Waiting
Login processing...

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

Biology

Tangentiellt flöde Ultrafiltrering: en "grön" Metod för storlek Urval och koncentration av kolloidalt silver nanopartiklar

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

Tangentiellt flöde ultrafiltrering (TFU) är en recirkulation som används för den viktbaserade separation av biosamples. TFU anpassades till storlek-select (1-20 nm i diameter) och mycket koncentrera en stor volym av polydispersa silvernanopartiklar (4 L av 15,2 pg ml

Abstract

Numera är AgNPs utsträckning används vid tillverkning av konsumentprodukter, 1 vatten desinfektionsmedel, 2 terapier, 1, 3 och biomedicinska anordningar 4 på grund av sina kraftfulla antimikrobiella egenskaper. 3-6 Dessa nanopartiklar applikationer starkt påverkas av AgNP storlek och aggregationstillstånd . Många utmaningar finns i den kontrollerade tillverkningen 7 och storlek baserad isolering 4,8 av icke-funktionaliserad, homogena AgNPs som är fria från kemiskt aggressiv tak / stabiliseringsmedel eller organiska lösningsmedel. 7-13 Begränsningar ur toxicitet reagenser, höga kostnader eller minskade effektivitet AgNP syntes eller isolering metoder (t.ex., centrifugering, storlek-beroende löslighet, storleksuteslutningskromatografi, etc.). 10,14-18 att övervinna detta visade vi nyligen att TFU tillåter större kontroll över storleken, koncentration och aggregationstillstånd av Creighton AgNPs (300ml av 15,3 pg ml -1 ned till 10 ml av 198,7 pg ml -1) än konventionella metoder för isolering, såsom ultracentrifugering. 19

TFU är en återcirkulation metod som vanligen används för den viktbaserade isolering av proteiner, virus och celler. 20,21 korthet vätskeprovet att passera genom en serie av hålfibermembran med porstorlek som sträcker sig från 1.000 kD till 10 kD. Mindre suspenderade eller lösta beståndsdelar i provet kommer att passera genom den porösa barriären tillsammans med lösningsmedlet (filtratet), medan de större beståndsdelarna behålls (retentat). TFU kan betraktas som ett "grönt" metod som varken skadar prov eller kräver ytterligare lösningsmedel för att eliminera giftiga överskottsreagens och biprodukter. Vidare kan TFU appliceras på en stor variation av nanopartiklar som både hydrofoba och hydrofila filter finns tillgängliga.

De två viktigaste målen med denna studie var: 1) för att illustrerade experimentella aspekterna av TFU strategi genom en inbjuden videoupplevelse och 2) att demonstrera genomförbarheten av TFU metoden för större volymer av kolloidala nanopartiklar och mindre volymer retentat. Först unfuctionalized AgNPs (4 L, 15,2 pg ml -1) syntetiserades med den väletablerade Creighton metoden 22,23 genom reduktion av AgNO 3 med NaBH 4. AgNP polydispersitet därefter minimeras genom en 3-stegs TFU använder en 50-nm-filter (460 cm 2) för att avlägsna AgNPs och AgNP-aggregat större än 50 nm, följt av två 100-kD (200 cm 2 och 20 cm 2) filter att koncentrera AgNPs. Representativa prover karakteriserades med transmissionselektronmikroskopi, UV-Vis absorptionsspektrofotometri, Raman-spektroskopi och induktivt kopplad plasma optisk emissionsspektroskopi. Den slutliga retentatet bestod av högkoncentrerat (4 ml, 8,539.9 pg ml -1) ändå ödmjuk aggregerade och homogenAgNPs med 1-20 nm i diameter. Detta motsvarar en koncentration silver utbyte av omkring 62%.

Protocol

1. Syntes av Kolloidala AgNPs

Reaktionsmekanismen för Creighton metoden (något modifierad, billig) 22 beskrivs i detalj i den bärande informationen referens Pavel et.al tillsammans med den oönskade hydrolys sidoreaktion av NaBH4 vid rumstemperatur eller högre. 23

  1. Rengör alla glasvaror för 12-24 h i en 10% HNO 3 bad, därefter under 4-12 h i en 1,25 M NaOH i 40% etanolbad och slutligen autoklav. Glasvaror skall sköljas noggrant minst fem gånger med ultrarent vatten (17 MQ eller högre) efter syran och basen steg bad.
  2. Bered 300 ml av en 2 mM NaBH 4-lösning och 100 ml av en 1 mM AgNOs 3 lösning med användning av autoklaverat vatten kyld vid 10 ° C. De lägre temperaturerna kommer att förhindra sidoreaktion av NaBH 4.
  3. Lägg 300 ml 2 mM NaBH 4 lösningen till en 500 ml Erlenmeyer-reaktionskolv fortsaining en omrörarstav och linda kolven med aluminiumfolie för att förhindra silver oxidation. Placera kolven i ett isbad på en omrörarplatta och omrör lösningen vid 325 rpm under 10 minuter.
  4. Prime en 25 ml byrett genom sköljning med en fullständig kolonn av ultrarent vatten. Efter grundmålning, fyller byrett med AgNO 3-lösning och linda med aluminiumfolie.
  5. I ett mörkt rum, tillsätt 50 ml 1 mM AgNOs 3 lösning vid en hastighet av 1 droppe sekund -1 till NaBH 4 lösningen med kontinuerlig omröring (Figur 1A). Täck den mellersta delen av apparaten med en "folie tält" för att minimera ljusexponering under AgNO 3 tillägg. Den AgNO 3 tillägg kommer att kräva 30-40 min. Fyll isbadet regelbundet.
  6. Efter AgNOs 3 avslutad tillsats fylla isbadet och fortsätt omröring den kolloidala lösningen under ytterligare 45-50 minuter. Bildningen av kolloidala AgNPs signaleras genom en förändring i färg från färglöstill en guldgul, vilket är kännetecknande för ytplasmonresonans maximalt AgNPs (Figur 1B).
  7. När reaktionen är fullbordad, kylskåp kolloiden. Kolloidala AgNP partier kan kombineras efter en vecka om kolloid har varit konsekvent, dvs har den kolloidala lösningen aggregerade inte och satsen har karakteriserats med UV-Vis absorptionsspektrofotometri och Raman-spektroskopi för att identifiera eventuella aggregering eller föroreningar.

2. Karakterisering av Kolloidala AgNPs

En Cary 50 UV-VIS-NIR spektrofotometer (Varian Inc.) och en LabRamHR 800 Raman-system (Horiba Jobin Yvon, Inc.) utrustad en Olympus BX41 konfokalt ramanmikroskop, användes för AgNP karakterisering. Den Cary WinUV programvara, LabSpec V.5 och ursprung 8,0 programvara användes för datainsamling och analys.

Obs: ackvisitionsparametrar måste optimeras for andra instrument modeller.

Bestämning av ytplasmonresonans av kolloidala AgNPs genom UV-Vis-spektrofotometri

  1. Fyll en 1 cm 3 engångskyvett med Creighton kolloid och ultrarent vatten i en 1:10 volymförhållande. Fyll ytterligare 1 cm 3 kyvett med ultrarent vatten för en tom baslinje korrigering. Torka utsidan av båda kyvetter med Kimwipe.
  2. Ställ spektrofotometer för absorbansen läge från en Y minst -0,5 till en Y maximalt 1,0. Ställ X scanning fönstret till 200-800 nm och välj en snabb skanning hastighet av 4.800 nm min -1 med baslinjen korrigering.
  3. Sätt kyvetten fylld med vatten i instrumentet och kör en baslinje skanning. Upprepa vid behov tills en icke-noll baslinjen kontroll uppnås.
  4. Byt den tomma kyvetten med prov-kyvett och inleda en absorbans Scan för insamling av UV-Vis absorptionsspektrum av den kolloidala provet (Figur 1C).

    Renhet Test av Kolloidala AgNPs genom Ramanspektroskopi

    På grund av den tidsbegränsning för videodemonstration (10-15 min video) och utrymmet begränsning av protokollet texten (max 3 sidor), kommer denna experimentella avsnittet inte videofilmas.

