Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Biology
Click here for the English version

Biology

Ultrafiltration זרימה משיק: שיטה "ירוקה" לבחירת הגודל והריכוז של חלקיקי כסף Colloidal

Published: October 4, 2012 doi: 10.3791/4167
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 1
1Department of Chemistry, Wright State University, 2Department of Neuroscience, Cell Biology, and Physiology, Wright State University

Summary

ultrafiltration זרימה המשיק (טפו) הוא שיטה המשמשת לסחרור הפרדת משקל המבוססת של biosamples. טפו הותאם לגודל נבחר (1-20 קוטר ננומטר) ומאוד להתרכז בהיקף גדול של חלקיקי polydisperse כסף (4 ליטר המ"ל 15.2 מיקרוגרם

Abstract

כיום, AgNPs נמצאים בשימוש נרחב בייצור של מוצרים צריכים, חומרי חיטוי מים 1, 2 רפויים, 1, 3 והתקנים ביו 4 בשל המאפיינים מיקרוביאלית החזקים שלהם. 3-6 יישומי nanoparticle אלה מושפעים מאוד על ידי גודל AgNP ומצב צבירה . אתגרים רבים קיימים בייצור המבוקר 7 ובידוד גודל מבוסס 4,8 של AgNPs unfunctionalized, הומוגניות, שהנם חופשיים מבחינה כימית אגרסיבי מכסה / ייצוב סוכנים או ממסים אורגניים. 7-13 מגבלות לצאת מהרעילות של חומרים כימיים, עלויות גבוהות או מופחתות יעילות של שיטות סינתזה או בידוד AgNP (למשל, צנטריפוגה מסיסות גודל תלוי, כרומטוגרפיה, גודל-הדרה, וכו '). 10,14-18 כדי להתגבר על זה, לאחרונה הראה כי טפו מאפשר שליטה רבה יותר על הגודל, הריכוז ו צבירת מצב של קרייטון AgNPs (300מ"ל של 15.3 מיקרוגרם מ"ל -1 עד 10 מ"ל של 198.7 מיקרוגרם מ"ל -1) מאשר בשיטות מקובלות של בידוד כגון ultracentrifugation 19.

טפו הוא שיטה נפוצה לסחרור בידוד משקל המבוסס של חלבונים, וירוסים ותאים. 20,21 בקצרה, מדגם הנוזל עובר דרך סדרה של ממברנות סיבים החלולות עם גודל נקבובי הנע בין 1000 עד 10 KD KD. מרכיבים מושעים או מומסים קטנים יותר במדגם יעברו דרך המחסום הנקבובי יחד עם הממס (תסנין), בעוד שהמרכיבים הגדולים יותר נשמרים (retentate). טפו עשוי להיחשב שיטה "ירוקה", כפי שאין הוא פוגע במדגם ולא דורש תוספת ממס לחסל ריאגנטים עודפים רעילים ותוצרי לוואי. יתר על כן, טפו יכול להיות מיושם על מגוון גדול של חלקיקים כשני המסננים הידרופובי והידרופילי זמינים.

שתי המטרות העיקריות של מחקר זה היו: 1) כדי להמחישההיבטים הניסיוניים של גישת טפו באמצעות חוויה מוזמנת וידאו ו2) להוכיח את כדאיותה של שיטת טפו לנפחים גדולים יותר של חלקיקי colloidal ונפחים קטנים יותר של retentate. AgNPs ראשית, unfuctionalized (4 ליטר, 15.2 מיקרוגרם -1 מ"ל) היה מסונתז תוך שימוש בשיטת קרייטון 22,23 המבוססת היטב על ידי ההפחתה של 3 אגנו עם NaBH 4. AgNP polydispersity היה אז ממוזער דרך טף 3-צעד באמצעות 50-nm סינון (460 סנטימטר 2) כדי להסיר AgNPs וAgNP-אגרגטים גדולים יותר מ 50 ננומטר, ואחריו שני 100-KD (200 סנטימטר 2 ו 20 סנטימטר 2) מסננים לרכז את AgNPs. מדגמים מייצגים אופיינו באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני הילוכים, ספקטרופוטומטריה ספיגת UV-Vis, ספקטרוסקופיית ראמאן, ומצמידי אינדוקטיבי פלזמת ספקטרוסקופיה פליטה האופטית. Retentate הסופי מורכב מריכוז גבוה (4 מ"ל, 8,539.9 מיקרוגרם מיליליטר -1) עדיין נחות מצטבר והומוגניתAgNPs של 1-20 ננומטר בקוטר. זה מתאים לתשואת ריכוז כסף של כ 62%.

Protocol

1. סינתזה של AgNPs קולואידיות

מנגנון התגובה לשיטת קרייטון (בשינויים קלים, זול) 22 מתואר בפירוט רב במידע תמיכת התייחסות פאבל et.al יחד עם צד התגובה של NaBH 4 בטמפרטורת חדר ומעלה הידרוליזה בלתי רצויה. 23

