ist die am häufigsten verwendete Technik, bei der Manganvorstufen, organische Lösungsmittel und Stabilisatoren bei hohen Temperaturen (180 – 360 °C) unter Vorhandensein einer inerten gasförmigen Atmosphäre gelöst werden, um MnO-Nanopartikel43zu bilden. Aus all diesen Techniken ist die thermische Zersetzung die überlegene Methode, um eine Vielzahl von MnO-Nanokristallen reiner Phase (MnO, Mn3O4 und Mn2O3) mit einer schmalen Größenverteilung zu erzeugen. Seine Vielseitigkeit wird durch die Fähigkeit, Nanopartikelgröße, Morphologie und Zusammensetzung durch Veränderung der Reaktionszeit44,45,46, Temperatur44,47,48,49, Typen / Verhältnisse von Reaktanten20,45,47,48,50 und Inertgas47,48,50 verwendet. Die Haupteinschränkungen dieser Methode sind die Anforderung an hohe Temperaturen, die sauerstofffreie Atmosphäre und die hydrophobe Beschichtung der synthetisierten Nanopartikel, die eine weitere Modifikation mit Polymeren, Lipiden oder anderen Liganden erfordert, um die Löslichkeit für biologische Anwendungen zu erhöhen14,51,52,53.

Neben der thermischen Zersetzung ist die hydro-solvothermale Methode die einzige andere Technik, die eine Vielzahl von MnO-Phasen einschließlich MnO, Mn3O4und MnO2erzeugen kann; alle anderen Strategien bilden2 nur MnO 2-Produkte. Während der hydro-solvothermalen Synthese werden Vorläuferstoffe wie Mn(II)-Stearat54,,55 und Mn(II)-Acetat27 über mehrere Stunden auf 120-200 °C erhitzt, um Nanopartikel mit einer engen Größenverteilung zu erreichen; jedoch sind spezielle Reaktionsgefäße erforderlich und Reaktionen werden bei hohem Druck durchgeführt. Im Gegensatz dazu beinhaltet die Peeling-Strategie die Behandlung eines geschichteten oder Schüttguts, um die Dissoziation in 2D-Einzelschichten zu fördern. Sein Hauptvorteil liegt in der Herstellung von MnO2 Nanosheets, aber der Syntheseprozess dauert mehrere Tage und die resultierende Größe der Blätter ist schwer zu kontrollieren. Alternativ können Permanganate wie KMnO4 mit Reduktionsmitteln wie Ölsäure56,57, Graphenoxid58 oder Poly(Allylaminhydrochlorid)59 reagieren, um MnO2-Nanopartikel zu erzeugen. Die Verwendung von KMnO4 erleichtert die Bildung von Nanopartikeln bei Raumtemperatur über wenige Minuten bis Stunden unter wässrigen Bedingungen43. Leider macht es die schnelle Synthese und das Wachstum von Nanopartikeln schwierig, die resultierende Nanopartikelgröße fein zu kontrollieren. MnO2-Nanopartikel können auch mittels Adsorptions-Oxidation synthetisiert werden, wobei Mn2+-Ionen unter Grundlegenden bedingungen adsorbiert und durch Sauerstoff zu MnO2 oxidiert werden. Diese Methode erzeugt kleine2 MnO 2-Nanopartikel mit einer engen Größenverteilung bei Raumtemperatur über mehrere Stunden in wässrigen Medien; jedoch die Anforderung für die Adsorption von Mn2+ Ionen und Alkalibedingungen begrenzt seine weit verbreitete Anwendung43.

Von den diskutierten MnO-Nanopartikelsynthesemethoden ist die thermische Zersetzung die vielseitigste, um verschiedene monodisperse reine Phasen-Nanokristalle mit Kontrolle über Nanopartikelgröße, -form und -zusammensetzung zu erzeugen, ohne dass spezielle Synthesegefäße erforderlich sind. In diesem Manuskript beschreiben wir, wie MnO-Nanopartikel durch thermische Zersetzung bei 280 °C mit Mangan(II)-Acetylacetonat (Mn(II) ACAC) als Quelle von Mn2+-Ionen, Oleylamin (OA) als Reduktionsmittel und Stabilisator und Dibenzylether (DE) als Lösungsmittel unter Stickstoffatmosphäre synthetisiert werden. Das Glas- und Schlauchaufbau für die Nanopartikelsynthese wird ausführlich erläutert. Ein Vorteil der Technik ist die Einbeziehung eines Temperaturreglers, einer Thermoelementsonde und eines Heizmantels, um eine präzise Steuerung der Heizrate, der Spitzentemperatur und der Reaktionszeiten bei jeder Temperatur zu ermöglichen, um die Größe und Zusammensetzung von Nanopartikeln zu optimieren. Hierin zeigen wir, wie nanopartikelgröße auch manipuliert werden kann, indem das Verhältnis von OA zu DE geändert wird. Darüber hinaus zeigen wir, wie Nanopartikelproben vorbereitet und Nanopartikelgröße, Massenzusammensetzung und Oberflächenzusammensetzung mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Röntgenbeugung (XRD) bzw. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) gemessen werden. Weitere Anleitungen zur Analyse der gesammelten Bilder und Spektren von jedem Instrument sind enthalten. Um einheitlich geformte MnO-Nanopartikel zu erzeugen, müssen ein Stabilisator und ein ausreichender Stickstofffluss vorhanden sein; XRD- und TEM-Ergebnisse werden für unerwünschte Produkte angezeigt, die in Abwesenheit von OA und unter niedrigem Stickstofffluss entstehen. Im Abschnitt Diskussion werden wichtige Schritte im Protokoll, Metriken zur Bestimmung der erfolgreichen Nanopartikelsynthese, weitere Variationen des Zersetzungsprotokolls zur Änderung der Nanopartikeleigenschaften (Größe, Morphologie und Zusammensetzung), Fehlerbehebung und Einschränkungen der Methode sowie Anwendungen von MnO-Nanopartikeln als Kontrastmittel für die biomedizinische Bildgebung hervorgehoben.

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Protocol

1. Glaswaren- und Schlauchbaugruppe – nur zum ersten Mal durchzuführen

ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt den versuchsweisen Aufbau für die MnO-Nanopartikelsynthese mit nummerierten Rohrverbindungen. Abbildung S1 zeigt das gleiche Setup mit den hauptgekennzeichneten Glaskomponenten. Wenn es eine Diskrepanz zwischen den chemikalienbeständigen Schläuchen und der Glasanschlussgröße gibt, bedecken Sie die Glasverbindung zuerst mit einem kurzen Stück kleinerer Schläuche, bevor Sie die chemisch beständigen Schläuche hinzufügen, um die Verbindungen eng zu machen.

  1. Sichern Sie den luftfreien Stickstofftank mit zugelassenen Gurtstützen an der Wand in der Nähe einer chemischen Rauchhaube. Fügen Sie den entsprechenden Stickstoffregler in den Tank ein.
    VORSICHT: Gasflaschen müssen ordnungsgemäß gesichert werden, da sie sehr gefährlich sein können, wenn sie umgekippt werden.
  2. Füllen Sie die Gastrocknungssäule mit Trockenmittel. Befestigen Sie chemikalienbeständige Schläuche vom luftfreien Stickstoffregler am unteren Einlass der Gastrocknungssäule (#1 in Abbildung 1).
  3. Sichern Sie den Glaskrümmer mit mindestens 2 Auslass-Stoppcocks mit zwei Metallklauenanzen an der Oberseite der Dunstabzugshaube. Befestigen Sie chemisch beständige Schläuche aus dem Auslass der Gastrocknungssäule (#2 in Abbildung 1) an den Einlass des Verteilers (#3 in Abbildung 1).
  4. Legen Sie 3 Mineralölblasen in die Dunstabzugshaube mit Metallklauenklemmen gemäß Abbildung 1. Setzen Sie zwei Blasen auf der linken Seite und eine Blase nach rechts.
  5. Füllen Sie die linke Blase (nach #9 in Abbildung 1) mit der kleinsten Menge an Silikonöl (1 Zoll Öl von der Unterseite der Blase). Füllen Sie die mittlere Blase (um #7,8 in Abbildung 1) mit einer mittleren Menge an Silikonöl (1,5 Zoll Öl von der Unterseite der Blase). Füllen Sie die rechte Blase (durch #11 in Abbildung 1) mit der größten Menge an Silikonöl (2 Zoll Öl von der Unterseite der Blase).
    HINWEIS: Die relative Menge an Silikonöl zwischen den Mineralblasen ist sehr wichtig, um einen angemessenen Durchfluss des luftfreien Stickstoffgases durch das System zu erreichen. Fügen Sie nicht zu viel Öl (über 2,5 Zoll), wie das Öl während der Reaktion sprudeln und kann die Blasen verlassen, wenn übergefüllt.
  6. Schließen Sie den Auslass am rechten Hahn des Verteilers (#4 in Abbildung 1) mit chemikalienbeständigen Schläuchen an das Gewindeende eines Glasbogenadapters (#5 in Abbildung 1) an.
  7. Befestigen Sie das Gewindeende eines anderen Glasbogenadapters (#6 in Abbildung 1) mit chemikalienbeständigen Schläuchen am Einlass des mittleren Blasens (#7 in Abbildung 1). Schließen Sie den Auslass der mittleren Blase (#8 in Abbildung 1) mit chemikalienbeständigen Schläuchen an den Einlass des linken Blasens (#9 in Abbildung 1) an.
  8. Schließen Sie den Auslass am linken Hahn des Verteilers (#10 in Abbildung 1) an den Einlass des rechten Blasens an (#11 in Abbildung 1).
  9. Lassen Sie die vorläufige Einrichtung in der Dunstabzugshaube, wenn Platz unterkommt. Befestigen Sie die beiden Glas-Ellbogenadapter mit anbringenden Schläuchen (#5,6 in Abbildung 1) an der Metallgitterkonstruktion in der Dunstabzugshaube, wenn das Experiment nicht läuft.

