Stabiele waterige suspensies van mangaan ferrietclusters met instelbare nanoschaaldimensie en -samenstelling

In deze video presenteren we de synthese van super paramagnetische mangaan ferriet nanoclusters. We rapporteren een eenpotige hydrothermale synthese van mangaan ferrietclusters of MFC's die onafhankelijke controle biedt over zowel primaire nanokristal- als clusterdimensie, evenals de verhouding tussen ijzer en mangaan. Magnetische scheiding maakt een snelle monsterzuivering mogelijk, terwijl servicefunctionalisatie met behulp van een gesulfoneerd polymeer ervoor zorgt dat de materialen niet-aggregerend zijn, zelfs in biologisch relevante waterige oplossingen.

De resulterende producten zijn goed gepositioneerd voor toepassingen in de biotechnologie en geneeskunde. Was en droog al het glaswerk grondig om te gebruiken in de synthese. De hoeveelheid water in de synthese heeft invloed op de afmetingen van de MFC's.

Het is dus cruciaal om ervoor te zorgen dat het glaswerk geen restwater bevat. Om het glaswerk te wassen, spoel het af met water en afwasmiddel en schrob je met een FLAS-borstel om vuil te verwijderen. Spoel grondig om alle reinigingsmiddelen te verwijderen en eindig met het spoelen van gedeïoniseerd water.

Spoel de met polyfenol beklede reactoren met 37% zoutzuur om vuil van eerder gebruik te verwijderen. Om dit te doen, plaatst u de reactoren en hun doppen in een groot bekerglas en vult u met zoutzuur totdat de reactoren volledig onder water staan. Laat dit 30 minuten zitten voordat je het zoutzuur eruit giet.

Spoel het bekerglas continu met de reactoren met water gedurende één tot twee minuten en plaats de reactoren vervolgens in de oven om te drogen. Gebruik een automatische pipet om 20 milliliter ethyleenglycol over te brengen in een bekerglas van 50 milliliter met een magnetische roerstaaf. Weeg de vereiste hoeveelheid ijzerchloride af om een eindconcentratie van 1,3 millimolair te bereiken en voeg deze toe aan het bekerglas.

Leg het bekerglas op een roerplaat en zet het aan bij 480 RPM om te beginnen met het continu roeren van het bekerglas. Weeg 250 milligram polyacrylzuur af en voeg het toe aan het bekerglas. Na de toevoeging van PAA wordt de oplossing ondoorzichtig en iets lichter van kleur.

Weeg 1,2 gram ureum af en voeg het toe aan het bekerglas. Voeg met een pipet 0,7 millimol-mangaanchloride toe aan het bekerglas. Voeg ten slotte met behulp van de pipet de vereiste hoeveelheid ultrazuiver water toe aan het bekerglas.

Laat de oplossing dertig minuten roeren en merk de kleurverandering op. Het presenteert zich als een doorschijnende donkeroranje kleur. Breng het reactiemengsel over in de PPL-reactor.

Merk op dat nadat de oplossing is geroerd, sommige vaste stoffen zich aan de zijkanten van het bekerglas kunnen hebben opgehoopt. Gebruik een magneet om de roerstaaf rond de wanden van het bekerglas te slepen om ervoor te zorgen dat alle vaste stoffen die zich aan de zijkanten hebben opgehoopt, in de reactieoplossing worden verspreid. Zodra de oplossing is gemengd en klaar is, brengt u deze over in de met PPL beklede reactor van 50 milliliter.

Gebruik een klem en hendel om de reactor in de roestvrijstalen autoclaaf zo goed mogelijk af te sluiten. Klem het reactorvat op een stabiel oppervlak en gebruik een staaf, steek het als een hefboom in de dop, duw de reactor om af te sluiten. Merk op dat de verzegelde reactor niet met de hand mag kunnen worden geopend.

