Waiting
Login processing...

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

Biology

Tangentialfiltrering Ultrafiltrering: En "grønn" Metode for valg av bildestørrelse og konsentrasjon av kolloidalt sølv Nanopartikler

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

Tangentialfiltrering ultrafiltrasjon (TFU) er en resirkulerings fremgangsmåte som brukes for vektbasert separasjon av biosamples. TFU ble tilpasset størrelse velger (1-20 nm diameter) og svært konsentrere et stort volum av polydisperse sølv nanopartikler (4 L på 15,2 mikrogram ml

Abstract

I dag er AgNPs mye brukt i produksjon av forbrukerprodukter, en vann desinfeksjonsmidler, 2 terapi, 1, 3 og biomedisinske enheter 4 på grunn av sine kraftige antimikrobielle egenskaper. 3-6 Disse nanopartiklene programmer er sterkt påvirket av AgNP størrelse og aggregering stat . Mange utfordringer finnes i den kontrollerte fabrikasjon 7 og størrelse-isolering 4,8 av unfunctionalized, homogene AgNPs som er fri fra kjemisk aggressive tildekking / stabiliseringsmidler eller organiske løsningsmidler. Dukke 7-13 Begrensninger fra giftigheten av reagenser, høye kostnader eller forminskes effektiviteten av AgNP syntese eller isolering metoder (f.eks, sentrifugering, størrelse-avhengig løselighet, størrelse-uttrekk kromatografi, etc.). 10,14-18 å overvinne dette, vi nylig viste at TFU tillater større kontroll over størrelsen, konsentrasjonen og aggregering delstaten Creighton AgNPs (300ml 15,3 ug ml -1 ned til 10 ml 198,7 ug ml -1) enn konvensjonelle metoder for isolasjon som ultrasentrifugering. 19

TFU er en resirkuleringslinje metode som vanligvis brukes for vektbasert isolering av proteiner, virus og celler. 20,21 korthet blir væskeprøven passert gjennom en serie av hulfiber membraner med porestørrelse som spenner fra 1,000 kD til 10 kD. Mindre suspenderte eller oppløste bestanddeler i prøven vil passere gjennom den porøse barrieren sammen med løsningsmidlet (filtratet), mens de større bestanddeler beholdes (retentat). TFU kan betraktes som en "grønn" metode som det verken skader prøven heller krever ekstra løsemiddel for å fjerne giftige overflødig reagenser og biprodukter. Videre kan TFU påføres et stort utvalg av nanopartikler som både hydrofobe og hydrofile filtre er tilgjengelige.

De to viktigste målene for denne studien var: 1) å illustrerede eksperimentelle aspekter av TFU tilnærming gjennom en invitert bildeopplevelse og 2) for å demonstrere gjennomførbarheten av TFU metoden for større volumer av kollodiale nanopartikler og mindre volum av retentat. Først unfuctionalized AgNPs (4 L, 15,2 mikrogram ml -1) ble syntetisert ved hjelp av veletablerte Creighton metode 22,23 ved reduksjon av Agno 3 med NaBH 4. AgNP polydispersitet ble deretter minimert via en 3-trinns TFU hjelp av en 50-nm filter (460 cm 2) for å fjerne og AgNPs AgNP-aggregater større enn 50 nm, etterfulgt av to 100-kD (200 cm 2 og 20 cm 2) filtre å konsentrere AgNPs. Representative prøver ble karakterisert ved hjelp transmisjonselektronmikroskopi, UV-Vis absorpsjon spektrofotometri, Raman spektroskopi, og induktivt koplet plasma emisjonsspektrometrisk. Den endelige retentat besto av høykonsentrert (4 ml, 8,539.9 ug ml -1) ennå ydmyk aggregert og homogenAgNPs av 1-20 nm i diameter. Dette tilsvarer til en sølv konsentrasjon utbytte på ca 62%.

