Stabilne zawiesiny wodne klastrów ferrytu manganu o przestrajalnym wymiarze i składzie w nanoskali

W tym filmie prezentujemy syntezę super paramagnetycznych nanoklastrów ferrytowych manganu. Informujemy o jednogarnkowej syntezie hydrotermalnej klastrów ferrytu manganu lub MFC, która zapewnia niezależną kontrolę zarówno nad pierwotnym wymiarem nanokryształu, jak i klastra, a także stosunkiem żelaza do manganu. Separacja magnetyczna pozwala na szybkie oczyszczenie próbki, a funkcjonalizacja usługowa przy użyciu sulfonowanego polimeru zapewnia, że materiały nie ulegają agregacji, nawet w biologicznie istotnych roztworach wodnych.

Uzyskane w ten sposób produkty są dobrze przygotowane do zastosowań w biotechnologii i medycynie. Umyj i dokładnie osusz wszystkie naczynia szklane, które mają być użyte w syntezie. Ilość wody w syntezie ma wpływ na wymiary MFC.

Dlatego ważne jest, aby upewnić się, że szklane naczynia nie zawierają resztek wody. Aby umyć szkło, spłucz je wodą z detergentem i wyszoruj szczotką LAS, aby usunąć zanieczyszczenia. Dokładnie spłucz, aby usunąć cały detergent i zakończ płukaniem wodą dejonizowaną.

Przepłucz reaktory wyłożone polifenolami 37% kwasem solnym, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia po poprzednim użyciu. W tym celu należy umieścić reaktory i ich nasadki w dużej zlewce i napełnić kwasem solnym, aż reaktory zostaną całkowicie zanurzone. Pozostaw na 30 minut przed wylaniem kwasu solnego.

Ciągle płukać zlewkę z reaktorami wodą przez jedną do dwóch minut, a następnie umieścić reaktory w piecu do wyschnięcia. Za pomocą pipety automatycznej przenieś 20 mililitrów glikolu etylenowego do 50-mililitrowej zlewki z mieszadłem magnetycznym. Odważyć wymaganą ilość chlorku żelaza, aby osiągnąć końcowe stężenie 1,3 milimola i dodać do zlewki.

Umieść zlewkę na płytce mieszającej i włącz ją z prędkością 480 obr./min, aby rozpocząć ciągłe mieszanie zlewki. Odważyć 250 miligramów kwasu poliakrylowego i dodać go do zlewki. Po dodaniu PAA roztwór staje się nieprzezroczysty i nieco jaśniejszy.

Odważ 1,2 grama mocznika i dodaj go do zlewki. Za pomocą pipety dodaj 0,7 milimolowego chlorku manganu do zlewki. Na koniec, za pomocą pipety, dodaj wymaganą ilość ultra czystej wody do zlewki.

Pozwól roztworowi mieszać przez trzydzieści minut i zauważ zmianę koloru. Będzie prezentować się jako półprzezroczysty ciemnopomarańczowy kolor. Przenieść mieszaninę reakcyjną do reaktora PPL.

Należy pamiętać, że po wymieszaniu roztworu na ściankach zlewki mogły nagromadzić się pewne ciała stałe. Użyj magnesu, aby przeciągnąć mieszadło wokół ścianek zlewki, aby upewnić się, że wszelkie ciała stałe, które nagromadziły się po bokach, zostaną rozproszone w roztworze reakcyjnym. Gdy roztwór jest wymieszany i gotowy, przenieś go do 50-mililitrowego reaktora wyłożonego PPL.

Użyj zacisku i dźwigni, aby uszczelnić reaktor w autoklawie ze stali nierdzewnej tak szczelnie, jak to możliwe. Clamp naczynie reaktora do stabilnej powierzchni i za pomocą pręta włóż go do nasadki jako dźwignię, popchnij reaktor, aby uszczelnić. Należy pamiętać, że zapieczętowany reaktor nie powinien być możliwy do otwarcia ręcznego.

Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ środowisko wysokiego ciśnienia w piecu wymaga szczelnego uszczelnienia reaktora. Umieść reaktor w piekarniku na 20 godzin w temperaturze 215 stopni Celsjusza. Po zakończeniu reakcji hydrotermalnej wyjmij reaktor z pieca i pozwól mu ostygnąć do temperatury pokojowej.

Ciśnienie w piecu umożliwi ręczne otwarcie reaktora. Należy pamiętać, że w tym momencie reaktor będzie zawierał produkt MFC zdyspergowany w glikolu etylenowym z innymi zanieczyszczeniami, takimi jak nieprzereagowany polimer. I będzie nieprzezroczystym czarnym roztworem.

Produkt odizolowany w następujących krokach. Umieść 200 miligramów wełny stalowej w szklanej fiolce. Napełnić szklaną fiolkę do połowy mieszaniną reakcyjną z reaktora.

Napełnij resztę fiolki acetonem i dobrze wstrząśnij. Należy pamiętać, że wełna stalowa zwiększa natężenie pola magnetycznego w fiolce i pomaga w magnetycznym oddzieleniu nanoklastrów od roztworu. Umieść fiolkę na magnesie, aby nastąpiło zbieranie magnetyczne.

Rezultatem będzie półprzezroczysty roztwór z osadem na dnie. Odlewać roztwór sklarowanego osadu, podczas gdy MFC są magnetycznie uwięzione przez wełnę stalową, przytrzymując magnes na dnie fiolki podczas nalewania. Na tym etapie glikol etylenowy zostanie w większości usunięty.

Rozpocznij pranie od niskiego stosunku acetonu do wody i zwiększaj stosunek w kolejnych praniach, aż do uzyskania czystego. Zrób to trzy do czterech razy. Wyjąć fiolkę z magnesu i napełnić ją wodą.

Dobrze wstrząśnij, aby rozpuścić MFC. Teraz produkt zostanie całkowicie zdyspersjonowany w wodzie. Powtórz poprzednie dwa kroki kilka razy, aż wodny roztwór MFC nie wytwarza pęcherzyków po wstrząśnięciu.

Rezultatem będzie ciemny, nieprzezroczysty ferrofluid, który będzie silnie reagował na magnesy. Aby utrzymać stabilność naszych klastrów, modyfikujemy je za pomocą kopolimeru PAA-co-AMPS-co-PEG, który zapewnia zarówno odpychanie steryczne, jak i elektrostatyczne. Grupa sulfonianowa jednostek AMPS zapewni stabilizację ładunku, podczas gdy jednostka PEG będzie sterycznie utrudniać agregację między klastrami.

Ogólnie rzecz biorąc, zmodyfikowane klastry pozostaną stabilne nawet w różnego rodzaju trudnych warunkach. Połącz 10 mililitrów oczyszczonych nanocząstek w 20-mililitrowej fiolce z 10 mililitrami nasyconego roztworu dopaminy Nitra. Poczekaj pięć minut.

Umyj MFC pokryte dopaminą Nitra za pomocą separacji magnetycznej. Wylać bladożółty supernatant. Dodaj wodę i energicznie wstrząśnij.

Następnie wylej wodę za pomocą magnesu, aby zatrzymać produkt. Powtórzyć to mycie kilka razy, pozostawiając ciemnobrązową kolekcję w fiolce. Wymieszaj jeden mililitr roztworu EDC, jeden mililitr buforu MES i trzy mililitry roztworu polimerowego.

Lekko wymieszaj, mieszając mieszaninę i pozostaw na około pięć minut. Powinien to być klarowny i bezbarwny roztwór, gdy jest w pełni połączony. Dodać tę mieszaninę do kolekcji MFC i umieścić fiolkę w łaźni lodowej.

Opuść sonikator sondy do roztworu, a następnie włącz go. Po pięciominutowym zabiegu sonikacji, dodaj około pięciu mililitrów ultra czystej wody do fiolki, podczas gdy sonikator jest nadal uruchomiony. Kontynuuj monitorowanie zbiornika, aby upewnić się, że produkt się nie rozlał.

Utrzymuj lód w mieszaninie lodowatej wody, ponieważ część początkowego lodu stopi się z powodu intensywności i ciepła sonikacji. Pozostaw mieszaninę do sonikacji przez dodatkowe 25 minut, co daje w sumie 30 minut. Umieścić fiolkę na magnesie, aby oddzielić MFC i wylać roztwór supernatantu.

Umyj zmodyfikowane MFC kilkakrotnie wodą dejonizowaną. Napełnij fiolkę z MFC ultra czystą wodą. Odpipetuj ten płyn do systemu filtracji próżniowej z filtrem membranowym z siarczanu polieteru o grubości 0,1 mikrona, aby usunąć wszelkie nieodwracalnie zagregowane MFC.

Upewnij się, że przepłukałeś ścianki lejka, aby zminimalizować straty produktu. Przefiltruj próżniowo roztwór. Powtórz ten proces dwa do trzech razy.

Rezultatem będzie oczyszczony wodny roztwór monodyspersyjnych MFC. MFC wyizolowane metodą separacji magnetycznej mają wyższą dyspersję mono niż te oddzielone za pomocą ultrawirowania, jak pokazano tutaj. Na zdjęciu widzimy obrazy TEM oczyszczonych nanoklastrów, w kolejności rosnącej średniej średnicy gromady.

Oznaczone jako DC.Ilość wody dodanej w początkowej mieszaninie reakcyjnej określa średnicę nanoklastrów. Dodanie większej ilości wody w reakcji powoduje, że nanoklastry mają mniejsze średnice, podczas gdy mniej wody zwiększa ich średnice. W ten sposób eksperymentator ma kontrolę nad wielkością produktu nanoklastra.

Tutaj widzimy obrazy TEM nanoklastrów w kolejności rosnącego stosunku molowego manganu do żelaza. Stosunek prekursorów manganu do żelaza w początkowej mieszaninie reakcyjnej określa stosunek molowy metali w produkcie klastrowym. Zwiększenie stosunku manganu do żelaza w syntezie zwiększy ten stosunek w klastrach i odwrotnie.

Z kolei poniższe obrazy TEM przedstawiają próbki o nieregularnej morfologii. Jak pokazano na zdjęciu po lewej, rozlana gromada o niekształtnym wyglądzie została wyprodukowana z wyłączeniem dodatkowej wody. Utrudnia to dynamiczne składanie pierwotnych nanokryształów, które jeszcze nie utworzyły klastrów.

Próbka na zdjęciu po prawej stronie miała niewystarczający czas reakcji, który nie był wystarczający do pierwotnego wzrostu nanokryształów i dojrzewania klastra. Te słabe wyniki pokazują, że odpowiednia ilość reagenta, a także czas reakcji są niezbędne do osiągnięcia niezmiennie pomyślnych wyników. W tym miejscu umieszczamy próbkę oryginalnych klastrów zakodowanych PAA w buforze PBS po lewej stronie.

Po prawej stronie robimy to samo z równoważną ilością zmodyfikowanych klastrów kodowanych PAA co-AMPS-co-PEG. Zwróć uwagę na szybką agregację klastrów zakodowanych w PAA, podczas gdy zmodyfikowane klastry pozostają stabilne przez długi czas. Sugeruje to poprawę stabilności koloidalnej w wyniku kodowania kopolimeru.

Podsumowując, nasza synteza pozwala na szybką i wydajną produkcję klastrów ferrytowych manganu. Synteza tworzy niezależnie przestrajany wymiar i skład klastra, po prostu kontrolując dodatek wody i stosunku prekursorów manganu do żelaza. Możemy łatwo zmodyfikować tę metodę, aby uzyskać różne, ale przewidywalne nanomateriały magnetyczne.

Co więcej, techniki separacji magnetycznej i funkcjonalizacji usług osiągają odpowiednio wysoką dyspersję mono i dużą stabilność w pożywkach biologicznych. Nasza metoda pozwala na większą dostępność w produkcji klastrów i szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach.