Waiting
로그인 처리 중...

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

Bioengineering

Manganoxid nanopartikelsyntes genom termisk sönderdelning 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

Detta protokoll detaljer en facile, en-pot syntes av manganoxid (MnO) nanopartiklar genom termisk nedbrytning av mangan(II) acetylacetonat i närvaro av oleylamine och dibenzyl ether. MnO nanopartiklar har använts i olika tillämpningar inklusive magnetisk resonanstomografi, biosensing, katalys, batterier och avloppsvatten behandling.

Abstract

För biomedicinska tillämpningar har metalloxidnanopartiklar som järnoxid och manganoxid (MnO), använts som biosensorer och kontrastmedel vid magnetisk resonanstomografi (MRT). Medan järnoxid nanopartiklar ger konstant negativ kontrast på MRI över typiska experimentella tidsramar, genererar MnO omkopplingsbar positiv kontrast på MRI genom upplösning av MnO till Mn2 + vid lågt pH inom cellendosomes att 'slå PÅ' MRI kontrast. Detta protokoll beskriver en en-pot syntes av MnO nanopartiklar som bildas av termisk sönderdelning av mangan(II) acetylacetonat i oleylamine och dibenzyl eter. Även om det är enkelt att köra syntesen av MnO-nanopartiklar, kan den initiala experimentella uppställningen vara svår att reproducera om detaljerade instruktioner inte tillhandahålls. Således är glas och slangar församling först grundligt beskrivs för att tillåta andra utredare att enkelt reproducera installationen. Syntesmetoden innehåller en temperaturregulatorn för att uppnå automatiserad och exakt manipulering av den önskade temperaturprofilen, vilket kommer att påverka resulterande nanopartikelstorlek och kemi. Det termiska nedbrytningsprotokollet kan lätt anpassas för att generera andra nanopartiklar av metalloxid (t.ex. järnoxid) och för att inkludera alternativa organiska lösningsmedel och stabilisatorer (t.ex. oljesyra). Dessutom kan förhållandet mellan organiskt lösningsmedel och stabilisator ändras till ytterligare påverkan nanopartikel egenskaper, vilket visas häri. Syntetiserade MnO-nanopartiklar kännetecknas för morfologi, storlek, bulkkomposition och ytsammansättning genom transmissionselektronmikroskopi, röntgendiffraktion respektive Fourier-transform infraröd spektroskopi. Den MnO nanopartiklar syntetiseras genom denna metod kommer att vara hydrofoba och måste ytterligare manipuleras genom ligand utbyte, polymera inkapsling, eller lipid tak för att införliva hydrofila grupper för interaktion med biologiska vätskor och vävnader.

Introduction

Metalloxid nanopartiklar besitter magnetiska, elektriska, och katalytiska egenskaper, som har tillämpats i bioimaging1,2,3, sensorteknik4,5, katalys6,7,8, energilagring9, och vattenrening10. Inom det biomedicinska fältet har nanopartiklar av järnoxid och nanopartiklar av manganoxid (MnO) bevisat bruk som kontrastmedel vid magnetisk resonanstomografi (MRT)1,2. Järnoxid nanopartiklar producera robust negativ kontrast på T2* MRI och är kraftfulla nog att visualisera enda märkta celler in vivo11,12,13; den negativa MR-signalen kan dock inte moduleras och förblir "ON" under hela varaktigheten av typiska experiment. På grund av endogent järn som finns i levern, benmärg, blod och mjälte, kan den negativa kontrasten som genereras från järnoxid nanopartiklar vara svårt att tolka. MNO nanopartiklar, å andra sidan, är lyhörda för en nedgång i pH. MR-signal för MnO nanopartiklar kan övergå från "OFF" till "ON" när nanopartiklarna är internaliserade inuti målcellens låga pH-endosomer och lysosomer som t ex en cancercell14,15,16,17,18,19. Den positiva kontrasten på T1 MRI produceras från upplösningen av MnO till Mn2 + vid låga pH är omisskännlig och kan förbättra cancer upptäckt specificitet genom att endast belysning upp på målplatsen inom en malign tumör. Kontroll över nanopartikelstorlek, morfologi och sammansättning är avgörande för att uppnå maximal MRI-signal från MnO nanopartiklar. Häri beskriver vi hur man syntetiserar och karakteriserar MnO nanopartiklar med hjälp av termisk nedbrytningsmetod och noterar olika strategier för finjustering av nanopartikelegenskaper genom att förändra variabler i syntesprocessen. Detta protokoll kan enkelt modifieras för att producera andra magnetiska nanopartiklar som järnoxid nanopartiklar.

MnO nanopartiklar har framställts av en mängd olika tekniker inklusive termisk sönderdelning20,21,22,23,24,25, hydro/solvothermal26,27,28,29, exfolining 30,31,32,33,34, permanganates minskning35,36,37,38, och adsorption-oxidation39,40,41,42. Termisk nedbrytning är den mest använda tekniken som innebär upplösning av mangan prekursorer, organiska lösningsmedel, och stabiliserande medel vid höga temperaturer (180 – 360 °C) under förekomst av en inert gasformig atmosfär för att bilda MnO nanopartiklar43. Av alla dessa tekniker är termisk nedbrytning den överlägsna metoden för att generera en mängd olika MnO nanokristaller av ren fas (MnO, Mn3O4 och Mn2O3) med en smal storleksfördelning. Dess mångsidighet markeras genom förmågan att tätt kontrollera nanopartikelstorlek, morfologi och sammansättning genom att ändra reaktionstid44,45,46, temperatur44,47,48,49, typer/förhållanden av reaktanter20,45,47,48,50 och inert gas47,48,4550 används. De viktigaste begränsningarna i denna metod är kravet på höga temperaturer, den syrefria atmosfären, och den hydrofoba beläggningen av de syntetiserade nanopartiklarna, vilket kräver ytterligare modifiering med polymerer, lipider eller andra ligander för att öka lösligheten för biologiska tillämpningar14,51,52,53.

Förutom termisk nedbrytning, hydro/solvothermal metoden är den enda andra teknik som kan producera en mängd olika MnO faser inklusive MnO, Mn3O4, och MnO2; alla andra strategier bildar endast MnO2-produkter. Under hydro/solvothermal syntes, prekursorer som Mn(II) stearate54,55 och Mn(II) acetat27 värms upp till mellan 120-200 °C under flera timmar för att uppnå nanopartiklar med en smal storlek fördelning; dock krävs specialiserade reaktionskärl och reaktioner utförs vid höga tryck. Däremot innebär exfoliering strategin behandling av en skiktad eller bulk material för att främja dissociation i 2D enda skikt. Dess största fördel är att producera MnO2 nanosheets, men syntesprocessen är lång kräver flera dagar och den resulterande storleken på arken är svår att kontrollera. Alternativt kan permanganat som KMnO4 reagera med reduktionsmedel som oljesyra56,57, grafenoxid58 eller poly(allylaminhydroklorid)59 för att skapa MnO2 nanopartiklar. Användning av KMnO4 underlättar nanopartikelbildning vid rumstemperatur under några minuter till timmar inom vattenhaltiga förhållanden43. Tyvärr gör den snabba syntesen och nanopartikeltillväxten det utmanande att finstyra resulterande nanopartikelstorlek. MnO2 nanopartiklar kan också syntetiseras med hjälp av adsorption-oxidation som innebär att Mn2+ joner adsorberas och oxideras till MnO2 av syre under grundläggande förhållanden. Denna metod kommer att producera små MnO2 nanopartiklar med en smal storleksfördelning vid rumstemperatur under flera timmar i vattenhaltiga medier; emellertid villkorar kravet för adsorption av Mn2+ joner och alkali begränsar dess utbredda applikation43.

Av de MnO nanopartikel syntes metoder som diskuteras, termisk sönderdelning är den mest mångsidiga att generera olika monodisperse ren fas nanokristaller med kontroll över nanopartikelstorlek, form och sammansättning utan att kräva specialiserade syntes fartyg. I detta manuskript beskriver vi hur man syntetiseraR MnO-nanopartiklar genom termisk nedbrytning vid 280 °C med hjälp av mangan(II) acetylacetonat (Mn(II) ACAC) som källa till Mn2+ joner, oleylamine (OA) som reduktionsmedel och stabilisator och dibenzyleter (DE) som lösningsmedel under en kväveatmosfär. Glas och slang setup för nanopartikelsyntes förklaras i detalj. En fördel med tekniken är införandet av en temperaturregulator, termoelementsond och värmemanteln för att möjliggöra exakt kontroll över uppvärmningshastigheten, topptemperaturen och reaktionstiderna vid varje temperatur för att finjustera nanopartikelstorlek och sammansättning. Häri visar vi hur nanopartikelstorlek också kan manipuleras genom att ändra förhållandet mellan OA och DE. Dessutom visar vi hur man förbereder nanopartikelprover och mäter nanopartikelstorlek, bulkkomposition och ytsammansättning med hjälp av transmissionselektronmikroskopi (TEM), röntgendiffraktion (XRD) respektive Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR). Ytterligare vägledning ingår om hur man analyserar de insamlade bilderna och spektra från varje instrument. För att generera enhetligt formade MnO-nanopartiklar måste en stabilisator och ett adekvat kväveflöde finnas; XRD- och TEM-resultat visas för icke-önskvärda produkter som bildas i avsaknad av OA och under lågt kväveflöde. I avsnittet Diskussion belyser vi avgörande steg i protokollet, mätvärden för att bestämma framgångsrik nanopartikelsyntes, ytterligare variation av dekompositionsprotokollet för att modifiera nanopartikelegenskaper (storlek, morfologi och sammansättning), felsökning och begränsningar av metoden samt tillämpningar av MnO-nanopartiklar som kontrastmedel för biomedicinsk avbildning.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Glas och slangar montering – ska utföras endast första gången

OBS: Bild 1 visar den experimentella uppställningen för MnO nanopartikelsyntes med numrerade slanganslutningar. Bild S1 visar samma inställning med de viktigaste glaskomponenterna märkta. Om det finns en obalans mellan den kemikalieresistenta slangen och glasanslutningsstorleken, täck glasanslutningen först med en kort bit mindre slangar innan du lägger till det kemikalieresistenta slangen för att göra anslutningarna ombonade.

  1. Säkra den luftfria kvävgastanken på väggen nära en kemisk rökhuv med hjälp av godkända bandbegränsningar. Tillsätt lämplig kväveregulator i tanken.
    FÖRSIKTIGHET: Gasflaskor måste vara ordentligt säkrade eftersom de kan vara mycket farliga om de tippas över.
  2. Fyll gastorkningspelaren med torkmedel. Fäst kemikalieresistenta slangar från den luftfria kväveregulatorn på botteninloppet till gastorkningskolumnen (#1 i figur 1).
  3. Säkra glasgrenröret som innehåller minst 2 utloppsstopptänger till toppen av rökhuven med hjälp av två kloklämmor av metall. Fäst kemikalieresistenta slangar från utloppet av gastorkningspelaren (#2 i figur 1) på grenrörets inlopp (#3 i figur 1).
  4. Placera och säkra 3 mineraloljebubblor i draghuven med hjälp av metallkloklämmor enligt figur 1. Sätt två bubblers till vänster och en bubblare till höger.
  5. Fyll den bubblande bubblaren längst till vänster (med #9 i figur 1) med minsta mängd silikonolja (~1 tum olja från bubblarens botten). Fyll den mellersta bubblaren (med #7,8 i figur 1) med en medelstor mängd silikonolja (~ 1,5 tum olja från botten av bubblaren). Fyll den högraste bubblaren (genom #11 i figur 1) med den största mängden silikonolja (~2 tum olja från botten av bubblaren).
    OBS: Den relativa mängden silikonolja mellan mineralbubblarna är mycket viktig för att uppnå lämpligt flöde av den luftfria kvävegasen genom systemet. Tillsätt inte för mycket olja (över ~ 2,5 inches), eftersom oljan kommer att bubbla under reaktionen och kan avsluta bubblers om överfyllda.
  6. Anslut utloppet på grenrörets högra stoppkula (#4 i bild 1) till den gängade änden av en armbågsadapter av glas (#5 i figur 1) med hjälp av kemikalieresistenta slangar.
  7. Fäst den gängade änden på en annan armbågsadapter av glas (#6 i figur 1) på mittenbubblarens inlopp (#7 i figur 1) med hjälp av kemikalieresistenta slangar. Anslut mittbubblarens utlopp (#8 i figur 1) till inloppet till den inlopp som är den #9 i figur 1) med hjälp av kemikalieresistenta slangar.
  8. Anslut utloppet på grenrörets vänstra stopcock (#10 i figur 1) till inloppet till den högraste bubblaren (#11 i figur 1).
  9. Lämna den preliminära uppställningen i draghuven om utrymmet rymmer. Fäst de två armbågsadapaprarna i glas med slangar som är fastsatta (#5,6 i figur 1) på metallgitterarbetet i draghuven när försöket inte är igång.

2. Utrustning och glas setup - som skall utföras under varje experiment

VAR FÖRSIKTIG: Alla steg som involverar lösningsmedel kräver användning av en kemisk rökhuva samt korrekt personlig skyddsutrustning (PPE) inklusive skyddsglasögon, labbrock och handskar. Nanopartikel fabricering setup bör monteras i rök huven.

  1. Placera rörplattan i rökhuven och sätt värmemantel ovanpå omrörningsplattan.
    OBS: Värmemanteln måste kunna klara temperaturer över 300 °C.
  2. Sätt den runda bottenkolven 4 hals 500 mL på värmemantilen och säkra den mellersta halsen med en kloklämma av metall. Tillsätt en magnetisk omrörningsstång i den runda bottenkolven. Placera glastratten i den runda bottenkolvens mittersta hals.
  3. Kontrollera grenröret: se till att säkerhetsstoppet (#10 i bild 1) och inmattred i #4 i figur 1) är öppna.
    VAR FÖRSIKTIG: Säkerhetsstoppet måste vara öppet hela tiden för att säkerställa att inget tryck byggs upp i systemet. Om stopcock är stängd kan en explosion inträffa.
  4. Väg 1,51 g mangan(II) acetylacetonat (Mn(II) ACAC) och placera inuti den runda bottenkolven med hjälp av glastratten.
  5. Tillsätt 20 mL oleylamine och 40 mL dibenzyleter till den runda bottenkolven med hjälp av en glaspipett och glastratten. Ta bort tratten och rengör den med hexan.
    FÖRSIKTIGHET: Experimentet kan skalas upp (t.ex., 2 gånger), men det rekommenderas att vara konservativ när du använder några större mängder reaktanter. Större mängder reaktanter kan orsaka att reaktionen blir mindre stabil, och därför farlig.
  6. Fäst kondensorn på den runda bottenkolvens vänstra hals och säkra kondensorn med en kloklämma av metall. Tillsätt glasarmbågsadaptern (#6 i figur 1) ovanpå kondensorn.
    OBS: Adaptern ska anslutas med kemikalieresistenta slangar till den mellersta mineraloljebubblern (#7 i figur 1).
  7. Anslut vattenkompatibel slang från vattenutloppspipen i draghuven (#12 i figur 1) till kondensorns inlopp (#13 i figur 1). Använd även vattenkompatibel slang för att koppla kondensorns utlopp (#14 i bild 1) till avloppet i draghuven (#15 i figur 1). Säkra slangen till kondensoranslutningarna (#13,14 i figur 1) med förreglade snäckväxelmetallslangklämmor.
  8. Tillsätt rotovapfällan till den högra halsen på den runda bottenkolven. Placera glasarmbågsadaptern (#5 i figur 1) ovanpå rotovapfällan.
    OBS: Adaptern ska anslutas med kemikalieresistenta slangar till höger stopcock grenrör utlopp (#4 i figur 1).
  9. Fäst gummiproppen på den runda bottenkolvens mitthals och vik den över så att sidorna täcker kolvens hals. Tillsätt de koniska fogclipsen av plast (4 gröna clips i figur 1) för att säkra följande anslutningar av glasgodshalsar: armbågsadapter och rotovapfälla, rotovapfälla och rund bottenkolv, rund bottenkolv och kondensor samt kondensor- och armbågsadapter.
  10. Placera temperatursonden i den minsta halsen i den runda bottenkolven, dra åt och säkra sonden med nacklocket och o-ringen. Täta anslutningen med paraffin plastfilm.
    OBS: Se till att temperatursonden är nedsänkt i vätskeblandningen, men inte vidrör glasbottnen. Om sonden är i kontakt med glasytan kommer den temperatur som mäts att vara felaktig jämfört med den sanna vätsketemperaturen, vilket kommer att leda till att temperaturregulatorn ger en felaktig mängd värme till reaktionen.
  11. Anslut temperatursonden till temperaturregulatorns ingång. Anslut värmemantel till utmatningen av temperaturregulatorn.
  12. Sätt på omrörningsplattan och börja röra om kraftigt.
  13. Öppna den luftfria kvävetanken och börja långsamt flöda kväve in i systemet (detta kommer att ta bort luften). Justera kväveflödet med hjälp av regulatorn tills en stadig långsam ström av bubblor bildas i den mellersta mineraloljebubblaren (#7 i figur 1).
  14. Sätt på det kalla vattnet i draghuven (#12 i figur 1) till kondensorn och kontrollera att inget vatten läcker från slangen.
  15. Sätt ner draghuvens skärp innan reaktionen börjar.

3. Nanopartikelsyntes

  1. Slå på temperaturregulatorn (kraft- och värmetillförsel) för att starta reaktionen. Observera och registrera färgen på reaktionsblandningen i varje steg. Reaktionen kommer att börja som en mörkbrun färg i steg 1 till 3 och kommer att bli grön under etapp 4.
    OBS: Varje temperaturregulator kommer att fungera olika. Se till att använda rätt manual och program.
  2. Steg 1: Observera temperaturregulatorns display för att bekräfta temperaturökningarna från rumstemperatur till 60 °C över 30 min.
  3. Steg 2: Se till att temperaturregulatorn stabiliseras vid 60 °C i 1 min när den förbereder för en snabbare uppvärmningshastighet i steg 3.
  4. Steg 3: Kontrollera temperaturregulatorns display när temperaturen stiger till 280 °C vid 10 °C per minut över 22 min. Se till att vattenflödet genom kondensorn är tillräckligt, eftersom blandningen kommer att börja avdunsta under detta skede.
  5. Steg 4: Bekräfta temperaturregulatorn visar en konstant reaktionstemperatur på 280 °C i 30 min. Observera reaktionsfärgsändringen till en grön ton, vilket indikerar MnO-formation. När reaktionen når 280 °C, stäng av kvävetanken och stäng den högra stoppvagnen för inloppet av reaktionen på grenröret (#4 i figur 1).
    VAR FÖRSIKTIG: Håll säkerhetsstoppet (#10 i figur 1) öppen.
  6. Steg 5: Kontrollera temperaturregulatorns display för att säkerställa att uppvärmningen stannar automatiskt. Håll temperatursonden inne (öppna inte den runda bottenkolven) och vänta tills temperaturen når rumstemperatur för att fortsätta med nanopartikeluppsamling.
    FÖRSIKTIGHET: Kolven kommer att vara extremt varm. Värmetåliga handskar bör användas för att avlägsna värmemantel om en snabbare kylhastighet önskas.
    OBS: Protokollet kan pausas här.

4. Insamling av nanopartikel

  1. Stäng av temperaturregulatorn, omrörningsplattan och det kalla vattnet. Ta bort vatten kompatibel slangar från kondensorn, vatten kran i rök huven och avloppet. Ta bort alla plast koniska fogklämmor från glasvaror anslutningar.
  2. Ta bort glasbågsadaptrar från rotovapfällan (#5 i bild 1) och kondensorn (#6 i bild 1). Säkra armbågsadaptrar till metallgitterarbetet i huven för att använda för ett framtida experiment.
  3. Lossa kondensor- och rotovapfällan från den runda bottenkolven och skölj insidan av kondensorn och rotovapfällan med hexan.
  4. Ta bort gummiproppen och temperatursonden, och rengör med 70% etanol.
  5. Häll upp MnO-nanopartikellösningen från den runda bottenkolven i en ren 500 mL-bägare. Använd hexan (~5 mL) för att skölja den runda bottenkolven och tillsätt hexan med rest-MnO-nanopartiklar i 500 mL-bägaren.
    OBS: Hexane kommer att återanvända MnO nanopartiklar medan 200 bevis etanol kommer att fungera som precipitant agent.
  6. Notera den aktuella volymen av MnO nanopartikelblandningen. Tillsätt 200 bevis etanol till MnO nanopartikelblandningen med hjälp av ett volymförhållande på 2:1 (t.ex. tillsätt 150 mL etanol om nanopartikelblandningen är 75 mL).
  7. Häll nanopartikelblandningen lika i fyra centrifugrör, runt 3/4 full. Skruva på lämpliga lock. Kontrollera att vätskenivåerna är balanserade.
    OBS: Eventuell extra nanopartikelblandning kommer att läggas till rören på nästa omgång centrifugeringen.
  8. Centrifuger nanopartiklar i 10 min vid 17 400 x g vid 10 °C.
    OBS: Längre centrifugeringstider och/eller högre centrifugionshastigheter kan användas för att öka uppsamlingen av mindre nanopartikelfraktioner, men nanopartikelaggregatation kan ökas.
  9. Kasta supernatanten i en avfallsbägare och var noga med att inte störa pelleten. Om det behövs, använd en överföringspipett för att samla supernatanten.
    OBS: Det är normalt för de första omgångarna av centrifugeringen att producera en brun färgad supernatant. Supernatanten ska vara brun och klar, men inte grumlig. Eventuell grumlighet indikerar att nanopartiklarna fortfarande finns kvar i supernatanten. Om supernatanten är grumlig, centrifugera rören igen innan du kasserar supernatanten; centrifugering igen kommer att minska förlusten av de syntetiserade nanopartiklarna, men kan orsaka mer gytter.
  10. Tillsätt 5 mL hexan och eventuell extra nanopartikellösning som lämnas till varje centrifugrör som innehåller MnO-nanopartikelpelletsen. Resuspend nanopartiklarna med hjälp av ett bad sonicator och / eller virvel. Fortsätt tills lösningen blir grumlig och pelleten försvinner, vilket indikerar lyckad återfpension med nanopartikel.
  11. Tillsätt mer 200 bevis etanol till centrifugrören tills 3/4 full.
  12. Upprepa steg 4.8-4.10. Sedan, kombinera de återanvända nanopartiklarna från fyra centrifugrör till två centrifugrör. Därefter upprepar du steg 4.11.
  13. Upprepa steg 4.8-4.10 en gång till, vilket kommer att göra totalt tre tvättar med hexan och 200 bevis etanol. Tillsätt inte någon 200-bevis etanol till centrifugrören.
  14. Kombinera och överför MnO nanopartiklarna återanvänds i hexan i en preweighed 20 mL glas scintillation injektionsflaska. Låt injektionsflaskans lock vara av för att hexan ska avdunsta över natten i draghuven.
  15. Nästa dag överför du den avtäckta glasscintillationsflaskan som innehåller nanopartiklarna till en vakuumugn. Förvara locket för injektionsflaskan på ett säkert ställe utanför ugnen. Torka ut nanopartiklarna vid 100 °C i 24 timmar.
  16. När nanopartiklar torkas, använd en spatel för att bryta upp pulvret inuti injektionsflaskan. Väg injektionsflaskan som innehåller torkade MnO-nanopartiklar och subtrahera den kända vikten av glasscintillationsflaskan för att bestämma nanopartikelutbytet.
    FÖRSIKTIGHET: Torkade nanopartiklar kan lätt bli luftburna och bör hanteras av personal som använder en partikel andningsskydd såsom N95 eller P100.
  17. Förvara nanopartiklar i rumstemperatur inuti glasscintillationsflaskan med locket på. Linda locket med paraffin plastfilm.

5. Nanopartikelstorlek och ytmorfologi (TEM)

  1. Pulverisera MnO nanopartiklar till ett tunt pulver med hjälp av en mortel och mortelstöt.
  2. Tillsätt 5 mg MnO-nanopartiklar till ett 15 mL koniskt centrifugrör. Tillsätt 10 mL av 200 bevis etanol.
    OBS: 200 bevis etanol avdunstar snabbt för att få en mer homogen spridning av nanopartiklar på TEM nätet. Ett annat lösningsmedel skulle kunna få bättre nanopartikelfjädring, men skulle ta längre tid att avdunsta, och på grund av ytspänningar skulle nanopartiklarna samlas på gränserna för TEM-näten.
  3. Bada sonikera nanopartikelblandningen i 5 min eller tills full återfåring av nanopartiklarna.
  4. Omedelbart efter återfpension, tillsätt tre 5 μL droppar av nanopartikel blandningen på en 300 mesh koppargaller stöd film av kol typ-B. Låt lufttorka.
    1. Använd omvänd pincett för enklare provberedning. Placera gallret på pincetten med den mörkare sidan uppåt innan du lägger till dropparna som innehåller nanopartiklar.
      OBS: Rutorna är ömtåliga, så var försiktig så att du inte böjer och skadar gallren för bättre avbildning. När torr, bör galler hållas inne i kommersiellt tillgängliga TEM galler förvaringslådor för skydd.
  5. Bedöma nanopartikelform och storlek med hjälp av transmissionselektronmikroskopi (TEM). Applicera typiska parametrar för TEM inklusive en strålstyrka på 200 kV, en spotstorlek på 1, och en förstoring på 300x.
  6. Samla bilder på områden i rutnätet där tillräckligt många nanopartiklar (10 - 30 nanopartiklar) är jämnt fördelade. Undvik områden som innehåller nanopartikelaggregationer, eftersom exakt storleksändring inte kan göras om nanopartiklar inte är synligt åtskilda.
    1. Bildområden från olika rutnätsrutor för att försäkra en jämn fördelning. För en optimal storleksfördelning, ta mellan 25 - 30 bilder från varje prov för att erhålla en tillräcklig provstorlek.

6. Kvantitativ analys av nanopartikeldiameter

  1. Om du vill analysera TEM-bilder med ImageJ öppnar du först en av bilderna genom att klicka på Arkiv | Öppna. Markera önskad bild och klicka på Öppna.
  2. Om du vill kalibrera avståndsmåttet i ImageJ från pixlar till nanometer klickar du först på det rätade verktyget. Håll skift-tangenten och spåra längden på skalstrecket. Klicka sedan på Analysera | Ange skala.
  3. I popup-fönstret Ange skala skriver du in måttet true scale bar i rutan Kända avstånd (t.ex. skriv 50 om skalstrecket är 50 nm). Ändra längdenhet till motsvarande enheter (t.ex. typ nm för nanometer). Markera rutan Global för att hålla skalan konsekvent i alla bilder och klicka på OK.
  4. När du har satt skalan använder du det räta verktyget för att spåra diametern på en nanopartikel. Klicka sedan på Analysera | Mät eller klicka på Ctrl+M-tangenter.
  5. Leta efter ett resultat popup-fönster visas med olika information om mätningen. Bekräfta att kolumnen Length är närvarande, eftersom den kommer att ge nanopartiklarnas diameter med de enheter som anges under steg 6.3.
  6. Upprepa steg 6.4 tills alla nanopartiklar i bilden är stora. Om du vill gå till nästa bild klickar du antingen på Arkiv | Öppna Nästa, eller Ctrl+Skift+O-tangenter.
  7. När alla nanopartiklar är storlek i alla bilder, gå till fönstret Resultat och klicka på Arkiv | Spara som. Byt namn på resultatfilen och klicka på Spara. Visa och analysera alla nanopartikeldiametrar i ett kalkylprogram efter att ha importerat resultatfilen.

7. Nanopartikel bulk sammansättning (XRD)

  1. Om inte gjort under steg 5.1, pulverisera MnO nanopartiklar till ett tunt pulver med hjälp av en mortel och mortelstöt. Placera det fina nanopartikelpulvret i provhållaren med hjälp av en spatel. Följ den provladdningsprocedur som anges för röntgendiffraktion (XRD) maskinen som ska användas.
  2. Bestäm bulksammansättning av MnO-nanopartiklar med hjälp av XRD. Samla XRD-spektra över ett 2θ-intervall från 10° till 110° för att visa toppar av MnO (30° till 90°) och Mn3O4 (15° till 90°).
    OBS: Andra inställningsparametrar som rekommenderas för XRD är en stegstorlek på 0,05 s, en strålmask på 10 mm och en skanningsstegtid på 64,77 s.
  3. Spara den genererade . XRD-fil och öppna den i XRD-analysprogrammet.

8. Analys av XRD spektra

  1. I analysprogrammet XRD, identifiera alla de viktigaste topparna i provets uppmätta XRD-spektrum genom att klicka på IdeAll-knappen i programvaran.
  2. Om du vill spara data väljer du Arkiv i verktygsfältet, följt av Spara som... för att spara data som en ASC-fil som kan öppnas med ett kalkylprogram.
  3. Använd programmet för att mönster matcha XRD-databasen av kända föreningar för att hitta den bästa sammansättningsmatchningen till provet. För att begränsa sökningen, ange förväntade föreningar (t.ex. mangan och syre).
    1. Om du vill mönster matcha spektret väljer du Analys | Sök & Matcha. I popup-fönstret väljer du Kemi och klickar på de önskade kemiska elementen för att begränsa programsökningen baserat på provet.
    2. När alla element har valts väljer du Sök. Vänta tills en lista över kemiska sammansättningar som matchar XRD-spektrumet visas.
      OBS: Programmet kommer att ge sannolikheten för att kända XRD-spektra motsvarar provets sammansättning. Om två eller flera kompositioner väljs skulle programmet ge sammansättningen procent av var och en av dem (t.ex. MnO kontra Mn3O4).
  4. Om så önskas tar du bort bakgrunden från XRD-spektrat genom att klicka på knappen Passa in bakgrund ( Equation 1 ). Klicka sedan på Bakgrund i popup-fönstret, följt av Subtrahera. Bekräfta att spektrumet visas som börjar med 0 på y-axeln.
    1. Spara data igen utan bakgrunden som visas i steg 8.2.
  5. När du plottar XRD-spektrumet, visa de karakteristiska topparna för varje matchad förening (t.ex., MnO och Mn3O4).
    1. För att få fram listan över de karakteristiska topparna för matchade föreningar från databasen, först högerklicka på mönstret match spektrum, och välj sedan Visa mönster. Vänta tills ett popup-fönster visas med all toppinformation som motsvarar det valda mönstret.
    2. Välj, kopiera och klistra in önskad information från den föreningen och rita de karakteristiska toppar med den uppmätta XRD spektrum i ett kalkylprogram.

9. Nanopartikel ytsammansättning (FTIR)

  1. Tillsätt torrt MnO-nanopartikelpulver till provhållaren för Analys av Infratropkop av Fourier-transformer (FTIR).
  2. Utvärdera nanopartikelytkemi med hjälp av FTIR. Samla FTIR-spektra mellan ett 4000 och 400 cm-1 våglängdsområde med en upplösning på 4 cm-1.
  3. Rengör FTIR-provhållaren och tillsätt flytande oleylamine. Upprepa steg 9.2.

10. Analys av FTIR-spektra

  1. I FTIR-analysprogrammet tar du bort bakgrunden från det insamlade FTIR-spektrumet genom att välja Transformor i rullgardinsmenyn, följt av Baslinje korrekt. Välj Linjär som korrigeringstyp.
  2. Använd vänster musklick för att välja baslinjepunkterna på det ursprungliga spektrumet. När du är klar sparar du spektrumet under ett annat namn genom att välja Lägg till eller ersätta det gamla spektrumet genom att välja Ersätt.
    OBS: Bakgrundskorrigering kan förstärka prevalensen av svagare FTIR-toppar av intresse.
  3. Om du vill exportera FTIR-spektrumet väljer du först det specifika spektrumet från listan. Klicka sedan på Arkiv i verktygsfältet, följt av Exportera spektrum.
  4. Välj CSV-filformat från fönstret Spara som och klicka på Spara. Öppna och graf csv-filen med hjälp av ett kalkylprogram.
  5. Jämför förvärvade MnO nanopartikel med oleylamine FTIR spektra som beskrivs i avsnittet Representativa resultat att utvärdera nanopartikel tak med oleylamine.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

För att bekräfta framgångsrik syntes, MnO nanopartiklar bör assayed för storlek och morfologi (TEM), bulk sammansättning (XRD), och ytan sammansättning (FTIR). Figur 2 visar representativa TEM-bilder av MnO-nanopartiklar som syntetiseras med hjälp av minskande förhållanden av oleylamine (OA, stabilisatorn) till dibenzyleter (DE, det organiska lösningsmedlet): 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. Ideala TEM-bilder består av enskilda nanopartiklar (visas som mörka rundade oktagoner i figur 2), med minimal överlappning. Det är avgörande att uppnå tillräcklig separation av nanopartiklar för noggrann manuell dimensionering av nanopartikeldiametrar med hjälp av verktyget linjespår i ImageJ.

I figur 3 visas suboptimal tem-provberedning. Om en hög koncentration av MnO-nanopartiklar suspenderas i etanol eller för många droppar nanopartikelfjädring tillsätts TEM-nätet, kommer varje bild att bestå av stora tätorter av nanopartiklar (Figur 3A,B). På grund av nanopartiklarnas stora överlappning kan man inte särskilja gränserna för varje nanopartikeldiameter, vilket förhindrar en noggrann mätning. Om en låg nanopartikelkoncentration bereds i etanol skulle nanopartiklar kunna skiljas väl åt, men fördelas sparsamt på TEM-nätet (Figur 3C,D). När endast en eller två nanopartiklar visas i varje TEM-bild, behöver fler bilder tas för att få en tillräckligt stor provstorlek och full storlek fördelningen kanske inte exakt fångas. TEM-preparationsprotokollet som beskrivs häri syftar till att producera TEM-bilder med ungefär 10-30 nanopartiklar per bild (fler nanopartiklar kan rymmas per bild om diametern är liten).

TEM kan användas för att utvärdera förändringar i nanopartikelstorlek med en variation i syntesparametrar. Figur 4 visar de genomsnittliga diametrar av MnO nanopartiklar syntetiserade med minskande förhållanden av OA: DE. Diametrar för varje syntes villkor kvantifierades från 75 till 90 TEM bilder, med totalt 900 till 1100 MnO nanopartiklar analyseras per villkor. För att säkerställa reproducerbarhet, 3 partier av nanopartiklar var syntetiserade för varje OA: DE-förhållande. Sammantaget gav en minskning av förhållandet mellan OA:DE mindre MnO nanopartiklar med mindre variation i storlek; det enda undantaget inträffade när OA ensamt användes under syntesen, som producerade liknande storlek nanopartiklar till 30:30 förhållandet. Histogram som visar full storlek fördelning av alla MnO nanopartikelgrupper visas i figur S2.

Efter att ha bekräftat nanopartikelstorlek och morfologi med TEM kan den bulk nanopartikelsammansättningen testas med hjälp av XRD. Genom mätning av vinkel och intensitet hos röntgenstrålen diffracted av provet, XRD kan användas för att bestämma kristallstruktur och fas av nanopartiklarna. Bild 5A-F visar det obearbetade insamlade XRD-spektra för varje syntetiserat MnO-nanopartikelprov med minskande förhållanden på OA:DE. XRD-topparna som erhålls på provspektra matchas mot XRD-toppar från kända föreningar som MnO och Mn3O4 genom XRD-analysprogramdatabasen. Standardtopparna för MnO visas vid 35°, 40°, 58°, 70°, 73°, och 87°, som visas i figur 5G. Vid jämförelse av nanopartikeln XRD spektra med kända MnO, är det uppenbart att alla nanopartikelspektra besitter de 5 högsta topparna av MnO, vilket indikerar framgångsrik syntes av MnO nanopartiklar. XRD kan också utnyttjas för att uppskatta nanopartikelstorlek med hjälp av Scherrer ekvationen; bredare toppar på XRD indikerar mindre nanopartikeldiametrar. Exempelvis är figur 5F med de bredaste XRD-topparna associerad med de minsta nanopartiklarna som TEM visar (18,6 ± 5,5 nm).

Bild 6 visar XRD spektra av två icke-sån produkter i MnO nanopartikelsyntes. För att uppmuntra bildandet av MnO-fasen vid höga temperaturer (280 oC) används kväve under nanopartikelsyntesen för att rensa ut luft ur systemet. Om otillräckligt kväveflöde tillämpas, kan en blandad fas-sammansättning av Mn3O4 (51%) och MnO (49%) produceras (figur 6A). Genom jämförelse med standardtopparna i Mn3O4 (Figur 6C) och MnO (Figur 6D) producerar lågt kväveflöde XRD-spektra med de 8 högsta topparna för Mn3O4 och de 5 högsta topparna för MnO. TEM av nanopartiklar syntetiserade under lågt kväveflöde visade en blandad population av stora nanopartiklar omgivna av mindre nanopartiklar (Figur 6E). Kväveflödet kan övervakas genom kväveregulatoravläsningen och graden av bubblande genom mineraloljebubblaren. En annan kritisk parameter i MnO nanopartikelsyntes är införandet av en stabilisator. I ett försök att producera ännu mindre MnO nanopartiklar än 10:50 OA: DE förhållandet, ren DE användes utan någon OA. En mycket liten mängd av ett okänt pulver syntetiserades i avsaknad av stabilisator. Som framgår av figur 6B, XRD spektra för 0:60 OA: DE förhållandet var bullriga och innehöll de 3 högsta topparna på Mn3O4. Från analys i XRD programdatabasen hade föreningen en kemisk sammansättning av 67% Mn3O4 och 33% MnO. Som stöds av de breda topparna i XRD spektra bekräftade TEM att mycket små nanopartiklar var syntetiserade i avsaknad av stabilisator (Figur 6F). Nanopartiklar verkade också oregelbundet formade och agglomererade. Dessutom erhölls endast en 33% avkastning utan någon stabilisator, vilket innebär att en liten mängd produkt syntetiserades. Därför är högt kväveflöde och införande av en stabilisator som OA eller oljesyra nödvändig för syntes av MnO nanopartiklar.

För att komplettera bulk nanopartikelsammansättning med XRD kan ytsammansättning utvärderas med hjälp av FTIR. I figur 7 visas FTIR-spektra i MnO-nanopartiklar efter bakgrundskorrigering. Alla spektra visar de symmetriska och asymmetriska CH2-topparna (2850-2854 och 2918-2926 cm-1, som kännetecknas av asterisker) som är associerade med 2850-oleylgrupperna60, förutom NH 2-böjningsvibrationstopparna (1593 cm-1 och 3300 cm-1, som kännetecknas av rutor) som är associerade med amingrupperna61.2 Eftersom MnO-nanopartiklar delar samma toppar för oleylgrupper och amingrupper som finns i FTIR-spektra av OA (Figur S3), kan man dra slutsatsen att nanopartiklarna är belagda med ett ytskikt av OA. Vidare innehåller alla nanopartikel FTIR spektra Mn-O och Mn-O-Mn bond vibrationer runt 600 cm-1 (som kännetecknas av trianglar), som bekräftar den sammansättning som finns genom XRD62.

Figure 1
Figur 1: Kväve och vatten flödar genom MnO nanopartikelsyntesen setup.
Slanganslutningar är märkta 1-15. Luftfritt kväve kommer in (1) och går ut (2) torkpelaren och matas in i grenrörets inlopp (3). Under reaktionen rensar kväve luft från systemet genom att gå in i den högra stopcock på grenröret (4). Kväve strömmar från stopcock till glasbågsadaptern (5), rotovapfälla, rund bottenkolv, kondensor, glaspågsadapter (6) och genom en serie av två mineraloljebubblor (7-9). I grenröret kommer överskott av kväve som inte flyter genom reaktionen att lämna systemet genom den vänstra stopcock (10), som är ansluten till mineraloljebubbler med den största mängden silikonolja (11). Stopcock #10 är att alltid vara öppen. Vatten kommer att rinna från kranen (12) genom kondensorns inlopp (13) och utlopp (14) och in i rökhuvens avlopp (15). Slangen är säkrad till kondensorn med metallklämmor. Alla slangar bör vara kemikalieresistenta slangar utom för det vattenkompatibelt slang som används för kondensorn. De viktigaste glasvarorna och utrustningarna är märkta i figur S1. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 2
Figur 2: TEM-bilder av MnO-nanopartiklar som syntetiseras med minskande förhållanden av OA:DE.
Följande förhållanden användes: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. MnO nanopartiklar visas som separata, rundade oktagon med minimal överlappning för att möjliggöra tydlig avsaltning av nanopartikelgränser. Reaktantförhållandet observerades för att påverka den totala nanopartikelstorleken, med 50:10 syntetisera de största nanopartiklarna och 10:50 som producerar de minsta nanopartiklarna. Skala barer är 50 nm. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 3
Bild 3: Suboptimala TEM-bilder som är resultatet av felaktig TEM-rutnätsberedning.
(A,B) Om nanopartikelfjädringen är för koncentrerad eller om överskottsdroppar av nanopartikelfjädring lastas på TEM-nätet kommer nanopartiklar att samlas i stora massor med betydande överlappning. Enskilda nanopartiklar kan inte observeras i de flesta områden av nätet. (C,D) Alternativt kan en låg nanopartikelkoncentration resultera i TEM-nät befolkade med en knapp mängd nanopartiklar. Enskilda nanopartiklar sprids långt ifrån varandra, men kräver fler bilder för att fånga provets befolkningsstorleksfördelning. Skala barer är 50 nm. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 4
Figur 4: Genomsnittliga MnO-nanopartikeldiametrar mätta från TEM-bilder.
I allmänhet resulterade en lägre mängd stabilisator (OA) med en högre mängd organiskt lösningsmedel (DE) i mindre, mer enhetliga MnO-nanopartiklar. Totalt 900 till 1100 nanopartikeldiametrar beräknades på TEM-bilder med hjälp av linjespårverktyget i ImageJ för varje grupp. Felstaplar visar standardavvikelse. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 5
Figur 5: XRD spektra av MnO nanopartiklar syntetiserade med minskande förhållanden av OA:DE.
Följande förhållanden användes: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. (G) Standarddiffraktionstopparna för MnO visas från XRD-analysprogrammets databas. Alla nanopartiklar som produceras uppvisar de 5 högsta intensiteten XRD toppar för MnO, vilket indikerar framgångsrik syntes av MnO nanopartiklar. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 6
Bild 6: XRD-spektra och TEM-bilder av oönskade nanopartiklar.
XRD spektra visas för MnO nanopartikelsyntes med hjälp av (A) lågt kväveflöde och (B) en 0:60 förhållandet av OA:DE (ingen stabilisator är närvarande). Standarddiffraktionstopparna för (C) Mn3O4 och (D) MnO visas från XRD-analysprogrammets databas. Genom jämförelse med standardspektra skapade otillräckligt kväveflöde (A) nanopartiklar med en blandning av Mn3O4 (51%) och MnO (49 %). I avsaknad av oleylamine (B), erhålls ett bredare XRD spektrum, som matchar de 3 högsta topparna av Mn3O4. Baserat på den analys som utförs av XRD-programdatabasen är dessa syntetiserade nanopartiklar 67% Mn3O4 och 33% MnO. TEM-bilder av (E) nanopartiklar syntetiserade med lågt kväveflöde visar stora nanopartiklar omgivna av mindre. TEM-bilder av (F) nanopartiklar syntetiserade med ett 0:60-förhållande av OA:DE-display mycket små aggregerade nanopartiklar med oregelbunden form. Skala barer är 50 nm. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Figure 7
Figur 7: FTIR-spektra av MnO-nanopartiklar som syntetiseras med minskande förhållanden av OA:DE.
Följande förhållanden användes: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Asterisker och rutor motsvarar oleylgrupper respektive amingrupper, medan trianglar anger vibrationerna hos Mn-O- och Mn-O-Mn-bindningar. De förpackade inseterna belyser de två distinkta topparna i oleylgrupper. FTIR-spektra indikerar att MnO-nanopartiklar är belagda med oleylamine, vilket bekräftas genom jämförelse med det enbart FTIR-spektrumet i figur S3. Vänligen klicka här för att visa en större version av denna figur.

Bild S1: Större glas och utrustning av MnO nanopartikelsyntesen setup. Grenröret är säkrat till metallgitter genom metallkloklämmor och sprider kväve i reaktionen. Mn(II) ACAC, dibenzyleter, oleylamine och en omrörningsstång tillsätts till den runda bottenkolven med fyra halsar. Kolvens högra hals är fäst vid rotovapfällan och en armbågsadapter, medan den vänstra halsen är fäst vid en kondensor och en armbågsadapter. Den runda bottenkolvens mittersta hals är täckt med en gummipropp. Temperatursonden förs in i den minsta öppningen av den runda bottenkolven, och omges av en o-ring och paraffinplastfilm för att bilda en lufttät tätning. Den runda bottenkolven sitter ovanpå en värmemantel och en omrörningsplatta för att kraftigt röra om i reaktionen under uppvärmningen. Temperatursonden och värmemantil är anslutna till temperaturregulatorn för att ge automatiserad reglering i realtid av temperaturprofilen. Den runda bottenkolven och kondensorn är säkrade till metallgitter med metallkloklämmor. Det finns tre mineralolja bubblers, två till vänster och en till höger, fylld med ökande mängder av silikonolja från vänster bubblare till höger bubblare i bilden. Bubbeltrarna är också fästa vid metallgitter med kloklämmor. Grön plast koniska gemensamma klipp är fästa vid säkra glasvaror anslutningar innan reaktionen börjar. Röranslutningarna beskrivs närmare i figur 1. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.

Bild S2: Histogram som visar fördelning av MnO-nanopartikelstorlek för minskande förhållanden på OA:DE. Följande förhållanden användes: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Sammantaget när förhållandet närmar sig 10:50 skiftar nanopartikelstorleksfördelningen åt vänster (vilket indikerar mindre diametrar) och blir mer kompakt (vilket indikerar mer enhetlig nanopartikelstorlek). Medeldiametern för varje fördelning visas i figur 4. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.

Figur S3: FTIR-spektrum av oleylamine. Asterisker och rutor representerar oleylgrupperna respektive amingrupperna av oleylamine. Vänligen klicka här för att ladda ner denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Protokollet häri beskriver en facile, one-pot syntes av MnO nanopartiklar med hjälp av Mn(II) ACAC, DE, och OA. Mn(II) ACAC utnyttjas som utgångsmaterialet för att ge en källa till Mn2+ för MnO nanopartikelbildning. Utgångsmaterialet kan enkelt substitueras för att möjliggöra produktion av andra metalloxid nanopartiklar. Till exempel när järn(III) ACAC tillämpas, fe3O4 nanopartiklar kan genereras med hjälp av samma nanopartikel syntes utrustning och protokollsom beskrivs 63. DE fungerar som ett idealiskt organiskt lösningsmedel för termiska nedbrytningsreaktioner, eftersom den har en hög kokpunkt på 295-298 °C. OA är en vanligt förekommande billig stabilisator/milt reduktionsmedel, som hjälper till att tak och samordna metalloxid nanopartikelkärna och tillväxt61,63. I likhet med DE har OA en hög kokpunkt på 350 °C för att klara de höga temperaturerna vid termisk sönderdelning. Följande två observationer kan användas som bevis för framgångsrik generering av MnO-nanopartiklar under syntesen: 1) utseendet på en grön nyans på reaktionsblandningen vid termisk sönderdelning vid 280 °C och 2) bildandet av en mörkbrun stor pellet på botten av centrifugrören efter centrifugering i hexan och etanol. Resulterande nanopartiklar bör ytterligare karakteriseras av TEM, XRD och FTIR att utvärdera storlek / morfologi, bulk sammansättning och ytsammansättning, respektive.

Under nanopartikelsyntesen måste flera variabler noteras och kontrolleras för att säkerställa produktionen av enhetliga nanopartiklar med MnO-kristallinfasen. För det första bör förhållandet mellan alla utgångsmaterial förbli detsamma, eftersom vi har visat att minskande förhållanden mellan OA och DE minskar nanopartikelstorleken (figur 4). För det andra bör reaktionen kraftigt omröras för att möjliggöra tillräcklig spridning av nukleande nanopartiklar, enhetlig uppvärmning och minskning av storleksvariationen. För det tredje, som temperaturen spelar en stor roll i att kontrollera metalloxid nanopartikelstorlek 47,48,50 ochfassammansättning 47,48,50, är det viktigt att ordentligt sänka ner temperatursond spets i reaktionsblandningen samtidigt inte kontakta glaset av den runda bottenkolven som kommer att läsa en felaktig temperatur. Fjärde, flödet av kväve bör vara tillräckligt hög för att rensa all luft från reaktionen att uppmuntra bildandet av MnO kristallin fas över Mn3O4. Som framgår av figur 6Akommer lågt kväveflöde att resultera i nanopartiklar med en blandad MnO/Mn3O4-sammansättning. Korrekt fyllning av mineraloljan bubblare med ökande mängder silikonolja från vänster bubbler (1 tum olja) till mitten bubblare (1,5 inches av olja) till höger bubbler (2 inches av olja) kommer att ställa in motståndet för kväveflödet vara lägst genom reaktionen (#4 i figur 1). Den bubblande bubblaren för den mellersta mineraloljebubblaren (med #7,8 i figur 1) kan användas för att mäta den kvävehastighet som strömmar genom reaktionen. Slutligen måste en stabilisator som OA läggas till reaktionsblandningen för att samordna nanopartikelkärnbildning och tillväxt. Som framgår av figur 6B, DE utan OA skapat en liten mängd produkt, mestadels av en Mn3O4 (67%) Sammansättning. Denna produkt observerades också ha en oregelbunden form med aggregerade nanopartiklar av TEM, som inte uppkom när OA var närvarande i reaktionen (Figur 6F).

Flera variabler av den termiska nedbrytningsreaktionen kan modifieras för att optimera nanopartikelstorlek, morfologi, och sammansättning inklusive typ av inert gas47,48,50, topp reaktionstemperatur44,47,48,49, total reaktionstid44,45,46, och typer/ nyckeltal av inledande kemiska föreningar utnyttjas i reaktionen20,45,47,48,50. Salazar-Alvarez et al.50 och Seo et al.48 har visat att argonflödet under termisk nedbrytning av Mn(II) bildar Mn3O4 vid lägre reaktionstemperaturer med högsta topp som sträcker sig från 150 °C till 200 °C. Vid användning av kväve eller luft uppnådde Nolis et al.47 liknande resultat för Mn(III) ACAC-nedbrytning där Mn3O4 nanopartiklar producerades vid lägre temperaturer (150 oC eller 200 oC) och MnO-nanopartiklar genererades endast vid högre temperaturer (250 °C och 300 °C)47. Högre topp reaktion temperaturer och längre tider hålls vid topp reaktionstemperatur, även känd som den åldrande tid, har också förknippats med en ökning av nanopartikel storlek44,45,46,47,48,49. Dessutom kan reaktionens uppvärmningshastighet påverka nanopartikelstorleken. Schladt et al.44 fann att öka uppvärmningshastigheten från 1,5 °C/min upp till 90 oC/min tappade nanopartikelstorlek från 18,9 nm till 6,5 nm, respektive. Slutligen kan olika kemikalier tillsättas som reduktionsmedel och stabilisatorer i mangan termiska nedbrytningsreaktioner; dock OA20,47,48,50 och oljesyra20,45 används oftast. Förhållandet mellan OA och oljesyra har bevisats påverka kemin och formen av syntetiserade MnO nanopartiklar. Enligt Zhang et al.20, OA endast resulterat i bildandet av Mn3O4 nanopartiklar, en kombination av OA och oljesyra ledde till en blandning av Mn3O4 och MnO nanopartiklar, och oljesyra endast produceras MnO nanopartiklar. Intressant, erfarenheten visar att MnO nanopartiklar kan vara fabricerade med OA bara, och att oljesyra är inte nödvändigt att främja bildandet av MnO kristallina fasen. Vidare, användning av OA av sig själv fabricerade sfäriska nanopartiklar, medan oljesyra ensam genereras stjärnan formade nanopartiklar20,64. Det är uppenbart att det finns mycket flexibilitet i att ändra syntesparametrar för att påverka resulterande fysiska och kemiska egenskaper hos MnO nanopartiklar.

Trots det detaljerade protokollet kan instanser uppstå som kräver felsökning. Följande stycke detaljer några vanliga frågor och lösningar. Under reaktionen, om temperaturen verkar stabiliseras runt 100 °C, kan en del vatten ha läckt ut i värmemantenlen. Synligt inspektera omgivningen för vattenläckage från kondensorn. Rör inte direkt manteln eller rund bottenkolven utan värmetåliga handskar, eftersom de kommer att vara mycket varma. Om vatten observeras, stäng omedelbart av temperaturregulatorn, dra ur värmemantenlen och låt den torka över natten. För att förhindra framtida läckage, använd en förreglade snäckväxelslangsklämma för att säkra vattenslangen till kondensorn. I det fallet att den önskade produkten är MnO, men endast Mn3O4 produceras, är det viktigt att kontrollera kväveflödet under reaktionen. Den mellersta bubblaren bör ha en konstant ström av bubblor (se videon för korrekt bubblande takt), medan rätt bubbler bör bara ha en eller två bubblor bildas i den. Felaktigt kväveflöde kan uppstå om de differentiella silikonoljenivåerna i varje mineraloljebubbler inte bibehålls. Kontrollera oljenivåerna före varje experiment och fyll upp bubblarna enligt steg 1.5 om det behövs. Under nanopartikelsamlingen anger protokollet att man häller ut supernatanten utan att störa nanopartikelpellet. Det bästa sättet att kasta supernatant är att hälla ut den med en snabb kontinuerlig rörelse snarare än en långsam. Om pelleten blir lätt lossad från centrifugröret rekommenderas dock användning av en överföringspipett för att avlägsna supernatanten. Under nanopartikel insamling och TEM grid förberedelse, bad ultraljudsbehandling är ett viktigt steg. Om nanopartiklarna inte resuspending korrekt, flytta röret runt vattenbad sonicator tills ett område är beläget där ultraljudsbehandling kan kännas av handen håller röret. Nanopartikel pelleten kan också synbart ses sönderdelas under starkt bad ultraljudsbehandling om röret är på rätt plats. Efter återfjädring av nanopartikel är det viktigt att TEM-nätet är upphängt i luften med omvänd pincett i stället för att placeras på en torka eller direkt på en absorberande bänkyta. Den torka eller absorberande bänkytan kommer att veke nanopartikel suspensionen bort av TEM nätet innan torkning, vilket resulterar i otillräcklig nanopartikel nedfall på nätet för avbildning.

Även om den termiska nedbrytningsreaktionen är ganska enkel och okomplicerad att följa för att syntetisera MnO-nanopartiklar, finns det vissa begränsningar som är förknippade med metoden. Även om det är möjligt att kontrollera de fysiska och kemiska egenskaperna hos nanopartiklar i viss utsträckning, vissa variabler såsom temperatur och åldrande tid inverkan både nanopartikel storlek och fas sammansättning samtidigt. Därför är det svårt att alltid ha exakt oberoende kontroll av nanopartikel egenskaper med denna metod. Dessutom kan uppskalning av nanopartikelsyntesen genom tredubbling eller fyrdubbling av mängderna utgångsmaterial orsaka att reaktionen blir instabil och våldsam. Större satsstorlek är också associerad med en minskad avkastning. Vidare, trots lagring av MnO nanopartiklar inuti utjämnade scintillation injektionsflaskor insvept i paraffin plastfilm, har vi sett oxidation av nanopartikelytan till Mn3O4 som utvärderas av röntgen fotoelektronspektroskopi. Slutligen kommer de MnO-nanopartiklar som genereras av denna teknik att vara hydrofoba och utjämnade med OA (figur 7). Ytterligare ytmodifiering för att övergå till nanopartiklar till ett hydrofilt tillstånd kommer att behöva tillämpas för att möjliggöra nanopartikelfjädring i vattenhaltiga medier. Flera metoder har upprättats för att främja spridningen av nanopartiklar i biologiska lösningar inklusive nanopartikel inkapsling insidan av polymerer14, beläggning av nanopartikelytan med lipider52, eller ligand utbyte att ersätta OA på nanopartikelytan med hydrofila ligander såsom poly(akrylsyra)20. För att uppnå inkapsling av MnO nanopartiklar inom poly(mjölksyra-co-glykolsyra) (PLGA) polymer, följ McCall och Sirianni detaljerade JoVE protokoll65; MnO nanopartiklar kan tillsättas direkt i PLGA-polymerlösningen enligt beskrivningen för hydrofoba läkemedel i steg 8 i avsnittet Nanopartikelberedning. MNO nanokristallfördelning insidan av PLGA nanopartiklar kan bedömas med hjälp av TEM och lastning av Mn inuti PLGA polymeren kan bestämmas genom termogravimetrisk analys som visas i Bennewitz et al.14.

Även om MnO nanopartiklar kan utnyttjas för en mängd olika tillämpningar på grund av deras magnetiska, elektroniska och katalytiska egenskaper, är vi intresserade av att tillämpa MnO nanopartiklar som omkopplingsbara, T1 MRI kontrastmedel. Tidigare har vår grupp och andra visat att intakta MnO nanopartiklar har försumbar T1 MRI kontrast (MRI signal är "OFF") vid fysiologiska pH 7.4 härma blodet14,15,16,17,18,19. Dock löser MnO att skapa betydande Mn2 + joner vid låga pH 5 härma cellulära endosomes; släppt Mn2+ kommer att samordna med omgivande vattenmolekyler för att slå "ON" MRI signal vid lågt pH14,15,16,17,18,19. MNO nanopartiklar kan lokaliseras till olika celler av intresse, såsom cancerceller, genom tillsats av inriktning av peptider eller antikroppar mot nanopartikelytan51,66. Här beskriver vi syntesen av MnO nanopartiklar med en genomsnittlig diameter som sträcker sig från 18,6 nm till 38,8 nm. Kontroll av nanopartikelstorlek kan vara användbart för att förbättra MRI kontrastmedel effektivitet. Specifikt förväntas det att större nanopartiklar kommer att ha mer yta för fastsättning av inriktning ligander för att förbättra nanopartikel ackumulering på platsen av intresse såsom tumörer. Den totala nanopartikelstorleken med tillsatta ytgrupper bör dock begränsas till 50-100 nm för att maximera tumöransamlingen67,68. Mindre nanopartiklar, å andra sidan, har en högre yta-till-volym-förhållande för att underlätta snabbare frisättning av Mn2 + under sura miljöer och bör möjliggöra förbättrade nanopartikel förpackningsvolymer insidan av polymera leveranssystem. Syntes av MnO över Mn3O4 bör också förbättra MRI kontrast, som MnO har visat sig upplösa snabbare än Mn3O4 i koncentrerade sura lösningar för att generera mer Mn2 + joner69. Sammanfattningsvis har vi beskrivit ett termiskt nedbrytningsprotokoll för tillverkning av MnO-nanopartiklar som är relativt okomplicerat och anpassningsbart för att möjliggöra optimering av nanopartikeldesign för framtida användning i applikationer som smarta MRI-kontrastmedel, biosensorer, katalysatorer, batterier och vattenrening.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Detta arbete stöddes av WVU Chemical and Biomedical Engineering Department startup funds (M.F.B.). Författarna vill tacka Dr Marcela Redigolo för vägledning om rutnät förberedelse och bildfångst av nanopartiklar med TEM, Dr Qiang Wang för stöd om utvärdering av XRD och FTIR spektra, Dr John Zondlo och Hunter Snoderly för programmering och integrera temperaturen controller i nanopartikel syntes protokoll, James Hall för hans hjälp i montering av nanopartikelsyntesen setup , Alexander Pueschel och Jenna Vito för medhjälp i kvantifiering av MnO-nanopartikeldiametrar från TEM-bilder, och WVU Shared Research Facility för användning av TEM, XRD och 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 Utgåva 160 nanopartiklar mangan(II) acetylacetonat manganoxid oleylamine dibenzyleter termisk sönderdelning magnetisk resonanstomografi röntgendiffraktion transmissionselektronmikroskopi Fourier-transform infraröd spektroskopi
Manganoxid nanopartikelsyntes genom termisk sönderdelning 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