2. Ausrüstung und Glaswaren-Setup – bei jedem Experiment durchzuführen

VORSICHT: Alle Schritte mit Lösungsmitteln erfordern die Verwendung einer chemischen Dunstabzugshaube sowie der richtigen persönlichen Schutzausrüstung (PSA) einschließlich Schutzbrille, Labormantel und Handschuhe. Die Nanopartikelfertigung sollte in der Dunstabzugshaube montiert werden.

  1. Legen Sie die Rührplatte in die Dunstabzugshaube und legen Sie den Heizmantel auf die Rührplatte.
    HINWEIS: Der Heizmantel muss Temperaturen über 300 °C standhalten können.
  2. Legen Sie den 4 Hals 500 ml runden Bodenkolben auf den Heizmantel und sichern Sie den Mittelhals mit einer Metallklauenklemme. Fügen Sie dem runden Bodenkolben einen magnetischen Rührbalken hinzu. Legen Sie den Glastrichter in den mittleren Hals des runden Bodenkolbens.
  3. Überprüfen Sie den Verteiler: Stellen Sie sicher, dass der Sicherheits-Hahn (#10 in Abbildung 1) und der Eingangs-Stopp (#4 in Abbildung 1) geöffnet sind.
    VORSICHT: Der Sicherheitshahn muss jederzeit geöffnet sein, um sicherzustellen, dass im System kein Druck aufgebaut wird. Wenn der Hahn geschlossen ist, kann es zu einer Explosion kommen.
  4. 1,51 g Mangan(II)-Acetylacetonat (Mn(II) ACAC) wiegen und mit dem Glastrichter in den runden Bodenkolben legen.
  5. 20 ml Oleylamin und 40 ml Dibenzylether mit einer Glaspipette und dem Glastrichter in den runden Bodenkolben geben. Entfernen Sie den Trichter und reinigen Sie ihn mit Hexan.
    VORSICHT: Das Experiment kann skaliert werden (z. B. 2 Mal), aber es wird empfohlen, bei der Verwendung größerer Mengen von Reaktanten konservativ zu sein. Größere Mengen an Reaktanten könnten dazu führen, dass die Reaktion weniger stabil und daher gefährlich wird.
  6. Befestigen Sie den Kondensator am linken Hals des runden Bodenkolbens und befestigen Sie den Kondensator mit einer Metallklauenklemme. Fügen Sie den Glasbogenadapter (#6 in Abbildung 1) auf den Kondensator.
    HINWEIS: Der Adapter sollte mit chemikalienbeständigen Schläuchen an den mittleren Mineralöl-Blasen angeschlossen werden (#7 in Abbildung 1).
  7. Verbinden Sie wasserverträgliche Schläuche aus dem Wasseraustrittin in der Dunstabzugshaube (#12 in Abbildung 1) an den Einlass des Kondensators (#13 in Abbildung 1). Verwenden Sie auch wasserkompatible Schläuche, um den Auslass des Kondensators (#14 in Abbildung 1) mit dem Abfluss in der Dunstabzugshaube zu verbinden (#15 in Abbildung 1). Sichern Sie die Schläuche an den Kondensatoranschlüssen (#13,14 in Abbildung 1) mit verriegelten Schneckengetriebe-Metallschlauchklemmen.
  8. Fügen Sie die Rotovap-Falle an den rechten Hals des runden Bodenkolbens. Legen Sie den Glas-Ellbogenadapter (#5 in Abbildung 1) auf die Rotovap-Falle.
    HINWEIS: Der Adapter sollte mit chemikalienbeständigen Schläuchen an den rechten Hahnenkrümmeranschluss angeschlossen werden (#4 in Abbildung 1).
  9. Befestigen Sie den Gummistopfen am Mittelhals des runden Bodenkolbens und falten Sie ihn darüber, damit die Seiten den Hals des Kolbens bedecken. Fügen Sie die kunststoffkonischen Gelenkclips (4 grüne Clips in Abbildung 1) hinzu, um die folgenden Glaswaren-Halsverbindungen zu sichern: Ellenbogenadapter und Rotovap-Falle, Rotovap-Falle und runder Bodenkolben, runder Bodenkolben und Kondensator sowie Kondensator- und Ellenbogenadapter.
  10. Legen Sie die Temperatursonde in den kleinsten Hals in den runden Bodenkolben, ziehen und sichern Sie die Sonde mit der Nackenkappe und dem O-Ring. Versiegeln Sie die Verbindung mit Paraffin-Kunststofffolie.
    HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass der Temperaturfühler in das Flüssigkeitsgemisch eingetaucht ist, berührt jedoch nicht den Boden des Glases. Wenn die Sonde in Kontakt mit der Glasoberfläche ist, ist die gemessene Temperatur ungenau im Vergleich zur tatsächlichen Flüssigkeitstemperatur, wodurch der Temperaturregler eine falsche Wärmemenge an der Reaktion liefert.
  11. Schließen Sie den Temperaturfühler an den Eingang des Temperaturreglers an. Schließen Sie den Heizmantel an den Ausgang des Temperaturreglers an.
  12. Schalten Sie die Rührplatte ein und rühren Sie kräftig.
  13. Öffnen Sie den luftfreien Stickstofftank und fließen Sie langsam Stickstoff in das System (dies wird die Luft entfernen). Passen Sie den Stickstofffluss mit dem Regler an, bis sich im mittleren Mineralölblasen ein stetig langsamer Blasenstrom bildet (#7 in Abbildung 1).
  14. Schalten Sie das kalte Wasser in der Dunstabzugshaube (#12 in Abbildung 1) zum Kondensator ein und überprüfen Sie, ob kein Wasser aus den Schläuchen austritt.
  15. Legen Sie die Schärpe der Dunstabzugshaube nach unten, bevor die Reaktion beginnt.

3. Nanopartikelsynthese

  1. Schalten Sie den Temperaturregler (Strom- und Heizungsversorgung) ein, um die Reaktion zu starten. Beobachten und erfassen Sie die Farbe der Reaktionsmischung in jeder Stufe. Die Reaktion beginnt als dunkelbraune Farbe in den Stufen 1 bis 3 und wird während der Stufe 4 grün.
    HINWEIS: Jeder Temperaturregler funktioniert anders. Stellen Sie sicher, dass Sie das richtige Handbuch und Programm verwenden.
  2. Stufe 1: Beobachten Sie die Anzeige des Temperaturreglers, um den Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf 60 °C über 30 min zu bestätigen.
  3. Stufe 2: Stellen Sie sicher, dass sich der Temperaturregler bei 60 °C für 1 min stabilisiert, während er sich auf eine schnellere Heizrate in Stufe 3 vorbereitet.
  4. Stufe 3: Überprüfen Sie die Anzeige des Temperaturreglers, wenn die Temperatur über 22 min auf 280 °C bei 10 °C pro Minute ansteigt. Stellen Sie sicher, dass der Wasserfluss durch den Kondensator ausreichend ist, da das Gemisch in dieser Phase zu verdampfen beginnt.
  5. Stufe 4: Bestätigen Sie, dass der Temperaturregler eine konstante Reaktionstemperatur von 280 °C für 30 min anzeigt. Beobachten Sie die Änderung der Reaktionsfarbe in einen grünen Ton, der auf die MnO-Bildung hinweist. Sobald die Reaktion 280 °C erreicht ist, schalten Sie den Stickstofftank aus und schließen Sie den rechten Hahn für den Einlass der Reaktion auf den Verteiler (#4 in Abbildung 1).
    VORSICHT: Halten Sie den Sicherheitshahn (#10 in Abbildung 1) offen.
  6. Stufe 5: Überprüfen Sie die Temperaturregleranzeige, um sicherzustellen, dass die Heizung automatisch stoppt. Halten Sie die Temperatursonde innen (öffnen Sie den runden Bodenkolben nicht) und warten Sie, bis die Temperatur die Raumtemperatur erreicht, um mit der Nanopartikelsammlung fortzufahren.
    VORSICHT: Der Kolben wird extrem heiß sein. Hitzebeständige Handschuhe sollten getragen werden, um den Heizmantel zu entfernen, wenn eine schnellere Abkühlrate gewünscht wird.
    HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden.

4. Nanopartikel-Sammlung

  1. Schalten Sie den Temperaturregler, die Rührplatte und das kalte Wasser aus. Entfernen Sie die wasserkompatiblen Schläuche aus dem Kondensator, Wasserhahn in der Dunstabzugshaube und im Abfluss. Entfernen Sie alle kunststoffkonischen Verbindungsclips von Glaswarenanschlüssen.
  2. Entfernen Sie die Glasbogenadapter aus der Rotovap-Falle (#5 in Abbildung 1) und dem Kondensator (#6 in Abbildung 1). Befestigen Sie die Ellbogenadapter an der Metallgitterin der Haube, um sie für ein zukünftiges Experiment zu verwenden.
  3. Lösen Sie den Kondensator und die Rotovap-Falle aus dem runden Bodenkolben und spülen Sie die Innenseiten des Kondensators und die Rotovap-Falle mit Hexan.
  4. Entfernen Sie den Gummistopfen und temperaturfühler, und reinigen Sie ihn mit 70% Ethanol.
  5. Gießen Sie die MnO Nanopartikellösung aus dem runden Bodenkolben in einen sauberen 500 ml Becher. Verwenden Sie Hexan (ca. 5 ml), um den runden Bodenkolben zu spülen und das Hexan mit restlichen MnO-Nanopartikeln in den 500 ml Becher einzutragen.
    HINWEIS: Hexan wird die MnO-Nanopartikel wieder aussetzen, während 200 nachweisliches Ethanol als Niederschlagsmittel wirken.
  6. Beachten Sie das aktuelle Volumen der MnO-Nanopartikelmischung. Fügen Sie dem MnO-Nanopartikelgemisch 200 proof Ethanol mit einem Volumenverhältnis von 2:1 hinzu (z. B. 150 ml Ethanol hinzufügen, wenn das Nanopartikelgemisch 75 ml beträgt).
  7. Gießen Sie das Nanopartikelgemisch gleichmäßig in vier Zentrifugenröhren, etwa 3/4 voll. Schrauben Sie die entsprechenden Kappen an. Stellen Sie sicher, dass die Flüssigkeitsstände ausgeglichen sind.
    HINWEIS: Bei der nächsten Zentrifugationsrunde wird den Röhren ein zusätzliches Nanopartikelgemisch zugesetzt.
  8. Zentrifugen-Nanopartikel für 10 min bei 17.400 x g bei 10 °C.
    HINWEIS: Längere Zentrifugationszeiten und/oder höhere Zentrifugationsgeschwindigkeiten können verwendet werden, um die Sammlung kleinerer Nanopartikelfraktionen zu erhöhen, aber die Nanopartikelaggregation kann erhöht werden.
  9. Entsorgen Sie den Überstand in ein Abfallbecher, wobei Sie darauf achten, das Pellet nicht zu stören. Verwenden Sie bei Bedarf eine Transferpipette, um den Überstand zu sammeln.
    HINWEIS: Es ist normal, dass die frühen Zentrifugationsrunden einen braun gefärbten Überstand erzeugen. Der Überstand sollte braun und klar sein, aber nicht trüb. Jede Trübung deutet darauf hin, dass die Nanopartikel noch im Überstand vorhanden sind. Wenn der Überstand trüb ist, zentrieren Sie die Rohre erneut, bevor Sie den Überstand entsorgen; Die erneute Zentrifugierung reduziert den Verlust der synthetisierten Nanopartikel, kann aber zu mehr Agglomeration führen.
  10. Fügen Sie 5 ml Hexan und jede zusätzliche Nanopartikellösung, die jeder Zentrifugenröhre übrig bleibt, die die MnO-Nanopartikelpellets enthält. Setzen Sie die Nanopartikel mit einem Badschallgerät und/oder Wirbel wieder auf. Fahren Sie fort, bis die Lösung trüb wird und das Pellet verschwindet, was auf eine erfolgreiche Nanopartikelresuspension hinweist.
  11. Fügen Sie den Zentrifugenrohren bis 3/4 voll weitere 200 Proof-Ethanol hinzu.
  12. Wiederholen Sie die Schritte 4.8-4.10. Kombinieren Sie dann die resuspendierten Nanopartikel aus vier Zentrifugenröhrchen zu zwei Zentrifugenröhren. Wiederholen Sie als Nächstes Schritt 4.11.
  13. Wiederholen Sie die Schritte 4.8-4.10 noch einmal, wodurch insgesamt drei Wässen mit Hexan und 200 nachweislichem Ethanol entstehen. Fügen Sie den Zentrifugenrohren keine 200 proof Ethanol hinzu.
  14. Kombinieren und übertragen Sie die in Hexan resuspendierten MnO-Nanopartikel in eine vorgewogene 20 ml Glasszintillationsdurchstechflasche. Lassen Sie den Deckel der Durchstechflasche ab, damit das Hexan über Nacht in der Dunstabzugshaube verdunstet.
  15. Am nächsten Tag die ungedeckte Glasszintillationsflasche mit den Nanopartikeln in einen Vakuumofen geben. Bewahren Sie den Deckel für die Durchstechflasche an einem sicheren Ort außerhalb des Ofens auf. Die Nanopartikel bei 100 °C 24 Stunden austrocknen.
  16. Nachdem Nanopartikel getrocknet sind, verwenden Sie einen Spachtel, um das Pulver in der Durchstechflasche aufzubrechen. Wiegen Sie die Durchstechflasche mit getrockneten MnO-Nanopartikeln und subtrahieren Sie das bekannte Gewicht der Glasszintillationsdurchstechflasche, um die Nanopartikelausbeute zu bestimmen.
    VORSICHT: Getrocknete Nanopartikel können leicht in die Luft gelangen und sollten von Mitarbeitern mit einem Partikelbeatmungsgerät wie N95 oder P100 behandelt werden.
  17. Nanopartikel bei Raumtemperatur in der Glasszintillationsdurchstechflasche mit eingeschaltetem Deckel aufbewahren. Den Deckel mit Paraffin-Kunststofffolie umwickeln.

5. Nanopartikelgröße und Oberflächenmorphologie (TEM)

  1. Pulverisieren Sie die MnO-Nanopartikel mit einem Mörtel und Stößel in ein dünnes Pulver.
  2. Fügen Sie 5 mg MnO-Nanopartikel in ein 15 ml konisches Zentrifugenrohr. Fügen Sie 10 ml 200 proof Ethanol hinzu.
    HINWEIS: 200 nachweisfestes Ethanol verdampft schnell, um eine homogenere Ausbreitung von Nanopartikeln im TEM-Gitter zu erreichen. Ein anderes Lösungsmittel hätte eine bessere Nanopartikelsuspension haben können, würde aber länger brauchen, um zu verdampfen, und aufgrund der Oberflächenspannung würden sich die Nanopartikel an den Rändern der TEM-Gitter ansammeln.
  3. Baden beschallen Sie das Nanopartikelgemisch für 5 min oder bis zur vollständigen Resuspension der Nanopartikel.
  4. Unmittelbar nach der Resuspension drei 5-L-Tropfen des Nanopartikelgemischs auf einen 300-Mesh-Kupfergitter-Stützfilm des Kohlenstofftyps B geben. Die Luft trocknen lassen.
    1. Verwenden Sie eine umgekehrte Pinzette für eine einfachere Probenvorbereitung. Positionieren Sie das Gitter auf der Pinzette mit der dunkleren Seite nach oben, bevor Sie die Tropfen hinzufügen, die Nanopartikel enthalten.
      HINWEIS: Die Gitter sind zerbrechlich, also achten Sie darauf, die Gitter nicht zu biegen und zu beschädigen, um eine bessere Bildgebung zu erhalten. Nach dem Trocknen sollten die Gitter zum Schutz in handelsüblichen TEM-Gitterlagerboxen aufbewahrt werden.
  5. Bewerten Sie Nanopartikelform und -größe mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Wenden Sie typische Parameter für TEM an, einschließlich einer Strahlstärke von 200 kV, einer Spotgröße von 1 und einer Vergrößerung von 300x.
  6. Sammeln Sie Bilder an Bereichen des Gitters, in denen genügend Nanopartikel (10 - 30 Nanopartikel) gleichmäßig verteilt sind. Vermeiden Sie Bereiche, die Nanopartikelaggregationen enthalten, da keine genaue Dimensionierung vorgenommen werden kann, wenn Nanopartikel nicht sichtbar getrennt sind.
    1. Bildbereiche aus verschiedenen Rasterquadraten, um eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten. Für eine optimale Größenverteilung nehmen Sie zwischen 25 - 30 Bilder aus jeder Probe, um eine ausreichende Stichprobengröße zu erhalten.