  1. נקה את כל כלי הזכוכית ל12-24 שעות ב10% 3 אמבטית HNO, אז ל4-12 שעות ב1.25 מ 'NaOH ב40% אתנול אמבטיה, ולבסוף חיטוי. כלי זכוכית יש לשטוף ביסודיות לפחות חמש פעמים עם מי ultrapure (17 MΩ ומעלה) לאחר החומצה וצעדי אמבט בסיס.
  2. הכן 300 מ"ל של 4 פתרון 2 מ"מ NaBH ו 100 מ"ל של 3 פתרון 1 מ"מ אגנו באמצעות מים המקוררים autoclaved בשעת 10 ° C. הטמפרטורות הנמוכות תמנענה צד התגובה של NaBH 4.
  3. הוסף 300 מ"ל של 4 פתרון NaBH 2 מ"מ להמשך 500 מ"ל Erlenmeyer תגובת בקבוקaining בר מערבבים ולעטוף את הבקבוק בנייר אלומיניום כדי למנוע חמצון של כסף. הנח את הבקבוק באמבט קרח על צלחת מערבבים ומערבבי הפתרון של 325 סל"ד למשך 10 דקות.
  4. ראש 25 מ"ל burette ע"י שטיפה בטור מלא במי ultrapure. לאחר שהכין מראש, למלא את burette עם 3 פתרון אגנו ולעטוף ברדיד אלומיניום.
  5. בחדר חשוך, להוסיף 50 מ"ל של 3 פתרון 1 המ"מ אגנו בשיעור של ירידת שניות -1 1 עד 4 פתרון NaBH עם ערבוב רציף (איור 1 א). כסה את החלק האמצעי של המכשיר עם "אוהל רדיד" כדי לצמצם את חשיפת אור במהלך 3 בנוסף אגנו. 3 בנוסף אגנו ידרוש דקות 30-40. מלא את אמבט הקרח מעת לעת.
  6. לאחר 3 בנוסף אגנו הוא מוחלט, לחדש את קרח האמבטיה וממשיך לבחוש פתרון colloidal עבור 45-50 דקות נוספות. היווצרות AgNPs colloidal הוא אותת על ידי שינוי בצבע מהצבעלצהוב זהובה, שהוא אופייני למרבית שטח plasmon התהודה של AgNPs (1B איור).
  7. ברגע שהתגובה הושלמה, מקרר קולואיד. קבוצות AgNP קולואידיות ניתן לשלב אחרי שבוע אחד אם קולואיד נשאר עקבי, כלומר, פתרון colloidal לא יצטבר ויצווה התאפיין באמצעות ספקטרופוטומטר הספיגה UV-VIS וספקטרוסקופיית ראמאן לזהות צבירה או מזהמים אפשריות.

2. אפיון AgNPs קולואידיות

קארי 50 UV-VIS-NIR ספקטרופוטומטר (ריאן Inc) ומערכת LabRamHR 800 ראמאן (HORIBA Jobin Yvon, Inc) המצוידת מיקרוסקופ confocal ראמאן אולימפוס BX41, נוצלו לאפיון AgNP. קארי WinUV התוכנה, LabSpec -5, ומקור 8.0 תוכנה הועסקו לאיסוף וניתוח הנתונים.

הערה: הפרמטרים לרכישה יצטרכו להיות מותאמים foמודלי מכשור אחרים r.

קביעת שטח plasmon התהודה של AgNPs קולואידיות באמצעות ספקטרופוטומטר UV-VIS

  1. מלא קובט 1 סנטימטר 3 חד פעמי עם קרייטון קולואיד ומי ultrapure בנפח יחס 1:10. מלא 3 קובט עוד 1 סנטימטר עם מי ultrapure לתיקון בסיס ריק. נגב את החלק החיצוני של שני cuvettes עם Kimwipe.
  2. הגדר ספקטרופוטומטר למצב ספיג ממינימום של Y -0.5 למקסימום Y של 1.0. הגדר את חלון סריקת X כדי 200-800 ננומטר ולבחור קצב סריקה מהירה של דקות 4800 ננומטר -1 עם תיקון בסיסי.
  3. הכנס את קובט מלא במים למכשיר ולהריץ סריקה בסיסית. חזור במידת צורך עד שליטה בסיסית אינה אפס מושגת.
  4. החלף את קובט הריק עם קובט המדגם וליזום סריקת ספיגה לאוסף של ספקטרום ספיגת UV-Vis של מדגם colloidal (התרשים 1C).

    מבחן טוהר AgNPs קולואידיות באמצעות ספקטרוסקופיית ראמאן

    בשל מגבלת הזמן של הפגנת וידאו (10-15 דקות וידאו) והגבלת המרחב של טקסט הפרוטוקול (מקסימום 3 עמודים), סעיף ניסיון זה לא צלם.

    1. הגדר את הגדרות מכשיר פרמטרים כדלקמן: מקור עירור (632.8 nm הוא Ne-), מסנן (פילטר לא, כוח הליזר במדגם ~ 17 MW), חור confocal (300 מיקרומטר), ספקטרומטר (730 סנטימטר -1), צורמות הולוגרפית (600 מטעים / מ"מ), עדשה אובייקטיבית (אובייקטיבי 50x עבודה ארוכה מרחק אוויר), זמן חשיפה (30 שניות), ומחזורי צבירה (5).
    2. השתמש פיפטה נקיה למלא 2 מ"ל קוורץ קובט עם קולואיד ועדינות להכניס את התקע. השתמש Kimwipe לנקות את טביעות אצבעות, כתמים או קולואיד מפני השטח של קובט. נמוך באופן משמעותי את במת מיקרוסקופ. בחר את העדשה האובייקטיבית 50x ולמקם את קובט על הבמה.
    3. התמקד האס קרן אה בAgNP קולואיד ישירות מתחת לקיר הפנימי של קובט שימוש במצב הווידאו של המכשיר ומצלמת אולימפוס. כבה את האורות בחדר ולרכוש ספקטרום ראמאן (1D איור).

    3. גודל לבחירה וריכוז AgNPs קולואידיות דרך ultrafiltration תזרים משיקים (טפו)

    KrosFlo שנייה לחקר מערכת סינון (ספקטרום מעבדות, ראנצ'ו דומינגז, ע"א) שמשה כדי להגביל את polydispersity AgNP ולרכז אותם (איור 2). השלושה השלבים של תהליך טפו היו: (1) גודל-מבחר AgNPs ואגרגטים AgNP של 50-nm בקוטר גדול יותר באמצעות 50-nm MidiKros polysulfone מודול (460 סנטימטר 2), 2) בחירת גודל וריכוז AgNPs של 1-20 ננומטר בקוטר באמצעות MidiKros מסנן 100-KD (200 סנטימטר 2), ו (3) הפחתת נפח נוספת שמשתמש בMicroKros 100-KD polysulfone סינון (20 סנטימטר 2) (איור 3).

    s = "jove_step"> שלב 1

    1. חבור את הצינור בגודל 17 MasterFlex האכלה למשאבת peristaltic פי איור 2 א. Y-צומת וצומת צינורות תהיינה צורך בהגדרה. צרף צינורות למודול MidiKros 50-ננומטר. הקפד לאבטח את הצינורות כדי לסנן באמצעות קשרי zip. בחר 17 גודל צינורות באמצעות לחצן גודל.
    2. בחר נגד כיוון משאבה באמצעות כפתור DIR. ודא מצב הוא על INT.
    3. להוריד את השיעור למשאבה מתחת 300 מ"ל -1 דקות לפני התחלת משאבה. שיעור המשאבה צריך להיות מותאם לפי הגודל של הצינורות בשימוש. זה צריך להיות הגדרה קטנה כדי לאפשר למפעיל מייד מגיב להדלפות פוטנציאליות אך עדיין גדולות מספיק כדי להיות השפעה של הגזמה במערכת. על מנת ליצור ואקום כדי לשאוף קולואיד מהמאגר לצינורות והמסננים, לחתוך את הצינור שמוביל מהחלק התחתון של המסנן לחלק העליון של ה-Y צומת באמצע הצינור.
    4. ברגע שהנוזל זורם בחופשיות דרך הצינור, לכבות את המשאבה, להצטרף לקטע השבור של צינור בצומת צינור ולאבטח עם קשרי zip. הפעל את המשאבה שוב ולהמשיך סינון.
    5. בדקו את מעגל הצינורות להדלפות. אם דליפה נמצאת, לתקן את הדליפה על ידי התאמה ההולמת או הבטחה מחדש-עם עניבת zip. לאחר מערכת הצינורות היא דליפה חופשיה, ניתן להגדיל את קצב הזרימה למשאבה שאינם עולה על 700 מיליליטר דקות -1. ערך שיעור משאבה זו צריך להיות מותאם לפי גודל צינור, כדי למנוע כישלון צינורות. המשך סינון עד שהנוזל בבקבוק המאגר מתרוקן לכמעט כלום.
    6. לאחר הסינון הוא מוחלט, לאסוף התסנין המכיל AgNPs בקוטר 50-nm וsmalהימלר. Retentate עשוי להישמר לניתוח נוסף בהתאם ליישום הספציפי AgNP.

    שלב 2

    1. שטוף את הצינור עם 2% 3 HNO ומי ultrapure לפני התקנת MidiKros 100-KD לסנן באמצעות אותה ההגדרה כלמודול 50-ננומטר.
    2. חזור על השלב 3.3 באמצעות מודול MidiKros 100-KD.
    3. לאחר הסינון הוא מלא, לאסוף את התוכן של הצינורות והמסננים (100-KD retentate). הנפח צריך להיות כ 50 מ"ל.

    שלב 3

    1. חבור את הצינור בגודל 14 MasterFlex וMicroKros 100-KD המסנן למשאבת peristaltic פי איור 2 ב '. לאבטח את כל צומת עם קשרי zip. בחר את גודל צינור 14 במשאבה באמצעות כפתור גודל ושיעור נמוך יותר למשאבת 30 מיליליטר דקות -1.
    2. התחל את תהליך הסינון. בדקו את מעגל הצינורות להדלפות. אם דליפה נמצאת, לתקן את הדליפה על ידי התאמה לנכוןטינג מחדש או הבטחה עם עניבת zip.
    3. לאחר מערכת הצינורות היא דליפה חופשיה, ספיקת המשאבה ניתן להעלות לא יותר מ 90 מיליליטר דקות -1. המשך סינון עד שהנוזלים שנותרו בבקבוק המאגר מכיל כמות מזערית של תרכיז.
    4. את התוכן הנותר של צינורות והמסננים ניתן לאסוף לתוך בקבוק המאגר על ידי הסרת צינור ההזנה מהבקבוק תוך המשאבה עדיין פועלת. ברגע שאת תוכן הצינורות ומסננים הם בבקבוק המאגר, המשאבה עשויה להיות כבוי.

    4. כימות של סכום כסף בAgNPs קולואידיות ידי מצמידי אינדוקטיבי פלזמה האופטית פליטת ספקטרוסקופיה (ICP-OES)

    כל דגימת colloidal הייתה מתעכלת כימי וכמות הכסף הייתה לכמת ידי ICP-OES באמצעות ספקטרומטר 710E (ריאן Inc). עקומה ליניארית רגרסיה כיול עבור כסף (איור 4) נבנתה באמצעות 8 תקני כסף (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, ו L 100 מיקרוגרם -1), אשר הוכן מתקן 10000 מיקרוגרם מיליליטר -1 כסף לניתוח מתכת עקבות (Ultra המדעי).

