Тангенциальный ультрафильтрации потока: "Зеленый" способ выбора размера и концентрации коллоидных наночастиц серебра

Общая цель данной процедуры — продемонстрировать применимость метода ультрафильтрации с тангенциальным потоком для больших объемов коллоидных наночастиц и меньших объемов Tate. Сначала синтезируйте четыре литра коллоидных наночастиц серебра cretin. Подтвердите качество коллоида, определив поверхностный плазмонный резонанс с помощью УФ-видимой абсорбционной спектрофотометрии.

Затем с помощью тангенциальной поточной ультрафильтрации проведите разделение по размеру, селекцию и концентрирование данного коллоида до четырех миллилитров воды. После этого методом оптико-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой определите количественное содержание серебра в исходном коллоиде и в репрезентативных пробах, полученных в процессе ультрафильтрации. В завершение используйте просвечивающую электронную микроскопию в сочетании с обработкой изображений.

Программное обеспечение Image J используется для отображения распределения по размеру наночастиц серебра в исходном коллоиде и после финальной ультрафильтрации. Специалистам, которые впервые сталкиваются с количественным определением наноматериалов методом I-C-P-O-E-S, необходимо изучить процедуры очистки стеклянной посуды, которые имеют решающее значение для обеспечения отсутствия следов загрязнения металлами. Также важными являются время, необходимое для надлежащего разложения коллоидных образцов, и подготовка калибровочных стандартов для I-C-P-O-E-S.

В отличие от других методов, таких как фракционирование по размеру, зависимая от размера растворимость, эксклюзионная хроматография, фракционная кристаллизация и гель-электрофорез, данный метод позволяет избежать таких проблем, как агрегация, токсичность синтезирующих реагентов, нежелательные покрытия, высокая стоимость и/или низкая эффективность. Синтез наночастиц Colorado Suen и их характеристику с помощью визуальной спектрометрии и I-C-P-O-E-S продемонстрируют Остин Уильямс, Джошуа Бейкер и Кэтрин Андерс, студенты-исследователи из моей лаборатории. Здравствуйте, я доктор Вулли, я буду проводить тангенциальную фильтрацию, а Джеки Сиско выполнит электронную микроскопию. Тщательно очистите всю стеклянную посуду, описанную в сопровождающем тексте.

Используя автоклавированную воду, охлажденную до 10 °C, приготовьте 300 мл 2 мМ раствора боргидрида натрия и 100 мл 1 мМ раствора нитрата серебра. Перенесите 300 мл раствора боргидрида натрия в коническую колбу Эрленмейера объемом 500 мл с магнитным перемешивателем. Оберните колбу алюминиевой фольгой для предотвращения окисления серебра и перемешивайте на льду.

Для подготовки бюретки объемом 25 миллилитров промойте ее полным объемом ультрачистой воды, затем повторно промойте полным объемом нитрата серебра. После этого оберните бюретку алюминиевой фольгой и заполните раствором нитрата серебра. В темной комнате добавьте 50 миллилитров раствора нитрата серебра к раствору натрия или гидрида.

Накройте среднюю часть установки экраном из фольги, чтобы минимизировать воздействие света. Периодически обновляйте ледяную баню в течение этого времени. Продолжайте перемешивать коллоидный раствор на льду еще 45–50 минут.

О формировании наночастиц серебра свидетельствует изменение цвета от бесцветного до золотисто-желтого, что характерно для максимума поверхностного плазмонного резонанса наночастиц серебра. Поместите полученный коллоид в холодильник. Заполните одномиллилитровую одноразовую кювету Q коллоидом и ультрачистой водой в объемном соотношении 1:10. Для коррекции базовой линии (холостой пробы) заполните другую кювету Q ультрачистой водой.

Протрите внешнюю поверхность обеих кювет салфеткой Kimwipe. Переведите спектрофотометр в режим измерения абсорбции с диапазоном значений Y от минимального -0,5 до максимального 1,0. Также установите окно сканирования по оси X от 200 до 800 нанометров и выберите высокую скорость сканирования с коррекцией базовой линии.

Вставьте в прибор кювету Q-Vet, заполненную водой, и проведите базовое сканирование. При необходимости повторите процедуру до получения ненулевого контроля базовой линии. Замените холостую кювету Q-Vet на кювету Q-Vet с образцом и запустите сканирование поглощения для получения УФ-видимого спектра поглощения коллоидного образца.

Подсоедините подающую трубку Master Flex диаметром 17 к перистальтическому насосу, как описано в сопровождающем тексте, выберите направление работы насоса против часовой стрелки с помощью кнопки DIR и убедитесь, что кнопка режима установлена в положение INT. Установите скорость подачи насоса на значение менее 300 milliliters per minute. Затем подготовьте систему, создав вакуум в контуре фильтрации.

Когда жидкость начнет свободно течь по системе, выключите насос, закройте порт в соединении трубок и снимите зажим. Снова включите насос и проверьте контур трубок на наличие утечек. Теперь увеличьте скорость потока насоса в соответствии с размером трубок.

Продолжайте фильтрацию до тех пор, пока жидкость в резервуарном флаконе почти не исчерпается, после чего выключите насос, снизьте скорость подачи и соберите осадок (tate) из контура фильтрации. Осадок состоит из наночастиц размером более 50 nm. Затем соберите фильтрат, который состоит из наночастиц размером менее 50 nm.

Осадок можно сохранить для дальнейшего анализа, а фильтрат используют на следующем этапе. Далее следует отобрать наночастицы диаметром менее 20 нанометров. Промойте трубку 2% раствором азотной кислоты в ультрачистой воде.

Повторите процесс фильтрации, используя фильтр CROs с пределом отсечения 100 килДальтон. Соберите ретентат из контура фильтрации. Образец можно дополнительно сконцентрировать, используя микрофильтр с пределом отсечения 100 кДа и трубку меньшего размера (14) при более низких скоростях работы насоса: 30 мл и 90 мл для этапов заполнения и фильтрации соответственно.

Данный метод предназначен для количественного определения серебра на этапах очистки при подготовке наночастиц серебра. Используйте контейнеры из полипропилена низкой плотности, чтобы предотвратить вымывание серебра из образцов. Сначала проведите химическую минерализацию образцов с помощью концентрированной азотной кислоты.

Также подготовьте калибровочную кривую для серебра, используя восемь стандартов. Теперь перейдите к настройке параметров прибора I-C-P-O-E-S: установите длину волны для серебра, мощность радиочастотного генератора, поток плазмы, вспомогательный поток и давление в распылителе. Кроме того, настройте прибор для измерения образцов в трех повторностях с временем одного измерения 10 секунд.

Используйте время стабилизации измерения 15 секунд и задержку перед забором пробы 30 секунд. Также обязательно вводите холостую пробу метода между каждым образцом для снижения возможного перекрестного загрязнения. Теперь загрузите образцы и измерьте разбавленный ультрачистой водой образец tate массой 100 kilodalton.

Теперь нанесите 20 µL исходного коллоида и разбавленного раствора 100 kDa на золотые сетки с формой 300 mesh. Оставьте сетки до полного высыхания на воздухе. Установите ускоряющее напряжение ПЭМ-инструмента на 70 kV для визуализации наночастиц серебра; сделайте электронные микрофотографии с помощью камеры высокого разрешения и сохраните их в формате TIFF.

При приготовлении четырех литров коллоидного серебра с использованием крета конечный коллоид имел характерный золотисто-желтый цвет. Спектр поглощения этого коллоида в УФ-видимом диапазоне имел типичный резкий симметричный пик поверхностного плазмонного резонанса на 394 nanometers. Рамановский спектр исходного коллоида крета и конечного препарата с массой 100 kilodalton Tate продемонстрировал только три колебательных моды.

Изгибная мода при 1 640 и симметричная и асимметричная моды валентных колебаний воды. Трехэтапный процесс тангенциальной ультрафильтрации для селекции по размеру и концентрирования наночастиц серебра позволил получить итоговый ретентат с пределом отсечения 100 килдалтон в объеме четырех миллилитров. Большая часть побочных продуктов синтеза и избыточных реагентов была удалена вместе с водным растворителем.

Затем количество серебра было определено с помощью калибровочной кривой ИСП-ОЭС. В данном случае фактический выход очень близок к типичному теоретическому выходу, составляющему 15,4 ppm. В ходе реакции кретина экстремальная концентрация наночастиц серебра проявилась в резком изменении цвета: от золотистого и желтого для исходного коллоида до темно-коричневого для конечного 100 килдольтонного тата. Измерения ИСП-ОЭС подтвердили визуальные наблюдения и выявили концентрацию серебра для конечного 100 килдольтонного тата.

Эти микрофотографии ПЭМ исходного коллоида и конечного фракционного состава 100 кДа указывают на то, что в неагрегированном состоянии наночастицы серебра выглядят как черные круглые области на светло-сером фоне. Данные гистограммы размеров, полученные методом ПЭМ, были построены путем анализа примерно 800 наночастиц серебра для исходного коллоида и конечного фракционного состава 100 кДа. После просмотра этого видео вы должны хорошо понимать, как проводить тангенциальную фильтрацию для концентрирования и селекции наночастиц серебра по размеру.

Различные объемы могут быть концентрированы с минимальной агрегацией. Также вам необходимо иметь четкое представление о методах характеристики наночастиц. После освоения данной методики ее выполнение занимает не более шести часов.

При выполнении данной процедуры важно помнить, что высококонцентрированные коллоидные суспензии имеют ограниченный срок хранения даже при охлаждении. Эту проблему можно решить путем тщательного исследования, планирования и подготовки. Помните, что работа с горячим реагентом азотной кислоты при химическом разложении для I-C-P-U-S анализа может быть опасной, поэтому следует соблюдать надлежащие меры предосторожности, такие как работа в вытяжном шкафу и использование соответствующих средств индивидуальной защиты при выполнении данной процедуры.