6. Quantitative Analyse des Nanopartikeldurchmessers

  1. Um TEM-Bilder mit ImageJ zu analysieren, öffnen Sie zuerst eines der Bilder, indem Sie auf Datei | Öffnen. Wählen Sie das gewünschte Bild aus und klicken Sie auf Öffnen.
  2. Um die Entfernungsmessung in ImageJ von Pixel zu Nanometer zu kalibrieren, klicken Sie zuerst auf das gerade Werkzeug. Halten Sie die Umschalttaste gedrückt, und verfolgen Sie die Länge der Skalenleiste. Klicken Sie dann auf Analysieren | Set Scale.
  3. Geben Sie im Popup-Fenster Maßstab festlegen die tatsächliche Maßstabsleistenmessung in das Feld "Bekannte Entfernung" ein (z. B. 50 eingeben, wenn die Maßstabsleiste 50 nm beträgt). Ändern Sie die Längeneinheit in die entsprechenden Einheiten (z. B. Typ nm für Nanometer). Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Global, um die Skalierung in allen Bildern konsistent zu halten, und klicken Sie auf OK.
  4. Nachdem Sie die Skala gesetzt haben, verwenden Sie das geradlinige Werkzeug, um den Durchmesser eines Nanopartikels zu verfolgen. Klicken Sie dann auf Analysieren | Messen oder klicken Sie auf Strg+M-Tasten.
  5. Suchen Sie nach einem Ergebnis-Popup-Fenster, das mit unterschiedlichen Informationen zur Messung angezeigt wird. Bestätigen Sie, dass die Längensäule vorhanden ist, da sie den Durchmesser der Nanopartikel mit den in Schritt 6.3 angegebenen Einheiten liefert.
  6. Wiederholen Sie Schritt 6.4, bis alle Nanopartikel im Bild groß sind. Um zum nächsten Bild zu wechseln, klicken Sie entweder auf Datei | Öffnen Sie dieTasten Weiter oder Strg+Umschalt+O.
  7. Nachdem alle Nanopartikel in allen Bildern groß sind, gehen Sie zum Ergebnisfenster und klicken Sie auf Datei | Speichern als. Benennen Sie die Ergebnisdatei um, und klicken Sie auf Speichern. Nach dem Importieren der Ergebnisdatei können Sie alle Nanopartikeldurchmesser in einem Tabellenkalkulationsprogramm anzeigen und analysieren.

7. Nanopartikel-Massenzusammensetzung (XRD)

  1. Wenn dies in Schritt 5.1 nicht der Fall ist, pulverisieren Sie die MnO-Nanopartikel mit einem Mörtel und einem Stößel in ein dünnes Pulver. Legen Sie das feine Nanopartikelpulver mit einem Spachtel in den Probenhalter. Befolgen Sie das Fürladeverfahren für die Zuladung von Röntgenbeugung (XRD).
  2. Bestimmen Sie die Massenzusammensetzung von MnO-Nanopartikeln mit XRD. Sammeln Sie XRD-Spektren über einen 2-Bereich von 10° bis 110°, um Spitzen von MnO (30° bis 90°) und Mn3O4 (15° bis 90°) zu sehen.
    HINWEIS: Weitere für XRD empfohlene Einstellungsparameter sind eine Schrittgröße von 0,05 s, eine Balkenmaske von 10 mm und eine Scanschrittzeit von 64,77 s.
  3. Speichern Sie die generierte . XRD-Datei und öffnen Sie sie im XRD-Analyseprogramm.

8. Analyse von XRD-Spektren

  1. Identifizieren Sie im XRD-Analyseprogramm alle Hauptspitzen im gemessenen XRD-Spektrum der Stichprobe, indem Sie auf die IdeAll-Schaltfläche in der Software klicken.
  2. Um die Daten zu speichern, wählen Sie Datei auf der Symbolleiste, gefolgt von Speichern unter... um die Daten als ASC-Datei zu speichern, die mit einem Tabellenkalkulationsprogramm geöffnet werden kann.
  3. Verwenden Sie das Programm, um die XRD-Datenbank bekannter Verbindungen abzugleichen, um die beste Zusammensetzungsübereinstimmung mit der Probe zu finden. Um die Suche einzugrenzen, geben Sie erwartete Verbindungen (z. B. Mangan und Sauerstoff) an.
    1. Um dem Spektrum entspricht, wählen Sie Analyse | Suchen & Abgleich. Wählen Sie im Popup-Fenster Chemie aus, und klicken Sie auf die gewünschten chemischen Elemente, um die Programmsuche basierend auf der Probe einzuschränken.
    2. Nachdem alle Elemente ausgewählt wurden, wählen Sie Suchenaus. Warten Sie, bis eine Liste chemischer Zusammensetzungen angezeigt wird, die dem XRD-Spektrum entsprechen.
      HINWEIS: Das Programm liefert die Wahrscheinlichkeit, dass bekannte XRD-Spektren der Zusammensetzung der Probe entsprechen. Wenn zwei oder mehr Kompositionen ausgewählt werden, würde das Programm den Zusammensetzungsprozentsatz jeder von ihnen angeben (z. B. MnO versus Mn3O4).
  4. Entfernen Sie bei Bedarf den Hintergrund aus dem XRD-Spektrum, indem Sie auf die Schaltfläche Hintergrund anpassen ( ) klicken. Equation 1 Klicken Sie dann im Popupfenster auf Hintergrund, gefolgt von Subtrahieren. Vergewissern Sie sich, dass das Spektrum ab 0 auf der y-Achse angezeigt wird.
    1. Speichern Sie die Daten erneut ohne den Hintergrund, wie in Schritt 8.2 gezeigt.
  5. Zeigen Sie beim Plotten des XRD-Spektrums die charakteristischen Spitzen jeder übereinstimmenden Verbindung (z. B. MnO und Mn3O4) an.
    1. Um die Liste der charakteristischen Peaks für übereinstimmende Verbindungen aus der Datenbank zu erhalten, klicken Sie zuerst mit der rechten Maustaste auf das Musterübereinstimmungsspektrum, und wählen Sie dann Muster anzeigenaus. Warten Sie, bis ein Popupfenster mit allen Spitzeninformationen angezeigt wird, die dem ausgewählten Muster entsprechen.
    2. Wählen Sie die gewünschten Informationen aus dieser Verbindung aus, kopieren und einfügen und zeichnen Sie die charakteristischen Spitzen mit dem gemessenen XRD-Spektrum in einem Tabellenkalkulationsprogramm.

9. Nanopartikel-Oberflächenzusammensetzung (FTIR)

  1. Fügen Sie dem Probenhalter trockenes MnO-Nanopartikelpulver für die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie-Analyse (FTIR) hinzu.
  2. Bewerten Sie die Nanopartikeloberflächenchemie mit FTIR. Sammeln Sie FTIR-Spektren zwischen einem Wellenlängenbereich von 4000 und 400 cm-1 mit einer Auflösung von 4 cm-1.
  3. Reinigen Sie den FTIR-Probenhalter und fügen Sie flüssiges Oleylamin hinzu. Wiederholen Sie Schritt 9.2.

10. Analyse von FTIR-Spektren

  1. Entfernen Sie im FTIR-Analyseprogramm den Hintergrund aus dem gesammelten FTIR-Spektrum, indem Sie im Dropdown-Menü Transformen auswählen, gefolgt von Baseline Correct. Wählen Sie Linear als Korrekturtyp aus.
  2. Verwenden Sie den linken Mausklick, um die Basispunkte im ursprünglichen Spektrum auszuwählen. Speichern Sie das Spektrum nach dem Ende unter einem anderen Namen, indem Sie Hinzufügen oder Ersetzen des alten Spektrums auswählen, indem Sie Ersetzenauswählen.
    HINWEIS: Hintergrundkorrektur kann die Prävalenz schwächerer FTIR-Zinssätze erhöhen.
  3. Um das FTIR-Spektrum zu exportieren, wählen Sie zunächst das spezifische Spektrum aus der Liste aus. Klicken Sie dann auf der Symbolleiste auf Datei, gefolgt von Exportspektrum.
  4. Wählen Sie csv-Dateiformat aus dem Fenster Speichern unter aus, und klicken Sie auf Speichern. Öffnen und grafisch die csv-Datei mit einem Tabellenkalkulationsprogramm.
  5. Vergleichen Sie erworbenes MnO-Nanopartikel mit Oleylamin-FTIR-Spektren, wie im Abschnitt Repräsentative Ergebnisse beschrieben, um die Nanopartikelverkappung mit Oleylamin zu bewerten.

