Wielofunkcyjne hybrydowe nanocząstki Fe2O3-Au do wydajnego ogrzewania plazmonicznego
20 lutego 2016
Opisujemy syntezę i właściwości wielofunkcyjnych nanocząstek Fe2O3-Au wytwarzanych metodą mokrej chemii i badamy ich właściwości fototermiczne za pomocą promieniowania laserowego. Kompozytowe nanocząstkiFe2O3-Au zachowują właściwości obu materiałów, tworząc wielofunkcyjną strukturę o doskonałych właściwościach magnetycznych i plazmonicznych.
Ogólnym celem tego badania jest zbadanie właściwości nowej klasy wielofunkcyjnych nanocząstek złota tlenku żelaza wytwarzanych metodą mokrego podejścia chemicznego i pokazanie, w jaki sposób mogą one skutecznie przekształcać światło w ciepło poprzez efekty plazmoniczne. Jednym ze sposobów na obniżenie kosztów związanych z nanocząstkami metali szlachetnych do zastosowań przemysłowych jest stworzenie tańszych alternatyw, które mają te same właściwości za ułamek kosztów. Na przykład nanocząstki złota tlenku żelaza mogą fototermicznie podgrzewać roztwory wodne równie wydajnie, jak nanocząstki czystego złota, zachowując przy tym pierwotne właściwości tych ostatnich.
Ze względu na niski koszt i unikalne właściwości, nasze nanocząstki mogą być wykorzystywane do takich zastosowań, jak manipulacja fototermiczna AnaLight, obrazowanie i wykrywanie biomedyczne, przetwarzanie analityczne i wykrywanie magnetyczne. Aby rozpocząć tę procedurę, przygotuj 25-milimolowy roztwór podstawowy tlenku żelaza w wodzie dejonizowanej. Dodaj 10 mililitrów wody dejonizowanej i mieszadło do 25-mililitrowej kolby stożkowej.
Po umieszczeniu kolby na bloku grzewczym dodać 100 mikrolitrów roztworu podstawowego tlenku żelaza i podgrzewać mieszaninę, mieszając przez około pięć minut. Następnie przygotuj 10 mililitrów 1% roztworu cytrynianu sodu, rozpuszczając 0,1 grama cytrynianu sodu w 10 mililitrach wody. Dodać 1 mililitr 1% roztworu cytrynianu sodu do kolby zawierającej roztwór tlenku żelaza.
Po podgrzaniu roztworu do 100 stopni Celsjusza dodać do kolby 250 mikrolitrów 0,01 molowego kwasu chloroaurowego. Kontynuuj podgrzewanie roztworu w temperaturze 100 stopni przez 10 minut. Następnie wyjmij roztwór z bloku grzewczego i pozwól mu ostygnąć do temperatury pokojowej przez jedną do dwóch godzin.
Następnie należy oczyścić próbki przez odwirowanie przez siedem minut przy 4 700 x g. Po zakończeniu usunąć supernatant z próbek. Następnie ponownie rozprowadź nanocząstki w maksymalnie jednym mililitrze wody dejonizowanej.
Aby scharakteryzować nanocząstki, umieść trzy mililitry czerwonawo-brązowego roztworu wodnego w kuwecie z metakrylanu. Umieść zakupiony w handlu magnes w pobliżu kuwety. W tym momencie włącz zasilanie lasera i balans.
Okienka wagi należy ustawić w taki sposób, aby nie zasłaniały ścieżki lasera ani nie blokowały termopar na podczerwień. Po zdjęciu osłon ochronnych z termopar IR otwórz program do zbierania danych, kliknij Uruchom i nazwij pomiar Rozgrzewka.Podczas nagrzewania się systemu, w kapturze przygotuj próbkę, pipetując odpowiednią ilość pożądanego roztworu do kuwety z metakrylanu. Dostosuj moc lasera do najniższego ustawienia, które wytwarza ledwo widoczną wiązkę.
Sprawdź, czy plamka wiązki laserowej jest wolna od przeszkód i pozostaje w ognisku termopary IR. Następnie umieść próbkę na ramieniu równoważącym, tak aby bok kuwety był prostopadły do wiązki pomiarowej IR termopary, a plamka wiązki laserowej uderzała w środek roztworu. Zmniejsz moc lasera, aż wiązka przestanie być widoczna.
Po zakończeniu rozgrzewki zatrzymaj program pomiarowy i wyjdź z oprogramowania. Po ponownym wyzerowaniu salda i otwarciu programu do zbierania danych kliknij przycisk Uruchom i utwórz nazwę pliku danych. Rozpocznij zbieranie danych, klikając przycisk Zapisz.
Po 120 sekundach zbierania danych zwiększ moc lasera do żądanego ustawienia. Po zbieraniu danych przez kolejne 1000 sekund ustaw moc lasera na minimalne ustawienie i wyłącz zasilanie lasera. Po zakończeniu eksperymentu wyjdź z programu.
Po wyłączeniu wszystkiego i odzyskaniu całego sprzętu zapisz dane eksperymentalne w formacie ascii do dalszego przetwarzania. Analiza SEM ujawnia morfologię nanocząstek złota tlenku żelaza, pokazując agregaty zaokrąglonych, nieregularnych cząstek tlenku żelaza, które wydają się być funkcjonalizowane mniejszymi, jasnymi i zaokrąglonymi nanocząstkami złota. Wyraźny pik absorbancji w widmie UV-Vis-NIR nanocząstek hybrydowych obserwuje się przy 520 nanometrach i przypisuje się go trybowi LSPR nanocząstek złota, funkcjonalizującemu tlenek żelaza.
Widma absorbancji UV-Vis roztworu reakcyjnego wykazują początkową niewielką absorbancję światła widzialnego, przypisywaną nanocząstkom tlenku żelaza rozproszonym w roztworze. W miarę postępu reakcji po 1,5 minuty tworzy się pik, który odpowiada tworzeniu się i osadzaniu się nanocząstek złota na powierzchni tlenku żelaza. Pomiary ogrzewania fototermicznego tlenku żelaza, złota i nanocząstek złota wykazują niemal identyczny profil temperaturowy, przy wzroście temperatur o ponad 40 stopni Celsjusza.
Eksperyment z wodą dejonizowaną nie wykazuje żadnych zmian, co pokazuje, że wzrost temperatury w roztworach nanocząstek jest spowodowany wyłącznie rozpraszaniem pochłoniętej energii elektromagnetycznej w nanocząstkach. Zmiana masy roztworu nanocząstek jest znacznie większa niż szybkość parowania tła, co wskazuje na wystarczająco wysokie temperatury powierzchni, aby wytwarzać parę ze znaczną prędkością. Po opanowaniu tej techniki można ją wykonać w ciągu dwóch godzin, jeśli jest wykonywana prawidłowo.
Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby używać czystego szkła laboratoryjnego, aby zapewnić powtarzalne wyniki. Po tej procedurze można wykonać inne metody, takie jak mikroskopia elektronowa, UV-Vis i DLS, w celu ustalenia, czy wystąpiły jakiekolwiek uszkodzenia wywołane laserem. Podczas pracy z otwartymi wiązkami lasera należy podjąć odpowiednie środki ostrożności, takie jak ustawienie systemu przy minimalnych mocach lasera, sprawdzanie obcych odbić blokujących błądzące i zamykanie lasera, gdy tylko jest to możliwe, oraz noszenie odpowiednich okularów ochronnych do lasera, gdy jest to konieczne.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak produkować tanie nanocząstki w dużych ilościach oraz jak generować ukierunkowane ciepło bezprzewodowo i na żądanie do zastosowań w świecie rzeczywistym.
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje syntezę i właściwości wielofunkcyjnych nanocząstek tlenku żelaza i złota otrzymanych metodą mokrochemiczną. Nanocząstki wykazują doskonałe właściwości magnetyczne i plazmoniczne, co umożliwia efektywne ogrzewanie fototermiczne za pomocą naświetlania laserowego.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Synteza nanocząsteczek
- Właściwości fototermiczne
- Zastosowania biomedyczne
Wstęp
- Nanocząstki tlenku żelaza i złota stanowią kostoeffektywną alternatywę dla nanocząstek czystego złota.
- Mogą one efektywnie przekształcać światło w ciepło dzięki efektom plazmonicznym.
- Nanocząstki te zachowują właściwości zarówno tlenku żelaza, jak i złota.
- Zastosowania obejmują manipulację fototermalną oraz obrazowanie biomedyczne.
Cel badania
- Synteza wielofunkcyjnych nanocząstek tlenku żelaza i złota.
- Ocena ich właściwości fototermalnych.
- Badanie ich potencjalnych zastosowań w różnych dziedzinach.
Zastosowane metody
- Przygotowanie roztworów tlenku żelaza i cytrynianu sodu.
- Podgrzewanie i mieszanie roztworów w celu syntezy nanocząsteczek.
- Wirowanie w celu oczyszczenia nanocząsteczek.
- Charakterystyka z wykorzystaniem spektroskopii UV-Vis i analizy SEM.
Główne wyniki
- Nanocząsteczki wykazały wyraźny szczyt absorbancji przy 520 nm.
- Pomiary ogrzewania fototermicznego wykazały wzrost temperatury o ponad 40 °C.
- Wykazano efektywne ogrzewanie w roztworach wodnych.
- Wyniki sugerują potencjał do zastosowań przemysłowych.
Wnioski
- Nanocząstki tlenku żelaza-złota stanowią praktyczną alternatywę dla nanocząstek metali szlachetnych.
- Mogą być one produkowane w dużych ilościach przy niższych kosztach.
- Nanocząstki te mają znaczny potencjał w zastosowaniach praktycznych.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Wielofunkcyjne nanocząsteczki Fe2O3-Au stanowią kosztowo efektywną alternatywę dla nanocząsteczek czystego złota w zastosowaniach fototermalnych, umożliwiając wydajną transdukcję światła na ciepło przy jednoczesnym zachowaniu funkcjonalności magnetycznej. Podejście to wspiera wczesną walidację celów oraz ograniczanie ryzyka mechanistycznego, zapewniając regulowaną i skalowalną platformę do badania hipotez terapeutycznych w systemach istotnych dla przebiegu chorób. Technologia ta zwiększa pewność prognostyczną w procesach identyfikacji wiodących związków dzięki powtarzalnym, ilościowym odczytom termicznym, które stanowią podstawę do podejmowania decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań.
Zastosowania strategiczne w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez grzanie plazmoniczne kontrolowane przez projekt nanocząsteczek.
- Wartość operacyjna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego dzięki powtarzalnym profilom temperatury w roztworach wodnych.
- Wartość prognostyczna: Ułatwia selekcję projektów w portfolio poprzez korelację odpowiedzi fototermicznej z ładunkiem i rozmiarem nanocząsteczek.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Dostarcza mierzalnych zmian temperatury objętościowej oraz ubytku masy jako zmiennych zależnych w celu standaryzacji testu.
- Wartość operacyjna: Wykorzystuje łatwo dostępny sprzęt (termopary IR, wagę, laser) do skalowalnych procesów przesiewowych.
- Gotowość testu: Umożliwia przygotowanie zwalidowanych roztworów nanocząstek do późniejszej oceny związków w testach fototermicznych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Ciągłość translacyjna: Magnetyczny rdzeń Fe2O3 umożliwia odzysk i ponowne wykorzystanie po eksperymencie, co wspiera podłużne badania przedkliniczne.
- Redukcja ryzyka mechanistycznego: Oddziela ogrzewanie plazmoniczne od parowania tła poprzez pomiary ubytku masy, co zwiększa pewność w odniesieniu do celu.
- Układ istotny dla przebiegu choroby: Stabilność nanocząstek w mediach wodnych umożliwia modelowanie warunków fizjologicznych dla zastosowań w hipertermii.
Integracja potoków i przepływów pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum odkrywania leków – od walidacji celu po identyfikację związku wiodącego, w którym ogrzewanie plazmoniczne służy jako mechanistyczny odczyt wpływu związków na systemy funkcjonalizowane nanocząsteczkami.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez poprzez umożliwienie precyzyjnej, indukowanej laserowo modulacji termicznej środowisk biologicznych.
- Przesiewanie: Dostarcza powtarzalnych wyników ilościowych (wzrost temperatury >40°C, ubytek masy) w celu potwierdzenia trafień w badaniach fototermicznych.
- Analityka: Piku UV-Vis przy 520 nm zapewnia odczyt plazmoniczny dla kontroli spójności partii i charakterystyki nanocząstek.
- Badania translacyjne: Odzysk magnetyczny ułatwia przejście od etapu odkryć do walidacji przedklinicznej poprzez umożliwienie ponownego wykorzystania nanocząstek.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Protokół wykorzystuje syntezę kompatybilną z powietrzem/wodą oraz standardowy sprzęt laboratoryjny, co wspiera adaptację międzyplatformową.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Redukuje niejednoznaczność mechanistyczną w badaniach fototermalnych poprzez oddzielenie grzania plazmonicznego od efektów rozpuszczalnika.
- Wartość operacyjna: Standaryzacja dzięki regulowanemu rozmiarowi, kształtowi i ilości Au oraz oczyszczanie poprzez wirowanie zapewniają spójność między partiami.
- Wartość strategiczna: Niskokosztowa synteza poprawia efektywność kapitałową i umożliwia wysokoprzepustowe przesiewanie bez ponoszenia wysokich kosztów metali szlachetnych.
- Wpływ na portfolio: Decyzje o rozwoju skorygowane o ryzyko są podejmowane na podstawie korelacji projektu nanocząsteczek z progami wydajności termicznej.
Uwagi dotyczące implementacji
- Wymaga wiedzy specjalistycznej w zakresie syntezy nanocząstek oraz technik charakterystyki plazmonicznej.
- Wymaga infrastruktury bezpieczeństwa laserowego, termopar IR, wagi analitycznej oraz spektrometru UV-Vis.
- Wymaga standaryzacji stężeń substratów, środków redukujących i surfaktantów w celu uzyskania powtarzalnego obciążenia Au.
- Adaptacja do systemów biologicznych może wymagać funkcjonalizacji powierzchni w celu zapobiegania agregacji w złożonych mediach.
- Ograniczenie praktyczne: pomiary temperatury w całej objętości mogą niedoszacowywać lokalnego nagrzewania powierzchniowego na granicy faz nanocząstki.
