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

Manganoksid Nanopartikkelsyntese ved termisk nedbrytning av 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

Denne protokollen beskriver en facile, en-pot syntese av manganoksid (MnO) nanopartikler ved termisk nedbrytning av mangan (II) acetylacetonat i nærvær av oleylamin og dibenzyl eter. MnO nanopartikler har blitt benyttet i ulike applikasjoner, inkludert magnetisk resonansavbildning, biosensing, katalyse, batterier og behandling av avløpsvann.

Abstract

For biomedisinske applikasjoner har metalloksid nanopartikler som jernoksid og manganoksid (MnO), blitt brukt som biosensorer og kontrastmidler i magnetisk resonansavbildning (MR). Mens nanopartikler av jernoksid gir konstant negativ kontrast på MR over typiske eksperimentelle tidsrammer, genererer MnO byttbar positiv kontrast på MR gjennom oppløsning av MnO til Mn2+ ved lav pH i celleedosomer for å "slå PÅ" MR-kontrast. Denne protokollen beskriver en en-pot syntese av MnO nanopartikler dannet av termisk nedbrytning av mangan (II) acetylacetonat i oleylamin og dibenzyl eter. Selv om det er enkelt å kjøre syntesen av MnO nanopartikler, kan det første eksperimentelle oppsettet være vanskelig å reprodusere hvis detaljerte instruksjoner ikke er gitt. Dermed blir glass og rørenheten først grundig beskrevet slik at andre utprøver enkelt kan reprodusere oppsettet. Syntesemetoden inneholder en temperaturregulator for å oppnå automatisert og presis manipulering av ønsket temperaturprofil, noe som vil påvirke resulterende nanopartikkelstørrelse og kjemi. Den termiske nedbrytningsprotokollen kan lett tilpasses for å generere andre metalloksid nanopartikler (f.eks. jernoksid) og å inkludere alternative organiske løsemidler og stabilisatorer (f.eks oleic acid). I tillegg kan forholdet mellom organisk løsningsmiddel og stabilisator endres til ytterligere innvirkning nanopartikkelegenskaper, som vises her. Syntetiserte MnO nanopartikler er preget for morfologi, størrelse, bulksammensetning og overflatesammensetning gjennom overføring elektronmikroskopi, røntgendiffraksjon og Fourier-transform infrarød spektroskopi, henholdsvis. MnO nanopartikler syntetisert ved denne metoden vil være hydrofobe og må manipuleres ytterligere gjennom ligand utveksling, polymer innkapsling, eller lipid capping å innlemme hydrofile grupper for interaksjon med biologiske væsker og vev.

Introduction

Metalloksid nanopartikler har magnetiske, elektriske og katalytiske egenskaper, som har blitt brukt i bioimaging1,,2,,3,sensor teknologier4,,5,katalyse6,,7,,8,energilagring9,og vannrensing10. Innenfor biomedisinsk felt, jernoksid nanopartikler og manganoksid (MnO) nanopartikler har bevist nytte som kontrastmidler i magnetisk resonans imaging (MR)1,2. Jernoksid nanopartikler produsere robust negativ kontrast på T2* MR og er kraftige nok til å visualisere enkelt merkede celler in vivo11,,12,,13; Det negative MR-signalet kan imidlertid ikke moduleres og forblir "ON" gjennom hele varigheten av typiske eksperimenter. På grunn av endogene jern tilstede i leveren, benmarg, blod og milt, kan den negative kontrasten generert fra jernoksid nanopartikler være vanskelig å tolke. MnO nanopartikler, derimot, er lydhøre for en dråpe i pH. MR-signal for MnO nanopartikler kan gå fra "OFF" til "ON" når nanopartiklene er internalisert inne i de lave pH-endosomene og lysosomer i målcellen som en kreftcelle14,15,16,17,18,19. Den positive kontrasten på T1 MR produsert fra oppløsningen av MnO til Mn2 + ved lav pH er umiskjennelig og kan forbedre kreftdeteksjonsspesifisiteten ved bare å lyse opp på målstedet i en ondartet svulst. Kontroll over nanopartikkelstørrelse, morfologi og sammensetning er avgjørende for å oppnå maksimalt MR-signal fra MnO nanopartikler. Her beskriver vi hvordan man syntetiserer og karakteriserer MnO nanopartikler ved hjelp av den termiske nedbrytningsmetoden og noterer ulike strategier for finjustering av nanopartikkelegenskaper ved å endre variabler i synteseprosessen. Denne protokollen kan enkelt endres for å produsere andre magnetiske nanopartikler som jernoksid nanopartikler.

MnO nanopartikler har blitt produsert av en rekke teknikker, inkludert termisk nedbrytning20,21,22,23,24,25, hydro / solvothermal26,27,28,29, exfoli30,31,32,33,34, permanganates reduksjon35,36,37,38, og adsorpsjon-oksidasjon39,40,41,42. Termisk nedbrytning er den mest brukte teknikken som innebærer oppløsning av manganforløpere, organiske løsemidler og stabiliserende midler ved høye temperaturer (180 – 360 °C) under tilstedeværelse av en inert gassatmosfære for å danne MnO nanopartikler43. Av alle disse teknikkene er termisk nedbrytning den overlegne metoden for å generere en rekke MnO nanokrystaller av ren fase (MnO, Mn3O4 og Mn2O3) med en smal størrelsesfordeling. Dens allsidighet er fremhevet gjennom evnen til å tett kontrollere nanopartikkelstørrelse, morfologi og sammensetning ved å endre reaksjonstid44,45,,46,temperatur44,,47,,48,,49,typer / forhold mellom reaktanter20,45,47,,48,50 og inert gass47,48,50 brukt. De viktigste begrensningene ved denne metoden er kravet til høye temperaturer, den oksygenfrie atmosfæren og hydrofobe belegget til de syntetiserte nanopartiklene, noe som krever ytterligere modifisering med polymerer, lipider eller andre ligandeler for å øke løseligheten for biologiske applikasjoner14,,51,,52,,53.

Foruten termisk nedbrytning er hydro / solvothermal metode den eneste andre teknikken som kan produsere en rekke MnO-faser, inkludert MnO, Mn3O4og MnO2; alle andre strategier danner bare MnO2-produkter. Under hydro/solvothermal syntese, forløpere som Mn(II) stearat54,,55 og Mn(II) acetat27 varmes opp til mellom 120-200 °C over flere timer for å oppnå nanopartikler med en smal størrelsesfordeling; Imidlertid er spesialiserte reaksjonskar nødvendig og reaksjoner utføres ved høyt trykk. I motsetning innebærer eksfolieringsstrategien behandling av et lagdelt eller bulkmateriale for å fremme dissosiasjon i 2D-enkeltlag. Den største fordelen er å produsere MnO2 nanoark, men synteseprosessen krever lang tid flere dager, og den resulterende størrelsen på arkene er vanskelig å kontrollere. Alternativt kan permanganater som KMnO4 reagere med å redusere midler som oljesyre56,57, grafenoksid58 eller poly (allylaminhydroklorid)59 for å lage MnO2 nanopartikler. Bruk av KMnO4 forenkler nanopartikkeldannelse ved romtemperatur over noen få minutter til timer under vandige forhold43. Dessverre gjør den raske syntesen og nanopartikkelveksten det utfordrende å finkontrolle resulterende nanopartikkelstørrelse. MnO2 nanopartikler kan også syntetiseres ved hjelp av adsorpsjon-oksidasjon der Mn2 + ioner adsorberes og oksideres til MnO2 av oksygen under grunnleggende forhold. Denne metoden vil produsere små MnO2 nanopartikler med en smal størrelsesfordeling ved romtemperatur over flere timer i vandige medier; men kravet om adsorpsjon av Mn2 + ioner og alkali forhold begrenser sin utbredte søknad43.

Av MnO nanopartikkelsyntese metoder diskutert, er termisk nedbrytning den mest allsidige for å generere forskjellige monodisperse rene fase nanokrystaller med kontroll over nanopartikkelstørrelse, form og sammensetning uten å kreve spesialiserte syntesekar. I dette manuskriptet beskriver vi hvordan man syntetiserer MnO nanopartikler ved termisk nedbrytning ved 280 °C ved hjelp av mangan(II) acetylacetonate (Mn(II) ACAC) som kilde til Mn2 + ioner, oleylamin (OA) som reduksjonsmiddel og stabilisator, og dibenzyl eter (DE) som løsningsmiddel under en nitrogenatmosfære. Glass og røroppsett for nanopartikkelsyntese er forklart i detalj. En fordel med teknikken er inkludering av en temperaturregulator, termoelementsonde og oppvarmingsmantel for å muliggjøre nøyaktig kontroll over varmehastigheten, topptemperaturen og reaksjonstidene ved hver temperatur for å finjustere nanopartikkelstørrelse og sammensetning. Her viser vi hvordan nanopartikkelstørrelse også kan manipuleres ved å endre forholdet mellom OA og DE. I tillegg viser vi hvordan man lager nanopartikkelprøver og måler nanopartikkelstørrelse, bulksammensetning og overflatesammensetning ved hjelp av henholdsvis transmisjonselektronmikroskopi (TEM), røntgendiffraksjon (XRD) og Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR). Ytterligere veiledning er inkludert om hvordan du analyserer de innsamlede bildene og spektra fra hvert instrument. For å generere jevnt formede MnO nanopartikler, må en stabilisator og tilstrekkelig nitrogenstrøm være tilstede; XRD- og TEM-resultater er vist for uønskede produkter dannet i fravær av OA og under lav nitrogenstrøm. I Diskusjon-delen fremhever vi viktige trinn i protokollen, beregninger for å bestemme vellykket nanopartikkelsyntese, ytterligere variasjon av nedbrytningsprotokollen for å endre nanopartikkelegenskaper (størrelse, morfologi og sammensetning), feilsøking og begrensninger av metoden og anvendelser av MnO nanopartikler som kontrastmidler for biomedisinsk bildebehandling.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Glass og rørenhet – skal bare utføres første gang

MERK: Figur 1 viser det eksperimentelle oppsettet for MnO nanopartikkelsyntese med nummererte rørforbindelser. Figur S1 viser det samme oppsettet med de viktigste glasskomponentene merket. Hvis det er en mismatch mellom den kjemiske resistente slangen og glasstilkoblingsstørrelsen, dekk glasstilkoblingen først med et kort stykke mindre slange før du legger til de kjemikaliebestandige slangene for å gjøre forbindelsene tettsittende.

  1. Fest den luftfrie nitrogentanken til veggen nær en kjemisk røykhette ved hjelp av godkjente stroppebegrensninger. Tilsett riktig nitrogenregulator i tanken.
    FORSIKTIG: Gassflasker må være ordentlig sikret, siden de kan være svært farlige hvis de tippes.
  2. Fyll gasstørkesøylen med tørkemiddel. Fest kjemikaliebestandige slanger fra den luftfrie nitrogenregulatoren til bunninntaket på gasstørkekolonnen (#1 i figur 1).
  3. Fest glassmanifolden som inneholder minst 2 utløpstoppkraner til toppen av røykhetten ved hjelp av to kloklemmer i metall. Fest kjemikaliebestandige slanger fra utløpet av gasstørkesøylen (#2 i figur 1) til oppløpet på manifolden (#3 i figur 1).
  4. Plasser og fest 3 mineraloljeboblere i røykhetten ved hjelp av metallkloklemmer i henhold til figur 1. Sett to boblere til venstre og en bubbler til høyre.
  5. Fyll boblen lengst til venstre (#9 i figur 1) med den minste mengden silikonolje (~ 1 tomme olje fra bunnen av bobleren). Fyll den midterste boblen (med #7,8 i figur 1) med en middels mengde silikonolje (~ 1,5 inches olje fra bunnen av bobleren). Fyll den høyre bobleren (med #11 i figur 1) med den største mengden silikonolje (~ 2 inches olje fra bunnen av bobleren).
    MERK: Den relative mengden silikonolje mellom mineralboblene er svært viktig for å oppnå riktig strøm av den luftfrie nitrogengassen gjennom systemet. Ikke tilsett for mye olje (over ~ 2,5 inches), da oljen vil boble under reaksjonen og kan gå ut av boblene hvis overfylt.
  6. Koble uttaket på høyre stoppekran på manifolden (#4 i figur 1) til den gjengede enden av en albueadapter i glass (#5 i figur 1) ved hjelp av kjemikaliebestandige slanger.
  7. Fest den gjengede enden av en annen albueadapter i glass (#6 i figur 1) til innløpet på den midterste boblen (#7 i figur 1) ved hjelp av kjemikaliebestandige slanger. Koble utløpet på den midterste bobleren (#8 i figur 1) til innløpet til bobleren lengst til venstre (#9 i figur 1) ved hjelp av kjemikaliebestandige slanger.
  8. Koble uttaket på venstre stoppekran på manifolden (#10 i figur 1) til innløpet til boblerens høyre (#11 i figur 1).
  9. La det foreløpige oppsettet stå i røykhetten hvis plassen har plass. Fest de to albueadapterne i glass med rør festet (#5,6 i figur 1) til metallgitteret i røykhetten når eksperimentet ikke er i gang.

2. Oppsett av utstyr og glass – som skal utføres under hvert eksperiment

FORSIKTIG: Alle tiltak som involverer løsemidler krever bruk av en kjemisk røykhette samt riktig personlig verneutstyr (PPE), inkludert vernebriller, laboratoriefrakk og hansker. Nanopartikkelfabrikasjonsoppsettet skal monteres i røykhetten.

  1. Plasser røreplaten i røykhetten og sett varmemantelen oppå røreplaten.
    MERK: Varmemantelen må kunne tåle temperaturer over 300 °C.
  2. Sett 4 hals 500 ml rund bunnkolbe på varmemantelen og fest midthalsen med en metallkloklemme. Legg til en magnetisk rørestang til den runde bunnkolben. Plasser glasstrakten i den midterste halsen på den runde bunnkolben.
  3. Kontroller manifolden: Kontroller at sikkerhetsstoppkranen (#10 i figur 1) og inngangsstoppcock (#4 i figur 1) er åpen.
    FORSIKTIG: Sikkerhetsstoppkranen må være åpen til enhver tid for å sikre at det ikke er bygget opp noe trykk i systemet. Hvis stoppekranen er lukket, kan det oppstå en eksplosjon.
  4. Vei 1,51 g mangan(II) acetylacetonat (Mn(II) ACAC) og plasser inne i den runde bunnkolben ved hjelp av glasstrakten.
  5. Tilsett 20 ml oleylamin og 40 ml dibenzyl eter til den runde bunnkolben ved hjelp av en glasspipette og glasstrakten. Fjern trakten og rengjør den med heksan.
    FORSIKTIG: Eksperimentet kan skaleres opp (f.eks. 2 ganger), men det anbefales å være konservativt når du bruker større mengder reaktanter. Større mengder reaktanter kan føre til at reaksjonen blir mindre stabil, og derfor farlig.
  6. Fest kondensatoren til venstre hals på den runde bunnkolben og fest kondensatoren med en metallkloklemme. Tilsett albueadapteren i glass (#6 i figur 1) oppå kondensatoren.
    MERK: Adapteren skal kobles til kjemisk resistente rør til den midterste mineraloljebobleren (#7 i figur 1).
  7. Koble vannkompatible slanger fra vannuttaket i røykhetten (#12 i figur 1) til kondensatorens innløp (#13 i figur 1). Bruk også vannkompatibele slanger til å koble utløpet på kondensatoren (#14 i figur 1) til avløpet i røykhetten (#15 i figur 1). Fest slangen til kondensatortilkoblingene (#13,14 i figur 1) med sammenlåste ormgirmetallslangeklemmer.
  8. Tilsett rotovapfellen til høyre hals på den runde bunnkolben. Plasser glassalbueadapteren (#5 i figur 1) oppå rotovapfellen.
    MERK: Adapteren skal kobles til kjemisk resistente slanger til høyre stoppekranmanifolduttak (#4 i figur 1).
  9. Fest gummiproppen til den midterste halsen på den runde bunnkolben og brett den over slik at sidene dekker kolbens hals. Tilsett de koniske leddklipsene i plast (4 grønne klips i figur 1) for å feste følgende glasshalsforbindelser: albueadapter og rotovapfelle, rotovapfelle og rund bunnkolbe, rund bunnkolbe og kondensator, og kondensator og albueadapter.
  10. Plasser temperaturproben i den minste halsen i den runde bunnkolben, stram og fest sonden med nakkehetten og o-ringen. Forsegle forbindelsen med parafinplastfilm.
    MERK: Pass på at temperaturproben er nedsenket i væskeblandingen, men ikke berører bunnen av glasset. Hvis sonden er i kontakt med glassoverflaten, vil den målte temperaturen være unøyaktig i forhold til den sanne væsketemperaturen, noe som vil føre til at temperaturregulatoren gir feil mengde varme til reaksjonen.
  11. Koble temperaturproben til inngangen til temperaturregulatoren. Koble varmemantelen til utgangen på temperaturregulatoren.
  12. Slå på røreplaten og begynn å røre kraftig.
  13. Åpne den luftfrie nitrogentanken og sakte begynne å strømme nitrogen inn i systemet (dette vil fjerne luften). Juster nitrogenstrømmen ved hjelp av regulatoren til en jevn langsom strøm av bobler dannes i den midterste mineraloljebobleren (#7 i figur 1).
  14. Slå på det kalde vannet i røykhetten (#12 i figur 1) til kondensatoren og kontroller at det ikke lekker vann fra slangen.
  15. Sett rammen av røykhetten ned før reaksjonen begynner.

3. Nanopartikkelsyntese

  1. Slå på temperaturregulatoren (strøm- og varmetilførsel) for å starte reaksjonen. Vær oppmerksom og registrer fargen på reaksjonsblandingen i hvert trinn. Reaksjonen vil begynne som en mørk brun farge i trinn 1 til 3 og vil bli grønn under trinn 4.
    MERK: Hver temperaturregulator vil fungere annerledes. Pass på at du bruker riktig håndboken og programmet.
  2. Trinn 1: Vær oppmerksom på temperaturregulatorens display for å bekrefte at temperaturen øker fra romtemperatur til 60 °C over 30 min.
  3. Trinn 2: Kontroller at temperaturregulatoren stabiliserer seg ved 60 °C i 1 min når den forbereder seg på en raskere varmehastighet i trinn 3.
  4. Trinn 3: Kontroller temperaturregulatorens display når temperaturen stiger til 280 °C ved 10 °C per minutt over 22 min. Pass på at vannstrømmen gjennom kondensatoren er tilstrekkelig, da blandingen vil begynne å fordampe i løpet av dette stadiet.
  5. Trinn 4: Kontroller at temperaturregulatoren viser en konstant reaksjonstemperatur på 280 °C i 30 min. Vær oppmerksom på reaksjonsfargeendringen til en grønn tone, noe som indikerer MnO-dannelse. Når reaksjonen når 280 °C, slår du av nitrogentanken og lukker høyre stoppekran for innløpet av reaksjonen på manifolden (#4 i figur 1).
    FORSIKTIG: Hold sikkerhetsstoppkranen (#10 i figur 1) åpen.
  6. Trinn 5: Kontroller temperaturregulatordisplayet for å sikre at oppvarmingen stopper automatisk. Hold temperaturproben inne (ikke åpne den runde bunnkolben) og vent til temperaturen når romtemperatur for å fortsette med nanopartikkeloppsamling.
    FORSIKTIG: Kolben vil være ekstremt varm. Varmebestandige hansker bør brukes til å fjerne varmemantelen hvis det er ønskelig med en raskere kjølehastighet.
    MERK: Protokollen kan settes på pause her.

4. Nanopartikkel samling

  1. Slå av temperaturregulatoren, røreplaten og det kalde vannet. Fjern de vannkompatible slangene fra kondensatoren, vannkranen i røykhetten og avløpet. Fjern alle de koniske leddklipsene i plast fra glasstilkoblinger.
  2. Fjern glassalbueadapterne fra rotovapfellen (#5 i figur 1) og kondensatoren (#6 i figur 1). Fest albueadapterne til metallgitteret i panseret for å bruke til et fremtidig eksperiment.
  3. Løsne kondensatoren og rotovapfellen fra den runde bunnkolben og skyll innsiden av kondensatoren og rotovapfellen med heksan.
  4. Fjern gummiproppen og temperaturproben, og rengjør med 70 % etanol.
  5. Hell MnO nanopartikkeloppløsningen fra den runde bunnkolben i et rent 500 ml beger. Bruk heksan (~ 5 ml) til å skylle den runde bunnkolben og tilsett heksan med gjenværende MnO nanopartikler i 500 ml beger.
    MERK: Hexane vil bruke MnO nanopartiklene på nytt, mens 200 bevis etanol vil fungere som det stupbrapende middelet.
  6. Legg merke til det nåværende volumet av MnO nanopartikkelblandingen. Tilsett 200 proof etanol til MnO nanopartikkelblandingen ved hjelp av et volumforhold på 2:1 (f.eks. tilsett 150 ml etanol hvis nanopartikkelblandingen er 75 ml).
  7. Hell nanopartikkelblandingen likt i fire sentrifugerør, rundt 3/4 fulle. Skru på de aktuelle hettene. Kontroller at væskenivået er balansert.
    MERK: Enhver ekstra nanopartikkelblanding vil bli tilsatt til rørene på neste runde med sentrifugering.
  8. Sentrifuge nanopartikler i 10 min ved 17 400 x g ved 10 °C.
    MERK: Lengre sentrifugeringstider og/eller høyere sentrifugeringshastigheter kan brukes til å øke innsamlingen av mindre nanopartikkelfraksjoner, men nanopartikkelaggregasjon kan økes.
  9. Kast supernatanten i et avfallsbeger, vær forsiktig så du ikke forstyrrer pelleten. Bruk om nødvendig en overføringspipette til å samle supernatanten.
    MERK: Det er normalt for de tidlige rundene med sentrifugering å produsere en brun farget supernatant. Det overnaturlige skal være brunt og klart, men ikke overskyet. Enhver uklarhet indikerer at nanopartiklene fortsatt er tilstede i det overnaturlige. Hvis supernatanten er overskyet, sentrifuger rørene igjen før du kaster det overnaturante; sentrifugering igjen vil redusere tap av syntetiserte nanopartikler, men kan føre til mer agglomerasjon.
  10. Tilsett 5 ml heksan og eventuell ekstra nanopartikkelløsning som er igjen til hvert sentrifugerør som inneholder MnO nanopartikkelpellets. Resuspend nanopartiklene ved hjelp av et bad sonicator og / eller vortex. Fortsett til løsningen blir overskyet og pelleten forsvinner, noe som indikerer vellykket nanopartikkeluspensjon.
  11. Tilsett mer 200 bevis etanol til sentrifugerørene til 3/4 er fulle.
  12. Gjenta trinn 4.8-4.10. Deretter kombinerer du de resuspended nanopartikler fra fire sentrifuge rør til to sentrifuge rør. Gjenta deretter trinn 4.11.
  13. Gjenta trinn 4.8-4.10 igjen, noe som vil gjøre totalt tre vasker med heksan og 200 bevis etanol. Ikke tilsett 200 bevis etanol i sentrifugerørene.
  14. Kombiner og overfør MnO nanopartikler resuspended i heksan til en preweighed 20 ml glass scintillation hetteglass. La lokket på hetteglasset være av slik at heksanen fordamper over natten i røykhetten.
  15. Neste dag, overføre avdekket glass scintillation hetteglass som inneholder nanopartikler i en vakuumovn. Hold lokket til hetteglasset på et trygt sted utenfor ovnen. Tørk ut nanopartiklene ved 100 °C i 24 timer.
  16. Når nanopartikler er tørket, bruk en slikkepott til å bryte opp pulveret inne i hetteglasset. Vei hetteglasset som inneholder tørkede MnO nanopartikler og trekk fra den kjente vekten av glassscintillation hetteglasset for å bestemme nanopartikkelutbyttet.
    FORSIKTIG: Tørkede nanopartikler kan lett bli luftbårne og bør håndteres av personell ved hjelp av en partikkelåndeånde som N95 eller P100.
  17. Oppbevar nanopartikler ved romtemperatur inne i hetteglasset med lokket på. Pakk lokket med parafinplastfilm.

5. Nanopartikkelstørrelse og overflatemorfologi (TEM)

  1. Pulveriser MnO nanopartikler i et tynt pulver ved hjelp av en mørtel og pestle.
  2. Tilsett 5 mg MnO nanopartikler til et konisk sentrifugrør på 15 ml. Tilsett 10 ml 200 bevis etanol.
    MERK: 200 bevis etanol fordamper raskt for å oppnå en mer homogen spredning av nanopartikler på TEM-nettet. Et annet løsningsmiddel kunne ha bedre nanopartikkelsuspensjon, men ville ta lengre tid å fordampe, og på grunn av overflatespenning ville nanopartiklene akkumuleres på grensen til TEM-nettene.
  3. Bad sonicate nanopartikkelblandingen i 5 min eller til full gjenoppliving av nanopartiklene.
  4. Umiddelbart etter gjenoppliving, tilsett tre 5 μL dråper nanopartikkelblanding på en 300 mesh kobbernettstøttefilm av karbon type-B. La luften tørke.
    1. Bruk omvendt pinsett for enklere prøveforberedelse. Plasser gitteret på pinsettene med den mørkere siden opp før du legger til dråpene som inneholder nanopartikler.
      MERK: Gitteret er skjøre, så vær forsiktig så du ikke bøyer og skader gitteret for bedre bildebehandling. Når det er tørt, bør nettene oppbevares inne i kommersielt tilgjengelige TEM-nettlagringsbokser for beskyttelse.
  5. Vurder nanopartikkelform og -størrelse ved hjelp av transmisjonselektronmikroskopi (TEM). Påfør typiske parametere for TEM, inkludert en strålestyrke på 200 kV, en spotstørrelse på 1 og en forstørrelse på 300x.
  6. Samle bilder på områder av rutenettet der nok nanopartikler (10 - 30 nanopartikler) er jevnt fordelt. Unngå områder som inneholder nanopartikkelaggregasjoner, da nøyaktig størrelse ikke kan gjøres hvis nanopartikler ikke er synlig separert.
    1. Bildeområder fra forskjellige rutenett firkanter for å sikre en jevn distribusjon. For en optimal størrelsesfordeling, ta mellom 25 og 30 bilder fra hvert eksempel for å få tilstrekkelig utvalgsstørrelse.

6. Kvantitativ analyse av nanopartikkeldiameter

  1. Hvis du vil analysere TEM-bilder med ImageJ, må du først åpne et av bildene ved å klikke fil | Åpne. Velg ønsket bilde, og klikk Åpne.
  2. Hvis du vil kalibrere avstandsmålingen i ImageJ fra piksler til nanometer, klikker du først på det rette linjeverktøyet. Hold Skift-tasten, og spor lengden på skalalinjen. Klikk deretter analyser | Angi skala.
  3. I popup-vinduet Angi skalering skriver du inn den sanne skalalinjemålingen i Boksen Kjent avstand (f.eks. type 50 hvis skaleringslinjen er 50 nm). Bytt lengdeenheten til de tilsvarende enhetene (f.eks. type nm for nanometer). Merk av for Global for å holde skalaen konsekvent i alle bildene, og klikk OK.
  4. Etter at du har satt skalaen, bruker du det rette verktøyet til å spore diameteren på en nanopartikkel. Klikk deretter analyser | Mål eller klikk Ctrl+M nøkler.
  5. Se etter et popup-vindu for resultater som skal vises med annen informasjon om målingen. Bekreft at Lengde-kolonnen er til stede, da den vil gi diameteren på nanopartiklene med enhetene som er angitt under trinn 6.3.
  6. Gjenta trinn 6.4 til alle nanopartikler i bildet er størrelse. Hvis du vil flytte til neste bilde, klikker du på Fil | Åpne Nesteeller Ctrl+Skift+O-tastene.
  7. Når alle nanopartikler er størrelse i alle bilder, går du til Resultater-vinduet og klikker på Fil | Lagre som. Gi nytt navn til resultatfilen, og klikk Lagre. Vis og analyser alle nanopartikkeldiameter i et regnearkprogram etter at du har importert resultatfilen.

7. Nanopartikkel bulk sammensetning (XRD)

  1. Hvis det ikke gjøres under trinn 5.1, pulverisere MnO nanopartikler i et tynt pulver ved hjelp av en mørtel og pestle. Legg det fine nanopartikkelpulveret i prøveholderen ved hjelp av en slikkepott. Følg prøveinnlastingsprosedyren som er angitt for røntgendiffraksjonsmaskinen (XRD) som skal brukes.
  2. Bestem bulksammensetningen av MnO nanopartikler ved hjelp av XRD. Samle XRD spektra over en 2θ rekkevidde fra 10 ° til 110 ° for å vise topper av MnO (30 ° til 90 °) og Mn3O4 (15 ° til 90 °).
    MERK: Andre innstillingsparametere som anbefales for XRD, er en trinnstørrelse på 0,05 s, en strålemaske på 10 mm og en skannetrinntid på 64,77 s.
  3. Lagre den genererte . XRD filen og åpne den i XRD analyseprogram.

8. Analyse av XRD-spektra

  1. I XRD-analyseprogrammet identifiserer du alle hovedtoppene i prøvens målte XRD-spektrum ved å klikke på IdeAll-knappen i programvaren.
  2. Hvis du vil lagre dataene, velger du Fil på verktøylinjen, etterfulgt av Lagre som... for å lagre dataene som en ASC-fil som kan åpnes med et regnearkprogram.
  3. Bruk programmet til å mønster matche XRD-databasen av kjente forbindelser for å finne den beste sammensetningen samsvarer med prøven. For å begrense søket, spesifiser forventede forbindelser (f.eks. mangan og oksygen).
    1. Hvis du vil mønstre samsvarer med spekteret, velger du Analyse | Søk og samsvarer. I popup-vinduet velger du Kjemi og klikker på de ønskede kjemiske elementene for å begrense programsøket basert på prøven.
    2. Når alle elementene er valgt, velger du Søk. Vent til en liste over kjemiske komposisjoner som samsvarer med XRD-spekteret som skal vises.
      MERK: Programmet vil gi sannsynligheten for at kjente XRD-spektra samsvarer med prøvens sammensetning. Hvis to eller flere komposisjoner er valgt, vil programmet gi sammensetningen prosentandelen av hver av dem (f.eks MnO versus Mn3O4).
  4. Hvis du vil, fjerner du bakgrunnen fra XRD-spekteret ved å klikke på Knappen Tilpass bakgrunn ( Equation 1 ). Deretter klikker du Bakgrunn i popup-vinduet, etterfulgt av Trekk fra. Bekreft at spekteret vises fra og med 0 på y-aksen.
    1. Lagre dataene på nytt uten bakgrunnen som vist i trinn 8.2.
  5. Når du plotter XRD-spekteret, viser du de karakteristiske toppene for hver matchet forbindelse (f.eks. MnO og Mn3O4).
    1. For å få listen over de karakteristiske toppene for samsvarende forbindelser fra databasen, høyreklikk først på mønsteret match spekteret, og velg deretter Vis mønster. Vent til et popup-vindu vises med all toppinformasjonen som svarer til det valgte mønsteret.
    2. Velg, kopier og lim inn ønsket informasjon fra den forbindelsen og plott de karakteristiske toppene med det målte XRD-spekteret i et regnearkprogram.