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Representative Results

Um eine erfolgreiche Synthese zu bestätigen, sollten MnO-Nanopartikel auf Größe und Morphologie (TEM), Massenzusammensetzung (XRD) und Oberflächenzusammensetzung (FTIR) geprüft werden. Abbildung 2 zeigt repräsentative TEM-Bilder von MnO-Nanopartikeln, die mit abnehmenden Verhältnissen von Oleylamin (OA, dem Stabilisator) zum Dibenzyllether (DE, das organische Lösungsmittel) synthetisiert wurden: 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. Ideale TEM-Bilder bestehen aus einzelnen Nanopartikeln (in Abbildung 2als dunkel abgerundete Achtecks dargestellt), mit minimaler Überlappung. Es ist entscheidend, eine angemessene Trennung von Nanopartikeln für eine genaue manuelle Dimensionierung der Nanopartikeldurchmesser mit dem Linienspurenwerkzeug in ImageJ zu erreichen.

Abbildung 3 zeigt die suboptimale TEM-Probenvorbereitung. Wenn eine hohe Konzentration von MnO-Nanopartikeln in Ethanol suspendiert wird oder dem TEM-Gitter zu viele Tropfen Nanopartikelsuspension hinzugefügt werden, besteht jedes Bild aus großen Agglomerationen von Nanopartikeln(Abbildung 3A,B). Aufgrund der erheblichen Überlappung von Nanopartikeln lassen sich die Grenzen jedes Nanopartikeldurchmessers nicht unterscheiden, was eine genaue Messung verhindert. Wenn eine niedrige Nanopartikelkonzentration in Ethanol hergestellt wird, könnten Nanopartikel gut getrennt, aber nur spärlich auf dem TEM-Gitter verteilt werden (Abbildung 3C,D). Wenn in jedem TEM-Bild nur ein oder zwei Nanopartikel erscheinen, müssen mehr Bilder aufgenommen werden, um eine ausreichend große Stichprobengröße zu erhalten, und die verteilung der vollen Größe kann nicht genau erfasst werden. Das hier beschriebene TEM-Vorbereitungsprotokoll zielt darauf ab, TEM-Bilder mit ca. 10-30 Nanopartikeln pro Bild zu erzeugen (mehr Nanopartikel können pro Bild aufgenommen werden, wenn der Durchmesser klein ist).

TEM kann verwendet werden, um Veränderungen der Nanopartikelgröße mit einer Variation der Syntheseparameter zu bewerten. Abbildung 4 zeigt die durchschnittlichen Durchmesser von MnO-Nanopartikeln, die mit abnehmenden OA:DE-Verhältnissen synthetisiert wurden. Die Durchmesser für jede Synthesebedingung wurden von 75 bis 90 TEM-Bildern quantifiziert, wobei insgesamt 900 bis 1100 MnO-Nanopartikel pro Zustand analysiert wurden. Um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, wurden 3 Chargen Nanopartikel für jedes OA:DE-Verhältnis synthetisiert. Insgesamt führte eine Abnahme des OA:DE-Verhältnisses zu kleineren MnO-Nanopartikeln mit geringerer Größenvariation; die einzige Ausnahme trat auf, wenn OA allein während der Synthese verwendet wurde, wodurch Nanopartikel ähnlicher Größe wie das Verhältnis 30:30 produziert wurden. Histogramme, die die Verteilung aller MnO-Nanopartikelgruppen in voller Größe anzeigen, sind in Abbildung S2dargestellt.

Nach der Bestätigung der Nanopartikelgröße und Morphologie mit TEM kann die Massen-Nanopartikelzusammensetzung mit XRD getestet werden. Durch die Messung des Winkels und der Intensität des röntgenstrahlenstrahls, der von der Probe diffriert wird, kann XRD verwendet werden, um die Kristallstruktur und -phase der Nanopartikel zu bestimmen. Abbildung 5A-F zeigt die roh gesammelten XRD-Spektren für jede synthetisierte MnO-Nanopartikelprobe mit abnehmenden OA:DE-Verhältnissen. Die XRD-Peaks, die auf Probenspektren erhalten werden, werden über die XRD-Analyseprogrammdatenbank mit XRD-Peaks von bekannten Verbindungen wie MnO und Mn3O4 abgeglichen. Die Standardspitzen für MnO erscheinen bei 35°, 40°, 58°, 70°, 73° und 87°, die in Abbildung 5Gdargestellt sind. Beim Vergleich des Nanopartikels XRD-Spektren mit dem bekannten MnO ist es offensichtlich, dass alle Nanopartikelspektren die 5 höchsten Spitzen von MnO besitzen, was auf eine erfolgreiche Synthese von MnO-Nanopartikeln hindeutet. XRD kann auch verwendet werden, um die Größe von Nanopartikeln mithilfe der Scherrer-Gleichung zu schätzen. breitere Spitzen auf XRD weisen auf kleinere Nanopartikeldurchmesser hin. Abbildung 5F mit den breitesten XRD-Peaks ist beispielsweise mit den kleinsten Nanopartikeln assoziiert, wie TEM zeigt (18,6 x 5,5 nm).

Abbildung 6 zeigt XRD-Spektren zweier unerwünschter Produkte in der MnO-Nanopartikelsynthese. Um die Bildung der MnO-Phase bei hohen Temperaturen (280 oC) zu fördern, wird Stickstoff während der Nanopartikelsynthese verwendet, um Luft aus dem System zu reinigen. Bei Anwendung eines unzureichenden Stickstoffflusses wird eine gemischte Phasenzusammensetzung von Mn3O4 (51%) und MnO (49%) produziert wird (Abbildung 6A). Im Vergleich zu den Standardspitzen von Mn3O4 (Abbildung 6C) und MnO (Abbildung 6D) erzeugt ein niedriger Stickstofffluss XRD-Spektren mit den 8 höchsten Spitzen für Mn3O4 und den 5 höchsten Spitzen für MnO. TEM von Nanopartikeln, die unter niedrigem Stickstoffstrom synthetisiert wurden, zeigten eine gemischte Population großer Nanopartikel, die von kleineren Nanopartikeln umgeben waren (Abbildung 6E). Der Stickstofffluss kann durch den Stickstoffregler und die Rate des Sprudelns durch den Mineralöl-Blasen überwacht werden. Ein weiterer kritischer Parameter in der MnO-Nanopartikelsynthese ist die Einbeziehung eines Stabilisators. Bei dem Versuch, noch kleinere MnO-Nanopartikel als das Verhältnis 10:50 OA:DE zu produzieren, wurde pure DE ohne OA verwendet. Eine sehr geringe Menge eines unbekannten Pulvers wurde in Ermangelung eines Stabilisators synthetisiert. Wie in Abbildung 6Bdargestellt, war das XRD-Spektren für das Verhältnis 0:60 OA:DE laut und enthielt die 3 höchsten Spitzen von Mn3O4. Aus der Analyse in der XRD-Programmdatenbank hatte die Verbindung eine chemische Zusammensetzung von 67% Mn3O4 und 33% MnO. Wie durch die breiten Spitzen in den XRD-Spektren unterstützt, bestätigte das TEM, dass sehr kleine Nanopartikel in Ermangelung eines Stabilisators synthetisiert wurden (Abbildung 6F). Nanopartikel erschienen auch unregelmäßig geformt und agglomeriert. Zusätzlich wurde nur eine Ausbeute von 33% ohne Stabilisator erzielt, was bedeutet, dass eine kleine Menge des Produkts synthetisiert wurde. Daher ist ein hoher Stickstofffluss und die Einbeziehung eines Stabilisators wie OA oder Ölsäure für die Synthese von MnO-Nanopartikeln notwendig.

Um die Massen-Nanopartikelzusammensetzung mit XRD zu ergänzen, kann die Oberflächenzusammensetzung mit FTIR ausgewertet werden. Abbildung 7 zeigt die FTIR-Spektren von MnO-Nanopartikeln nach Hintergrundkorrektur. Alle Spektren zeigen die symmetrischen und asymmetrischen CH2-Spitzen (2850-2854 und 2918-2926 cm-1, gekennzeichnet durch Sternchen), die mit Oleylgruppen60assoziiert sind, zusätzlich zu den MIT Amingruppen61assoziierten NH2 Biegeschwingungsspitzen (1593 cm-1 und 3300 cm-1, gekennzeichnet durch Quadrate). Da MnO-Nanopartikel die gleichen Spitzen für Oleylgruppen und Amingruppen in den FTIR-Spektren von OA(Abbildung S3)haben, kann der Schluss gezogen werden, dass die Nanopartikel mit einer Oberflächenschicht von OA beschichtet sind. Darüber hinaus enthalten alle Nanopartikel-FTIR-Spektren Mn-O- und Mn-O-Mn-Bindungsschwingungen um 600 cm-1 (gekennzeichnet durch Dreiecke), die die Zusammensetzung durch XRD62bestätigen.

Figure 1
Abbildung 1: Stickstoff- und Wasserfluss durch das MnO-Nanopartikelsynthese-Setup.
Schlauchanschlüsse sind mit 1-15 beschriftet. Luftfreier Stickstoff tritt (1) ein und verlässt (2) die Trocknungssäule und wird in den Einlass des Verteilers (3) eingespeist. Während der Reaktion reinigt Stickstoff Luft aus dem System, indem er den rechten Hahn auf den Verteiler eindringt (4). Stickstoff fließt vom Stopphahn zum Glasbogenadapter (5), Rotovap-Falle, Runder Bodenkolben, Kondensator, Glas-Ellbogenadapter (6) und durch eine Reihe von zwei Mineralöl-Blasen (7-9). Im Verteiler wird überschüssiger Stickstoff, der nicht durch die Reaktion fließt, das System durch den linken Hahn (10) verlassen, der mit der größten Menge Silikonöl (11) mit dem Mineralölblasen verbunden ist. Stopcock #10 ist, immer offen zu bleiben. Wasser fließt aus dem Wasserhahn (12) durch den Kondensatoreinlass (13) und Auslass (14) und in den Dunstabzugshaubenabfluss (15). Der Schlauch ist mit Metallklemmen am Kondensator befestigt. Alle Schläuche sollten chemikalienbeständig sein, mit Ausnahme der wasserkompatiblen Schläuche, die für den Kondensator verwendet werden. Die Wichtigsten glaswaren und ausrüstung sind in Abbildung S1gekennzeichnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: TEM-Bilder von MnO-Nanopartikeln, die mit abnehmenden OA:DE-Verhältnissen synthetisiert werden.
Es wurden folgende Verhältnisse verwendet: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. MnO-Nanopartikel erscheinen als separate, abgerundete Achteckons mit minimaler Überlappung, um eine klare Abgrenzung von Nanopartikelgrenzen zu ermöglichen. Das Reaktantenverhältnis wurde beobachtet, um die Gesamtgröße von Nanopartikeln zu beeinflussen, wobei 50:10 die größten Nanopartikel synthetisiert und 10:50 die kleinsten Nanopartikel produziert. Die Skalenbalken sind 50 nm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Suboptimale TEM-Bilder, die durch falsche TEM-Rastervorbereitung entstehen.
(A,B) Wenn die Nanopartikelsuspension zu konzentriert ist oder überschüssige Tropfen der Nanopartikelsuspension auf das TEM-Gitter geladen werden, aggregieren sich Nanopartikel zu großen Massen mit erheblichen Überlappungen. Einzelne Nanopartikel können in den meisten Bereichen des Rasters nicht beobachtet werden. (C,D) Alternativ könnte eine niedrige Nanopartikelkonzentration dazu führen, dass TEM-Gitter mit einer geringen Menge an Nanopartikeln bevölkert sind. Einzelne Nanopartikel sind weit voneinander entfernt verteilt, benötigen aber mehr Bilder, um die Populationsgrößenverteilung der Stichprobe zu erfassen. Die Skalenbalken sind 50 nm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Durchschnittliche MnO-Nanopartikeldurchmesser, gemessen aus TEM-Bildern.
Im Allgemeinen führte eine geringere Menge an Stabilisator (OA) mit einer höheren Menge organischen Lösungsmittels (DE) zu kleineren, gleichmäßigeren MnO-Nanopartikeln. Insgesamt wurden 900 bis 1100 Nanopartikeldurchmesser auf TEM-Bildern mit dem Linienverfolgungswerkzeug in ImageJ für jede Gruppe berechnet. Fehlerbalken zeigen die Standardabweichung an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: XRD-Spektren von MnO-Nanopartikeln, die mit abnehmenden OA:DE-Verhältnissen synthetisiert werden.
Es wurden folgende Verhältnisse verwendet: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. (G) Die Standardbeugungsspitzen für MnO werden aus der XRD-Analyseprogrammdatenbank angezeigt. Alle produzierten Nanopartikel weisen die 5 XRD-Peaks mit der höchsten Intensität für MnO auf, was auf eine erfolgreiche Synthese von MnO-Nanopartikeln hindeutet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6: XRD-Spektren und TEM-Bilder unerwünschter Nanopartikel.
XRD-Spektren werden für die MnO-Nanopartikelsynthese mit (A) niedrigem Stickstoffdurchfluss und (B) einem Verhältnis von 0:60 von OA:DE (kein Stabilisator vorhanden) gezeigt. Die Standardbeugungsspitzen für (C) Mn3O4 und (D) MnO werden aus der XRD-Analyseprogrammdatenbank angezeigt. Durch den Vergleich mit Standardspektren erzeugte ein unzureichender Stickstoffstrom (A) Nanopartikel mit einer Mischung aus Mn3O4 (51%) und MnO (49%). In Ermangelung von Oleylamin (B) wird ein breiteres XRD-Spektrum erreicht, das den 3 höchsten Spitzen von Mn3O4entspricht. Basierend auf der Analyse der XRD-Programmdatenbank sind diese synthetisierten Nanopartikel 67% Mn3O4 und 33% MnO. TEM-Bilder von (E) Nanopartikeln, die mit niedrigem Stickstoffstrom synthetisiert werden, zeigen große Nanopartikel, die von kleineren umgeben sind. TEM-Bilder von (F) Nanopartikeln, die mit einem Verhältnis von 0:60 von OA:DE synthetisiert werden, zeigen sehr kleine aggregierte Nanopartikel mit unregelmäßiger Form. Die Skalenbalken sind 50 nm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: FTIR-Spektren von MnO-Nanopartikeln, die mit abnehmenden OA:DE-Verhältnissen synthetisiert werden.
Es wurden folgende Verhältnisse verwendet: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Sternchen und Quadrate entsprechen Oleylgruppen bzw. Amingruppen, während Dreiecke die Schwingung von Mn-O- und Mn-O-Mn-Bindungen anzeigen. Die geschachtelten Einlten markieren die beiden unterschiedlichen Spitzen von Oleylgruppen. FTIR-Spektren deuten darauf hin, dass MnO-Nanopartikel mit Oleylamin beschichtet sind, wie durch den Vergleich mit dem Oleylamin nur FTIR-Spektrum in Abbildung S3bestätigt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung S1: Wichtige Glaswaren und Ausrüstung des MnO Nanopartikelsynthese-Setups. Der Verteiler wird durch Metallklauenklemmen am Metallgitter befestigt und verteilt Stickstoff in die Reaktion. Mn(II) ACAC, Dibenzylether, Oleylamin und ein Rührstab werden dem runden Bodenkolben mit vier Hälsen zugesetzt. Der rechte Hals des Kolbens ist an der Rotovap-Falle und einem Ellenbogenadapter befestigt, während der linke Hals an einem Kondensator und einem Ellenbogenadapter befestigt ist. Der Mittelhals des runden Bodenkolbens ist mit einem Gummistopfen bedeckt. Der Temperaturfühler wird in die kleinste Öffnung des runden Bodenkolbens eingeführt und ist von einer O-Ring- und Paraffin-Kunststofffolie umgeben, um eine luftdichte Dichtung zu bilden. Der runde Bodenkolben sitzt auf einem Heizmantel und einer Rührplatte, um die Reaktion beim Erhitzen kräftig zu rühren. Der Temperaturfühler und der Heizmantel sind an den Temperaturregler angeschlossen, um eine automatisierte Echtzeitregelung des Temperaturprofils zu ermöglichen. Der runde Bodenkolben und der Kondensator sind mit Metallklauenamen am Metallgitter befestigt. Es gibt drei Mineralöl-Blasen, zwei auf der linken und einen auf der rechten Seite, gefüllt mit zunehmenden Mengen an Silikonöl von der linken Blase bis zur rechten Blase im Bild. Die Blasen werden auch mit Klauenklemmen am Metallgitter befestigt. Grüne Kunststoff-Konische Verbindungsclips werden an sicheren Glasverbindungen befestigt, bevor die Reaktion beginnt. Die Schlauchanschlüsse sind in Abbildung 1beschrieben. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen.