    1. Inställningar instrumentets parametrar enligt följande: excitationskälla (632,8 nm He-Ne), filter (inget filter, lasereffekt på provet ~ 17 mW), konfokal hål (300 nm), spektrometer (730 cm -1), holografiskt gitter (600 lundar / mm), objektiv (50x långa arbetsavstånd luft mål), exponeringstid (30 s), och cykler ackumulering (5).
    2. Använd en ren pipett för att fylla en 2 ml kvartskuvett med kolloid och försiktigt in kontakten. Använd en Kimwipe att rensa bort fingeravtryck, fläckar eller kolloid från ytan av kyvetten. Betydligt lägre mikroskop scenen. Välj 50x objektiv och placera kyvetten på scenen.
    3. Fokusera lasER balk på AgNP kolloid direkt under innervägg kyvetten med videoläge för instrumentet och Olympus kamera. Stäng av rummet ljus och förvärva Ramanspektrum (figur 1D).

    3. Storlek urval och koncentration av kolloidala AgNPs via tangentiellt flöde ultrafiltrering (TFU)

    En KrosFlo II Research filtrering system (Spectrum Laboratories, Rancho Dominguez, CA) användes för att begränsa AgNP polydispersiteten och koncentrera dem (figur 2). De tre stegen i TFU-processen var: (1) Storlek urval av AgNPs och AgNP-aggregat av 50-nm i diameter och större med hjälp av en 50-nm MidiKros polysulfon modul (460 cm 2), 2) Storlek urval och koncentration av AgNPs med 1-20 nm i diameter med användning av en 100-kD MidiKros filtret (200 cm 2), och (3) Ytterligare volymminskning med en 100-kD MicroKros polysulfon-filter (20 cm 2) (figur 3).

    1. Anslut storlek 17 Masterflex utfodring slang till den peristaltiska pumpen enligt figur 2A. En Y-korsning och en slang korsning kommer att behövas för uppställningen. Fäst slangen till den 50-nm MidiKros modul. Var noga med att fästa slangen att filtrera med buntband. Välj 17 slang storlek med hjälp SIZE-knappen.
    2. Välj moturs pumpens riktning med DIR knapp. Se till att MODE är på INT.
    3. Sänk pumphastigheten till under 300 ml min -1 innan pumpen. Pumpens hastighet bör anpassas till storleken av den använda slangen. Det bör vara en liten inställning för att tillåta operatören att snabbt reagera på eventuella läckor men tillräckligt stor för att fortfarande ha en effekt på fyllning av systemet. För att skapa det vakuum som krävs för att dra kolloid från reservoaren in i röret och filtret, skär slangen som leder från den nedre delen av filtret till den övre delen av Y-förbindningen i mitten av slangen.
    4. När vätskan flödar fritt genom röret, stäng av pumpen, gå med trasiga delen av slangen med en slang korsning och säkra med buntband. Slå på pumpen igen och fortsätta filtrering.
    5. Kontrollera slangen krets för läckor. Om en läcka hittas, fixa läckan genom att justera kopplingen eller åter säkra en buntband. När rörsystemet är läckfri, pumpens flöde kan ökas till högst 700 ml min -1. Denna pump ränta värde bör optimeras efter slangstorlek för att undvika slang misslyckande. Fortsätt filtreringen tills vätskan i behållaren flaskan är uttömt till nästan ingenting.
    6. När filtreringen är klar, samla filtratet som innehåller AgNPs av 50-nm diameter och Smaller. Retentatet kan sparas för vidare analys enligt den specifika AgNP programmet.

    Steg 2

    1. Skölj slangen med 2% HNO 3 och ultrarent vatten innan du installerar den 100-kD MidiKros filtrera använda samma inställningar som för 50-nm-modul.
    2. Upprepa steg 3,3 med 100-kD MidiKros modul.
    3. När filtreringen är fullbordad, samla innehållet i röret och filtret (100-kD retentat). Volymen bör vara ungefär 50 ml.

    Steg 3

    1. Anslut storlek 14 Masterflex slang och 100-kD MicroKros filter till den peristaltiska pumpen enligt figur 2B. Säkra alla korsningar med buntband. Välj slangen storlek 14 på pumpen med SIZE-knappen och sänk pumphastigheten till 30 ml min -1.
    2. Börja filtreringen. Kontrollera slangen krets för läckor. Om en läcka hittas, fixa läckan genom att justera passformenTing eller re-säkring med buntband.
    3. När rörsystemet är läckfri, kan pumpen flödeshastigheten ökas till inte mer än 90 ml min -1. Fortsätt filtreringen tills vätskan kvar i behållaren flaskan innehåller en minimal mängd koncentrat.
    4. Det återstående innehållet i röret och filtret kan uppsamlas i behållaren genom att avlägsna matningsslangen från flaskan medan pumpen fortfarande går. När slangen och filtret innehållet i behållaren flaskan, kan pumpen stängas av.

    4. Kvantifiering av silver Belopp i kolloidal AgNPs av induktivt kopplad plasma optisk spektroskopi (ICP-OES)

    Varje kolloidal prov kemiskt uppsluten och mängden silver kvantifierades genom ICP-OES med användning av en A 710E spektrometer (Varian Inc.). En linjär regression kalibreringskurva för silver (fig 4) konstruerades med användning av åtta standarder silver (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, och 100 pg L -1), som framställdes från en 10.000 pg ml -1 silver standard för spårmetallanalys (Ultra Scientific).

    1. Kemiskt smälta prover med HNO 3. De representativa prover är de ursprungliga kolloiden (steg 1), 50-nm filtrat (steg 1), 100-kD retentatet (steg 2), och slutlig 100-kD retentatet (steg 3) (Figur 3).
    2. Proverna bör spädas med 2% HNO 3 med följande volymförhållandena: 1:1000 för den ursprungliga kolloid, 1:1000 för 50-nm filtrat, 1:25,000 för första 100-kD retentatet, och 1:250,000 för den slutliga 100-kD retentatet. För att förhindra silver urlakning bör alla proverna förvaras i låg densitet polypropylen behållare.
    3. Ställ in ICP-OES instrumentparametrar enligt följande: våglängd för Ag (328,068 nm), effekt (1,20 kW), plasmaflödet (15,0 L min -1), extra flöde (1,50 L min -1), och nebulisatorn tryck (200 kPa ).
    4. Varje sample ska mätas i tre exemplar med en kopia på 10 sekunder. Mellan-mätning stabiliseringstid av 15 sekunder och en 30 sek prov upptag fördröjning bör användas. En metod tomt bör införas mellan varje prov för att minska risken korskontaminering.

    5. Storleksfördelningen av kolloidala AgNPs genom transmissionselektronmikroskopi (TEM)

    En Phillips EM 208S TEM användes för att visualisera kolloidala AgNPs. Elektronmikrofotografier har tagits med en hög upplösning Gatan Bioscan kamera och analyseras i ImageJ programvara. 24

    1. Späd 100-kD retentat provet med ultrarent vatten (1:100 volymförhållande). Deposition 20 il av den ursprungliga kolloiden och den utspädda 100-kD retentatet (steg 3) på 300-mesh Formvar-belagda galler guld (Electron Microscopy Sciences). Låt galler för att torka i en exsickator. Visa inom ett dygn.
    2. Ställ accelererande potential TEM instrumentet vid 70 kV för att visualisera AgNPs. Capture elektronmikrofotografier (Figur 5) med hjälp av kamera med hög upplösning och spara som taggade bildfiler format (TIFF).

    6. Representativa resultat

    Syntes och karakterisering av kolloidala AgNPs

    Fyra liter Creighton kolloidala AgNPs framgångsrikt syntetiseras med hjälp av inställningen visas i Figur 1A. Den slutliga kolloiden hade en karakteristisk guldgul färg (figur 1B). 22, 23 UV-Vis absorptionsspektrum av denna kolloid hade en typisk skarp, symmetrisk ytplasmon topp (SPR) vid 394 nm (Figur 1C). Raman-spektrum för den ursprungliga Creighton kolloiden och den slutliga 100-kD retentatet presenterade endast tre vibrational lägen, nämligen böjning (1640 cm -1) och symmetriska och asymmetriska stretching lägen av H 2 O (3245 cm -1 och 3390 cm -1 , respektive) (figur 1D). </ P>

    TFU av Kolloidala AgNPs

    Den TFU inställning och den schematiska av 3-stegs TFU process avbildas i figurerna 2 och 3, resp. I steg 1 framställdes en 50-nm-filter (460 cm 2) användes för att storlek välja och ta bort AgNPs och AgNP-aggregat av 50-nm diameter och större från den ursprungliga kolloiden (ca 100 ml av 50-nm retentat). Detta steg har också tillsammans med en liten volym minskning från 4 L ursprungliga kolloid ner till 3,9 liter 50-nm filtrat. Inget returspolning eller flöde störning steg användes. Den största volymminskningen (dvs avlägsnande av vatten) erhölls i steg 2, när 50-nm filtrat därefter kördes genom en 100-kD-filter (200 cm 2). Den resulterande 100-kD retentatet hade en total volym av 50 ml. De flesta av de syntes biprodukter och överskottsreagens avlägsnades i detta steg genom vattnet lösningsmedel (3,850 ml 100-kD filtratet). Vidare, var AgNP koncentration uppnås genom additjon av tredjedel filtreringssteg med den tidigare rapporterade proceduren. 19 I detta steg 3, en 100-kD-filter med en mindre ytarea (20 cm 2) minskade 100-kD retentat volym till 4,0 ml. TEM mätningar kommer att visa att denna sista 100-kD retentatet består mestadels av ödmjuk aggregerade AgNPs av 1-20 nm i diameter.

    ICP-OES och TEM av kolloidala AgNPs

    En linjär regression kalibreringskurva (figur 4) för silver konstruerades från åtta standarder (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, och 100 pg L -1). Mängden silver i vart och ett av de fyra representativa kolloidala prov bestämdes sedan från ICP-OES kalibreringskurva genom extrapolering: ursprunglig kolloid (15,2 ppm, figur 3A), 50-nm filtrat (14,1 ppm, figur 3B), första 100 - kD retentat (683,1 ppm, figur 3C) och slutlig 100-kD retentatet (8,538.9 ppm, figur 3D).Den faktiska utbytet av 15,2 ppm är mycket nära den typiska teoretiska utbytet av 15,4 ppm för Creighton reaktionen. Den extrema koncentrationen av AgNPs (4 ml 8,538.9 ppm) återspeglades av en dramatisk förändring i färg från gyllengul till den ursprungliga kolloid till mörkbrun för slutlig 100-kD retentatet (Figur 3, inläggningar av flaska bilder). Kvaliteten på filtren befanns vara kritisk för TFU processen, särskilt till steg 1. De slutliga retentatet koncentrationerna varierade från 3,390.1 ppm till 9,333.3 ppm beroende på skick filtren (flitigt mot helt nya). Om membranet porer blir komprometterad kommer AgNPs som har diametrar mindre än 50-nm också bevaras och kommer därefter att minska det totala beloppet för AgNPs som samlas i filtratet. Optimering av filtreringsprocessen att inkludera tryckövervakning och ordentlig rengöring kan öka livslängden för filtren.

    Representativa TEM-mikrofotografier av den ursprungliga Creighton kolloiden och den slutliga 100-kD retentatet (steg 3) visas i figur 5A och 5C, respektive. I sin icke-aggregerad tillstånd AgNPs visas som svarta runda områden på en ljusare grå bakgrund. Cirka 800 AgNPs identifierades i TEM mikrofotografier av vardera av de två proven och analyserades med användning av Image J. En partikel definieras av en komplett och sluten omkrets. Ett område tröskelvärde sattes till 1,0 nm 2 enligt beslutet av TEM mikrografer. De AgNP räknas och dataområdet sedan exporteras till Microsoft Excel och AgNP diametrarna extrapolerades. Den genomsnittliga AgNP diameter i den ursprungliga kolloiden och den slutliga 100-kD retentatet bestämdes vara 9,3 nm och 11,1 nm resp. De diameter mätningar av AgNPs sedan exporteras till Origin 8,0 programvara och en TEM storlek histogram konstruerades för varje prov (figur 5B och 5D).

    1 "src =" / files/ftp_upload/4167/4167fig1.jpg "/>
    Figur 1. A) Syntes inställning, B) karakteristiska färg, C) UV-Vis absorptionsspektrum och D) Ramanspektrum av Creighton kolloidala AgNPs.

    Figur 2
    Figur 2 TFU experimentuppställning för a) steg 1 och 2:. I) Behållare som innehåller Creighton kolloidala AgNPs. II) Behållare för filtrat samling. III) Y-korsningen i slangen. IV) peristaltiska pumphuvudet. . V) Antingen 50-nm eller 100-kD Midi Kros filter B) steg 3: I) reservoar som innehåller Creighton kolloidala AgNPs. II) Behållare för filtrat samling. III) 100-kD Micro Kros filter.

    Figur 3
    Figur 3. Flödesschema som visar TFU processen. De blå-skuggade rutor markerar kolloidala suspensioner av AgNPs samlats in för vidare analys. Injektionsflaska photographs visar A) Original kolloid parti, B) 50-nm filtrat samlas efter bearbetning ursprungliga kolloid genom 50-nm-filter (460 cm 2), C) först 100-kD retentat erhålls efter volymreduktion med 100-kD Midi Kros filtret (200 cm 2), och D) slutlig 100-kD retentat följd av volymminskningen med 100-kD Micro Kros filtret (20 cm 2). Det 100-kD filtratet ser ut som vatten.

    Figur 4
    Figur 4 ICP-OES linjär kalibrering konstrueras med hjälp åtta silver standarder:. 0, 3, 7, 10, 15, 25, 50 och 100 pg L -1.

    Figur 5
    Figur 5. TEM mikrofotografier av A) ursprungliga Creighton AgNPs och C) slutlig 100-kD retentatet (skala bar är100 nm). TEM storlek histogram konstrueras genom att analysera cirka 800 AgNPs för B) original Creighton AgNPs och D) slutlig 100-kD retentatet. Den infällda i figur 5B visar det utökade 41-75 intervallet nm storlek för jämförelse. Klicka här för att se större bild .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

UV-Vis absorptionsspektrofotometri och Raman-spektroskopi av kolloidala AgNPs

Det är väl känt att antalet av ytplasmonresonans toppar i absorptionsspektrumet för en kolloid minskar då symmetrin hos de AgNPs ökar. Dessutom leder AgNP aggregering till uppkomsten av bredare eller röd-skiftade toppar. 25,26 Förekomsten av en enda, skarp och symmetrisk SPR topp vid 394 nm är ett tecken på små sfäriska AgNPs av måttlig aggregering och storleksfördelning.

Renheten hos de kolloidala proverna före och efter ultrafiltrering demonstrerades genom Raman-spektra av den ursprungliga Creighton kolloiden och den slutliga 100-kD retentatet, som uppvisade endast tre vibrational lägen karakteristiska till H 2 O Den Ramansignalen samband med organiska föroreningar eller föroreningar ultrafiltrering av stora Raman tvärsnitt skulle förbättras genom omedelbar närhet till AgNPyta (dvs. den så kallade ytförstärkt Raman-spektroskopi (SERS) effekt).

ICP-OES och TEM av ultrafiltrerat kolloidala AgNPs

Tillsatsen av tredjedel, 100-kD filtreringssteg med den tidigare rapporterade proceduren TFU 19 underlättat framgångsrik minskning av en större volym av Creighton kolloidala AgNPs (4L sats av 15,2 ppm) i en 1.000-faldig mindre volym av retentat (4 ml av 8,538.9 ppm). Detta motsvarar ett TFU koncentration direktavkastning om cirka 62% med hänsyn till den mängd AgNPs och AgNP-aggregat av 50-nm diameter och större som togs bort. Graden av koncentration är anmärkningsvärt eftersom den slutliga 100-kD retentatet mestadels bestod av monodispersa AgNPs som var 1-20 nm i diameter och fria från överskottsreagens och biprodukter. Den tredje, 100-kD filtreringssteg förbättrade koncentrationen utbytet från 45% 20 till 62%. Ytterligare TFU förbättringar i storlek urval och koncentration av AgNPskan erhållas genom användning av ytterligare ihåliga fibermembran. Filter av porstorlek som sträcker sig från 1.000 kD till 10 kD och ytareor från 5,1 m 2 till 8 cm 2 är för närvarande tillgängliga för både hydrofoba och hydrofila prover. Buffertbyte kan också utföras under TFU, beroende på efterföljande tillämpningar. När volymminskningen överstiger 800-faldigt (dvs när volymen minskas från 4 L till mindre än 5 ml), finns det en minskning i stabiliteten och hållbarhetstiden av den kolloidala suspensionen på grund av den extrema graden av koncentration. Hållbarheten för dessa högkoncentrerade, icke-funktionaliserad AgNP är ungefär 1-2 veckor vid 10 ° C. Medan obekvämt är denna begränsning hanteras genom noggrann forskning planering och förberedelse. Denna extrema grad av koncentration som önskas för pågående nanotoxicity studier vid olika koncentrationer. Mindre koncentrerad partier av AgNPs förväntas ha bättre stabilitet och längre hållbarhet.

(Figur 5A och 5C) visade en ökad frekvens av minimalt aggregerade AgNPs i finalen 100-kD retentatet jämfört med den ursprungliga kolloid. TEM storlek histogram av de två kolloidala prover (figur 5B och 5D) bekräftade vidare att polydispersiteten för Creighton kolloidala AgNPs begränsades genom TFU. Ytterligare polydispersitet begränsning kan uppnås genom att använda en serie av filtreringsmembran med mindre porstorlekar. Diametrarna hos Creighton AgNPs varierade från 1 nm till 75 nm (Figur 5B och infällning som visar de expanderade 41-75 facken nm storlek), medan AgNPs och / eller AgNP-aggregat av 50 nm och större (0,9% ur procent totala AgNPs) var frånvarande i TEM storlek histogram över den slutliga 100-kD provet (Figur 5D). Den 100-kD retentatet bestod mestadels av AgNPs som hade diametrar på 1-20 nm, det var ett litet bidrag (12,4%) från AgNPs i 21-40 storlek lagerplatser. Figur 5B och 5D bekräftade att storleksfördelningen trenden behölls för den 100-kD retentatet under TFU processen med undantag av 1-5 nm storleksintervallet. Det fanns en märkbar minskning i frekvensen av de mindre AgNPs med 1-5 nm i diameter för den 100-kD prov (från 33,2% till 21,3%), vilket tillskrevs AgNP passage genom membranfiltret i filtratet. Som ett resultat, den genomsnittliga AgNP diametern ökade från 9,3 nm för den ursprungliga kolloiden till 11,1 nm för den slutliga 100-kD retentatet. Eftersom cirka 800 AgNPs analyserades för båda kolloidala prov, var den minskade frekvensen av mindre AgNPs i 1-5 nm (11,9%) och 6-10 nm (1,3%) storleksområden åtföljas av en motsvarande ökning i frekvensen av större AgNPs i 11-25 nm storlek behållare (dvs cirka 12,8% av den ursprungliga kolloid till 100-kD retentatet).

Sammanfattningsvis visade TFU att vara en effektiv, "grön" metod för siZE-val och koncentration av kolloidala AgNPs med minimal aggregering vid olika volym skalor. Eliminera användningen av kemiskt aggressiva reagenser eller organiska lösningsmedel från AgNP syntesen (för bättre storlek, form och aggregering kontroll) kan avsevärt minska AgNP toxicitet och samtidigt förbättra deras terapeutiska index. AgNPs med begränsad polydispersitet kan hitta andra omedelbara industriella och forskningsansökningar grund av sin förbättrade katalytiska, 27 optoelektroniska 28, 29 eller SERS-baserade biosensing egenskaper. 9,19,30,3131 En mycket färsk undersökning från Lander et al. 32 visade att mikro och ultrafiltreringsmembran gjorda av fem olika polymera material (polysulfon, polyetersulfon, nylon, cellulosaacetat och polyvinylidenfluorid) kan genomföras framgångsrikt för storleken val av funktionaliserade NPS. Dessa nationella parlamenten på 2-10 nm i diameter hade Ag, Au eller Ti 2 O kärnor och var funktionaliserade med organiska polymerbeläggningar som ledde tillpositiva eller negativa ytladdningar. Både kärnorna och ytan funktionaliteten hos NP befanns spela en viktig roll i NP retentionen eller passagen genom membranen (0,2 nm till 0,22 nm). Som väntat var de positivt laddade NP helt förkastas (> 99%) av de negativt laddade membranen som hade 20-gånger större porstorlek än NP diametrar. Från dessa experiment lär en att interaktionen mekanismen noggrant bör övervägas i framtida studier med funktionaliserade NPS.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgments

Finansiering från National Science Foundation genom NUE i teknisk och Leaderprogrammen konsortiet tacksamt erkänt.

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

Kemi Medicinsk teknik kemiteknik nanoteknik silvernanopartiklar storlek urval koncentration tangentiellt flöde ultrafiltrering
Tangentiellt flöde Ultrafiltrering: en &quot;grön&quot; Metod för storlek Urval och koncentration av kolloidalt silver nanopartiklar
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