    1. כימי לעכל דגימות באמצעות 3 HNO. את המדגמים המייצגים הם קולואיד המקורי (שלב 1), 50-nm תסנין (שלב 1), 100-KD retentate (שלב 2), וretentate 100-KD הסופי (שלב 3) (איור 3).
    2. הדגימות צריכות להיות מדוללות ב2% 3 HNO באמצעות יחסי הנפח הבאים: 1:1000 לקולואיד המקורי, 1:1000 ל50-nm התסנין, 1:25,000 לretentate 1 100-KD, ו1:250,000 עבור retentate הסופי 100-KD. כדי למנוע שטיפת כסף, את כל הדגימות צריכות להיות מאוחסנות במכלי פוליפרופילן בצפיפות נמוכה.
    3. הגדר את פרמטרי ICP-OES המכשיר כדלקמן: הגל לAg (328.068 ננומטר), כוח (1.20 קילוואט), פלזמת זרימה (15.0 L דקות -1), זרימת עזר (1.50 ליטר דקות -1), ולחץ nebulizer (200 kPa ).
    4. כל sample צריך להימדד בשלושה עותקים עם זמן של 10 שניות לשכפל. זמן התייצבות בין המדידה של 15 שניות ועיכוב ספיגת מדגם שניות 30 אמור לשמש. ריק שיטה צריך להיות הציג בין כל דגימה להפחתת זיהום צולב פוטנציאלי.

    5. התפלגות גודל של AgNPs קולואידיות באמצעות מיקרוסקופי אלקטרוני הילוכים (TEM)

    פיליפס EM 208S TEM היה להשתמש כדי להמחיש את AgNPs colloidal. micrographs אלקטרונים נתפסו משתמש במצלמה ברזולוציה גבוהה Gatan Bioscan ונותח בתוכנת ImageJ 24.

    1. דלל את מדגם retentate 100-KD עם מי ultrapure (1:100 יחס נפח). 20 μl הפקדת קולואיד המקורי והמדולל 100-KD retentate (שלב 3) ברשתות זהב formvar מצופית 300 רשת-(מדעי מיקרוסקופ אלקטרונים). לאפשר לרשתות לייבוש בתא ייבוש. צפו בתוך יום אחד.
    2. הגדר את פוטנציאל ההאצה של מכשיר TEM ב 70 kV לדמיין AgNPs. גapture micrographs אלקטרונים (איור 5) באמצעות המצלמה ברזולוציה גבוהה ולשמור כפורמט קבצי תמונה מתויגת (TIFF).

    6. נציג תוצאות

    סינתזה ואפיון של AgNPs קולואידיות

    ארבעה ליטרים של AgNPs colloidal קרייטון היו מסונתזים בהצלחה באמצעות ההתקנה מוצגת באיור 1 א. קולואיד הסופי היה צבע אופייני צהוב מוזהב (1B איור). 22, 23 ספקטרום ספיגת UV-Vis של קולואיד זה היה טיפוסי חד, סימטרי plasmon שטח שיא (SPR) ב394 ננומטר (התרשים 1C). ספקטרום ראמאן של קרייטון קולואיד המקורי והסופי 100-KD retentate הציג רק שלושה מצבי רטט, כלומר כיפוף (1640 סנטימטר -1) ומצבים סימטריים ואסימטרי מתיחה של H 2 O (3245 סנטימטר -1 סנטימטר ו3390 -1 , בהתאמה) (1D איור). </ P>

    טפו של AgNPs קולואידיות

    ההתקנה והטף סכמטי של תהליך טפו 3-הצעד מתוארת באיורי 2 ו 3, בהתאמה. בשלב 1, 50-nm סינון (460 סנטימטר 2) נוצל לגודל ובחר להסיר AgNPs וAgNP-אגרגטים בקוטר 50-nm וגדול יותר מהמקורי קולואיד (בערך 100 מ"ל של 50-nm retentate). צעד זה לווה גם בהפחתת נפח קטנה מ 4 L של קולואיד המקורי עד 3.9 ליטר 50-nm התסנין. לא צעד שיבוש backwashing או זרימה היה בשימוש. הפחתת הנפח הגדולה ביותר (כלומר, סילוק מים) הושגה בשלב 2, כאשר 50-nm התסנין נדרס לאחר מכן דרך מסנן 100-KD (200 סנטימטר 2). 100-KD כתוצאה retentate היה בהיקף כולל של 50 מ"ל. רוב תוצרי לוואי הסינתזה וריאגנטים עודפים בוטלו בשלב זה במים הממסים (3.850 מ"ל של 100-KD תסנין). יתר על כן, ריכוז AgNP הושג על ידי additיון של צעד שלישי סינון להליך שדווח בעבר 19. בשלב זה 3, מסנן 100-KD של שטח פנים קטן יותר (20 סנטימטרים 2) הקטין את נפח retentate 100-KD של 4.0 מ"ל. מדידות TEM תהיינה להוכיח כי retentate 100-KD הסופי זה מורכב ברובו AgNPs הצבור הנחות של 1-20 ננומטר בקוטר.