Abbildung S2: Histogramme, die die Verteilung der MnO-Nanopartikelgröße für abnehmende OA:DE-Verhältnisse anzeigen. Es wurden folgende Verhältnisse verwendet: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Insgesamt verschiebt sich die Nanopartikelgrößenverteilung nach links (mit kleineren Durchmessern) und wird kompakter (was auf eine einheitlichere Nanopartikelgröße hinweist). Der durchschnittliche Durchmesser für jede Verteilung ist in Abbildung 4dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen.

Abbildung S3: FTIR-Spektrum von Oleylamin. Sternchen und Quadrate stellen die Oleylgruppen bzw. Amingruppen von Oleylamin dar. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen.

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Discussion

Das hierin enthaltene Protokoll beschreibt eine einfache, einTopfsynthese von MnO-Nanopartikeln mit Mn(II) ACAC, DE und OA. Mn(II) ACAC wird als Ausgangsmaterial verwendet, um eine Quelle von Mn2+ für die MnO-Nanopartikelbildung zu liefern. Das Ausgangsmaterial kann einfach ersetzt werden, um die Produktion anderer Metalloxid-Nanopartikel zu ermöglichen. Wenn beispielsweise Eisen(III) ACAC aufgebracht wird, können Fe3O4-Nanopartikel mit denselben Nanopartikelsynthesegeräten und dem beschriebenen Protokoll63erzeugt werden. DE dient als ideales organisches Lösungsmittel für thermische Zersetzungsreaktionen, da es einen hohen Siedepunkt von 295-298 °C hat. OA ist ein häufig verwendetes kostengünstiges Stabilisator/mildes Reduktionsmittel, das bei der Verkappung und Koordination von Metalloxid-Nanopartikeln kern- undWachstum 61,63hilft. Ähnlich wie DE hat OA einen hohen Siedepunkt von 350 °C, um den hohen Temperaturen der thermischen Zersetzung standzuhalten. Die folgenden beiden Beobachtungen können als Beweis für die erfolgreiche Erzeugung von MnO-Nanopartikeln während der Synthese verwendet werden: 1) das Auftreten eines grünen Farbtons zum Reaktionsgemisch während der thermischen Zersetzung bei 280 °C und 2) die Bildung eines dunkelbraunen großen Pellets am Boden der Zentrifugenröhrchen nach Zentrifugation in Hexan und Ethanol. Die resultierenden Nanopartikel sollten weiter durch TEM, XRD und FTIR charakterisiert werden, um Größe/Morphologie, Schüttgutzusammensetzung bzw. Oberflächenzusammensetzung zu bewerten.

Während der Nanopartikelsynthese müssen mehrere Variablen notiert und kontrolliert werden, um die Produktion einheitlicher Nanopartikel mit der kristallinen MnO-Phase zu gewährleisten. Erstens sollte das Verhältnis aller Ausgangsstoffe gleich bleiben, da wir gezeigt haben, dass abnehmende Verhältnisse von OA zu DE die Nanopartikelgröße verringern (Abbildung 4). Zweitens sollte die Reaktion kräftig gerührt werden, um eine angemessene Dispersion von nucleating Nanopartikeln, gleichmäßige Erwärmung und Verringerung der Größenvariation zu ermöglichen. Drittens, da die Temperatur eine große Rolle bei der Kontrolle von Metalloxid-Nanopartikelgröße47,48,50 und Phasenzusammensetzung47,48,50spielt, ist es wichtig, die Temperatursonde Spitze richtig in das Reaktionsgemisch einzutauchen, während das Glas des runden Bodenkolbens, der eine ungenaue Temperatur ablesen wird, nicht kontaktiert wird. Viertens sollte der Stickstofffluss hoch genug sein, um die gesamte Luft von der Reaktion zu reinigen, um die Bildung der mnO kristallinen Phase über Mn3O4zu fördern. Wie in Abbildung 6Adargestellt, führt ein niedriger Stickstoffdurchfluss zu Nanopartikeln mit einer gemischten MnO/Mn3O4-Zusammensetzung. Die korrekte Füllung der Mineralölblasen mit zunehmenden Mengen an Silikonöl vom linken Blasen (1 Zoll Öl) bis zum mittleren Blasen (1,5 Zoll Öl) zum rechten Blasen (2 Zoll Öl) wird den Widerstand für den Stickstofffluss am niedrigsten durch die Reaktion setzen (#4 in Abbildung 1). Die Sprudelrate des mittleren Mineralölblasens (um #7,8 in Abbildung 1) kann verwendet werden, um die Stickstoffrate zu messen, die durch die Reaktion fließt. Schließlich muss dem Reaktionsgemisch ein Stabilisator wie OA hinzugefügt werden, um die Nukklebildung und das Wachstum von Nanopartikeln zu koordinieren. Wie in Abbildung 6Bdargestellt, erzeugte DE ohne OA eine kleine Menge an Produkten, meist von einem Mn3O4 (67%) Zusammensetzung. Dieses Produkt wurde auch beobachtet, um eine unregelmäßige Form mit aggregierten Nanopartikeln von TEM, die nicht aufgetreten ist, wenn OA in der Reaktion vorhanden war (Abbildung 6F).

Mehrere Variablen der thermischen Zersetzungsreaktion können modifiziert werden, um Nanopartikelgröße, Morphologie und Zusammensetzung zu optimieren, einschließlich der Art des inerten Gases47,48,50, Peak Reaction Temperatur44,47,48,49, Gesamtreaktionszeit44,45,46, und Typen / Verhältnisse der ersten chemischen Verbindungen in der Reaktion verwendet20,45,47,474848,50. Salazar-Alvarez et al.50 und Seo et al.48 haben gezeigt, dass der Argonfluss während der thermischen Zersetzung von Mn(II) Mn3O4 bei niedrigeren Spitzenreaktionstemperaturen von 150 °C bis 200 °C bildet. Bei der Verwendung von Stickstoff oder Luft erzielten Nolis et al.47 ähnliche Ergebnisse für die Mn(III) ACAC-Zersetzung, bei der Mn3O4 Nanopartikel bei niedrigeren Temperaturen (150 oC oder 200 oC) und MnO-Nanopartikel nur bei höheren Temperaturen (250 °C und 300 °C)47erzeugt wurden. Höhere Spitzenreaktionstemperaturen und längere Zeiten bei der Spitzenreaktionstemperatur, auch als Alterungszeit bekannt, wurden auch mit einer Erhöhung der Nanopartikelgröße44,45,46,47,48,49in Verbindung gebracht. Darüber hinaus kann sich die Heizgeschwindigkeit der Reaktion auf die Größe von Nanopartikeln auswirken. Schladt et al.44 stellten fest, dass die Erhöhung der Heizrate von 1,5 °C/min auf 90 oC/min die Nanopartikelgröße von 18,9 nm auf 6,5 nm herabgesetzt hat. Schließlich können verschiedene Chemikalien als Reduktionsmittel und Stabilisatoren in manganthermischen Zersetzungsreaktionen hinzugefügt werden; Jedoch, OA20,47,48,50 und Ölsäure20,45 werden am häufigsten verwendet. Das Verhältnis von OA zu Ölsäure hat sich als Beeinflussender auf die Chemie und Form von synthetisierten MnO-Nanopartikeln erwiesen. Laut Zhang et al.20führte OA nur zur Bildung von Mn3O4 Nanopartikeln, eine Kombination von OA und Ölsäure führte zu einer Mischung aus Mn3O4 und MnO-Nanopartikeln, und Ölsäure produzierte nur MnO-Nanopartikel. Interessanterweise zeigt die Erfahrung, dass MnO-Nanopartikel nur mit OA hergestellt werden können und dass Ölsäure nicht notwendig ist, um die Bildung der kristallinen MnO-Phase zu fördern. Darüber hinaus erzeugte die Verwendung von OA selbst sphärische Nanopartikel, während Ölsäure allein sternförmige Nanopartikelerzeugte 20,64. Es liegt auf der Hand, dass es viel Flexibilität bei der Änderung der Syntheseparameter gibt, um die resultierenden physikalischen und chemischen Eigenschaften von MnO-Nanopartikeln zu beeinflussen.

Trotz des detaillierten Protokolls können Instanzen auftreten, die eine Fehlerbehebung erfordern. Im folgenden Absatz werden einige häufige Probleme und Lösungen beschrieben. Während der Reaktion, wenn sich die Temperatur um 100 °C zu stabilisieren scheint, kann etwas Wasser in den Heizmantel ausgelaufen sein. Sicht inspizieren Sie die Umgebung auf Wasseraustritt aus dem Kondensator. Berühren Sie den Mantel oder den runden Bodenkolben nicht direkt ohne hitzebeständige Handschuhe, da sie sehr heiß sein werden. Wenn Wasser beobachtet wird, schalten Sie sofort den Temperaturregler aus, ziehen Sie den Heizmantel ab und lassen Sie ihn über Nacht trocknen. Um zukünftige Leckagen zu vermeiden, verwenden Sie eine verriegelte Schneckengetriebe-Schlauchklemme, um den Wasserschlauch am Kondensator zu befestizieren. Für den Fall, dass das gewünschte Produkt MnO ist, aber nur Mn3O4 produziert wird, ist es wichtig, den Stickstofffluss während der Reaktion zu überprüfen. Der mittlere Blasen sollte einen konstanten Strom von Blasen haben (siehe Video für korrekte Sprudelrate), während der rechte Blasen nur eine oder zwei Blasen darin haben sollte. Ein falscher Stickstofffluss kann auftreten, wenn die Differenz-Silikonölgehalte in jedem Mineralöl-Blasen nicht eingehalten werden. Überprüfen Sie den Ölstand vor jedem Experiment und füllen Sie die Blasen nach Schritt 1.5 bei Bedarf auf. Bei der Nanopartikelsammlung legt das Protokoll fest, den Überstand auszugießen, ohne das Nanopartikelpellet zu stören. Der beste Weg, den Überstand zu verwerfen, ist, ihn mit einer schnellen kontinuierlichen Bewegung auszuschütten, anstatt mit einer langsamen. Wenn sich das Pellet jedoch leicht vom Zentrifugenrohr lösen lässt, wird die Verwendung einer Transferpipette empfohlen, um den Überstand zu entfernen. Bei der Nanopartikelsammlung und der TEM-Gitteraufbereitung ist die Badbeschallung ein wichtiger Schritt. Wenn die Nanopartikel nicht richtig wieder aufhängen, bewegen Sie die Röhre um den Beschallungser des Wasserbades, bis sich ein Bereich befindet, in dem die Beschallung von der Hand, die das Rohr hält, gefühlt werden kann. Das Nanopartikelpellet kann auch sichtbar unter starker Badbeschallung zerfallen gesehen werden, wenn sich das Rohr an der richtigen Stelle befindet. Nach der Nanopartikelresuspension ist es wichtig, dass das TEM-Gitter mit einer umgekehrten Pinzette in der Luft aufgehängt wird und nicht auf ein Wischtuch oder direkt auf eine saugfähige Bankoberfläche gelegt wird. Die wisch- oder saugfähige Bankoberfläche leitet die Nanopartikelsuspension vor dem Trocknen aus dem TEM-Gitter ab, was zu einer unzureichenden Nanopartikelabscheidung im Gitter für die Bildgebung führt.

Obwohl die thermische Zersetzungsreaktion ziemlich einfach und einfach zu folgen ist, um MnO-Nanopartikel zu synthetisieren, gibt es einige Einschränkungen, die mit der Methode verbunden sind. Während es möglich ist, die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Nanopartikeln bis zu einem gewissen Grad zu kontrollieren, wirken sich einige Variablen wie Temperatur und Alterungszeit gleichzeitig auf die Größe der Nanopartikel und die Phasenzusammensetzung aus. Daher ist es schwierig, immer eine präzise unabhängige Kontrolle der Nanopartikeleigenschaften mit dieser Methode zu haben. Darüber hinaus kann die Skalierung der Nanopartikelsynthese durch Verdreifachung oder Vervierfachung der Mengen an Ausgangsmaterialien dazu führen, dass die Reaktion instabil und heftig wird. Größere Chargengröße ist auch mit einer verringerten Ausbeute verbunden. Darüber hinaus haben wir trotz lagerung von MnO-Nanopartikeln in gedeckelten Szintillationsfläschchen, die in Paraffin-Kunststofffolie eingewickelt sind, eine Oxidation der Nanopartikeloberfläche zu Mn3O4 gesehen, wie sie durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie ausgewertet wurde. Schließlich werden die mit dieser Technik erzeugten MnO-Nanopartikel hydrophob und mit OA (Abbildung 7) begrenzt. Eine weitere Oberflächenmodifikation zum Übergang von Nanopartikeln in einen hydrophilen Zustand muss angewendet werden, um die Nanopartikelsuspension in wässrigen Medien zu ermöglichen. Es wurden mehrere Methoden zur Förderung der Dispersion von Nanopartikeln in biologischen Lösungen etabliert, einschließlich der Nanopartikelverkapselung innerhalb von Polymeren14, beschichtung der Nanopartikeloberfläche mit Lipiden52, oder Ligandenaustausch, um die OA auf der Nanopartikeloberfläche durch hydrophile Liganden wie Poly(Acrylsäure)20zu ersetzen. Um die Verkapselung von MnO-Nanopartikeln in Poly(Milch-Co-Glykolsäure) (PLGA) zu erreichen, folgen Sie McCall und Siriannis detailliertem JoVE-Protokoll 65; MnO-Nanopartikel können direkt zur PLGA-Polymerlösung hinzugefügt werden, wie sie für hydrophobe Medikamente in Schritt 8 des Abschnitts Nanopartikelpräparation beschrieben wird. Die MnO-Nanokristallverteilung innerhalb von PLGA-Nanopartikeln kann mit TEM bewertet werden und die Belastung von Mn innerhalb des PLGA-Polymers kann durch thermogravimetrische Analyse bestimmt werden, wie in Bennewitz et al.14dargestellt.

Obwohl MnO-Nanopartikel aufgrund ihrer magnetischen, elektronischen und katalytischen Eigenschaften für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können,1 sind wir daran interessiert, MnO-Nanopartikel als schaltbare, T1-MRT-Kontrastmittel anzuwenden. Zuvor haben unsere Gruppe und andere gezeigt, dass intakte MnO-Nanopartikel einen vernachlässigbarenT1-MRT-Kontrast (MRT-Signal ist "OFF") bei physiologischem pH 7.4 haben, der das Blut14,,15,16,,17,18,19imitiert. MnO löst sich jedoch auf, um erhebliche Mn2+-Ionen bei niedrigem pH-Wert 5 zu erzeugen, die zelluläre Endosomen imitieren; freigegeben Mn2+ wird mit umgebenden Wassermolekülen koordinieren, um "ON" MRT-Signal bei niedrigem pH14,,15,16,17,18,19zu drehen. MnO-Nanopartikel können durch Zugabe von Targeting-Peptiden oder Antikörpern auf die Nanopartikeloberfläche51,66auf verschiedene von Interesse stehende Zellen, wie Krebszellen, lokalisiert werden. Hier beschreiben wir die Synthese von MnO-Nanopartikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 18,6 nm bis 38,8 nm. Die Kontrolle der Nanopartikelgröße kann nützlich sein, um die Wirksamkeit von MRT-Kontrastmitteln zu verbessern. Insbesondere wird erwartet, dass größere Nanopartikel mehr Oberfläche für die Befestigung von Zielliganden haben werden, um die Nanopartikelansammlung an der Sehenswürdigkeit wie Tumoren zu verbessern. Allerdings sollte die Gesamtgröße von Nanopartikeln mit zusätzlichen Oberflächengruppen auf 50-100 nm begrenzt werden, um die Tumorakkumulation zu maximieren67,68. Kleinere Nanopartikel hingegen haben ein höheres Oberflächen-Volumen-Verhältnis, um eine schnellere Freisetzung von Mn2+ unter sauren Umgebungen zu ermöglichen und sollten ein verbessertes Nanopartikel-Verpackungsvolumen innerhalb polymerer Fördersysteme ermöglichen. Die Synthese von MnO über Mn3O4 sollte auch den MRT-Kontrast verbessern, da mnO nachweislich schneller als Mn3O4 in konzentrierten sauren Lösungen auflöst, um mehr Mn2+ Ionen zu erzeugen69. Zusammenfassend haben wir ein thermisches Zersetzungsprotokoll für die Herstellung von MnO-Nanopartikeln beschrieben, das relativ einfach und anpassbar ist, um das Nanopartikeldesign für den zukünftigen Einsatz in Anwendungen wie intelligente MRT-Kontrastmittel, Biosensoren, Katalysatoren, Batterien und Wasseraufbereitung zu optimieren.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde von den Startup-Fonds der WVU Chemical and Biomedical Engineering Department (M.F.B.) unterstützt. Die Autoren danken Dr. Marcela Redigolo für die Anleitung zur Netzvorbereitung und Bildaufnahme von Nanopartikeln mit TEM, Dr. Qiang Wang für die Unterstützung bei der Bewertung von XRD- und FTIR-Spektren, Dr. John Zondlo und Hunter Snoderly für die Programmierung und Integration des Temperaturreglers in das Nanopartikelsyntheseprotokoll, James Hall für seine Unterstützung bei der Montage des Nanopartikelsynthese-Setups , Alexander Pueschel und Jenna Vito für die Unterstützung bei der Quantifizierung von MnO-Nanopartikeldurchmessern aus TEM-Bildern und der WVU Shared Research Facility für den Einsatz von TEM, XRD und 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

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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).

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