Стабильные водные суспензии ферритовых кластеров марганца с настраиваемым наноразмерным размером и составом

В этом видео мы представляем синтез суперпарамагнитных ферритовых нанокластеров марганца. Мы сообщаем о гидротермальном синтезе ферритовых кластеров марганца или MFC, который предлагает независимый контроль как над первичным нанокристаллическим, так и над кластерным размером, а также над соотношением железа к марганцу. Магнитная сепарация обеспечивает быструю очистку образцов, в то время как сервисная функционализация с использованием сульфированного полимера гарантирует, что материалы не агрегируются даже в биологически значимых водных растворах.

Полученные продукты хорошо позиционируются для применения в биотехнологии и медицине. Вымойте и тщательно высушите всю стеклянную посуду, которая будет использоваться в синтезе. Количество воды в синтезе влияет на размеры МФУ.

Поэтому очень важно убедиться, что стеклянная посуда не содержит остаточной воды. Чтобы вымыть стеклянную посуду, промойте водой и моющим средством и протрите щеткой FLAS для удаления мусора. Тщательно промойте, чтобы удалить все моющее средство и закончите ополаскиванием деионизированной водой.

Промыть полифенольные реакторы 37% соляной кислотой, чтобы удалить мусор от предыдущего использования. Для этого поместите реакторы и их колпачки в большой стакан и засыпьте соляной кислотой до тех пор, пока реакторы полностью не будут погружены. Оставьте на 30 минут, прежде чем вылить соляную кислоту.

Непрерывно промывайте стакан с реакторами водой в течение одной-двух минут, затем поместите реакторы в печь для сушки. Используйте автоматическую пипетку для переноса 20 миллилитров этиленглико в 50-миллилитровый стакан с магнитным перемешивающим стержнем. Взвесьте необходимое количество хлорида железа для достижения конечной концентрации 1,3 миллимоляра и добавьте его в стакан.

Положите стакан на перемешиваемую пластину и включите его при 480 оборотах в минуту, чтобы начать непрерывное перемешивание стакана. Взвесьте 250 миллиграммов полиакриловой кислоты и добавьте ее в стакан. После добавления ПАА раствор становится непрозрачным и немного светлее по цвету.

Взвесьте 1,2 грамма мочевины и добавьте ее в стакан. Используя пипетку, добавьте в стакан 0,7 миллимолярного хлорида марганца. Наконец, используя пипетку, добавьте в стакан необходимое количество сверхчистой воды.

Дайте раствору помешиваться в течение тридцати минут и обратите внимание на изменение цвета. Он будет представлен в виде полупрозрачного темно-оранжевого цвета. Перенесите реакционную смесь в реактор PPL.

Обратите внимание, что после того, как раствор перемешался, некоторые твердые вещества, возможно, накопились на боковых сторонах стакана. Используйте магнит для перетаскивания перемешивания вокруг стенок стакана, чтобы гарантировать, что любые твердые вещества, которые накопились по бокам, диспергируются в реакционном растворе. Как только раствор будет перемешан и готов, перенесите его в реактор с 50-миллилитровой футеровкой PPL.

Используйте зажим и рычаг, чтобы как можно плотнее запечатать реактор в автоклаве из нержавеющей стали. Зажмите корпус реактора к стабильной поверхности и с помощью стержня вставьте его в колпачок в качестве рычага, подтолкните реактор к уплотнению. Обратите внимание, что герметичный реактор не должен быть открыт вручную.

Это имеет решающее значение, так как среда высокого давления печи требует плотного уплотнения на реакторе. Поместите реактор в духовку на 20 часов при температуре 215 градусов цельсия. После того, как гидротермальная реакция завершена, извлеките реактор из печи и дайте ему остыть до комнатной температуры.

Давление в печи позволит открыть реактор вручную. Обратите внимание, что в этот момент реактор будет содержать продукт MFC, диспергированный в этиленгликоле с другими примесями, такими как непрореагировавший полимер. И будет непрозрачный черный раствор.

Продукт изолирован на следующих шагах. Поместите 200 миллиграммов стальной ваты в стеклянный флакон. Заполните стеклянный флакон наполовину реакционной смесью из реактора.

Наполните оставшуюся часть флакона ацетоном и хорошо встряхните. Отметим, что стальная вата увеличивает напряженность магнитного поля во флаконе и поможет магнитному отделению нанокластеров от раствора. Поместите флакон на магнит для магнитного сбора.

В результате получится полупрозрачный раствор с осадком внизу. Вылейте раствор супернатанта, в то время как MFC магнитно захвачены стальной ватой, удерживая магнит на дне флакона во время заливки. Этиленгликоль в основном будет удален на этом этапе.

Начинайте промывку с низким соотношением ацетона к воде и увеличивайте соотношение в последующих смывах до чистоты. Сделайте это три-четыре раза. Извлеките флакон из магнита и наполните его водой.

Хорошо встряхните, чтобы растворить МФЦ. Теперь продукт будет полностью диспергироваться в воде. Повторите предыдущие два шага несколько раз, пока водный раствор MFC не произведет пузырьков при встряхивании.

В результате получится темная непрозрачная ферромагнитная жидкость, которая будет сильно реагировать на магниты. Чтобы сохранить стабильность наших кластеров, мы модифицируем их с помощью сополимера PAA-co-AMPS-co-PEG, который обеспечивает как стерическое, так и электростатическое отталкивание. Сульфонатная группа блоков AMPS обеспечит стабилизацию заряда, в то время как блок PEG будет стерически препятствовать межкластерной агрегации.

В целом, модифицированные кластеры останутся стабильными даже в различных суровых условиях. Соедините 10 миллилитров очищенных наночастиц во флаконе емкостью 20 миллилитров с 10 миллилитрами насыщенного раствора дофамина нитры. Подождите пять минут.

Промывайте МФУ с дофаминным покрытием Nitra с помощью магнитной сепарации. Вылейте бледно-желтый супернатант. Добавьте воды и энергично встряхните.

Затем вылейте воду с помощью магнита, чтобы сохранить продукт. Повторите эту промывку несколько раз, оставив темно-коричневый сбор во флаконе. Смешайте один миллилитр раствора EDC, один миллилитр буфера MES и три миллилитра раствора полимера.

Слегка перемешайте, покрутив смесь, и дайте ей постоять примерно пять минут. Это должен быть прозрачный и бесцветный раствор при полном сочетании. Добавьте эту смесь в коллекцию MFC и поместите флакон в ледяную ванну.

Опустите зондовый ультразвуковой аппарат в раствор и включите его. После пятиминутной обработки ультразвуком добавьте примерно пять миллилитров ультрачистой воды во флакон, пока ультразвуковой аппарат все еще работает. Продолжайте следить за судном, чтобы убедиться, что продукт не разливается.

Поддерживайте лед в ледяной водной смеси, так как часть исходного льда будет таять из-за интенсивности и тепла обработки ультразвуком. Дайте смеси настояться ультразвуком в течение дополнительных 25 минут в общей сложности 30 минут. Поместите флакон поверх магнита, чтобы отделить MFC и вылить раствор супернатанта.

Промыть модифицированные МФУ деионизированной водой несколько раз. Наполните флакон МФУ сверхчистой водой. Пипетка этой жидкости в вакуумную систему фильтрации с 0,1-микронным полиэфирсульфатным мембранным фильтром для удаления любых необратимо агрегированных МФУ.

Обязательно промывайте стенки воронки, чтобы свести к минимуму потерю продукта. Вакуумная фильтрация раствора. Повторите этот процесс два-три раза.

В результате получится очищенный водный раствор монодисперсных МФУ. МФУ, выделенные при магнитной сепарации, имеют более высокую монодисперсность, чем те, которые отделяются ультрацентрифугированием, как показано здесь. Здесь мы видим изображения ТЕА очищенных нанокластеров, в порядке увеличения среднего диаметра кластера.

Количество воды, добавленной в исходную реакционную смесь, определяет диаметр нанокластеров. Добавление большего количества воды в реакцию приводит к созданию нанокластеров с меньшими диаметрами, в то время как меньшее количество воды увеличивает их диаметры. Таким образом, экспериментатор имеет контроль над размером нанокластерного продукта.

Здесь мы видим изображения ТЭМ нанокластеров в порядке увеличения молярного соотношения марганца к железу. Соотношение марганца к предшественникам железа в исходной реакционной смеси определяет молярное соотношение металлов в кластерном продукте. Увеличение соотношения марганца к железу в синтезе увеличит это соотношение в кластерах, и наоборот.

Напротив, на следующих изображениях ТЕА изображены образцы с неправильной морфологией. Как показано на левом изображении, вышедший из формы разлитый кластер был получен с исключением любой дополнительной воды. Это препятствует динамической сборке первичных нанокристаллов, которые еще не сформировали кластеры.

Образец на изображении справа имел недостаточное время реакции, которого было недостаточно для роста первичных нанокристаллов и созревания кластера. Эти плохие результаты демонстрируют, что для достижения стабильно успешных результатов необходимо соответствующее количество реагента, а также время реакции. Здесь мы размещаем пример исходных кластеров, закодированных PAA, в буфере PBS слева.

Справа мы делаем то же самое с эквивалентным количеством модифицированных кластеров, кодированных PAA co-AMPS-co-PEG. Обратите внимание на быструю агрегацию кластеров, закодированных PAA, в то время как измененные кластеры остаются стабильными в течение длительного времени. Это говорит об улучшении коллоидной стабильности в результате кодирования сополимера.

В заключение, наш синтез позволяет быстро и эффективно производить ферритовые кластеры марганца. Синтез создает независимо перестраиваемый размер и состав кластера, просто контролируя соотношение воды и марганца к предшественникам железа. Мы можем легко модифицировать этот метод для достижения различных, но предсказуемых магнитных наноматериалов.

Кроме того, методы магнитной сепарации и функционализации службы достигают высокой монодисперсности и сильной стабильности в биологических средах, соответственно. Наш метод обеспечивает большую доступность в производстве кластеров и широкое применение в различных областях.