    ICP-OES וTEM של AgNPs קולואידיות

    עקומה ליניארית רגרסיה כיול (איור 4) לכסף נבנתה מתקנים 8 (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, ו L 100 מיקרוגרם -1). כמות הכסף בכל אחד מארבעת המדגמים המייצגים colloidal הייתה אז נקבעה מעקום ICP-OES הכיול משוער: קולואיד המקורי (15.2 עמודים לדקה, איור 3 א), 50-nm תסנין (14.1 עמודים לדקה, איור 3 ב '), 1 100 - KD retentate (683.1 עמודים לדקה, האיור 3C) ו100-KD הסופי retentate (8,538.9 עמודים לדקה, האיור 3D).התשואה בפועל של 15.2 עמודים לדקה היא קרובה מאוד לתשואה התיאורטית האופיינית של 15.4 עמודים לדקה לתגובת קרייטון. הריכוז הקיצוני של AgNPs (4 מ"ל של 8,538.9 מיליון) בא לידי ביטוי בשינוי דרמטי בצבע מצהוב לזהב קולואיד המקורי לחום כהה ל100-KD retentate הסופי (3 איור, שיבוצים של תמונות בקבוקון). האיכות של המסננים נמצאה להיות קריטי לתהליך טפו, בפרט לעמדת 1. ריכוזי retentate הסופיים נעים בין דקה ל3,390.1 9,333.3 עמודים לדקה בהתאם למצבם של המסננים (בשימוש רב מול מותג חדש). אם הקרום נקבובי להיות בסכנה, AgNPs בעלי קוטר פחות מ 50-nm גם יישמר ויהיה לאחר מכן להקטין את הכמות הכוללת של AgNPs שנאסף בתסנין. אופטימיזציה של תהליך הסינון שיכלול ניטור לחץ וניקוי נכון יכולה להגדיל את תוחלת החיים של המסננים.

    micrographs TEM היציג של המקורי קרייטון קולואיד והסופי 100-KD retentate (שלב 3) מוצגים בתרשים 5 א ו -5 ג, בהתאמה. במדינת unaggregated, AgNPs מופיע כאזורים עגולים שחורים על רקע אפור בהיר. כ 800 AgNPs זוהה בmicrographs TEM של כל אחד משני המדגמים ונותח באמצעות תוכנת J תמונה. חלקיק אחד הוגדר על ידי מערכת שלמה וסגורה. ערך סף שטח נקבע על 1.0 ננומטר 2 על פי ההחלטה של micrographs TEM. ספירת AgNP והנתונים באזור היו אז מיוצאים לתוך Microsoft Excel וקטרי AgNP היו אקסטרפולציה. קוטר AgNP הממוצע בקולואיד המקורי והסופי 100-KD retentate נקבעו כ9.3 ננומטר ו11.1 ננומטר, בהתאמה. מידות הקוטר של AgNPs היו אז מיוצאים ל8.0 תוכנת המקור והיסטוגרמה גודל TEM נבנתה עבור כל דגימה (5B האיור ו5D).

    1 "src =" / files/ftp_upload/4167/4167fig1.jpg "/>
    איור 1.) התקנת סינתזה, B) צבע אופייני, C) ספקטרום בליעת UV-Vis ו D) ספקטרום ראמאן של AgNPs colloidal קרייטון.

    איור 2
    איור 2 התקנת טפו ניסיונית ל) A שלבי 1 ו 2:. אני) המאגר מכיל AgNPs colloidal קרייטון. השני) מאגר לאיסוף תסנין. III) Y-צומת בצינורות. IV) ראש משאבת נפיחה. . V) או 50-nm או 100-KD Midi Kros מסנן B) שלב 3: אני) המאגר מכיל AgNPs colloidal קרייטון. השני) מאגר לאיסוף תסנין. III) 100 KD מייקר Kros מסנן.

    איור 3
    איור 3. תרשים זרימה המתאר את תהליך טפו. הקופסות כחולות המוצלות לסמן את המתלים הקולואידיות של AgNPs נאסף לניתוח נוסף. עמ בקבוקוןhotographs להראות) מקורי קולואיד יצווה, ב ') 50 ננומטר התסנין נאסף לאחר עיבוד קולואיד המקורי באמצעות 50-nm הסינון (460 סנטימטר 2), C) retentate 1 100-KD מתקבל לאחר הפחתת עוצמת קול באמצעות Midi Kros 100-KD הסינון (200 סנטימטר 2), ו-D) retentate 100 KD-הסופי כתוצאה מהפחתת עוצמת הקול באמצעות מייקר Kros מסנן 100-KD (20 סנטימטר 2). 100-KD התסנין נראה כמו מים.

    איור 4
    איור 4 כיול ליניארי ICP-OES נבנה באמצעות 8 תקני כסף:. 0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, ו 100 מיקרוגרם L -1.

    איור 5
    איור 5. Micrographs TEM של) קרייטון AgNPs המקורי ו-C) הסופי 100-KD retentate (סרגל קנה מידה היא100 ננומטר). היסטוגרמות גודל TEM נבנתה על ידי ניתוח כ 800 AgNPs עבור B) AgNPs קרייטון המקורי, ו-D) retentate 100 KD-סופי. השיבוץ ב5B האיור מציג את המגוון המורחב 41-75 ננומטר גודל למטרות השוואה. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Spectrophotometry הקליטה UV-VIS וראמאן ספקטרוסקופיה של AgNPs קולואידיות

העובדה ידועה היא כי מספר פסגות תהודת plasmon פני ספקטרום הספיגה של קולואיד פוחת ככל הסימטריה של עליות AgNPs. בנוסף, AgNP הצבירה מובילה להופעתו של פסגות רחבות יותר או אדום וסט. 25,26 הנוכחות אחת, חד וסימטרי SPR שיא ב 394 ננומטר מעידה על AgNPs הקטן, הכדורי של צבירה מתונה והתפלגות גודל.