9. Nanopartikkel overflatesammensetning (FTIR)

  1. Tilsett tørt MnO nanopartikkelpulver til prøveholderen for Fourier-transform infrarød spektroskopi (FTIR) analyse.
  2. Evaluer nanopartikkeloverflatekjemi ved hjelp av FTIR. Samle FTIR spektra mellom en 4000 og 400 cm-1 bølgelengde rekkevidde med en oppløsning på 4 cm-1.
  3. Rengjør FTIR-prøveholderen og tilsett flytende oleylamin. Gjenta trinn 9.2.

10. Analyse av FTIR spektra

  1. I FTIR analyseprogrammet fjerner du bakgrunnen fra det innsamlede FTIR-spekteret ved å velge Transformeringer i rullegardinmenyen, etterfulgt av Baseline Correct. Velg Lineær som korreksjonstype.
  2. Bruk venstre museklikk til å velge grunnlinjepunktene på det opprinnelige spekteret. Når du er ferdig, lagrer du spekteret under et annet navn ved å velge Legg til eller erstatte det gamle spekteret ved å velge Erstatt.
    MERK: Bakgrunnskorreksjon kan øke forekomsten av svakere FTIR-topper av interesse.
  3. Hvis du vil eksportere FTIR-spekteret, velger du først det spesifikke spekteret fra listen. Klikk deretter Fil på verktøylinjen, etterfulgt av Eksporter spektrum.
  4. Velg csv-filformat fra Lagre som-vinduet, og klikk på Lagre. Åpne og graf csv-filen ved hjelp av et regnearkprogram.
  5. Sammenlign ervervet MnO nanopartikkel med oleylamin FTIR spektra som beskrevet i Representative Results delen for å evaluere nanopartikkel capping med oleylamin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

For å bekrefte vellykket syntese bør MnO nanopartikler analyseres for størrelse og morfologi (TEM), bulksammensetning (XRD) og overflatesammensetning (FTIR). Figur 2 viser representative TEM-bilder av MnO nanopartikler syntetisert ved hjelp av synkende forhold mellom oleylamin (OA, stabilisatoren) til dibenzyl eter (DE, det organiske løsningsmidlet): 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. Ideelle TEM-bilder består av individuelle nanopartikler (vist som mørke avrundede oktogoner i figur 2), med minimal overlapping. Det er avgjørende å oppnå tilstrekkelig separasjon av nanopartikler for nøyaktig manuell størrelse av nanopartikkeldiameter ved hjelp av linjesporverktøyet i ImageJ.

Figur 3 viser suboptimal TEM-prøveforberedelse. Hvis en høy konsentrasjon av MnO nanopartikler er suspendert i etanol eller for mange dråper nanopartikkel suspensjon legges til TEM rutenettet, vil hvert bilde bestå av store agglomerasjoner av nanopartikler (figur 3A, B). På grunn av den betydelige overlappingen av nanopartikler, kan grensene for hver nanopartikkeldiameter ikke skilles, noe som forhindrer nøyaktig måling. Hvis en lav nanopartikkelkonsentrasjon er utarbeidet i etanol, kan nanopartikler være godt separert, men fordeles sparsomt på TEM-rutenettet (figur 3C, D). Når bare én eller to nanopartikler vises i hvert TEM-bilde, må det tas flere bilder for å få en stor nok prøvestørrelse, og full størrelsesfordeling kan ikke tas nøyaktig. TEM-forberedelsesprotokollen som er beskrevet her, har som mål å produsere TEM-bilder med ca. 10-30 nanopartikler per bilde (flere nanopartikler kan innkvarteres per bilde hvis diameteren er liten).

TEM kan brukes til å evaluere endringer i nanopartikkelstørrelse med en variasjon i synteseparametere. Figur 4 viser at de gjennomsnittlige diameterne til MnO nanopartikler syntetisert med synkende forholdstall for OA:DE. Diametere for hver syntesetilstand ble kvantifisert fra 75 til 90 TEM-bilder, med totalt 900 til 1100 MnO nanopartikler analysert per tilstand. For å sikre reproduserbarhet ble 3 partier nanopartikler syntetisert for hvert OA:DE-forhold. Samlet sett ga en reduksjon i forholdet mellom OA: DE mindre MnO nanopartikler med mindre variasjon i størrelse; Det eneste unntaket oppstod da OA alene ble brukt under syntese, som produserte nanopartikler i samme størrelse til forholdet 30:30. Histogrammer som viser full størrelsesfordelingen av alle MnO nanopartikkelgrupper vises i figur S2.

Etter å ha bekreftet nanopartikkelstørrelse og morfologi med TEM, kan bulk nanopartikkelsammensetningen testes ved hjelp av XRD. Ved å måle vinkelen og intensiteten til røntgenstrålen diffracted av prøven, kan XRD brukes til å bestemme krystallstruktur og fase av nanopartiklene. Figur 5A-F viser den rå innsamlede XRD-spektraen for hver syntetiserte MnO nanopartikkelprøve med synkende forholdstall for OA:DE. XRD-toppene som er oppnådd på prøvespektra, samsvarer med XRD-topper fra kjente forbindelser som MnO og Mn3O4 gjennom XRD-analyseprogramdatabasen. Standardtoppene for MnO vises ved 35°, 40°, 58°, 70°, 73° og 87°, som er vist i figur 5G. Når man sammenligner nanopartikkelen XRD-spektra med kjent MnO, er det tydelig at alle nanopartikkelspektra har de 5 høyeste toppene av MnO, noe som indikerer vellykket syntese av MnO nanopartikler. XRD kan også brukes til å estimere nanopartikkelstørrelse ved hjelp av Scherrer-ligningen; bredere topper på XRD indikerer mindre nanopartikkeldiameter. Figur 5F med de bredeste XRD-toppene er for eksempel forbundet med de minste nanopartikler som vist av TEM (18,6 ± 5,5 nm).

Figur 6 viser XRD-spektra av to uønskede produkter i MnO nanopartikkelsyntese. For å oppmuntre til dannelsen av MnO-fasen ved høye temperaturer (280 oC), brukes nitrogen under nanopartikkelsyntese for å rense luft ut av systemet. Hvis utilstrekkelig nitrogenstrøm påføres, vil en blandet fasesammensetning av Mn3O4 (51 %) og MnO (49 %) produseres (figur 6A). Sammenlignet med standardtoppene på Mn3O4 (figur 6C) og MnO (figur 6D)produserer lav nitrogenstrøm XRD-spektra med de 8 høyeste toppene for Mn3O4 og de 5 høyeste toppene for MnO. TEM av nanopartikler syntetisert under lav nitrogenstrøm viste en blandet populasjon av store nanopartikler omgitt av mindre nanopartikler (figur 6E). Nitrogenstrømmen kan overvåkes gjennom nitrogenregulatoravlesningen og hastigheten på boblende gjennom mineraloljebobleren. En annen kritisk parameter i MnO nanopartikkelsyntese er inkludering av en stabilisator. I et forsøk på å produsere enda mindre MnO nanopartikler enn 10:50 OA: DE-forholdet, ble ren DE brukt uten OA. En svært liten mengde av et ukjent pulver ble syntetisert i fravær av stabilisator. Som vist i figur 6Bvar XRD-spektra for 0:60 OA:DE-forholdet støyende og inneholdt de 3 høyeste toppene i Mn3O4. Fra analyse i XRD-programdatabasen hadde forbindelsen en kjemisk sammensetning på 67% Mn3O4 og 33% MnO. Som støttet av de brede toppene i XRD-spektra, bekreftet TEM at svært små nanopartikler ble syntetisert i fravær av stabilisator (figur 6F). Nanopartikler dukket også opp uregelmessig formet og agglomerert. I tillegg ble bare en 33% avkastning oppnådd uten stabilisator, noe som betyr at en liten mengde produkt ble syntetisert. Derfor er høy nitrogenstrøm og inkludering av en stabilisator som OA eller oljesyre nødvendig for syntese av MnO nanopartikler.

For å utfylle bulk nanopartikkelsammensetning med XRD, kan overflatesammensetning evalueres ved hjelp av FTIR. Figur 7 viser FTIR-spektraet av MnO nanopartikler etter bakgrunnskorrigering. Alle spektra viser symmetriske og asymmetriske CH2 topper (2850-2854 og 2918-2926 cm-1, preget av stjerner) forbundet med oleyl grupper60, i tillegg til NH2 bøying vibrasjon topper (1593 cm-1 og 3300 cm-1, preget av firkanter) forbundet med amingrupper61. Siden MnO nanopartikler deler de samme toppene for oleylgrupper og amingrupper som finnes i FTIR-spektra av OA (figur S3),kan det konkluderes med at nanopartiklene er belagt med et overflatelag av OA. Videre inneholder alle nanopartikkel FTIR spektra Mn-O og Mn-O-Mn bond vibrasjoner rundt 600 cm-1 (merket med trekanter), som bekrefter sammensetningen funnet gjennom XRD62.

Figure 1
Figur 1: Nitrogen og vann strømmer gjennom MnO nanopartikkelsynteseoppsettet.
Rørtilkoblinger er merket 1-15. Luftfritt nitrogen kommer inn (1) og går ut (2) tørkesøylen og mates inn i oppløpet på manifolden (3). Under reaksjonen renser nitrogen luft fra systemet ved å gå inn i høyre stoppekran på manifolden (4). Nitrogen strømmer fra stoppekranen til glassalbueadapteren (5), rotovapfelle, rund bunnkolbe, kondensator, glassalbueadapter (6) og gjennom en serie på to mineraloljeboblere (7-9). I manifolden vil overflødig nitrogen som ikke strømmer gjennom reaksjonen forlate systemet gjennom venstre stoppekran (10), som er koblet til mineraloljebobleren med den største mengden silikonolje (11). Stopcock #10 er å alltid være åpen. Vann vil strømme fra kranen (12) gjennom kondensatorinntaket (13) og utløpet (14) og inn i avløpet av røykhetten (15). Slangen er festet til kondensatoren med metallklemmer. All slange skal være kjemisk resistente rør bortsett fra vannkompatibel rør som brukes til kondensatoren. Hovedglass og utstyr er merket i figur S1. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 2
Figur 2: TEM-bilder av MnO nanopartikler syntetisert med synkende forholdstall for OA:DE.
Følgende forholdstall ble brukt: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. MnO nanopartikler vises som separate, avrundede oktogoner med minimal overlapping for å tillate klar avgrensning av nanopartikkelkanter. Det reaktive forholdet ble observert å påvirke den totale nanopartikkelstørrelsen, med 50:10 som syntetiserer de største nanopartiklene og 10:50 som produserer de minste nanopartikler. Vektstenger er 50 nm. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 3
Figur 3: Suboptimale TEM-bilder som følge av feil TEM-rutenettforberedelse.
(A, B) Hvis nanopartikkelsuspensjonen er for konsentrert, eller hvis overskytende dråper nanopartikkelfjæring lastes inn på TEM-rutenettet, vil nanopartikler aggregeres i store masser med betydelig overlapping. Individuelle nanopartikler kan ikke observeres i de fleste områder av rutenettet. (C, D) Alternativt kan en lav nanopartikkelkonsentrasjon føre til TEM-rutenett befolket med knappe mengder nanopartikler. Individuelle nanopartikler spres langt fra hverandre, men krever flere bilder for å fange utvalgets befolkningsstørrelsesfordeling. Vektstenger er 50 nm. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 4
Figur 4: Gjennomsnittlig MnO nanopartikkeldiameter målt fra TEM-bilder.
Generelt resulterte en lavere mengde stabilisator (OA) med en høyere mengde organisk løsemiddel (DE) i mindre, mer ensartede MnO nanopartikler. Totalt 900 til 1100 nanopartikkeldiameter ble beregnet på TEM-bilder ved hjelp av linjesporingsverktøyet i ImageJ for hver gruppe. Feilfelt viser standardavvik. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 5
Figur 5: XRD-spektra av MnO nanopartikler syntetisert med synkende forholdstall for OA:DE.
Følgende forholdstall ble brukt: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. (G)Standard diffraksjonstopper for MnO vises fra XRD analyseprogramdatabasen. Alle nanopartikler produsert viser de 5 høyeste intensitetS XRD-toppene for MnO, noe som indikerer vellykket syntese av MnO nanopartikler. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 6
Figur 6: XRD spektra og TEM-bilder av uønskede nanopartikler.
XRD-spektra er vist for MnO nanopartikkelsyntese ved hjelp av (A) lav nitrogenstrøm og (B) et 0:60-forhold mellom OA: DE (det finnes ingen stabilisator). Standard diffraksjonstopper for (C) Mn3O4 og (D) MnO vises fra XRD analyseprogramdatabasen. Sammenlignet med standard spektra skapte utilstrekkelig nitrogenstrøm (A) nanopartikler med en blanding av Mn3O4 (51 %) og MnO (49 %). I fravær av oleylamin (B)oppnås et bredere XRD-spektrum, som samsvarer med de 3 høyeste toppene av Mn3O4. Basert på analysen utført av XRD-programdatabasen, er disse syntetiserte nanopartiklene 67% Mn3O4 og 33% MnO. TEM-bilder av (E) nanopartikler syntetisert med lav nitrogenstrøm viser store nanopartikler omgitt av mindre. TEM-bilder av (F) nanopartikler syntetisert med et 0:60-forhold mellom OA: DE viser svært små aggregerte nanopartikler med uregelmessig form. Vektstenger er 50 nm. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figure 7
Figur 7: FTIR spektra av MnO nanopartikler syntetisert med synkende forholdstall for OA:DE.
Følgende forholdstall ble brukt: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Stjerner og firkanter tilsvarer henholdsvis oleylgrupper og amingrupper, mens trekanter indikerer vibrasjonen av Mn-O- og Mn-O-Mn-bindinger. De innslettene markerer de to distinkte toppene av oleylgrupper. FTIR spectra indikerer at MnO nanopartikler er belagt med oleylamin, som bekreftet i forhold til oleylamin bare FTIR spektrum i figur S3. Vennligst klikk her for å se en større versjon av denne figuren.

Figur S1: Hovedglass og utstyr i MnO nanopartikkelsynteseoppsettet. Manifolden er festet til metallgitteret med metallkloklemmer og sprer nitrogen inn i reaksjonen. Mn(II) ACAC, dibenzyl eter, oleylamin og en rørestang legges til den runde bunnkolben med fire halser. Høyre hals på kolben er festet til rotovapfellen og en albueadapter, mens venstre nakke er festet til en kondensator og en albueadapter. Den midterste halsen på den runde bunnkolben er dekket med en gummipropp. Temperatursonden settes inn i den minste åpningen av den runde bunnkolben, og er omgitt av en o-ring og parafinplastfilm for å danne en lufttett forsegling. Den runde bunnkolben sitter på toppen av en varmemantel og en røreplate for å røre reaksjonen kraftig under oppvarming. Temperatursonden og varmemantelen er koblet til temperaturregulatoren for å gi sanntidsautomatisk regulering av temperaturprofilen. Den runde bunnkolben og kondensatoren er festet til metallgitteret med metallkloklemmer. Det er tre mineraloljeboblere, to til venstre og en til høyre, fylt med økende mengder silikonolje fra venstre bobler til høyre bubbler i bildet. Bubblers er også festet til metallgitteret med kloklemmer. Grønne koniske leddklips i plast er festet for å sikre glassforbindelser før reaksjonen begynner. Rørforbindelsene er beskrevet i figur 1. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.

Figur S2: Histogrammer som viser fordeling av MnO nanopartikkelstørrelse for synkende forholdstall for OA:DE. Følgende forholdstall ble brukt: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Samlet sett når forholdet nærmer seg 10:50, skifter fordelingen av nanopartikkelstørrelse til venstre (indikerer mindre diameter) og blir mer kompakt (indikerer mer ensartet nanopartikkelstørrelse). Gjennomsnittlig diameter for hver fordeling er vist i figur 4. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.

Figur S3: FTIR spekter av oleylamin. Stjerner og firkanter representerer henholdsvis oleylgrupper og amingrupper av oleylamin. Vennligst klikk her for å laste ned dette tallet.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollen beskriver her en facile, en-pot syntese av MnO nanopartikler ved hjelp av Mn(II) ACAC, DE og OA. Mn(II) ACAC brukes som startmateriale for å gi en kilde til Mn2 + for MnO nanopartikkeldannelse. Startmaterialet kan enkelt erstattes for å muliggjøre produksjon av andre metalloksid nanopartikler. For eksempel, når jern (III) ACAC brukes, kan Fe3O4 nanopartikler genereres ved hjelp av samme nanopartikkelsynteseutstyr og protokoll som erbeskrevet 63. DE fungerer som et ideelt organisk løsningsmiddel for termisk nedbrytningsreaksjoner, da det har et høyt kokepunkt på 295-298 ° C. OA er et vanlig billig stabilisator / mildt reduksjonsmiddel, som hjelper til med capping og koordinering av metalloksid nanopartikkelkjerner og vekst61,,63. I likhet med DE har OA et høyt kokepunkt på 350 °C for å tåle de høye temperaturene ved termisk nedbrytning. Følgende to observasjoner kan brukes som bevis på vellykket generering av MnO nanopartikler under syntese: 1) utseendet av en grønn nyanse til reaksjonsblandingen under termisk nedbrytning ved 280 °C og 2) dannelsen av en mørk brun stor pellet på bunnen av sentrifugerørene etter sentrifugering i heksan og etanol. Resulterende nanopartikler bør være ytterligere preget av TEM, XRD og FTIR for å evaluere henholdsvis størrelse/morfologi, bulksammensetning og overflatesammensetning.

Under nanopartikkelsyntese må flere variabler noteres og kontrolleres for å sikre produksjon av ensartede nanopartikler med MnO krystallinsk fase. For det første bør forholdet mellom alle startmaterialer forbli det samme, da vi har vist at synkende forhold mellom OA og DE reduserer nanopartikkelstørrelsen (figur 4). For det andre bør reaksjonen omrøres kraftig for å muliggjøre tilstrekkelig spredning av nukleating nanopartikler, jevn oppvarming og reduksjon av størrelsesvariasjon. Tredje, som temperatur spiller en stor rolle i å kontrollere metalloksid nanopartikkelstørrelse 47,48,50 og fasesammensetning47,48,50, er det viktig å riktig senke temperatursonde spissen i reaksjonsblandingen mens du ikke kontakter glasset av den runde bunnkolben som vil lese en unøyaktig temperatur. For det fjerde bør strømmen av nitrogen være høy nok til å rense all luft fra reaksjonen for å oppmuntre til dannelse av MnO krystallinsk fase over Mn3O4. Som vist i figur 6Avil lav nitrogenstrøm føre til nanopartikler med en blandet MnO/Mn3O4-sammensetning. Riktig fylling av mineraloljeboblere med økende mengder silikonolje fra venstre bobler (1 tomme olje) til den midterste bobleren (1,5 inches olje) til høyre bobler (2 inches olje) vil sette motstanden for nitrogenstrøm til å være lavest gjennom reaksjonen (#4 i figur 1). Boblehastigheten til den midterste mineraloljebobleren (med #7,8 i figur 1)kan brukes til å måle nitrogenhastigheten som strømmer gjennom reaksjonen. Til slutt må en stabilisator som OA legges til reaksjonsblandingen for å koordinere nanopartikkelkjerner og vekst. Som vist i figur 6Bopprettet DE uten OA en liten mengde produkt, for det meste av en Mn3O4 (67 %) Sammensetning. Dette produktet ble også observert å ha en uregelmessig form med aggregerte nanopartikler av TEM, som ikke skjedde da OA var tilstede i reaksjonen (figur 6F).

Flere variabler av den termiske nedbrytningsreaksjonen kan endres for å optimalisere nanopartikkelstørrelsen, morfologi, og sammensetning inkludert type inert gass47,,48,,50, peak reaksjon temperatur44,47,48,49, total reaksjonstid44,45,46, og typer / forhold mellom innledende kjemiske forbindelser som benyttes i reaksjonen20,45,47,48,50. Salazar-Alvarez et al.50 og Seo et al.48 har vist at argonstrømmen under termisk nedbrytning av Mn(II) danner Mn3O4 ved lavere toppreaksjonstemperaturer fra 150 °C til 200 °C. Ved bruk av nitrogen eller luft oppnådde Nolis et al.47 lignende resultater for Mn(III) ACAC-nedbrytning der Mn3O4 nanopartikler ble produsert ved lavere temperaturer (150 oC eller 200 oC) og MnO nanopartikler ble generert bare ved høyere temperaturer (250 °C og 300 °C)47. Høyere peak reaksjonstemperaturer og lengre tider holdt på toppen reaksjonstemperatur, også kjent som aldringstid, har også vært forbundet med en økning i nanopartikkelstørrelse 44,45,46,47,48,49. Videre kan oppvarmingshastigheten til reaksjonen påvirke nanopartikkelstørrelsen. Schladt et al.44 fant at å øke varmehastigheten fra 1,5 °C/min opp til 90 oC/min falt nanopartikkelstørrelse fra henholdsvis 18,9 nm til 6,5 nm. Til slutt kan forskjellige kjemikalier tilsettes som å redusere midler og stabilisatorer i mangan termisk nedbrytningsreaksjoner; Men OA20,47,48,50 og oljesyre20,45 er mest brukt. Forholdet mellom OA og oljesyre har vist seg å påvirke kjemien og formen på syntetiserte MnO nanopartikler. Ifølge Zhang et al.20resulterte OA bare i dannelsen av Mn3O4 nanopartikler, en kombinasjon av OA og oljesyre førte til en blanding av Mn3O4 og MnO nanopartikler, og oljesyre produserte bare MnO nanopartikler. Interessant, erfaring viser at MnO nanopartikler kan fremstilles med OA bare, og at oljesyre ikke er nødvendig for å fremme dannelsen av MnO krystallinsk fase. Videre genererte bruken av OA i seg selv sfæriske nanopartikler, mens oljesyre alene genererte stjerneformede nanopartikler20,64. Det er klart at det er mye fleksibilitet i å endre synteseparametere for å påvirke resulterende fysiske og kjemiske egenskaper av MnO nanopartikler.

Til tross for den detaljerte protokollen, kan det oppstå tilfeller som krever feilsøking. Følgende avsnitt beskriver noen vanlige problemer og løsninger. Under reaksjonen, hvis temperaturen ser ut til å stabilisere seg rundt 100 °C, kan noe vann ha lekket inn i varmemantelen. Inspiser området om området synlig for vannlekkasje fra kondensatoren. Ikke rør kappen eller den runde bunnkolben direkte uten varmebestandige hansker, da de vil være veldig varme. Hvis det observeres vann, må du umiddelbart slå av temperaturregulatoren, koble fra varmemantelen og la den tørke over natten. For å unngå fremtidige lekkasjer, bruk en sammenlåst ormegirslangeklemme for å feste vannslangen til kondensatoren. I tilfelle ønsket produkt er MnO, men bare Mn3O4 produseres, er det viktig å kontrollere nitrogenstrømmen under reaksjonen. Den midterste boblen skal ha en konstant strøm av bobler (se videoen for riktig boblehastighet), mens den rette bobleren bare skal ha en eller to bobler som dannes i den. Feil nitrogenstrøm kan oppstå hvis differensial silikonoljenivåene i hver mineraloljebobler ikke opprettholdes. Kontroller oljenivået før hvert eksperiment og fyll opp boblene i henhold til trinn 1.5 om nødvendig. Under nanopartikkelsamling angir protokollen å helle ut det overnaturlige uten å forstyrre nanopartikkelpellet. Den beste måten å kaste supernatant er å helle den ut med en rask kontinuerlig bevegelse i stedet for en langsom. Men hvis pelleten lett løsnes fra sentrifugerøret, anbefales bruk av en overføringspipette for å fjerne det overnaturlige. Under nanopartikkelsamling og TEM-rutenettforberedelse er badesonikering et viktig skritt. Hvis nanopartiklene ikke resuspending riktig, flytte røret rundt vannbad sonicator til et område er plassert der sonikering kan føles ved hånden holder røret. Nanopartikkelpellet kan også synlig ses gå i oppløsning under sterk badesonikering hvis røret er på riktig sted. Etter nanopartikkelresjon er det viktig at TEM-gitteret er suspendert i luften med omvendt pinsett i stedet for plassert på en klut eller direkte på en absorberende benkoverflate. Tørke- eller absorberende benkoverflate vil transportere nanopartikkelfjæringen av TEM-gitteret før tørking, noe som resulterer i utilstrekkelig nanopartikkeldeponering på rutenettet for avbildning.

Selv om den termiske nedbrytningsreaksjonen er ganske enkel og grei å følge for å syntetisere MnO nanopartikler, er det noen begrensninger knyttet til metoden. Mens det er mulig å kontrollere nanopartiklers fysiske og kjemiske egenskaper til en viss grad, påvirker noen variabler som temperatur og aldringstid både nanopartikkelstørrelse og fasesammensetning samtidig. Derfor er det vanskelig å alltid ha presis uavhengig kontroll av nanopartikkelegenskaper ved hjelp av denne metoden. I tillegg kan oppskalering av nanopartikkelsyntesen ved å snuble eller quadrupling mengdene av startmaterialer føre til at reaksjonen blir ustabil og voldelig. Større satsvis størrelse er også knyttet til redusert utbytte. Videre, til tross for lagring av MnO nanopartikler inne avkortet scintillation hetteglass innpakket i parafin plastfilm, har vi sett oksidasjon av nanopartikkeloverflaten til Mn3O4 som evaluert av røntgenfotoelektronspektroskopi. Til slutt vil MnO nanopartikler generert av denne teknikken være hydrofobe og avkortet med OA (figur 7). Ytterligere overflatemodifisering av overgangsnanopartikler til en hydrofil tilstand må påføres for å muliggjøre nanopartikkelfjæring i vandige medier. Flere metoder er etablert for å fremme spredning av nanopartikler i biologiske løsninger, inkludert nanopartikkelinnkapsling inne ipolymerer 14, belegg av nanopartikkeloverflaten med lipider52, eller ligand utveksling for å erstatte OA på nanopartikkeloverflaten med hydrofile liganderinger som poly (akrylsyre)20. For å oppnå innkapsling av MnO nanopartikler i poly(melkesyre-co-glykolsyre) (PLGA) polymer, følg McCall og Siriannis detaljerte JoVE-protokoll 65; MnO nanopartikler kan tilsettes direkte til PLGA polymeroppløsningen som beskrevet for hydrofobe legemidler i trinn 8 i Nanopartikkelforberedelsesdelen. MnO nanokrystallfordeling inne i PLGA nanopartikler kan vurderes ved hjelp av TEM og lasting av Mn inne i PLGA polymer kan bestemmes av termogravimetrisk analyse som vist i Bennewitz et al.14.

Selv om MnO nanopartikler kan benyttes for et bredt spekter av applikasjoner på grunn av deres magnetiske, elektroniske og katalytiske egenskaper, er vi interessert i å bruke MnO nanopartikler som byttbare, T1 MR-kontrastmidler. Tidligere har vår gruppe og andre vist at intakte MnO nanopartikler har ubetydelig T1 MR-kontrast (MR-signal er "OFF") ved fysiologisk pH 7,4 som etterlignerblodet 14,15,16,17,18,19. MnO oppløses imidlertid for å skape betydelige Mn2 + ioner ved lav pH 5 som etterligner cellulære endosomer; utgitt Mn2 + vil koordinere med omkringliggende vannmolekyler for å slå "ON" MR-signal ved lav pH14,,15,,16,,17,,18,,19. MnO nanopartikler kan lokaliseres til forskjellige celler av interesse, for eksempel kreftceller, gjennom tillegg av målretting peptider eller antistoffer mot nanopartikkeloverflaten51,66. Her beskriver vi syntesen av MnO nanopartikler med en gjennomsnittlig diameter fra 18,6 nm til 38,8 nm. Kontroll av nanopartikkelstørrelse kan være nyttig for å forbedre MR-kontrastmiddeleffektiviteten. Spesielt forventes det at større nanopartikler vil ha mer overflateareal for vedlegg av målretting ligands for å forbedre nanopartikkelakkumulering på interessestedet som svulster. Imidlertid bør den totale nanopartikkelstørrelsen med ekstra overflategrupper begrenses til 50-100 nm for å maksimere tumorakkumulering67,68. Mindre nanopartikler, derimot, har et høyere overflateareal-til-volum-forhold for å lette raskere frigjøring av Mn2 + under sure miljøer og bør tillate forbedrede nanopartikkelpakkevolumer inne i polymere leveringssystemer. Syntese av MnO over Mn3O4 bør også forbedre MR-kontrasten, da MnO har vist seg å oppløses raskere enn Mn3O4 i konsentrerte sure løsninger for å generere flere Mn2 + ioner69. Oppsummert har vi beskrevet en termisk nedbrytningsprotokoll for fabrikasjon av MnO nanopartikler som er relativt grei og tilpassbar for å tillate optimalisering av nanopartikkeldesign for fremtidig bruk i applikasjoner som smarte MR-kontrastmidler, biosensorer, katalysatorer, batterier og vannrensing.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Forfatterne har ingenting å avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet av WVU Chemical and Biomedical Engineering Department oppstartsfond (M.F.B.). Forfatterne vil gjerne takke Dr. Marcela Redigolo for veiledning om grid forberedelse og bildefangst av nanopartikler med TEM, Dr. Qiang Wang for støtte på evaluering av XRD og FTIR spektra, Dr. John Zondlo og Hunter Snoderly for programmering og integrering av temperaturkontrolleren i nanopartikkelsyntese protokollen, James Hall for hans hjelp i montering av nanopartikkelsyntese oppsett , Alexander Pueschel og Jenna Vito for å hjelpe til med kvantifisering av MnO nanopartikkeldiameter fra TEM-bilder, og WVU Shared Research Facility for bruk av 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 Utgave 160 nanopartikler mangan(II) acetylacetonat manganoksid oleylamin dibenzyl eter termisk nedbrytning magnetisk resonansavbildning røntgendiffraksjon overføring elektronmikroskopi Fourier-transform infrarød spektroskopi
Manganoksid Nanopartikkelsyntese ved termisk nedbrytning av mangan(II) Acetylacetonat
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