Protocol

1. Syntese av kolloidale AgNPs

Den reaksjonsmekanisme for Creighton metoden (litt modifisert, billig) 22 er beskrevet i stor detalj i støtteinformasjon referansepunkt Pavel et.al sammen med den uønskede hydrolyse side-reaksjon av NaBH 4 ved romtemperatur eller høyere. 23

  1. Ren alle glass for 12-24 hr i en 10% HNO 3 bad, deretter i 4-12 hr i en 1,25 M NaOH i 40% etanol-bad, og til slutt autoklav. Glassartikler bør skylles grundig minimum fem ganger med ultrarent vann (17 MΩ eller høyere) etter syre-og base bath trinnene.
  2. Forbered 300 ml av en 2 mM NaBH 4 løsning og 100 ml av en 1 mM Agno 3 løsning med autoklaverte vann avkjølt ved 10 ° C. De lavere temperaturer vil hindre side-reaksjon av NaBH 4.
  3. Legg 300 ml 2 mM NaBH 4 løsning til en 500 ml Erlenmeyer reaksjonskolben fortsaining en rørepinne og pakk kolben med aluminiumsfolie for å forhindre sølv oksidasjon. Plasser kolben i et isbad på en røre-plate og omrør løsningen ved 325 opm i 10 min.
  4. Prime en 25 ml byrette med å skylle med en full søyle av ultrarent vann. Etter grunning, fyll byretten med Agno 3 løsning og sjal med aluminiumsfolie.
  5. I et mørkt rom, tilsett 50 ml 1 mM Agno 3 oppløsning ved en hastighet på 1 dråpe sek -1 til NaBH 4 oppløsningen med kontinuerlig omrøring (figur 1A). Dekker den midtre delen av anordningen med en "folie telt" å minimere lyseksponering under Agno 3 tilsetningen. Den Agno 3 tillegg vil kreve 30-40 min. Etterfylle isbadet jevne.
  6. Etter Agno 3 tilsetningen er fullført, etterfylle isbad og fortsett omrøring den kolloidale løsningen for ytterligere 45-50 min. Dannelsen av kolloidale AgNPs signaliseres ved en endring i farge fra fargeløstil en gylden gul, som er karakteristisk for den overflate-plasmonresonans maksimum AgNPs (figur 1B).
  7. Når reaksjonen er fullført, avkjøl kolloidet. Kolloidale AgNP batchene kan kombineres etter en uke hvis kolloidet har vært konsekvent, dvs. har den kolloidale løsningen ikke aggregeres og satsen har blitt karakterisert ved hjelp av UV-Vis absorpsjon spektrofotometri og Raman spektroskopi å identifisere mulige aggregeres eller forurensninger.

2. Karakterisering av kolloidale AgNPs

En Cary 50 UV-VIS-NIR spektrofotometer (Varian Inc.) og en LabRamHR 800 Raman system (Horiba Jobin Yvon, Inc.) utstyrt et Olympus BX41 confocal Raman mikroskop, ble brukt for AgNP karakterisering. Cary WinUV programvare, LabSpec v.5 og Origin 8,0 programvare ble ansatt for datainnsamling og analyse.

Merknad: Overtakelsen parametrene må optimaliseres for andre instrumenter modeller.

Bestemmelse av overflate-plasmonresonans av kolloidale AgNPs via UV-Vis Spektrofotometri

  1. Fyll en 1 cm 3 disponibel kyvette med Creighton kolloid og ultrarent vann i en 1:10 volum-forhold. Fyll en annen 1 cm 3 kyvetten med ultrarent vann for en tom grunnlinjekorrigering. Tørk utsiden av begge kyvetter med en Kimwipe.
  2. Still spektrofotometer for absorbans modus fra en Y minimum på -0,5 til en Y maksimalt 1,0. Angi X skanning vinduet til 200-800 nm, og velg en rask skanning hastighet på 4800 nm min -1 med baseline korreksjon.
  3. Sett kyvetten fylles med vann inn i instrumentet og kjøre en baseline scan. Gjenta om nødvendig inntil en ikke-null baseline kontroll oppnås.
  4. Erstatt den tomme kyvetten med prøven kyvetten og innlede en absorbans scan for innsamling av UV-Vis absorpsjon spekteret av kolloidalt prøven (figur 1C).

    Purity Test av kolloidale AgNPs via Raman spektroskopi

    På grunn av tidsbegrensningen på video demonstrasjon (10-15 min video) og begrenset plass av protokollen tekst (maks 3 sider), vil denne eksperimentelle delen ikke filmet.

    1. Sett instrumentet parameterinnstillinger som følger: eksitasjon kilde (632,8 nm He-Ne), filter (ingen filter, laser effekt ved prøven ~ 17 mW), confocal hull (300 mikrometer), spektrometer (730 cm -1), holografisk rist (600 lunder / mm), objektiv (50x lang arbeidsavstand luft mål), eksponeringstid (30 s), og akkumulering sykluser (5).
    2. Bruk en ren pipette til å fylle en 2 ml kvarts kyvetten med kolloid og forsiktig inn i støpselet. Bruk en Kimwipe å rydde av fingeravtrykk, flekker eller kolloid fra overflaten av kyvetten. Betydelig lavere mikroskopet scenen. Velg 50x objektiv og plasser kyvetten på scenen.
    3. Fokuser lasER bjelke på AgNP kolloid direkte under den indre vegg av kyvetten ved hjelp av video-modus av instrumentet og Olympus kameraet. Slå av rommet lysene og få Raman spektrum (Figur 1D).

    3. Størrelse-utvalg og konsentrasjon av kolloidale AgNPs via tangentialfiltrering Ultrafiltrering (TFU)

    En KrosFlo II Forskning filtersystem (Spectrum Laboratories, Rancho Dominguez, CA) ble brukt til å begrense AgNP polydispersitet og å konsentrere dem (fig. 2). De tre trinnene i TFU prosessen var: (1) Størrelse-utvalg AgNPs og AgNP-aggregater av 50-nm i diameter og større ved hjelp av en 50-nm MidiKros Polysulfon modul (460 cm 2), 2) størrelse valg og konsentrasjon av AgNPs av 1-20 nm i diameter ved hjelp av en 100-kD MidiKros filteret (200 cm 2), og (3) Ytterligere volumreduksjon ved hjelp av en 100-kd MicroKros Polysulfon filter (20 cm 2) (figur 3).

    1. Koble størrelsen 17 Masterflex fôring slangen til den peristaltiske pumpe ifølge figur 2A. En Y-kryss og en slange krysset vil være behov for set-up. Fest slangen til 50-nm MidiKros modulen. Sørg for å sikre slangen å filtrere ved hjelp zip bånd. Velg slangestørrelsen 17 med SIZE-knappen.
    2. Velg klokken pumpe retning ved hjelp av DIR-knappen. Sørg for at MODE-knappen er på INT.
    3. Senk pumperaten til under 300 ml min -1 før pumpen. Pumpen satsen bør justeres i henhold til størrelsen av den brukte slange. Det bør være en liten innstilling å tillate operatøren å raskt reagere på potensielle lekkasjer, men store nok til å fortsatt ha en effekt av primærimmunisering systemet. For å skape vakuum for å trekke kolloid fra reservoaret inn i røret og filteret, kutte slangen som fører fra den nedre delen av filteret til den øverste delen av den Y-krysset i midten av røret.
    4. Når væsken strømmer fritt gjennom røret, slå av pumpen, bli den ødelagte delen av slangen med en slange veikryss og fest med zip bånd. Slå på pumpen igjen og fortsette filtrering.
    5. Sjekk slangen krets for lekkasjer. Hvis en lekkasje er funnet, fikse lekkasjen ved å justere montering eller re-sikring med en zip tie. Når rørsystem er lekkasjefri, pumpen strømningshastighet kan økes til ikke større enn 700 ml min -1. Denne pumpen sats verdien bør være optimalisert i henhold til tubing størrelse for å unngå rør svikt. Fortsett filtrering inntil væsken i reservoaret flasken er utarmet til nesten ingenting.
    6. Når filtrering er fullført, samle opp filtratet som inneholder AgNPs av 50-nm diameter og smaller. Retentatet kan lagres for ytterligere analyse i henhold til den spesifikke AgNP programmet.

    Trinn 2

    1. Skyll slangen med 2% HNO 3 og ultrarent vann før du monterer 100-kd MidiKros filtrere med samme oppsett som for 50-nm-modulen.
    2. Gjenta trinn 3,3 med 100-kD MidiKros modulen.
    3. Når filtrering er fullført, samle innholdet i slangen og filteret (100-kD retentat). Volumet bør være ca 50 ml.

    Trinn 3

    1. Koble størrelse 14 Masterflex slange og 100-kd MicroKros FILTER til den peristaltiske pumpen i henhold til Figur 2B. Sikre alle veikryss med zip bånd. Velg slangestørrelsen 14 på pumpen ved hjelp av SIZE-knappen og senk pumperaten til 30 ml min -1.
    2. Begynn filtreringsprosessen. Sjekk slangen krets for lekkasjer. Hvis en lekkasje er funnet, fikse lekkasjen ved å justere passformlingen eller re-sikring med en zip tie.
    3. Når rørsystem er lekkasjefri, kan pumpen strømningshastigheten økes til ikke større enn 90 ml min -1. Fortsett filtrering inntil væsken som er igjen i reservoaret flaske inneholder en minimal mengde av konsentrat.
    4. De resterende innholdet i slangen og filteret kan samles i reservoaret flasken ved å fjerne materøret fra flasken mens pumpen er i drift. Når slangen og filter innholdet er i reservoaret flasken, kan pumpen være slått av.

    4. Kvantifisering av Silver Beløp i Kolloidalt AgNPs ved induktivt koblet plasma emisjonsspektrometrisk (ICP-OES)

    Hver prøve ble kolloidalt kjemisk fordøyd og mengden av sølv ble kvantifisert ved ICP-OES hjelp en A 710E spektrometer (Varian Inc.). En lineær regresjon kalibreringskurve for sølv (figur 4) ble konstruert ved hjelp av åtte sølv standarder (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, og 100 ug L -1), som ble fremstilt fra en 10 000 ug ml -1 sølvstandard for spormetallanalyse (Ultra Scientific).

    1. Kjemisk fordøye prøver å bruke HNO 3. De representative prøver er de opprinnelige kolloid (trinn 1), 50-nm filtratet (trinn 1), 100-kD retentat (trinn 2), og endelig 100-kD retentat (trinn 3) (figur 3).
    2. Prøvene skal fortynnes med 2% HNO 3 med følgende volum Skjermstørrelse: 1:1000 for den opprinnelige kolloid, 1:1000 for 50-nm filtratet, 1:25,000 for de første 100-kD retentatet, og 1:250,000 for den endelige 100-kD retentatet. Å hindre sølv utvasking, bør alle prøver oppbevares i lav tetthet polypropylen beholdere.
    3. Still ICP-OES instrument parametere som følger: bølgelengde for Ag (328.068 nm), kraft (1,20 kW), plasma flow (15,0 L min -1), ekstra flyt (1,50 L min -1), og forstøveren trykk (200 kPa ).
    4. Hver SAmple bør måles i tre eksemplarer med en gjengivelse på 10 s. Mellom-måling stabilisering tid på 15 sek og en 30 sek sample opptak forsinkelse bør brukes. Fremgangsmåte tomme bør innføres mellom hver prøve for å redusere potensiell kryssforurensning.

    5. Størrelse Fordeling av kolloidale AgNPs via transmisjonselektronmikroskopi (TEM)

    En Phillips EM 208S TEM ble brukt til å visualisere de kolloidale AgNPs. Elektron mikrografer ble tatt med en høy oppløsning Gatan Bioscan kamera og analysert i ImageJ programvare. 24

    1. Fortynn 100-kD retentat prøve med ultrarent vann (1:100 volum ratio). Depositum 20 pl av den opprinnelige kolloid og utvannet 100-kD retentat (trinn 3) på 300-mesh formvar-belagte gull nett (elektronmikroskopi Sciences). Tillat tavlene til tørk på et eksikkator. Vis løpet av én dag.
    2. Still akselererende potensialet i TEM instrument på 70 kV å visualisere AgNPs. Capture elektron mikrografer (figur 5) ved hjelp av høyoppløselig kamera og lagre som tagget bildefiler format (TIFF).

    6. Representant Resultater

    Syntese og karakterisering av kolloidale AgNPs

    Fire liter Creighton kolloidale AgNPs ble vellykket syntetisert ved hjelp av oppsettet vises i figur 1A. Den endelige kolloid hadde en karakteristisk gyllen gul farge (figur 1B). 22, 23 UV-Vis absorbsjonsspektrum av dette kolloid hadde en typisk skarp, symmetrisk overflate plasmon peak (SPR) ved 394 nm (figur 1C). Raman spekteret av det opprinnelige Creighton kolloid og den endelige 100-kD retentat presentert bare tre vibrasjonen moduser, nemlig bøying (1640 cm -1) og symmetriske og asymmetriske strekker moduser H 2 O (3245 cm -1 og 3390 cm -1 , henholdsvis) (figur 1D). </ P>

    TFU av kolloidale AgNPs

    Den TFU oppsett og skjematisk av 3-stegs TFU prosess er avbildet i figurene 2 og 3, henholdsvis. I trinn 1, ble en 50-nm filter (460 cm 2) benyttes til størrelse-velge og å fjerne AgNPs og AgNP-aggregater av 50-nm diameter og større fra den opprinnelige kolloid (ca. 100 ml 50-nm retentat). Dette trinnet ble også ledsaget av en liten volumreduksjon fra 4 L av originale kolloid ned til 3,9 l av 50-nm filtrat. Ingen tilbakespyling eller flyt avbrudd trinn ble brukt. Den største volumreduksjon (dvs. vannfjerning) ble oppnådd i trinn 2, når 50-nm filtrat ble deretter kjørt gjennom en 100-kD filter (200 cm 2). Den resulterende 100-kD retentat hadde et totalt volum på 50 ml. Mesteparten av syntese biprodukter og overskytende reagenser ble eliminert i dette trinnet gjennom vannet oppløsningsmiddel (3,850 ml 100-kD filtratet). Videre ble AgNP konsentrasjon oppnås ved addition av tredeler filtreringstrinn til den tidligere rapporterte fremgangsmåte. 19 I dette trinn 3, en 100-kD filter av en mindre overflateareal (20 cm 2) reduserte 100-kD retentat volum til 4,0 ml. Tem målinger vil vise at denne siste 100-kD retentat består hovedsakelig av ydmyk aggregerte AgNPs av 1-20 nm i diameter.

    ICP-OES og TEM av kolloidale AgNPs

    En lineær regresjon kalibreringskurve (figur 4) for sølv ble konstruert fra åtte standarder (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, og 100 ug L -1). Mengden av sølv i hver av de fire representative kolloidale prøvene ble deretter bestemt fra ICP-OES kalibreringskurve gjennom ekstrapolasjon: opprinnelige kolloid (15,2 ppm, figur 3A), 50-nm filtratet (14,1 ppm, figur 3B), første 100 - kD retentat (683,1 ppm, figur 3C) og avsluttende 100-kD retentat (8,538.9 ppm, figur 3D).Det faktiske utbyttet av 15,2 ppm er svært nær den typiske teoretisk utbytte på 15,4 ppm for Creighton reaksjonen. Den ekstreme konsentrasjon av AgNPs (4 ml 8,538.9 ppm) ble reflektert av en dramatisk endring i farge fra gyllen gul for den opprinnelige kolloid til mørk brun for den endelige 100-kD retentat (figur 3, innfellinger av hetteglass bilder). Kvaliteten av filtrene ble funnet å være kritisk for TFU prosessen særlig til trinn 1. De endelige retentat Konsentrasjonene varierte fra 3,390.1 ppm til 9,333.3 ppm avhengig av tilstanden av filtrene (mye brukt mot splitter nye). Hvis membranen porene blir kompromittert, vil AgNPs som har diameter mindre enn 50-nm også bli beholdt, og vil senere redusere den totale mengden av AgNPs som samles i filtratet. Optimalisering av filtreringsprosessen å inkludere trykkovervåkning og grundig rengjøring kan øke levetiden av filtrene.

    Representative TEM mikrografer av den opprinnelige Creighton kolloid og den endelige 100-kD retentat (trinn 3) er vist i figur 5A og 5C, henholdsvis. I sin unaggregated tilstand, AgNPs vises som svarte runde områder på en lysere grå bakgrunn. Ca 800 AgNPs ble identifisert ved TEM mikrografer av hver av de to prøvene og ble analysert ved hjelp av bilde J programvaren. En partikkel ble definert av en komplett og innkapslet perimeter. Et område terskelverdi ble satt til 1,0 nm 2 i henhold til oppløsningen av TEM mikrografer. De AgNP teller og området data ble deretter eksportert til Microsoft Excel og AgNP diameter ble ekstrapolert. Gjennomsnittlig AgNP diameter i den opprinnelige kolloid og den endelige 100-kD retentat ble bestemt til å være 9,3 nm og 11,1 nm, respektivt. Diameteren målinger av AgNPs ble deretter eksportert til Origin 8.0 programvare og en TEM størrelse histogram ble konstruert for hver prøve (fig. 5B og 5D).

    1 "src =" / files/ftp_upload/4167/4167fig1.jpg "/>
    Figur 1. A) Synthesis oppsett, B) Karakteristisk farge, C) UV-Vis absorpsjon spektrum, og D) Raman spekter av Creighton kolloidale AgNPs.

    Figur 2
    Figur 2 TFU eksperimentelt oppsett for A) trinn 1 og 2:. Jeg) Reservoir inneholder Creighton kolloidale AgNPs. II) Reservoir for filtratet samlingen. III) Y-krysset i slangen. IV) Peristaltisk pumpehodet. . V) Enten 50-nm eller 100-kD Midi Kros filter B) trinn 3: I) Reservoir inneholder Creighton kolloidale AgNPs. II) Reservoir for filtratet samlingen. III) 100-kD Micro Kros filter.

    Figur 3
    Figur 3. Flytskjema som viser TFU prosessen. De blå-skyggelagte bokser markerer kolloidale suspensjoner av AgNPs samlet for videre analyse. Vial photographs viser A) Original kolloid batch, B) 50-nm filtrat samlet etter behandlingen av originale kolloid gjennom 50-nm filter (460 cm 2), C) første 100-kD retentatet oppnådd etter volumreduksjon ved hjelp av 100-kD Midi Kros filteret (200 cm 2), og D) avsluttende 100-kD retentatet følge av volumreduksjon ved 100-kD Micro Kros filteret (20 cm 2). Den 100-kD filtratet ser ut som vann.

    Figur 4
    Figur 4 ICP-OES lineær kalibrering konstrueres med åtte sølv standarder:. 0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, og 100 ug L -1.

    Figur 5
    Figur 5. TEM mikrografer av A) original Creighton AgNPs og C) endelig 100-kD retentat (skala bar er100 nm). TEM størrelse histogrammer konstruert ved å analysere cirka 800 AgNPs for B) original Creighton AgNPs, og D) endelig 100-kD retentatet. Det innfelte i figur 5B viser det utvidede 41-75 nm størrelsesområdet for sammenligning. Klikk her for å se større figur .

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

UV-Vis Absorption Spektrofotometri og Raman spektroskopi av kolloidale AgNPs

Det er vel kjent at antall overflate-plasmonresonans topper i absorbsjonsspektrum av en kolloid minker som symmetri AgNPs øker. I tillegg fører AgNP aggregering til utseendet av bredere eller rød-forskjøvet toppene. 25,26 Tilstedeværelsen av en enkelt, skarpt og symmetriske SPR topp på 394 nm er indikativ for små, sfæriske AgNPs av moderat aggregeres og størrelsesfordeling.

Renheten av de kolloidale prøvene før og etter ultrafiltrering ble demonstrert av Raman spektra av den opprinnelige Creighton kolloid og den endelige 100-kD retentat, som oppviste bare tre vibrasjonelle modi karakteristiske til H 2 O. Raman signal forbundet med organiske urenheter eller ultrafiltrasjon forurensninger av store Raman tverrsnitt ville bli forbedret gjennom umiddelbar nærhet til AgNPoverflate (dvs. den såkalte overflate-forbedret Raman spektroskopi (SERS) effekt).

ICP-OES og TEM av ultrafiltrert Kolloidale AgNPs

Tilsetningen av et tredje, 100-kD filtreringstrinn til den tidligere rapporterte TFU prosedyre 19 muliggjort vellykket reduksjon av et større volum av Creighton kolloidale AgNPs (4L batch av 15,2 ppm) i en 1000-ganger mindre volum av retentat (4 ml 8,538.9 ppm). Dette tilsvarer en konsentrasjon TFU utbytte på ca 62% ta hensyn til mengden av AgNPs og AgNP-aggregater av 50-nm diameter og større som ble fjernet. Graden av konsentrasjon er bemerkelsesverdig fordi den endelige 100-kD retentat hovedsakelig besto av monodisperse AgNPs som var 1-20 nm i diameter og fri overskytende reagenser og biprodukter. Den tredje, 100-kD filtreringstrinn forbedret konsentrasjonen utbyttet fra 45% 20 til 62%. Ytterligere TFU forbedringer i størrelse-utvalg og konsentrasjon av AgNPskan oppnås ved å utnytte ytterligere hulfiber membraner. Filtre av porestørrelse spenner fra 1000 kD til 10 kD og flater fra 5,1 2 m til 8 cm 2 er for tiden tilgjengelig for både hydrofobe og hydrofile prøver. Buffer utveksling kan også utføres under TFU, avhengig nedstrøms applikasjoner. Når volumreduksjon overstiger 800 ganger (dvs. når volumet er redusert fra 4 L til mindre enn 5 ml), er det en nedgang i stabilitet og holdbarhet av den kolloidale suspensjon på grunn av ekstrem grad av konsentrasjon. Holdbarheten for disse svært konsentrert, unfunctionalized AgNP er ca en til to uker ved 10 ° C. Mens upraktisk, er denne begrensningen styres gjennom forsiktig forskning planlegging og forberedelse. Denne ekstreme graden av konsentrasjon var ønsket for pågående nanotoxicity studier på ulike konsentrasjoner. Mindre konsentrerte grupper av AgNPs forventes å ha bedre stabilitet og lengre holdbarhet.

(Figur 5A og 5C), viste en økt hyppighet av minimalt aggregerte AgNPs i den endelige 100-kD retentat som sammenlignet med den originale kolloidet. Tem størrelse histogrammer av de to kolloidale prøvene (figur 5B og 5D) videre bekreftet at polydispersitet av Creighton kolloidale AgNPs var begrenset gjennom TFU. Ytterligere polydispersitets begrensning kan oppnås ved anvendelse av en serie av filtreringsmembraner av mindre porestørrelser. Diameterne på Creighton AgNPs varierte fra 1 nm til 75 nm (Fig. 5B og det innfelte viser de utvidede 41-75 nm størrelse hyller), mens AgNPs og / eller AgNP-aggregater av 50 nm og større (0,9% ut av prosent totale AgNPs) var fraværende i TEM størrelsen histogrammet av den endelige 100-kD prøven (figur 5D). Den 100-kD retentatet besto hovedsakelig av AgNPs som hadde diameter 1-20 nm, det var et lite bidrag (12,4%) fra AgNPs i 21-40 size hyller. Figur 5b og 5d bekreftet at størrelsesfordelingen trenden ble beholdt for 100-kD retentatet under TFU prosess med unntak av 1-5 nm størrelsesområdet. Var det en merkbar reduksjon i frekvensen av de mindre AgNPs av 1-5 nm i diameter for den 100-kD prøven (fra 33,2% til 21,3%), som ble tilskrevet AgNP passasje gjennom membranfilter inn i filtratet. Som et resultat, gjennomsnittlig AgNP diameteren økte fra 9,3 nm for den opprinnelige kolloid til 11,1 nm for den endelige 100-kD retentatet. Fordi ca 800 AgNPs ble analysert for både kolloidale prøvene ble redusert frekvens av mindre AgNPs i 1-5 nm (11,9%) og 6-10 nm (1,3%) størrelse varierer ledsaget av en tilsvarende økning i hyppigheten av større AgNPs i 11-25 nm størrelse hyller (dvs. ca 12,8% fra den opprinnelige kolloid til 100-kD retentat).

I konklusjonen, viste TFU å være en effektiv, "grønn" metode for size-utvalg og konsentrasjon av kolloidale AgNPs med minimal aggregering på ulike volum skalaer. Eliminere bruken av kjemisk aggressive reagenser eller organiske løsemidler fra AgNP syntese (for bedre størrelse, form, og aggregering kontroll) kan redusere AgNP toksisitet samtidig forbedre deres terapeutiske indeks. AgNPs av begrenset polydispersitet kan finne andre umiddelbare industri og forskning applikasjoner på grunn av deres forbedret katalytisk, 27 28 optoelektroniske, 29 eller Sers-baserte biosensing egenskaper. 9,19,30,3131 En veldig fersk undersøkelse utført av Lander et al. 32 viste at micro og ultrafiltrering membraner laget av fem forskjellige polymere materialer (polysulfon, polyetersulfon, nylon, celluloseacetat, og polyvinylidenefluoride) kan bli implementert for størrelsen utvalget av funksjonaliserte NPs. Disse NPs av 2-10 nm i diameter hadde Ag, Au eller Ti 2 O kjerner og ble functionalized med organiske polymer belegg som førte tilpositive eller negative overflate kostnader. Både kjerner og overflaten funksjonaliteten til NPs ble funnet å spille en viktig rolle i NP oppbevaring eller passasje gjennom membraner (0,2 nm til 0,22 mm). Som forventet, ble de positivt ladede NPs helt avvist (> 99%) av de negativt ladede membraner som hadde 20-ganger større porestørrelse enn NP diametre. Fra disse eksperimentene, lærer man at samspillet mekanismen bør vurderes nøye i fremtidige studier med functionalized NPs.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Ingen interessekonflikter erklært.

Acknowledgments

Midler fra National Science Foundation gjennom NUE i ingeniørfag og leder Consortium programmer er takknemlig anerkjent.

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

Kjemi Biomedical Engineering Chemical Engineering nanoteknologi sølv nanopartikler størrelse valg konsentrasjon tangentialfiltrering ultrafiltrasjon
Tangentialfiltrering Ultrafiltrering: En &quot;grønn&quot; Metode for valg av bildestørrelse og konsentrasjon av kolloidalt sølv Nanopartikler
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