הטוהר של דגימות colloidal לפני ואחרי ultrafiltration הודגם על ידי ספקטרום ראמאן של קרייטון קולואיד המקורי וretentate הסופי 100-KD, שהוצג רק שלושה מצבים אופייניים לH 2 O. רטט אות ראמאן הקשור עם זיהומים אורגניים או מזהמי ultrafiltration של חתכי ראמאן גדולים תהיה משופרת באמצעות הקירבה לAgNPמשטח (כלומר, המשופרת קרקע ראמאן ספקטרוסקופיה שנקראה (SERS) השפעה).

ICP-OES וTEM של AgNPs קולואידיות Ultrafiltered

התוספת של שלב סינון שלישי, 100-KD להליך שדווח בעבר 19 טפו הקל ההפחתה המוצלחת של נפח גדול יותר של AgNPs colloidal קרייטון (4L יצווה של 15.2 עמודים לדקה) בנפח קטן יותר של פי 1000 retentate (4 מ"ל של 8,538.9 עמודים לדקה). זה מתאים לתשואת ריכוז טף של כ 62% תוך לקיחה בחשבון את כמות AgNPs וAgNP-אגרגטים בקוטר 50-nm וגדול יותר, שהוסרו. הריכוזיות היא מדהימה בגלל הסופי 100-KD retentate בעיקר כללה AgNPs monodisperse שהיו 1-20 ננומטר בקוטר וחופשי מחומרים כימיים ותוצרי לוואי מיותרים. צעד הסינון השלישי, 100-KD השתפר תשואת הריכוז מ45 20% ל 62%. טפו שיפורים נוספים בגודל הבחירה וריכוז AgNPs יכול להיות מושגת על ידי שימוש בממברנות סיבים חלולות נוספות. מסננים של גודל נקבובי הנעים בין 1000 עד 10 KD KD ושטח פנים מ -5.1 מ '2 עד 8 ​​2 סנטימטר כרגע זמינים לשתי דגימות הידרופובי והידרופילי. מאגר חילופים יכולים גם להתבצע במהלך טפו, בהתאם ליישומים במורד זרם. כאשר הפחתת הנפח עולה 800-קיפול (כלומר, כאשר הנפח מופחת מ4 L פחות מ 5 מ"ל), יש ירידה ביציבות וחיי מדף של השעית colloidal בשל המידה הקיצונית של ריכוז. חיי מדף לאלה AgNP המרוכז מאוד, unfunctionalized הם כ 1-2 שבועות בשעת 10 ° C. אמנם לא נוח, מגבלה זו מנוהלת באמצעות תכנון מחקר הזהיר והכנה. מידה קיצונית זו של ריכוז הייתה רצויה ללימודי nanotoxicity מתמשכים בריכוזים שונים. קבוצות מרוכזות פחות של AgNPs צפויות להיות יציבות טובה יותר וחיי מדף ארוכים יותר.

= "Jove_content"> בדיקה ויזואלית של תמונות TEM (האיור 5A ו5C) הראה שכיחות מוגברת של AgNPs מינימאלי מצטבר בגמר 100-KD retentate לעומת קולואיד המקורי. את היסטוגרמות גודל TEM של שתי דגימות colloidal (5B האיור ו5D) עוד אשרה כי polydispersity של AgNPs colloidal קרייטון היה מוגבלת דרך טפו. הגבלת polydispersity נוספת ניתן להשיג על ידי שימוש בסדרה של ממברנות סינון של גדלים נקבוביים קטנים יותר. בקטרים ​​של AgNPs קרייטון נעים בין 1 ננומטר ל 75 ננומטר (5B איור וההבלעה מראה את גודל 41-75 פחי ננומטר המורחבים), ואילו AgNPs ו / או AgNP-המצרפים של 50 ננומטר וגדול יותר (0.9% מתוך אחוז AgNPs כלל) נעדר ביסטוגרמה הגודל TEM של המדגם הסופי 100-KD (האיור 5D). Retentate 100-KD היה מורכב בעיקר מAgNPs שהיה קוטר של 1-20 ננומטר; הייתה תרומה קטנה (12.4%) מAgNPs ב21-40 פחי גודל. 5B האיור ו5D אשרו כי מגמת התפלגות הגודל נשמרה לretentate 100-KD במהלך תהליך טפו למעט בטווח גודל ננומטר 1-5. חלה ירידה ניכרה בשכיחות של AgNPs הקטן יותר של 1-5 ננומטר בקוטר למדגם 100-KD (מ 33.2% ל -21.3%), אשר יוחסה לAgNP מעבר דרך קרום המסנן לתוך התסנין. כתוצאה מכך, קוטר AgNP הממוצע עלה מ 9.3 ננומטר לקולואיד המקורי ל11.1 ננומטר לretentate הסופי 100-KD. משום כ 800 AgNPs נותח עבור שתי דגימות colloidal, התדירות ירדה מAgNPs הקטן ב1-5 ננומטר (11.9%) ו6-10 ננומטר (1.3%) טווחי גודל לוותה בגידול מקביל בתדירות של AgNPs הגדול ב11-25 פחי גודל ננומטר (כלומר, כ -12.8% מקולואיד המקורי לretentate 100-KD).

לסיכום, טפו הוכיח להיות שיטה יעילה, "ירוקה" לסיze-בחירה וריכוז AgNPs colloidal עם צבירה מינימאלית בקני מידת נפח שונים. מבטל את השימוש בריאגנטים כימיים חריף או ממסים אורגניים מסינתזת AgNP (לגודל יותר טובים, צורה ושליטת צבירה) עשוי להפחית באופן משמעותי רעילות AgNP תוך שיפור המדד הטיפולי שלהם. AgNPs של polydispersity המוגבל עשויה למצוא יישומים תעשייתיים ומחקר מיידיים אחרים בשל הקטליטית שלהם משופרים, 27 28 אופטו, 29 או SERS מבוססי נכסי biosensing. 9,19,30,3131 מחקר מאוד לאחרונה על ידי לנדר ואח' 32. הראו כי מייקרו וקרומי ultrafiltration עשויים מחמישה חומרים פולימריים שונים (polysulfone, polyethersulfone, ניילון, יצטט תאית, וpolyvinylidenefluoride) עשויים להיות מיושמים בהצלחה בבחירת הגודל של NPS הפונקציונלי. NPS אלה של 2-10 ננומטר בקוטר היה Ag, Au או 2 ליבות Ti O והיה פונקציונליים עם ציפוי פולימר אורגני שהוביל לחיובי משטח חיוביים או שליליים. שתי הליבות והפונקציונליות פני השטח של NPS נמצאו לשחק תפקיד מרכזי בשמירה או מעבר NP דרך הממברנות (0.2 ננומטר ל0.22 מיקרומטר). כצפוי, NPS מטען החשמלי חיובי נדחו לחלוטין (> 99%) על ידי הקרומים הטעונים שלילי שהיו לי גודל נקבובי 20-פעמים גדולות יותר מקוטר NP. מניסויים אלה, לומד כי מנגנון האינטראקציה יש לשקול בזהירות במחקרים עתידיים עם NPS הפונקציונלי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגודי האינטרסים הכריזו.

Acknowledgments

מימון מהקרן הלאומית למדע דרך NUE בהנדסה ואת תוכניות Consortium המנהיג הוא בברכה.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Silver nitrate (AgNO3) Acros Organics Inc. CAS: 7761-88-8
Sodium borohydride (NaBH4) Acros Organics Inc. CAS: 16940-66-2
Nitric acid (HNO3, Optima) Fisher Scientific Inc. A467-1 Trace metal grade for ICP analysis
10,000 μg ml-1 silver standard, EnviroConcentrate Ultra Scientific US-IAA-047
KrosFlo Research IIi Tangential Flow Filtration System Spectrum Laboratories Inc. SYR2-U20-01N
0.05 μm PS (0.5 mm) 460 cm2 Spectrum Laboratories Inc. X30S-900-02N
Midi 100 kD PS 200 cm2 Spectrum Laboratories Inc. X3-100S-901-02N
Micro100 kD PS 20 cm2 Spectrum Laboratories Inc. X1AB-300-10N
MasterFlex C-Flex tubing L/S Size 17 Cole-Palmer Instrument Co. 06424-17
MasterFlex C-Flex tubing L/S Size 14 Cole-Palmer Instrument Co. 06424-14
Cary 50 UV-VIS-NIR spectrophotometer Varian Inc.
LabRam HR 800 system Horiba Jobin Yvon Inc.
Varian 710ES ICP-–S Varian Inc.