Dit is cruciaal omdat de hogedrukomgeving van de oven een strakke afdichting van de reactor vereist. Plaats een reactor gedurende 20 uur in een oven bij 215 graden Celsius. Nadat de hydrothermale reactie is voltooid, verwijdert u de reactor uit de oven en laat u deze afkoelen tot kamertemperatuur.

Door de druk van de oven kan de reactor met de hand worden geopend. Merk op dat de reactor op dit punt het MFC-product zal bevatten dat is gedispergeerd in ethyleenglycol met andere onzuiverheden, zoals niet-gereageerd polymeer. En zal ondoorzichtige zwarte oplossing zijn.

Het product wordt geïsoleerd in de volgende stappen. Doe 200 milligram staalwol in een glazen injectieflacon. Vul de glazen injectieflacon halverwege met het reactiemengsel van de reactor.

Vul de rest van de injectieflacon met aceton en schud goed. Merk op dat de staalwol de magnetische veldsterkte in de injectieflacon verhoogt en de magnetische scheiding van de nanoclusters van de oplossing zal helpen. Plaats de injectieflacon op een magneet zodat er magnetische opvang kan plaatsvinden.

Het resultaat is een doorschijnende oplossing met neerslag aan de onderkant. Giet de bovennatuurlijke oplossing af terwijl de MFC's magnetisch worden opgesloten door de staalwol door de magneet tijdens het gieten op de bodem van de injectieflacon te houden. Ethyleenglycol zal in deze stap grotendeels worden verwijderd.

Begin met wassen met de lage verhouding van aceton tot water en verhoog de verhouding in volgende wasbeurten tot ze zuiver zijn. Doe dit drie tot vier keer. Verwijder de injectieflacon uit de magneet en vul deze met water.

Schud goed om de MFC's op te lossen. Nu zal het product volledig worden gedispergeerd in water. Herhaal de vorige twee stappen meerdere keren totdat de waterige oplossing van de MFC's geen bubbels produceert wanneer ze worden geschud.

Het resultaat is een donkere ondoorzichtige ferrofluïde die sterk zal reageren op magneten. Om onze clusters stabiel te houden, modificeren we ze met een co-polymeer, PAA-co-AMPS-co-PEG, dat zowel sterische als elektrostatische afstoting biedt. De sulfonaatgroep van de AMPS-eenheden zorgt voor ladingstabilisatie, terwijl de PEG-eenheid de interclusteraggregatie stericisch belemmert.

Over het algemeen zullen de aangepaste clusters stabiel blijven, zelfs in verschillende soorten zware omstandigheden. Combineer 10 milliliter gezuiverde nanodeeltjes in een injectieflacon van 20 milliliter met 10 milliliter verzadigde Nitra dopamine-oplossing. Wacht vijf minuten.

Was de Nitra dopamine gecoate MFC's met behulp van magnetische scheiding. Giet het lichtgele supernatant uit. Voeg water toe en schud krachtig.

Giet vervolgens water uit met behulp van de magneet om het product vast te houden. Herhaal deze wasbeurt meerdere keren en laat de donkerbruine verzameling in de injectieflacon achter. Meng een milliliter EDC-oplossing, een milliliter MES-buffer en drie milliliter polymeeroplossing.

Roer het mengsel lichtjes door het mengsel te draaien en laat het ongeveer vijf minuten staan. Het moet een heldere en kleurloze oplossing zijn wanneer het volledig wordt gecombineerd. Voeg dit mengsel toe aan de MFC-collectie en plaats de injectieflacon in een ijsbad.

Laat de sonde sonicator in de oplossing zakken en schakel deze vervolgens in. Voeg na een ultrasoonapparaatbehandeling van vijf minuten ongeveer vijf milliliter ultrazuiver water toe aan de injectieflacon terwijl de sonicator nog steeds draait. Blijf het schip controleren om ervoor te zorgen dat er geen product morst.

Houd het ijs in het ijswatermengsel, omdat een deel van het initiële ijs zal smelten vanwege de intensiteit en warmte van de ultrasoonapparaat. Laat het mengsel nog eens 25 minuten soniceren gedurende in totaal 30 minuten. Plaats de injectieflacon bovenop een magneet om de MFC's te scheiden en giet de supernatantoplossing uit.

Was de gemodificeerde MFC's meerdere keren met gedeïoniseerd water. Vul de injectieflacon met de MFC's met ultrazuiver water. Pipetteer deze vloeistof in een vacuümfiltratiesysteem met een polyethersulfaatmembraanfilter van 0,1 micron om onomkeerbaar geaggregeerde MFC's te verwijderen.

Zorg ervoor dat u de wanden van de trechter doorspoelt om verlies van product te minimaliseren. Vacuümfilter de oplossing. Herhaal dit proces twee tot drie keer.

Het resultaat zal een gezuiverde waterige oplossing van monodispergeerbare MFC's zijn. MFC's worden geïsoleerd wanneer de magnetische scheidingsmethode een hogere monodispergeeriteit heeft dan die gescheiden met ultracentrifugatie, zoals hier weergegeven. Hier zien we TEM-beelden van gezuiverde nanoclusters, in volgorde van toenemende gemiddelde clusterdiameter.

Aangegeven als DC.De hoeveelheid water die in het eerste reactiemengsel wordt toegevoegd, bepaalt de diameter van de nanoclusters. Het toevoegen van meer water in de reactie resulteert in nanoclusters met kleinere diameters, terwijl minder water hun diameters vergroot. Op deze manier heeft de experimentator controle over de grootte van het nanoclusterproduct.

Hier zien we TEM-beelden van nanoclusters in volgorde van toenemende mangaan/ijzer molaire verhouding. De verhouding van mangaan tot ijzerprecursoren in het beginreactiemengsel bepaalt de molaire verhouding van de metalen in het clusterproduct. Het verhogen van de mangaan-ijzerverhouding in de synthese zal deze verhouding in de clusters verhogen, en vice versa.

De volgende TEM-afbeeldingen tonen daarentegen monsters met onregelmatige morfologieën. Zoals te zien is op de linker afbeelding, werd de uit vorm gemorste cluster geproduceerd met uitsluiting van extra water. Dit belemmert de dynamische assemblage van de primaire nanokristallen die nog clusters moeten vormen.

Het monster in de afbeelding rechts had onvoldoende reactietijd, wat niet genoeg was voor primaire nanokristalgroei en clusterrijping. Deze slechte resultaten tonen aan dat een passende hoeveelheid van de reactant en reactietijd nodig is om consistent succesvolle resultaten te bereiken. Hier plaatsen we een voorbeeld van de originele PAA-gecodeerde clusters in PBS-buffer aan de linkerkant.

Aan de rechterkant doen we hetzelfde met een equivalente hoeveelheid van de gemodificeerde PAA co-AMPS-co-PEG gecodeerde clusters. Let op de snelle aggregatie van de PAA-gecodeerde clusters, terwijl de gemodificeerde clusters lange tijd stabiel blijven. Dit suggereert de verbeterde colloïdale stabiliteit als gevolg van de copolymeercodering.

Kortom, onze synthese maakt de snelle en efficiënte productie van mangaan ferrietclusters mogelijk. De synthese creëert onafhankelijk afstembare clusterdimensie en -samenstelling door eenvoudig de toevoeging van water en mangaan aan ijzerprecursorverhouding te regelen. We kunnen deze methode gemakkelijk aanpassen om verschillende maar voorspelbare magnetische nanomaterialen te bereiken.

Verder bereiken de magnetische scheidings- en servicefunctionalisatietechnieken respectievelijk een hoge monodispergeeriteit en een sterke stabiliteit in biologische media. Onze methode zorgt voor een grotere toegankelijkheid in de clusters productie en wijdverspreide toepassing op verschillende gebieden.