Table 1. Specific reagents and equipment.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. The Project on Emerging Nanotechnologies. , Available from: http://www.nanotechproject.org/inventories/consumer/analysis_draft (2011).
  2. Savage, N., Diallo, M. S. Nanomaterials and Water Purification: Opportunities and Challenges. Journal of Nanoparticle Research. 7, 331-342 (2005).
  3. Jain, J. Silver Nanoparticles in Therapeutics: Development of an Antimicrobial Gel Formulation for Topical Use. Mol. Pharmaceutics. 6, 1388-1401 (2009).
  4. Dal Lago, V., Franca, dO., de, A. G., Kobarg, J., Borba Cardoso, M. Size-selective silver nanoparticles: future of biomedical devices with enhanced bactericidal properties. J. Mater. Chem. 21, 12267-12273 (2011).
  5. Panacek, A. Silver Colloid Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Their Antibacterial Activity. J. Phys. Chem. B. 110, 16248-16253 (2006).
  6. Elechiguerra, J. Interaction of silver nanoparticles with HIV-1. Journal of Nanobiotechnology. 3, 6 (2005).
  7. Jana, N. R., Sau, T. K., Pal, T. Growing Small Silver Particle as Redox Catalyst. J. Phys. Chem. B. 103, 115-121 (1999).
  8. Tolaymat, T. M. An evidence-based environmental perspective of manufactured silver nanoparticle in syntheses and applications: A systematic review and critical appraisal of peer-reviewed scientific papers. Sci. Total Environ. 408, 999-1006 (2010).
  9. Willets, K. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) for probing internal cellular structure and dynamics. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 394, 85-94 (2009).
  10. Novak, J. P., Nickerson, C., Franzen, S., Feldheim, D. L. Purification of Molecularly Bridged Metal Nanoparticle Arrays by Centrifugation and Size Exclusion Chromatography. Anal. Chem. 73, 5758-5761 (2001).
  11. Hossain, M. K., Kitahama, Y., Huang, G. G., Han, X., Ozaki, Y. Surface-enhanced Raman scattering: realization of localized surface plasmon resonance using unique substrates and methods. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 394, 1747-1760 (2009).
  12. Henglein, A., Giersig, M. Formation of Colloidal Silver Nanoparticles: Capping Action of Citrate. J. Phys. Chem. B. 103, 9533-9539 (1999).
  13. Sapsford, K. E., Tyner, K. M., Dair, B. J., Deschamps, J. R., Medintz, I. L. Analyzing Nanomaterial Bioconjugates: A Review of Current and Emerging Purification and Characterization Techniques. Anal. Chem. 83, 4453-4488 (2011).
  14. Al-Somali, A., Krueger, K. M., Falkner, J. C., Colvin, V. L. Recycling Size Exclusion Chromatography for the Analysis and Separation of Nanocrystalline Gold. Anal. Chem. 76, 5903-5910 (2004).
  15. Hanauer, M., Pierrat, S., Zins, I., Lotz, A., Sonnichsen, C. Separation of Nanoparticles by Gel Electrophoresis According to Size and Shape. Nano Lett. 7, 2881-2885 (2007).
  16. Sweeney, S. F., Woehrle, G. H., Hutchison, J. E. Rapid Purification and Size Separation of Gold Nanoparticles via Diafiltration. J. Am. Chem. Soc. 128, 3190-3197 (2006).
  17. Clarke, N. Z., Waters, C., Johnson, K. A., Satherley, J., Schiffrin, D. J. Size-Dependent Solubility of Thiol-Derivatized Gold Nanoparticles in Supercritical Ethane. Langmuir. 17, 6048-6050 (2001).
  18. Schaaff, T. G. Isolation of Smaller Nanocrystal Au Molecules: Robust Quantum Effects in Optical Spectra. J Phys Chem B. 101, 7885-7891 (1997).
  19. Trefry, J. C. Size Selection and Concentration of Silver Nanoparticles by Tangential Flow Ultrafiltration for SERS-Based Biosensors. J. Am. Chem. Soc. 132, 10970-10972 (2010).
  20. Bhattacharjee, S., Bhattacharjee, C., Datta, S. Studies on the fractionation of & beta-lactoglobulin from casein whey using ultrafiltration and ion-exchange membrane chromatography. J. Membr. Sci. 275, 141-150 (2006).
  21. Eppler, A., Weigandt, M., Schulze, S., Hanefeld, A., Bunjes, H. Comparison of different protein concentration techniques within preformulation development. Int. J. Pharm. 421, 120-129 (2011).
  22. Creighton, J. A., Blatchford, C. G., Albrecht, M. G. Plasma resonance enhancement of Raman scattering by pyridine adsorbed on silver or gold sol particles of size comparable to the excitation wavelength. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2, 790-798 (1979).
  23. Pavel, I. E. Estimating the Analytical and Surface Enhancement Factors in Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS): A Novel Physical Chemistry and Nanotechnology Laboratory Experiment. J. Chem. Educ. , (2011).
  24. Rasband, W. S. ImageJ. , National Institutes of Health. Bethesda, Maryland, USA. Available from: http://imagej.nih.gov/ij (1997).
  25. Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment. J. Phys. Chem. B. 107, 668-677 (2003).
  26. Śileikaitċ, A., Prosyčevas, I., Puišo, J., Juraitis, A., Guobienċ, A. Analysis of Silver Nanoparticles Produced by Chemical Reduction of Silver Salt Solution. Mater. Sci. (Medziagotyra). 12, 287-291 (2006).
  27. Lewis, L. N. Chemical catalysis by colloids and clusters. Chem. Rev. 93, 2693-2730 (1993).
  28. Li, Y., Wu, Y., Ong, B. S. Facile Synthesis of Silver Nanoparticles Useful for Fabrication of High-Conductivity Elements for Printed Electronics. J. Am. Chem. Soc. 127, 3266-3267 (2005).
  29. Sun, Y., Xia, Y. Shape-Controlled Synthesis of Gold and Silver Nanoparticles. Science. 298, 2176-2179 (2002).
  30. Han, X., Zhao, B., Ozaki, Y. Surface-enhanced Raman scattering for protein detection. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 394, 1719-1727 (2009).
  31. Pavel, I. Label-Free SERS Detection of Small Proteins Modified to Act as Bifunctional Linkers. J. Phys. Chem. C. 112, 4880-4883 (2008).
  32. Ladner, D. A., Steele, M., Weir, A., Hristovski, K., Westerhoff, P. Functionalized nanoparticle interactions with polymeric membranes. J. Hazard. Mater. , (2011).

Tags

כימיה גיליון 68 הנדסה ביו רפואית הנדסה כימית ננוטכנולוגיה חלקיקי כסף בחירת גודל ריכוז ultrafiltration זרימה המשיק
Ultrafiltration זרימה משיק: שיטה &quot;ירוקה&quot; לבחירת הגודל והריכוז של חלקיקי כסף Colloidal
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Anders, C. B., Baker, J. D.,… More

Anders, C. B., Baker, J. D., Stahler, A. C., Williams, A. J., Sisco, J. N., Trefry, J. C., Wooley, D. P., Pavel Sizemore, I. E. Tangential Flow Ultrafiltration: A “Green” Method for the Size Selection and Concentration of Colloidal Silver Nanoparticles. J. Vis. Exp. (68), e4167, doi:10.3791/4167 (2012).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter