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Bioengineering

Síntesis de nanopartículas de óxido de manganeso por descomposición térmica de manganeso(II) acetilacetonato

Published: June 18, 2020 doi: 10.3791/61572
Automatic Translation
1, 1
1Department of Chemical and Biomedical Engineering, West Virginia University

Summary

Este protocolo detalla una síntesis fácil de un solo papel de nanopartículas de óxido de manganeso (MnO) por descomposición térmica de acetilacetona de manganeso(II) en presencia de oleilamina y éter de dibenzilo. Las nanopartículas MnO se han utilizado en diversas aplicaciones, incluyendo imágenes por resonancia magnética, biodesefacción, catálisis, baterías y tratamiento de aguas residuales.

Abstract

Para aplicaciones biomédicas, las nanopartículas de óxido metálico como el óxido de hierro y el óxido de manganeso (MnO) se han utilizado como biosensores y agentes de contraste en la resonancia magnética (RM). Mientras que las nanopartículas de óxido de hierro proporcionan un contraste negativo constante en la RMN sobre los períodos de tiempo experimentales típicos, MnO genera contraste positivo conmutable en la RMN a través de la disolución de MnO a Mn2+ a pH bajo dentro de los endosomas celulares para "encender" el contraste de LA RMN. Este protocolo describe una síntesis de una sola olla de nanopartículas MnO formada por la descomposición térmica del acetilcetono de manganeso(II) en oleilamina y éter de dibenzilo. Aunque ejecutar la síntesis de nanopartículas MnO es simple, la configuración experimental inicial puede ser difícil de reproducir si no se proporcionan instrucciones detalladas. Por lo tanto, el conjunto de cristalería y tubos se describe primero a fondo para permitir que otros investigadores reproduzcan fácilmente la configuración. El método de síntesis incorpora un controlador de temperatura para lograr una manipulación automatizada y precisa del perfil de temperatura deseado, lo que afectará al tamaño y la química de las nanopartículas resultantes. El protocolo de descomposición térmica se puede adaptar fácilmente para generar otras nanopartículas de óxido metálico (por ejemplo, óxido de hierro) e incluir disolventes orgánicos alternativos y estabilizadores (por ejemplo, ácido oleico). Además, la relación entre disolvente orgánico y estabilizador se puede cambiar para seguir impactar las propiedades de las nanopartículas, que se muestra en este documento. Las nanopartículas MnO sintetizadas se caracterizan por su morfología, tamaño, composición a granel y composición superficial a través de microscopía electrónica de transmisión, difracción de rayos X y espectroscopia infrarroja de transformación de Fourier, respectivamente. Las nanopartículas MnO sintetizadas por este método serán hidrófobas y deben manipularse aún más a través del intercambio de ligandos, encapsulación polimérica o taponamiento lipídico para incorporar grupos hidrófilos para la interacción con fluidos biológicos y tejidos.

Introduction

Las nanopartículas de óxido metálico poseen propiedades magnéticas, eléctricas y catalíticas, que se han aplicado en la bioimagen1,2,3, tecnologías de sensores4,5, catálisis6,7,8, almacenamiento de energía9, y purificación de agua10. Dentro del campo biomédico, las nanopartículas de óxido de hierro y las nanopartículas de óxido de manganeso (MnO) han demostrado utilidad como agentes de contraste en la resonancia magnética (RM)1,,2. Las nanopartículas de óxido de hierro producen un contraste negativo robusto en la RMN T2* y son lo suficientemente potentes como para visualizar células etiquetadas individuales in vivo11,12,,13; sin embargo, la señal de RMN negativa no se puede modular y permanece "ON" durante toda la duración de los experimentos típicos. Debido al hierro endógeno presente en el hígado, la médula ósea, la sangre y el bazo, el contraste negativo generado a partir de nanopartículas de óxido de hierro puede ser difícil de interpretar. Las nanopartículas MnO, por otro lado, responden a una caída del pH. La señal de RMN para nanopartículas MnO puede pasar de "OFF" a "ON" una vez que las nanopartículas se internalizan dentro de los endosomas de pH bajo y lisosomas de la célula diana, como una célula cancerosa14,15,16,17,18,19. El contraste positivo en la RMN T1 producido desde la disolución de MnO hasta Mn2+ a pH bajo es inconfundible y puede mejorar la especificidad de la detección de cáncer al iluminarse únicamente en el sitio objetivo dentro de un tumor maligno. El control sobre el tamaño, la morfología y la composición de las nanopartículas es crucial para lograr la máxima señal de RMN a partir de nanopartículas MnO. En este documento, describimos cómo sintetizar y caracterizar nanopartículas MnO utilizando el método de descomposición térmica y observamos diferentes estrategias para ajustar las propiedades de las nanopartículas alterando variables en el proceso de síntesis. Este protocolo se puede modificar fácilmente para producir otras nanopartículas magnéticas como nanopartículas de óxido de hierro.

Las nanopartículas MnO han sido producidas por una variedad de técnicas incluyendo la descomposición térmica20,,21,22,23,24,25, hidro/solvothermal26,27,28,29, exfoliante30,31,32,33,34, reducción de permanganatos35,36,37,38, y adsorción-oxidación39,40,41,42. La descomposición térmica es la técnica más utilizada que consiste en disolver precursores de manganeso, disolventes orgánicos y agentes estabilizadores a altas temperaturas (180 – 360 oC) bajo la presencia de una atmósfera gaseosa inerte para formar nanopartículas MnO43. De todas estas técnicas, la descomposición térmica es el método superior para generar una variedad de nanocristales MnO de fase pura (MnO, Mn3O4 y Mn2O3)con una distribución de tamaño estrecho. Su versatilidad se destaca a través de la capacidad de controlar estrechamente el tamaño, la morfología y la composición de las nanopartículas alterando el tiempo de reacción44,45,46, temperatura44,47,48,48, tipos / ratios de reactivos20,45,47,48,50 y gas inerte47,48,50 utilizados. Las principales limitaciones de este método son el requisito de altas temperaturas, la atmósfera libre de oxígeno y el recubrimiento hidrófobo de las nanopartículas sintetizadas, que requiere una mayor modificación con polímeros, lípidos u otros ligandos para aumentar la solubilidad para aplicaciones biológicas14,,51,,52,,53.

Además de la descomposición térmica, el método hidro/solvotermal es la única otra técnica que puede producir una variedad de fases MnO incluyendo MnO, Mn3O4y MnO2; todas las demás estrategias sólo forman productos MnO2. Durante la síntesis hidro/solvotermal, precursores como el estearato Mn(II)54,55 y Mn(II) acetato27 se calientan a entre 120-200 oC durante varias horas para lograr nanopartículas con una distribución de tamaño estrecho; sin embargo, se requieren recipientes de reacción especializados y las reacciones se realizan a altas presiones. Por el contrario, la estrategia de exfoliación implica el tratamiento de un material en capas o a granel para promover la disociación en capas individuales 2D. Su principal ventaja está en la producción de nanohojas MnO2, pero el proceso de síntesis es largo que requiere varios días y el tamaño resultante de las hojas es difícil de controlar. Alternativamente, permanganatos como KMnO4 pueden reaccionar con agentes reductores como el ácido oleico56,57, óxido degrafeno 58 o poli(clorhidrato de alilamina)59 para crear nanopartículas MnO2. El uso de KMnO4 facilita la formación de nanopartículas a temperatura ambiente durante unos minutos o horas en condiciones acuosas43. Desafortunadamente, la síntesis rápida y el crecimiento de las nanopartículas hacen que sea difícil controlar con tarifas el tamaño resultante de las nanopartículas. Las nanopartículas MnO2 también se pueden sintetizar utilizando adsorción-oxidación mediante la cual los iones Mn2+ se adsorben y se oxidan a MnO2 por oxígeno en condiciones básicas. Este método producirá pequeñas nanopartículas MnO2 con una distribución de tamaño estrecho a temperatura ambiente durante varias horas en medios acuosos; sin embargo, el requisito de adsorción de iones Mn2+ y condiciones alcalinas limita su aplicación generalizada43.

De los métodos de síntesis de nanopartículas MnO discutidos, la descomposición térmica es la más versátil para generar diferentes nanocristales monodispersos de fase pura con control sobre el tamaño, la forma y la composición de las nanopartículas sin necesidad de recipientes de síntesis especializados. En este manuscrito, describimos cómo sintetizar nanopartículas MnO por descomposición térmica a 280 oC utilizando el acetilcetonato de manganeso (II) (Mn(II) ACAC) como la fuente de iones Mn2+, oleilamina (OA) como agente reductor y estabilizador, y éter de dibenzil (DE) como disolvente bajo una atmósfera de nitrógeno. La configuración de cristalería y tubos para la síntesis de nanopartículas se explica en detalle. Una ventaja de la técnica es la inclusión de un controlador de temperatura, sonda termopar y manto de calentamiento para permitir un control preciso sobre la velocidad de calentamiento, la temperatura máxima y los tiempos de reacción a cada temperatura para ajustar el tamaño y la composición de las nanopartículas. Aquí, mostramos cómo el tamaño de las nanopartículas también se puede manipular cambiando la proporción de OA a DE. Además, demostramos cómo preparar muestras de nanopartículas y medir el tamaño de las nanopartículas, la composición a granel y la composición de la superficie mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM), difracción de rayos X (RDX) y espectroscopia infrarroja de transformación de Fourier (FTIR), respectivamente. Se incluyen más instrucciones sobre cómo analizar las imágenes y espectros recopilados de cada instrumento. Para generar nanopartículas MnO de forma uniforme, debe estar presente un estabilizador y un flujo de nitrógeno adecuado; XRD and TEM results are shown for undesired products formed in the absence of OA and under low nitrogen flow. En la sección Discusión, destacamos los pasos cruciales en el protocolo, las métricas para determinar la síntesis exitosa de nanopartículas, la variación adicional del protocolo de descomposición para modificar las propiedades de las nanopartículas (tamaño, morfología y composición), la solución de problemas y las limitaciones del método, y las aplicaciones de las nanopartículas MnO como agentes de contraste para la imagen biomédica.

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Protocol

1. Vidrio y montaje de tubos – que se realizarán sólo la primera vez

NOTA: La Figura 1 muestra la configuración experimental para la síntesis de nanopartículas MnO con conexiones de tubo numeradas. La figura S1 muestra la misma configuración con los componentes principales de cristalería etiquetados. Si hay un desajuste entre el tubo resistente a productos químicos y el tamaño de conexión de vidrio, cubra primero la conexión de vidrio con una pieza corta de tubo más pequeño antes de agregar el tubo resistente a productos químicos para que las conexiones se ajusten.

  1. Asegure el tanque de nitrógeno sin aire a la pared cerca de una campana de humo químico utilizando restricciones de correa aprobadas. Agregue el regulador de nitrógeno adecuado al tanque.
    ADVERTENCIA: Los cilindros de gas deben estar bien asegurados, ya que pueden ser muy peligrosos si se inclinan.
  2. Llene la columna de secado de gas con desecante. Adjunte tubos resistentes a productos químicos desde el regulador de nitrógeno sin aire a la entrada inferior de la columna de secado de gas (#1 en la Figura 1).
  3. Asegure el colector de vidrio que contiene al menos 2 llaves de salida en la parte superior de la campana de humo utilizando dos abrazaderas de garra metálica. Fije tubos resistentes a productos químicos desde la salida de la columna de secado de gas (#2 de la Figura 1)a la entrada del colector (#3 en la Figura 1).
  4. Coloque y asegure 3 burbujas de aceite mineral en la campana de humos utilizando abrazaderas de garra metálicas de acuerdo con la Figura 1. Pon dos burbujas a la izquierda y un burbujeador a la derecha.
  5. Llene el burbujeador más a la izquierda (por #9 en la Figura 1) con la menor cantidad de aceite de silicona (1 pulgada de aceite de la parte inferior del burbujeador). Llene el burbujeador medio (por #7,8 en la Figura 1)con una cantidad media de aceite de silicona (1,5 pulgadas de aceite desde la parte inferior del burbujeador). Llene el burbujeador más a la derecha (por #11 en la Figura 1) con la mayor cantidad de aceite de silicona (2 pulgadas de aceite de la parte inferior del burbujeador).
    NOTA: La cantidad relativa de aceite de silicona entre los burbujeadores minerales es muy importante para lograr el flujo adecuado del gas nitrógeno libre de aire a través del sistema. No añada demasiado aceite (más de 2,5 pulgadas), ya que el aceite se propagará durante la reacción y puede salir de los burbujeadores si se llena en exceso.
  6. Conecte la salida de la llave derecha del colector (#4 de la Figura 1)al extremo roscado de un adaptador de codo de vidrio (#5 en la Figura 1) utilizando tubos resistentes a productos químicos.
  7. Fije el extremo roscado de otro adaptador de codo de vidrio (#6 de la Figura 1)a la entrada del burbujeador medio (#7 en la Figura 1) utilizando tubos resistentes a productos químicos. Conecte la salida del burbujeador central (#8 de la Figura 1)a la entrada del burbujeador más a la izquierda (#9 en la Figura 1) utilizando tubos resistentes a productos químicos.
  8. Conecte la salida de la llavero izquierdo del colector (#10 de la figura 1)a la entrada del burbujeador situado más a la derecha (#11 en la figura 1).
  9. Deje la configuración preliminar en la campana de humo si el espacio se acomoda. Asegure los dos adaptadores de codo de vidrio con tubos conectados (#5,6 en la Figura 1)a la celosía metálica en la campana de humo cuando el experimento no está funcionando.

2. Configuración de equipos y cristalería – que se realizará durante cada experimento

ADVERTENCIA: Todos los pasos que implican disolventes requieren el uso de una campana de humo químico, así como un equipo de protección personal (EPP) adecuado, incluyendo gafas de seguridad, bata de laboratorio y guantes. La configuración de fabricación de nanopartículas debe montarse en la campana de humos.

  1. Coloque la placa de agitación en la campana de humo y coloque el manto de calentamiento encima de la placa de agitación.
    NOTA: El manto de calentamiento debe ser capaz de soportar temperaturas superiores a 300 oC.
  2. Coloque el matraz inferior redondo de 4 cuellos de 500 ml en el manto de calentamiento y fije el cuello medio con una abrazadera de garra metálica. Agregue una barra de agitación magnética al matraz inferior redondo. Coloque el embudo de vidrio en el cuello medio del matraz inferior redondo.
  3. Compruebe el colector: asegúrese de que el llavero de seguridad (#10 en la figura 1) y el tapón de entrada (#4 en la figura 1) estén abiertos.
    ADVERTENCIA: El tapón de seguridad debe estar abierto en todo momento para asegurar que no se acumule presión en el sistema. Si el llavero está cerrado, puede producirse una explosión.
  4. Pesar 1,51 g de acetilacetona de manganeso(II) (Mn(II) ACAC) y colocar dentro del matraz inferior redondo utilizando el embudo de vidrio.
  5. Añadir 20 ml de oleilamina y 40 ml de éter de dibenzilo al matraz inferior redondo utilizando una pipeta de vidrio y el embudo de vidrio. Retire el embudo y límpielo con hexano.
    ADVERTENCIA: El experimento se puede escalar verticalmente (por ejemplo, 2 veces), pero se recomienda ser conservador cuando se utilizan cantidades mayores de reactivos. Mayores cantidades de reactivos podrían hacer que la reacción se vuelva menos estable, y por lo tanto peligroso.
  6. Fije el condensador al cuello izquierdo del matraz inferior redondo y asegure el condensador con una abrazadera de garra metálica. Agregue el adaptador de codo de vidrio (#6 en la Figura 1) en la parte superior del condensador.
    NOTA: El adaptador debe estar conectado con tubos resistentes a productos químicos al burbujeador de aceite mineral medio (#7 en la Figura 1).
  7. Conecte el tubo compatible con el agua de la boquilla de salida de agua en la campana de humo (#12 de la figura 1)a la entrada del condensador (#13 en la figura 1). Utilice también tubos compatibles con el agua para conectar la salida del condensador (#14 en la figura 1)al drenaje en la campana de humo (#15 en la figura 1). Fije el tubo a las conexiones del condensador (#13,14 en la Figura 1) con abrazaderas de manguera metálicas de engranajes de gusano entrelazados.
  8. Añade la trampa de rotovap al cuello derecho del matraz inferior redondo. Coloque el adaptador de codo de vidrio (#5 en la Figura 1)en la parte superior de la trampa de rotovap.
    NOTA: El adaptador debe estar conectado con tubos resistentes a productos químicos a la salida del colector del tapón derecho (#4 en la figura 1).
  9. Fije el tapón de goma al cuello medio del matraz inferior redondo y dóblelo para que los lados cubran el cuello del matraz. Añada los clips de junta cónica de plástico (4 clips verdes en la Figura 1)para asegurar las siguientes conexiones de cuello de cristalería: adaptador de codo y trampa de rotovap, trampa de rotovap y matraz inferior redondo, matraz y condensador de fondo redondo, y adaptador de condensador y codo.
  10. Coloque la sonda de temperatura en el cuello más pequeño en el matraz inferior redondo, apretando y asegurando la sonda con la tapa del cuello y la junta tórica. Selle la conexión con la película de plástico de parafina.
    NOTA: Asegúrese de que la sonda de temperatura esté sumergida dentro de la mezcla fluida, pero no toque la parte inferior del vidrio. Si la sonda está en contacto con la superficie de vidrio, la temperatura medida será inexacta en comparación con la temperatura del fluido real, lo que hará que el controlador de temperatura proporcione una cantidad incorrecta de calor a la reacción.
  11. Conecte la sonda de temperatura a la entrada del controlador de temperatura. Conecte el manto de calentamiento a la salida del controlador de temperatura.
  12. Encienda la placa de agitación y comience a agitar vigorosamente.
  13. Abra el tanque de nitrógeno sin aire y comience lentamente a fluir nitrógeno hacia el sistema (esto eliminará el aire). Ajuste el flujo de nitrógeno utilizando el regulador hasta que se forme un flujo lento constante de burbujas en el burbujeador de aceite mineral medio (#7 en la Figura 1).
  14. Encienda el agua fría en la campana de humo (#12 en la Figura 1) al condensador y compruebe que no haya fugas de agua del tubo.
  15. Coloque la faja de la campana de humo hacia abajo antes de que comience la reacción.

3. Síntesis de nanopartículas

  1. Encienda el controlador de temperatura (alimentación y fuente de calefacción) para iniciar la reacción. Observar y registrar el color de la mezcla de reacción en cada etapa. La reacción comenzará como un color marrón oscuro en las etapas 1 a 3 y se volverá verde durante la etapa 4.
    NOTA: Cada controlador de temperatura funcionará de manera diferente. Asegúrese de utilizar el manual y el programa correctos.
  2. Etapa 1: Observe la pantalla del controlador de temperatura para confirmar que la temperatura aumenta de la temperatura ambiente a 60 oC durante 30 min.
  3. Etapa 2: Asegúrese de que el controlador de temperatura se estabilice a 60 oC durante 1 min mientras se prepara para una velocidad de calentamiento más rápida en la etapa 3.
  4. Etapa 3: Compruebe la visualización del controlador de temperatura a medida que la temperatura sube a 280 oC a 10 oC por minuto durante 22 min. Asegúrese de que el flujo de agua a través del condensador es suficiente, ya que la mezcla comenzará a evaporarse durante esta etapa.
  5. Etapa 4: Confirme que el controlador de temperatura muestra una temperatura de reacción constante de 280 oC durante 30 min. Observe el cambio de color de reacción a un tono verde, lo que indica la formación de MnO. Una vez que la reacción alcance los 280 oC, apague el tanque de nitrógeno y cierre el tapón derecho para la entrada de la reacción en el colector (#4 en la Figura 1).
    ADVERTENCIA: Mantenga abierto el llave de seguridad (#10 de la Figura 1).
  6. Etapa 5: Compruebe la pantalla del controlador de temperatura para asegurarse de que la calefacción se detiene automáticamente. Mantenga la sonda de temperatura dentro (no abra el matraz inferior redondo) y espere hasta que la temperatura alcance la temperatura ambiente para proceder con la recolección de nanopartículas.
    ADVERTENCIA: El matraz estará extremadamente caliente. Se deben usar guantes resistentes al calor para quitar el manto de calentamiento si se desea una velocidad de enfriamiento más rápida.
    NOTA: El protocolo se puede pausar aquí.

4. Colección de nanopartículas

  1. Apague el controlador de temperatura, la placa de agitación y el agua fría. Retire el tubo compatible con el agua del condensador, el grifo de agua en la campana de humo y el drenaje. Retire todos los clips de plástico cónicos de las conexiones de cristalería.
  2. Retire los adaptadores de codo de vidrio de la trampa de rotovap (#5 de la figura 1)y del condensador (#6 en la figura 1). Fije los adaptadores de codo a la celosía de metal en la campana para utilizar para un experimento futuro.
  3. Separe el condensador y la trampa de rotovap del matraz inferior redondo y enjuague el interior del condensador y la trampa de rotovap con hexano.
  4. Retire el tapón de goma y la sonda de temperatura, y limpie con 70% de etanol.
  5. Vierta la solución de nanopartículas MnO del matraz inferior redondo en un vaso de precipitados limpio de 500 ml. Utilice hexano (5 ml) para enjuagar el matraz inferior redondo y añadir el hexano con nanopartículas MnO residuales en el vaso de precipitados de 500 ml.
    NOTA: Hexano resuspenderá las nanopartículas MnO, mientras que 200 etanol a prueba actuarán como el agente precipitante.
  6. Observe el volumen actual de la mezcla de nanopartículas MnO. Añadir 200 etanol a prueba a la mezcla de nanopartículas MnO utilizando una relación de volumen de 2:1 (por ejemplo, añadir 150 ml de etanol si la mezcla de nanopartículas es de 75 ml).
  7. Vierta la mezcla de nanopartículas por igual en cuatro tubos centrífugos, alrededor de 3/4 llenos. Atornillar las tapas apropiadas. Compruebe que los niveles de líquido estén equilibrados.
    NOTA: Cualquier mezcla de nanopartículas adicionales se añadirá a los tubos en la siguiente ronda de centrifugación.
  8. Centrifugar nanopartículas durante 10 min a 17.400 x g a 10oC.
    NOTA: Se pueden utilizar tiempos de centrifugación más largos y/o velocidades de centrifugación más altas para aumentar la recolección de fracciones de nanopartículas más pequeñas, pero se puede aumentar la agregación de nanopartículas.
  9. Deseche el sobrenadante en un vaso de residuos, teniendo cuidado de no molestar el pellet. Si es necesario, utilice una pipeta de transferencia para recoger el sobrenadante.
    NOTA: Es normal que las primeras rondas de centrifugación produzcan un sobrenadante de color marrón. El sobrenadante debe ser marrón y claro, pero no nublado. Cualquier nubosidad indica que las nanopartículas todavía están presentes en el sobrenadante. Si el sobrenadante está nublado, centrifuga los tubos de nuevo antes de desechar el sobrenadante; centrifugar de nuevo reducirá la pérdida de las nanopartículas sintetizadas, pero puede causar más aglomeración.
  10. Añadir 5 ml de hexano y cualquier solución de nanopartícula adicional que quede a cada tubo centrífuga que contenga los pellets de nanopartículaS MnO. Resuspender las nanopartículas usando un sonicador de baño y/o vórtice. Continúe hasta que la solución se nubla y el pellet desaparezca, lo que indica una resuspensión exitosa de nanopartículas.
  11. Agregue más etanol a prueba de 200 a los tubos de centrífuga hasta 3/4 llenos.
  12. Repita los pasos 4.8-4.10. A continuación, combine las nanopartículas resuspendidas de cuatro tubos centrífugos a dos tubos de centrífuga. A continuación, repita el paso 4.11.
  13. Repita los pasos 4.8-4.10 una vez más, lo que hará un total de tres lavados con hexano y 200 etanol a prueba. No añada etanol a prueba de 200 a los tubos centrífugos.
  14. Combine y transfiera las nanopartículas MnO resuspendidas en hexano en un vial de centelleo de vidrio preestreado de 20 ml. Deje la tapa del vial apagada para permitir que el hexano se evapore durante la noche en la campana de humos.
  15. Al día siguiente, transfiera el vial de centelleo de vidrio descubierto que contiene las nanopartículas a un horno de vacío. Mantenga la tapa del vial en un lugar seguro fuera del horno. Secar las nanopartículas a 100oC durante 24 horas.
  16. Una vez que las nanopartículas se secan, utilice una espátula para romper el polvo dentro del vial. Pesar el vial que contiene nanopartículas MnO secas y restar el peso conocido del vial de centelleo de vidrio para determinar el rendimiento de la nanopartícula.
    ADVERTENCIA: Las nanopartículas secas pueden pasar fácilmente al aire libre y deben ser manejadas por personal utilizando un respirador de partículas como N95 o P100.
  17. Almacene las nanopartículas a temperatura ambiente dentro del vial de centelleo de vidrio con la tapa puesta. Envuelva la tapa con película de plástico de parafina.

5. Tamaño de nanopartículas y morfología superficial (TEM)

  1. Pulverizar las nanopartículas MnO en un polvo delgado usando un mortero y un mortero.
  2. Añadir 5 mg de nanopartículas MnO a un tubo de centrífuga cónica de 15 ml. Añadir 10 ml de etanol a prueba de 200.
    NOTA: El etanol a prueba de 200 se evapora rápidamente para obtener una propagación más homogénea de nanopartículas en la red TEM. Otro disolvente podría tener una mejor suspensión de nanopartículas, pero tardaría más en evaporarse, y debido a la tensión superficial, las nanopartículas se acumularían en los bordes de las rejillas TEM.
  3. Bónico de baño la mezcla de nanopartículas durante 5 minutos o hasta la resuspensión completa de las nanopartículas.
  4. Inmediatamente después de la resuspensión, agregue tres gotas de 5 l de la mezcla de nanopartículas en una película de soporte de rejilla de cobre de 300 mallas de carbono tipo B. Dejar secar al aire.
    1. Utilice pinzas inversas para facilitar la preparación de la muestra. Coloque la rejilla en las pinzas con el lado más oscuro hacia arriba antes de agregar las gotas que contienen nanopartículas.
      NOTA: Las rejillas son frágiles, así que tenga cuidado de no doblar y dañar las rejillas para una mejor toma de imágenes. Una vez secas, las rejillas deben mantenerse dentro de las cajas de almacenamiento de red TEM disponibles comercialmente para su protección.
  5. Evaluar la forma y el tamaño de las nanopartículas mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM). Aplique parámetros típicos para TEM, incluyendo una resistencia de haz de 200 kV, un tamaño de punto de 1 y un aumento de 300x.
  6. Recoger imágenes en áreas de la red donde se distribuyen uniformemente suficientes nanopartículas (10 - 30 nanopartículas). Evite las áreas que contienen agregaciones de nanopartículas, ya que no se puede realizar un tamaño preciso si las nanopartículas no están visiblemente separadas.
    1. Iimage áreas de diferentes cuadrados de rejilla para asegurar una distribución uniforme. Para una distribución óptima del tamaño, tome entre 25 - 30 imágenes de cada muestra para obtener un tamaño de muestra suficiente.

6. Análisis cuantitativo del diámetro de las nanopartículas

  1. Para analizar las imágenes de TEM con ImageJ, abra primero una de las imágenes haciendo clic en Archivo . Abrir. Seleccione la imagen deseada y haga clic en Abrir.
  2. Para calibrar la medida de distancia en ImageJ de píxeles a nanómetros, primero haga clic en la herramienta de línea recta. Mantenga pulsada la tecla Mayús y trace la longitud de la barra de escala. A continuación, haga clic en Analizar . Establecer escala.
  3. En la ventana emergente Establecer escala, escriba la medida de la barra de escala verdadera en el cuadro Distancia conocida (por ejemplo, escriba 50 si la barra de escala es 50 nm). Cambie la unidad de longitud a las unidades correspondientes (por ejemplo, tipo nm para nanómetros). Active la casilla Global para mantener la escala coherente en todas las imágenes y haga clic en Aceptar.
  4. Después de ajustar la escala, utilice la herramienta de línea recta para trazar el diámetro de una nanopartícula. A continuación, haga clic en Analizar . Mida o haga clic en Ctrl+M teclas.
  5. Busque una ventana emergente de resultados para que aparezca con información diferente sobre la medición. Confirme que la columna Longitud está presente, ya que proporcionará el diámetro de las nanopartículas con las unidades especificadas durante el paso 6.3.
  6. Repita el paso 6.4 hasta que se dimensionen todas las nanopartículas de la imagen. Para pasar a la siguiente imagen, haga clic en Archivo . Abra lasteclas Siguiente o Ctrl+Mayús+O.
  7. Después de que todas las nanopartículas se dimensionan en todas las imágenes, vaya a la ventana Resultados y haga clic en Archivo . Guardar como. Cambie el nombre del archivo de resultados y haga clic en Guardar. Vea y analice todos los diámetros de nanopartículas en un programa de hoja de cálculo después de importar el archivo de resultados.

7. Composición a granel de nanopartículas (XRD)

  1. Si no se hace durante el paso 5.1, pulverizar las nanopartículas MnO en un polvo delgado utilizando un mortero y un mortero. Coloque el polvo de nanopartícula fina en el portavelas utilizando una espátula. Siga el procedimiento de carga de muestras especificado para la máquina de difracción de rayos X (XRD) que se va a utilizar.
  2. Determinar la composición a granel de nanopartículas MnO utilizando XRD. Recoger espectros XRD en un rango de 2o de 10o a 110o para ver los picos de MnO (30o a 90o) y Mn3O4 (15o a 90o).
    NOTA: Otros parámetros de ajuste recomendados para XRD son un tamaño de paso de 0,05 s, una máscara de haz de 10 mm y un tiempo de paso de escaneo de 64,77 s.
  3. Guarde el archivo . XRD y ábralo en el programa de análisis XRD.

8. Análisis de espectros XRD

  1. En el programa de análisis XRD, identifique todos los picos principales en el espectro XRD medido de la muestra haciendo clic en el botón IdeAll en el software.
  2. Para guardar los datos, seleccione Archivo en la barra de herramientas, seguido de Guardar como... para guardar los datos como un archivo ASC que se puede abrir con un programa de hoja de cálculo.
  3. Utilice el programa para crear coincidencias de patrones con la base de datos XRD de compuestos conocidos para encontrar la mejor coincidencia de composición con la muestra. Para restringir la búsqueda, especifique los compuestos previstos (por ejemplo, manganeso y oxígeno).
    1. Para que el patrón coincida con el espectro, seleccione Análisis . Buscar y coincidir. En la ventana emergente, seleccione Química y haga clic en los elementos químicos deseados para restringir la búsqueda del programa en función de la muestra.
    2. Una vez elegidos todos los elementos, seleccione Buscar. Espere a que aparezca una lista de composiciones químicas que coincidan con el espectro XRD.
      NOTA: El programa proporcionará la probabilidad de que los espectros XRD conocidos correspondan a la composición de la muestra. Si se eligen dos o más composiciones, el programa daría el porcentaje de composición de cada una de ellas (por ejemplo, MnO frente a Mn3O4).
  4. Si lo desea, elimine el fondo del espectro XRD haciendo clic en el botón Ajustar fondo ( Equation 1 ). A continuación, haga clic en Fondo en la ventana emergente, seguido de Restar. Confirme que el espectro aparece a partir de 0 en el eje Y.
    1. Guarde los datos de nuevo sin el fondo como se muestra en el paso 8.2.
  5. Al trazar el espectro XRD, muestre los picos característicos de cada compuesto emparejado (por ejemplo, MnO y Mn3O4).
    1. Para obtener la lista de los picos característicos de los compuestos coincidentes de la base de datos, haga clic con el botón derecho en el espectro de coincidencia de patrones y, a continuación, seleccione Mostrar patrón. Espere a que aparezca una ventana emergente con toda la información de pico correspondiente al patrón seleccionado.
    2. Seleccione, copie y pegue la información deseada de ese compuesto y trace los picos característicos con el espectro XRD medido en un programa de hoja de cálculo.

9. Composición de la superficie de nanopartículas (FTIR)

  1. Agregue polvo seco de nanopartículaS MnO al portacal del soporte de muestra para el análisis de espectroscopia infrarroja de transformación de Fourier (FTIR).
  2. Evalúe la química de la superficie de nanopartículas utilizando FTIR. Recoger espectros FTIR entre un rango de longitud de onda de 4000 y 400 cm-1 con una resolución de 4 cm-1.
  3. Limpie el portacuchillas FTIR y añada oleilamina líquida. Repita el paso 9.2.

10. Análisis de los espectros FTIR

  1. En el programa de análisis FTIR, elimine el fondo del espectro FTIR recogido seleccionando Transformaciones en el menú desplegable, seguido de Baseline Correct. Seleccione Lineal como tipo de corrección.
  2. Utilice el clic izquierdo del ratón para seleccionar los puntos de línea base en el espectro original. Una vez terminado, guarde el espectro con otro nombre seleccionando Agregar o reemplazar el espectro antiguo seleccionando Reemplazar.
    NOTA: La corrección de fondo puede mejorar la prevalencia de picos de interés FTIR más débiles.
  3. Para exportar el espectro FTIR, seleccione primero el espectro específico de la lista. A continuación, haga clic en Archivo en la barra de herramientas, seguido de Exportar espectro.
  4. Elija el formato de archivo csv en la ventana Guardar como y haga clic en Guardar. Abra y graficar el archivo csv utilizando un programa de hoja de cálculo.
  5. Compare la nanopartícula MnO adquirida con los espectros de OLEylamine FTIR como se detalla en la sección Resultados representativos para evaluar el taponamiento de nanopartículas con oleilamina.

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Representative Results

Para confirmar la síntesis exitosa, se deben ensayar nanopartículas MnO para el tamaño y la morfología (TEM), la composición a granel (XRD) y la composición de la superficie (FTIR). La Figura 2 muestra imágenes TEM representativas de nanopartículas MnO sintetizadas utilizando proporciones decrecientes de oleilamina (OA, el estabilizador) al éter de dibenzilo (DE, el disolvente orgánico): 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. Las imágenes TEM ideales consisten en nanopartículas individuales (mostradas como octágonos redondeados oscuros en la Figura 2),con una superposición mínima. Es crucial lograr una separación adecuada de las nanopartículas para un dimensionamiento manual preciso de los diámetros de las nanopartículas utilizando la herramienta de trazado de línea en ImageJ.

La Figura 3 muestra la preparación de la muestra TEM subóptima. Si una alta concentración de nanopartículas MnO se suspende en etanol o se añaden demasiadas gotas de suspensión de nanopartículas a la cuadrícula TEM, cada imagen consistirá en grandes aglomeraciones de nanopartículas (Figura 3A,B). Debido a la superposición sustancial de nanopartículas, no se pueden distinguir los límites de cada diámetro de nanopartículas, lo que impide una medición precisa. Si se prepara una concentración baja de nanopartículas en etanol, las nanopartículas podrían estar bien separadas, pero distribuidas escasamente en la rejilla TEM (Figura 3C,D). Cuando solo aparecen una o dos nanopartículas en cada imagen TEM, es necesario tomar más imágenes para obtener un tamaño de muestra lo suficientemente grande y la distribución de tamaño completo puede no capturarse con precisión. El protocolo de preparación TEM descrito en el presente documento tiene como objetivo producir imágenes TEM con aproximadamente 10-30 nanopartículas por imagen (se pueden acomodar más nanopartículas por imagen si el diámetro es pequeño).

TEM se puede utilizar para evaluar los cambios en el tamaño de las nanopartículas con una variación en los parámetros de síntesis. La Figura 4 muestra los diámetros medios de las nanopartículas MnO sintetizadas con proporciones decrecientes de OA:DE. Los diámetros para cada condición de síntesis se cuantificaron de 75 a 90 imágenes TEM, con un total de 900 a 1100 nanopartículas MnO analizadas por condición. Para garantizar la reproducibilidad, se sintetizaron 3 lotes de nanopartículas para cada relación OA:DE. En general, una disminución en la relación de OA:DE produjo nanopartículas MnO más pequeñas con menos variación en el tamaño; la única excepción ocurrió cuando OA solo se utilizó durante la síntesis, que produjo nanopartículas de tamaño similar a la proporción 30:30. Los histogramas que muestran la distribución de tamaño completo de todos los grupos de nanopartículas MnO se muestran en la Figura S2.

Después de confirmar el tamaño y la morfología de las nanopartículas con TEM, la composición de nanopartículas a granel se puede probar con XRD. Mediante la medición del ángulo y la intensidad del haz de rayos X difractado por la muestra, XRD se puede utilizar para determinar la estructura cristalina y la fase de las nanopartículas. La Figura 5A-F muestra los espectros XRD recogidos en bruto para cada muestra sintetizada de nanopartículaS MnO con proporciones decrecientes de OA:DE. Los picos XRD obtenidos en los espectros de muestras se comparan con los picos XRD de compuestos conocidos como MnO y Mn3O4 a través de la base de datos del programa de análisis XRD. Los picos estándar para MnO aparecen a 35o, 40o, 58o, 70o, 73o y 87o, que se muestran en la Figura 5G. Al comparar los espectros XRD de nanopartículas con MnO conocidos, es evidente que todos los espectros de nanopartículas poseen los 5 picos más altos de MnO, lo que indica una síntesis exitosa de nanopartículas MnO. XRD también se puede utilizar para estimar el tamaño de las nanopartículas utilizando la ecuación Scherrer; Los picos más anchos en XRD indican diámetros de nanopartículas más pequeños. Por ejemplo, la Figura 5F con los picos XRD más anchos se asocia con las nanopartículas más pequeñas, como se muestra en TEM (18,6 a 5,5 nm).

La Figura 6 muestra los espectros XRD de dos productos no deseados en la síntesis de nanopartículas MnO. Para fomentar la formación de la fase MnO a altas temperaturas (280 oC), se utiliza nitrógeno durante la síntesis de nanopartículas para purgar el aire fuera del sistema. Si se aplica un flujo de nitrógeno inadecuado, una composición de fase mixta de Mn3O4 (51%) y MnO (49%) se produce(Figura 6A). A través de la comparación con los picos estándar de Mn3O4 (Figura 6C) y MnO (Figura 6D), el bajo flujo de nitrógeno produce espectros XRD con los 8 picos más altos para Mn3O4 y los 5 picos más altos para MnO. TEM of nanoparticles synthesized under low nitrogen flow revealed a mixed population of large nanoparticles surrounded by smaller nanoparticles (Figure 6E). El flujo de nitrógeno se puede controlar a través de la lectura del regulador de nitrógeno y la tasa de burbujeo a través del burbujeador de aceite mineral. Otro parámetro crítico en la síntesis de nanopartículas MnO es la inclusión de un estabilizador. En un intento de producir nanopartículas MnO aún más pequeñas que la relación 10:50 OA:DE, se utilizó DE puro sin ningún OA. Una cantidad muy pequeña de un polvo desconocido fue sintetizado en ausencia de estabilizador. Como se muestra en la Figura 6B,los espectros XRD para la relación 0:60 OA:DE eran ruidosos y contenían los 3 picos más altos de Mn3O4. A partir del análisis en la base de datos del programa XRD, el compuesto tenía una composición química de 67% Mn3O4 y 33% MnO. Como apoyado por los picos anchos en los espectros XRD, el TEM confirmó que se sintetizaron nanopartículas muy pequeñas en ausencia de estabilizador (Figura 6F). Las nanopartículas también aparecieron de forma irregular y aglomeradas. Además, sólo se obtuvo un rendimiento del 33% sin ningún estabilizador, lo que significa que se sintetizó una pequeña cantidad de producto. Por lo tanto, el alto flujo de nitrógeno y la inclusión de un estabilizador como OA u ácido oleico es necesario para la síntesis de nanopartículas MnO.

Para complementar la composición de nanopartículas a granel con XRD, la composición de la superficie se puede evaluar utilizando FTIR. La Figura 7 muestra los espectros FTIR de nanopartículas MnO después de la corrección de fondo. Todos los espectros muestran los picos simétricos y asimétricos CH2 (2850-2854 y 2918-2926 cm-1,marcados con asteriscos) asociados con los grupos de oleyl60,además de los picos de vibración de flexión NH2 (1593 cm-1 y 3300 cm-1,marcados por cuadrados) asociados con grupos de amina61. Dado que las nanopartículas MnO comparten los mismos picos para los grupos de oleyl y los grupos de amina presentes en los espectros FTIR de OA (Figura S3), se puede concluir que las nanopartículas están recubiertas con una capa superficial de OA. Además, todos los espectros FTIR de nanopartículas contienen vibraciones de unión Mn-O y Mn-O-Mn alrededor de 600 cm-1 (marcados por triángulos), que confirman la composición encontrada a través de XRD62.

Figure 1
Figura 1: El nitrógeno y el agua fluyen a través de la configuración de síntesis de nanopartículas MnO.
Las conexiones de tubo están etiquetadas 1-15. El nitrógeno sin aire entra (1) y sale (2) de la columna de secado y se introduce en la entrada del colector (3). Durante la reacción, el nitrógeno purga el aire del sistema entrando en la llave derecha del colector (4). El nitrógeno fluye desde el tope hasta el adaptador de codo de vidrio (5), la trampa de rotovap, el matraz inferior redondo, el condensador, el adaptador de codo de vidrio (6) y a través de una serie de dos burbujas de aceite mineral (7-9). En el colector, el exceso de nitrógeno que no fluye a través de la reacción saldrá del sistema a través del tapón izquierdo (10), que está conectado al burbujeador de aceite mineral con la mayor cantidad de aceite de silicona (11). El #10 de Stopcock es estar siempre abierto. El agua fluirá desde el grifo (12) a través de la entrada del condensador (13) y la salida (14) y hacia el drenaje de la campana de humo (15). El tubo se fija al condensador con abrazaderas metálicas. Todos los tubos deben ser tubos resistentes a productos químicos, excepto el tubo compatible con el agua utilizado para el condensador. La cristalería principal y el equipo están etiquetados en la Figura S1. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 2
Figura 2: Imágenes TEM de nanopartículas MnO sintetizadas con proporciones decrecientes de OA:DE.
Se utilizaron las siguientes relaciones: (A) 60:0,( B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Las nanopartículas MnO aparecen como octágonos redondeados separados con una superposición mínima para permitir una delineación clara de los bordes de las nanopartículas. Se observó que la relación de reactivos afectaba al tamaño general de las nanopartículas, con 50:10 sintetizando las nanopartículas más grandes y 10:50 produciendo las nanopartículas más pequeñas. Las barras de escala son de 50 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 3
Figura 3: Imágenes TEM subóptimas resultantes de una preparación incorrecta de la cuadrícula TEM.
(A,B) Si la suspensión de nanopartículas está demasiado concentrada o si se cargan gotas excesivas de suspensión de nanopartículas en la rejilla TEM, las nanopartículas se agregarán en grandes masas con superposición sustancial. Las nanopartículas individuales no se pueden observar en la mayoría de las áreas de la red. (C,D) Alternativamente, una baja concentración de nanopartículas podría resultar en rejillas TEM pobladas con una escasa cantidad de nanopartículas. Las nanopartículas individuales se distribuyen muy lejos, pero requieren más imágenes para capturar la distribución del tamaño de población de la muestra. Las barras de escala son de 50 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 4
Figura 4: Diámetros medios de nanopartículas MnO medidos a partir de imágenes TEM.
En general, una menor cantidad de estabilizador (OA) con una mayor cantidad de disolvente orgánico (DE) dio lugar a nanopartículas MnO más pequeñas y uniformes. Se calcularon un total de 900 a 1100 diámetros de nanopartículas en imágenes TEM utilizando la herramienta de trazado de líneas en ImageJ para cada grupo. Las barras de error muestran la desviación estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 5
Figura 5: Espectros XRD de nanopartículas MnO sintetizadas con proporciones decrecientes de OA:DE.
Se utilizaron las siguientes relaciones: (A) 60:0,( B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. (G) Los picos de difracción estándar para MnO se muestran en la base de datos del programa de análisis XRD. Todas las nanopartículas producidas exhiben los 5 picos XRD de mayor intensidad para MnO, lo que indica una síntesis exitosa de nanopartículas MnO. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 6
Figura 6: Espectros XRD e imágenes TEM de nanopartículas no deseadas.
Los espectros XRD se muestran para la síntesis de nanopartículas MnO utilizando (A) bajo flujo de nitrógeno y (B) una relación 0:60 de OA:DE (no hay estabilizador presente). Los picos de difracción estándar para (C) Mn3O4 y (D) MnO se muestran desde la base de datos del programa de análisis XRD. A través de la comparación con los espectros estándar, el flujo de nitrógeno inadecuado (A) creó nanopartículas con una mezcla de Mn3O4 (51%) y MnO (49%). En ausencia de oleilamina (B), se obtiene un espectro XRD más amplio, que coincide con los 3 picos más altos de Mn3O4. Basados en el análisis realizado por la base de datos del programa XRD, estas nanopartículas sintetizadas son 67% Mn3O4 y 33% MnO. Las imágenes TEM de nanopartículas(E)sintetizadas con bajo flujo de nitrógeno muestran grandes nanopartículas rodeadas de nanopartículas más pequeñas. Las imágenes TEM de nanopartículasFsintetizadas con una relación 0:60 de OA:DE muestran nanopartículas agregadas muy pequeñas con forma irregular. Las barras de escala son de 50 nm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figure 7
Figura 7: Espectros FTIR de nanopartículas MnO sintetizadas con proporciones decrecientes de OA:DE.
Se utilizaron las siguientes relaciones: (A) 60:0,( B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Los asteriscos y los cuadrados corresponden a grupos de oleyl y amine, respectivamente, mientras que los triángulos indican la vibración de los enlaces Mn-O y Mn-O-Mn. Los insertos en caja resaltan los dos picos distintos de los grupos de oleyl. Los espectros FTIR indican que las nanopartículas MnO están recubiertas con oleilamina, como se confirma a través de la comparación con el espectro FTIR de oleylamine únicamente en la Figura S3. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura S1: Principales cristalería y equipos de la configuración de síntesis de nanopartículas MnO. El colector se fija a la celosía metálica mediante abrazaderas de garra metálica y dispersa nitrógeno en la reacción. Mn(II) ACAC, éter de dibenzilo, oleilamina y una barra de agitación se añaden al matraz inferior redondo con cuatro cuellos. El cuello derecho del matraz está unido a la trampa de rotovap y un adaptador de codo, mientras que el cuello izquierdo está unido a un condensador y un adaptador de codo. El cuello medio del matraz inferior redondo está cubierto con un tapón de goma. La sonda de temperatura se inserta en la abertura más pequeña del matraz inferior redondo, y está rodeada por una junta tórica y una película de plástico de parafina para formar un sello hermético. El matraz inferior redondo se encuentra encima de un manto de calentamiento y una placa de agitación para agitar vigorosamente la reacción mientras se calienta. La sonda de temperatura y el manto de calefacción están conectados al controlador de temperatura para proporcionar una regulación automatizada en tiempo real del perfil de temperatura. El matraz inferior redondo y el condensador se fijan a la celosía metálica con abrazaderas de garra metálicas. Hay tres burbujas de aceite mineral, dos a la izquierda y uno a la derecha, llenos de cantidades crecientes de aceite de silicona desde el burbujeador izquierdo hasta el burbujeador derecho en la imagen. Los burbujeadores también están unidos a la celosía de metal con abrazaderas de garra. Los clips de junta cónica de plástico verde se unen para asegurar las conexiones de cristalería antes de que comience la reacción. Las conexiones de tubería se detallan en la Figura 1. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Figura S2: Histogramas que muestran la distribución del tamaño de las nanopartículas MnO para las proporciones decrecientes de OA:DE. Se utilizaron las siguientes relaciones: (A) 60:0,( B) 50:10, (C) 40:20, (D) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. En general, a medida que la relación se acerca a 10:50, la distribución del tamaño de las nanopartículas se desplaza hacia la izquierda (indicando diámetros más pequeños) y se vuelve más compacta (lo que indica un tamaño de nanopartícula más uniforme). El diámetro medio de cada distribución se muestra en la Figura 4. Haga clic aquí para descargar esta figura.

Figura S3: Espectro FTIR de oleilamina. Los asteriscos y cuadrados representan los grupos de oleyl y amina de oleylamine, respectivamente. Haga clic aquí para descargar esta figura.

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Discussion

El protocolo del presente documento describe una síntesis fácil y de una olla de nanopartículas MnO utilizando Mn(II) ACAC, DE y OA. Mn(II) ACAC se utiliza como el material de partida para proporcionar una fuente de Mn2+ para la formación de nanopartículas MnO. El material de partida se puede sustituir fácilmente para permitir la producción de otras nanopartículas de óxido metálico. Por ejemplo, cuando se aplica el ACAC de hierro(III), las nanopartículas Fe3O4 se pueden generar utilizando el mismo equipo de síntesis de nanopartículas y el mismo protocolo descrito63. DE sirve como un disolvente orgánico ideal para reacciones de descomposición térmica, ya que tiene un alto punto de ebullición de 295-298 oC. OA es un estabilizador barato de uso común / agente reductor suave, que ayuda a tapar y coordinar la nuclea de óxido metálico nanopartícula y el crecimiento61,63. Al igual que DE, OA tiene un alto punto de ebullición de 350 oC para soportar las altas temperaturas de la descomposición térmica. Las dos observaciones siguientes se pueden utilizar como evidencia de la generación exitosa de nanopartículas MnO durante la síntesis: 1) la aparición de un tono verde a la mezcla de reacción durante la descomposición térmica a 280 oC y 2) la formación de un pellet grande marrón oscuro en la parte inferior de los tubos centrífugos después de la centrifugación en hexano y etanol. Las nanopartículas resultantes deben caracterizarse además por TEM, XRD y FTIR para evaluar el tamaño/morfología, la composición a granel y la composición de la superficie, respectivamente.

Durante la síntesis de nanopartículas, se deben tener en cuenta y controlar varias variables para garantizar la producción de nanopartículas uniformes con la fase cristalina MnO. En primer lugar, la proporción de todos los materiales de partida debe seguir siendo la misma, ya que hemos demostrado que las proporciones decrecientes de OA a DE disminuyen el tamaño de las nanopartículas(Figura 4). En segundo lugar, la reacción debe agitarse vigorosamente para permitir una dispersión adecuada de las nanopartículas nucleantes, el calentamiento uniforme y la reducción de la variación del tamaño. En tercer lugar, como la temperatura juega un papel importante en el control de nanopartículas de óxido metálico tamaño47,48,50 y composición de fase47,48,50, es fundamental sumergir correctamente la punta de la sonda de temperatura en la mezcla de reacción mientras no entra en contacto con el vidrio del matraz inferior redondo que leerá una temperatura inexacta. En cuarto lugar, el flujo de nitrógeno debe ser lo suficientemente alto como para purgar todo el aire de la reacción para fomentar la formación de la fase cristalina MnO sobre Mn3O4. Como se muestra en la Figura 6A,el bajo flujo de nitrógeno dará lugar a nanopartículas con una composición mixta MnO/Mn3O4. El llenado correcto de los burbujas de aceite mineral con cantidades crecientes de aceite de silicona desde el burbujeador izquierdo (1 pulgada de aceite) hasta el burbujeador medio (1,5 pulgadas de aceite) hasta el burbujeador derecho (2 pulgadas de aceite) establecerá la resistencia para que el flujo de nitrógeno sea más bajo a través de la reacción (#4 en la Figura 1). La tasa de burbujeo del burbujeador de aceite mineral medio (por #7,8 en la Figura 1) se puede utilizar para medir la tasa de nitrógeno que fluye a través de la reacción. Por último, se debe añadir un estabilizador como OA a la mezcla de reacción para coordinar la nucleación y el crecimiento de las nanopartículas. Como se muestra en la Figura 6B, DE sin OA creó una pequeña cantidad de producto, en su mayoría de un Mn3O4 (67%) Composición. Este producto también se observó que tenía una forma irregular con nanopartículas agregadas por TEM, que no se produjo cuando OA estaba presente en la reacción (Figura 6F).

Varias variables de la reacción de descomposición térmica se pueden modificar para optimizar el tamaño de las nanopartículas, morfología, y composición incluyendo el tipo de gas inerte47,48,50, temperatura de reacción máxima44,47,48,49, tiempo de reacción total44,45,46, y tipos / proporciones de compuestos químicos iniciales utilizados en la reacción20,45,47,48,50. Salazar-Alvarez et al.50 y Seo et al.48 han demostrado que el flujo de argón durante la descomposición térmica de Mn(II) forma Mn3O4 a temperaturas de reacción máxima más bajas que van de 150 oC a 200 oC. Cuando se utiliza nitrógeno o aire, Nolis yotros 47 lograron resultados similares para la descomposición de Mn(III) ACAC, donde se produjeron nanopartículas Mn3O4 a temperaturas más bajas (150 oCo 200 oC)y las nanopartículas MnO se generaron sólo a temperaturas más altas (250 oC y 300 oC)47. Las temperaturas máximas de reacción más altas y los tiempos más largos mantenidos en la temperatura de reacción máxima, también conocido como el tiempo de envejecimiento, también se han asociado con un aumento en el tamaño de las nanopartículas44,45,46,47,48,49. Además, la velocidad de calentamiento de la reacción puede afectar el tamaño de las nanopartículas. 44 encontraron que el aumento de la tasa de calentamiento de 1,5 oC/min hasta 90 oC/min bajó el tamaño de las nanopartículas de 18,9 nm a 6,5 nm, respectivamente. Por último, se pueden añadir diferentes productos químicos como agentes reductores y estabilizadores en reacciones de descomposición térmica de manganeso; sin embargo, OA20,47,48,50 y ácido oleico20,45 se utilizan más comúnmente. Se ha demostrado que la relación entre OA y ácido oleico afecta a la química y la forma de las nanopartículas MnO sintetizadas. Según Zhang et al.20, OA sólo dio lugar a la formación de Mn3O4 nanopartículas, una combinación de OA y ácido oleico dio lugar a una mezcla de Mn3O4 y nanopartículas MnO, y el ácido oleico sólo produjo nanopartículas MnO. Curiosamente, la experiencia muestra que las nanopartículas MnO pueden fabricarse solo con OA, y que el ácido oleico no es necesario para promover la formación de la fase cristalina de MnO. Además, el uso de OA por sí mismo fabricó nanopartículas esféricas, mientras que el ácido oleico solo generó nanopartículas en forma de estrella20,,64. Claramente, hay mucha flexibilidad en la alteración de los parámetros de síntesis para afectar las propiedades físicas y químicas resultantes de las nanopartículas MnO.

A pesar del protocolo detallado, pueden surgir instancias que requieran solución de problemas. En el párrafo siguiente se detallan algunos problemas y soluciones comunes. Durante la reacción, si la temperatura parece estabilizarse alrededor de 100 oC, es posible que se haya filtrado algo de agua en el manto de calentamiento. Inspeccione visiblemente el área circundante en busca de fugas de agua del condensador. No toque directamente el manto o el matraz inferior redondo sin guantes resistentes al calor, ya que estarán muy calientes. Si se observa agua, apague inmediatamente el controlador de temperatura, desenchufe el manto de calentamiento y déjelo secar durante la noche. Para evitar fugas futuras, utilice una abrazadera de manguera de engranaje de gusano entrelazada para fijar el tubo de agua al condensador. En el caso de que el producto deseado sea MnO, pero sólo se produce Mn3O4, es importante comprobar el flujo de nitrógeno durante la reacción. El burbujeador medio debe tener un flujo constante de burbujas (ver el video para la velocidad de burbujeo correcta), mientras que el burbujeador derecho sólo debe tener una o dos burbujas formando en él. El flujo de nitrógeno incorrecto puede ocurrir si no se mantienen los niveles diferenciales de aceite de silicona en cada burbuja de aceite mineral. Compruebe los niveles de aceite antes de cada experimento y llene los burbujeadores de acuerdo con el paso 1.5 si es necesario. Durante la recolección de nanopartículas, el protocolo especifica verter el sobrenadante sin alterar el pellet de nanopartículas. La mejor manera de descartar el sobrenadante es verter con un movimiento continuo rápido en lugar de uno lento. Sin embargo, si el pellet se separa fácilmente del tubo de centrífuga, se recomienda el uso de una pipeta de transferencia para quitar el sobrenadante. Durante la recolección de nanopartículas y la preparación de la rejilla TEM, la sonicación del baño es un paso clave. Si las nanopartículas no se resuspenden correctamente, mueva el tubo alrededor del sonicador de baño de agua hasta que se encuentre un área donde la sonicación se pueda sentir con la mano sosteniendo el tubo. El pellet de nanopartículas también se puede ver visiblemente desintegrándose bajo una fuerte sonicación de baño si el tubo está en el punto correcto. Después de la resuspensión de nanopartículas, es importante que la rejilla TEM se suspenda en el aire con pinzas inversas en lugar de colocarse en una toallita o directamente sobre una superficie absorbente del banco. La superficie de la limpieza o del banco absorbente eliminará la suspensión de nanopartículas de la rejilla TEM antes de secarse, lo que resulta en una deposición insuficiente de nanopartículas en la red para la toma de imágenes.

Aunque la reacción de descomposición térmica es bastante simple y directa de seguir para sintetizar nanopartículas MnO, hay algunas limitaciones asociadas con el método. Si bien es posible controlar las propiedades físicas y químicas de las nanopartículas hasta cierto punto, algunas variables como la temperatura y el tiempo de envejecimiento afectan simultáneamente al tamaño de las nanopartículas y a la composición de la fase. Por lo tanto, es difícil tener siempre un control independiente preciso de las propiedades de las nanopartículas utilizando este método. Además, la ampliación de la síntesis de nanopartículas triplicando o cuadruplicando las cantidades de materiales de partida puede hacer que la reacción se vuelva inestable y violenta. Un tamaño de lote más grande también está asociado con una disminución del rendimiento. Además, a pesar del almacenamiento de nanopartículas MnO dentro de viales de centelleo tapados envueltos en película plástica de parafina, hemos visto la oxidación de la superficie de la nanopartícula a Mn3O4 como se evalúa por espectroscopia de fotoelectrón de rayos X. Finalmente, las nanopartículas MnO generadas por esta técnica serán hidrófobas y se taparán con OA (Figura 7). Para permitir la suspensión de nanopartículas en medios acuosos, será necesario aplicar una modificación adicional de la superficie a las nanopartículas de transición a un estado hidrófilo. Se han establecido varios métodos para promover la dispersión de nanopartículas en soluciones biológicas, incluida la encapsulación de nanopartículas dentro de los polímeros14,el recubrimiento de la superficie de nanopartículas con lípidos52,o el intercambio de ligandos para sustituir el OA en la superficie de nanopartículas por ligandos hidrófilos como poli(ácido acrílico)20. Para lograr la encapsulación de nanopartículas MnO dentro del polímero de poli(ácido láctico-co-glicólico) (PLGA), siga el detallado protocolo JoVE 65de McCall y Sirianni; Las nanopartículas MnO se pueden añadir directamente a la solución de polímero PLGA como se describe para los fármacos hidrofóbicos en el paso 8 de la sección Preparación de nanopartículas. La distribución de nanocristales MnO dentro de las nanopartículas PLGA se puede evaluar utilizando TEM y la carga de Mn dentro del polímero PLGA se puede determinar mediante análisis termogravimétrico como se muestra en Bennewitz et al.14.

Aunque las nanopartículas MnO se pueden utilizar para una amplia variedad de aplicaciones debido a sus propiedades magnéticas, electrónicas y catalíticas, estamos interesados en aplicar nanopartículas MnO como agentes de contraste conmutables, T1 MRI. Anteriormente, nuestro grupo y otros han demostrado que las nanopartículas MnO intactas tienen un contraste de RMN T1 insignificante (la señal de RMN es "OFF") a pH fisiológico 7,4 imitando la sangre14,15,16,17,18,19. Sin embargo, MnO se disuelve para crear iones Mn2+ sustanciales a pH bajo 5 imitando los endosomas celulares; liberado Mn2+ se coordinará con las moléculas de agua circundantes para activar la señal de RMN "ON" a pH bajo14,15,16,17,18,19. Las nanopartículas MnO se pueden localizar en diferentes células de interés, como las células cancerosas, mediante la adición de péptidos de orientación o anticuerpos a la superficie de nanopartículas51,,66. Aquí, describimos la síntesis de nanopartículas MnO con un diámetro medio que oscila entre 18,6 nm y 38,8 nm. El control del tamaño de las nanopartículas puede ser útil para mejorar la eficacia del agente de contraste de RMN. Específicamente, se prevé que las nanopartículas más grandes tendrán más superficie para la fijación de ligandos dirigidos para mejorar la acumulación de nanopartículas en el lugar de interés, como tumores. Sin embargo, el tamaño general de las nanopartículas con grupos de superficie añadidos debe limitarse a 50-100 nm para maximizar la acumulación de tumores67,,68. Las nanopartículas más pequeñas, por otro lado, tienen una mayor relación superficie-área-volumen para facilitar una liberación más rápida de Mn2+ en entornos ácidos y deben permitir volúmenes de embalaje de nanopartículas mejoradas dentro de los sistemas de entrega polimérica. La síntesis de MnO sobre Mn3O4 también debe mejorar el contraste de la RMN, ya que se ha demostrado que MnO se disuelve más rápido que Mn3O4 en soluciones ácidas concentradas para generar más iones Mn2+ 69. En resumen, hemos descrito un protocolo de descomposición térmica para la fabricación de nanopartículas MnO que es relativamente sencillo y personalizable para permitir optimizar el diseño de nanopartículas para su uso futuro en aplicaciones como agentes de contraste de RESONANCIA magnética inteligentes, biosensores, catalizadores, baterías y purificación de agua.

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Disclosures

Los autores no tienen nada que revelar.

Acknowledgments

Este trabajo fue apoyado por los fondos de inicio del Departamento de Ingeniería Química y Biomédica de WVU (M.F.B.). Los autores desean agradecer a la Dra. Marcela Redigolo por orientación sobre la preparación de la red y la captura de imágenes de nanopartículas con TEM, Dr. Qiang Wang por su apoyo en la evaluación de espectros XRD y FTIR, Dr. John Zondlo y Hunter Snoderly para programar e integrar el controlador de temperatura en el protocolo de síntesis de nanopartículas, James Hall por su asistencia en el montaje de la configuración de síntesis de nanopartículas , Alexander Pueschel y Jenna Vito por ayudar en la cuantificación de diámetros de nanopartículas MnO a partir de imágenes TEM, y el centro de investigación compartido WVU para el uso del TEM, XRD y FTIR.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Chemicals and Gases
Benzyl ether (DE) Acros Organics AC14840-0010 Concentration: 99%, 1 L
Drierite W. A. Hammond Drierite Co. LTD 23001 Drierite 8 mesh, 1 lb
Ethanol Decon Laboratories  2701 200 proof, 4 x 3.7 L
Hexane Macron Fine Chemicals 5189-08 Concentration:  ≥98.5%, 4 L
Hydrochloric acid VWR BDH3030-2.5LPC Concentration: 36.5 - 38.0 % ACS, 2.5 L
Manganese (II) acetyl acetonate (Mn(II)ACAC) Sigma Aldrich 245763-100G 100 g
Nitrogen gas tank Airgas NI R300 Research 5.7 grade nitrogen, size 300 cylinder
Nitrogen regulator Airgas Y11244D580-AG Single stage brass 0-100 psi analytical cylinder regulator CGA-580 with needle outlet
Oleylamine (OA) Sigma Aldrich O7805-500G Concentration: 70%, technical grade, 500 g
Silicone oil Beantown Chemical 221590-100G 100 g
Equipment
Centrifuge Beckman-Coulter Avanti J-E JA-20 fixed-angle aluminum rotor, 8 x 50 mL, 48,400 x g
Hemisphere mantle Ace Glass Inc. 12035-17 115 V, 270 W, 500 mL, temperature up to 450 °C
Hot plate stirrer VWR 97042-642 120 V, 1000 W, 8.3 A, ceramic top
Temperature controller Yokogawa Electric Corporation UP351
Temperature probe Omega KMQXL-040G-12 Immersion probe, temperature up to 1335 °C
Vacuum oven Fisher Scientific 282A 120 V, 1800 W, temperature up to 280 °C
Vortex mixer Fisher Scientific 02-215-365 120 V, 50/60 Hz, 150 W
Water bath sonicator Fisher Scientific FS30H Ultrasonic power 130 W, 3.7 L tank
Tools and Materials
Dumont tweezer Electron Microscopy Sciences 72703D Style 5/45, Dumoxel, 109 mm, for picking up TEM grids
Dumont reverse tweezer Ted Pella 5748 Style N2a, 118 mm, NM-SS, self-closing, holding TEM grids in place for sample preparation
Mortar and pestle Amazon BS0007 BIPEE agate mortar and pestle, 70 X 60 X 15 mm labware
Nalgene™ Oak Ridge tubes ThermoFisher Scientific 3139-0050 Polypropylene copolymer, 50,000 x g, 50 mL, pack of 10
Scintillation vials Fisher Scientific 03-337-4 20 mL vials with white caps, case of 500
TEM grids Ted Pella 01813-F Carbon Type-B, 300 mesh, copper, pack of 50
Glassware Setup
4-neck round bottom flask Chemglass Life Sciences CG-1534-01 24/40 joint, 500 mL, #7 chem thread for thermometers
6-port vacuum manifold Chemglass Life Sciences CG-4430-02 480 nm, 6 ports, 4 mm PTFE stopcocks
Adapter Chemglass Life Sciences CG-1014-01 24/40 inner joint, 90°
Condenser Chemglass Life Sciences CG-1216-03 24/40 joint, 365 mm, 250 mm jacket length
Drierite 26800 drying column Cole-Parmer  EW-07193-00 200 L/hr, 90 psi
Funnel Chemglass Life Sciences CG-1720-L-02 24/40 joint, 100 powder funnel, 195 mm OAL
Interlocked worm gear hose clamp Grainger 16P292 1/2" wide stainless steel clamp, 3/8" to 7/8" diameter, to secure condenser tubing, 10 pack 
Keck clips Kemtech America Inc CS002440 24/40 joint
Metal claw clamp Fisher Scientific 05-769-7Q 22cm, three-prong extension clamps
Metal claw clamp holder Fisher Scientific 05-754Q Clamp regular holder
Mineral oil bubbler Kemtech America Inc B257040 185 mm
Rotovap trap Chemglass Life Sciences CG-1319-02 24/40 joints, 100 mL, self washing rotary evaporator
Rubber stopper Chemglass Life Sciences CG-3022-98 24/40 joints, red rubber
Tubing for air/water  McMaster-Carr 6516T21 Clear Tygon PVC for air/water, B-44-3, 1/4" ID, 1/16" wall, 25 ft
Tubing for air/water  McMaster-Carr 6516T26 Clear Tygon PVC for air/water, B-44-3, 3/8" ID, 1/16" wall, 25 ft
Tubing for chemicals McMaster-Carr 5155T34 Clear Tygon PVC for chemicals, E-3603, 3/8" ID, 1/16" wall, 50 ft
Analysis Programs
XRD analysis program Malvern Panalytical N/A X'Pert HighScore Plus
FTIR analysis program Varian, Inc. N/A Varian Resolutions Pro

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References

  1. Felton, C., et al. Magnetic nanoparticles as contrast agents in biomedical imaging: recent advances in iron- and manganese-based magnetic nanoparticles. Drug Metabolism Reviews. 46 (2), 142-154 (2014).
  2. Hsu, B. Y. W., et al. Relaxivity and toxicological properties of manganese oxide nanoparticles for MRI applications. RSC Advances. 6 (51), 45462-45474 (2019).
  3. Wierzbinski, K. R., et al. Potential use of superparamagnetic iron oxide nanoparticles for in vitro and in vivo bioimaging of human myoblasts. Scientific Reports. 8 (1), 1-17 (2018).
  4. Vukojević, V., et al. Enzymatic glucose biosensor based on manganese dioxide nanoparticles decorated on graphene nanoribbons. Journal of Electroanalytical Chemistry. 823, 610-616 (2018).
  5. George, J. M., Antony, A., Mathew, B. Metal oxide nanoparticles in electrochemical sensing and biosensing: a review. Microchimica Acta. 185 (7), 358 (2018).
  6. Fei, J., et al. Tuning the Synthesis of Manganese Oxides Nanoparticles for Efficient Oxidation of Benzyl Alcohol. Nanoscale Research Letters. 12, (2017).
  7. Le, T. H., Ngo, T. H. A., Doan, V. T., Nguyen, L. M. T., Le, M. C. Preparation of Manganese Dioxide Nanoparticles on Laterite for Methylene Blue Degradation. Journal of Chemistry. 2019, 1602752 (2019).
  8. Kuo, C. H., et al. Robust Mesoporous Manganese Oxide Catalysts for Water Oxidation. ACS Catalysis. 5 (3), 1693-1699 (2015).
  9. Farzana, R., Rajarao, R., Hassan, K., Behera, P. R., Sahajwalla, V. Thermal nanosizing: Novel route to synthesize manganese oxide and zinc oxide nanoparticles simultaneously from spent Zn-C battery. Journal of Cleaner Production. 196, 478-488 (2018).
  10. Elbasuney, S., Elsayed, M. A., Mostafa, S. F., Khalil, W. F. MnO2 Nanoparticles Supported on Porous Al2O3 Substrate for Wastewater Treatment: Synergy of Adsorption, Oxidation, and Photocatalysis. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. , (2019).
  11. Shapiro, E. M., et al. MRI detection of single particles for cellular imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (30), 10901-10906 (2004).
  12. Shapiro, E. M., Skrtic, S., Koretsky, A. P. Sizing it up: Cellular MRI using micron-sized iron oxide particles. Magnetic Resonance in Medicine. 53 (2), 329-338 (2005).
  13. Bennewitz, M. F., Tang, K. S., Markakis, E. A., Shapiro, E. M. Specific chemotaxis of magnetically labeled mesenchymal stem cells: implications for MRI of glioma. Molecular imaging and biology: MIB: the official publication of the Academy of Molecular Imaging. 14 (6), 676-687 (2012).
  14. Bennewitz, M. F., et al. Biocompatible and pH-Sensitive PLGA Encapsulated MnO Nanocrystals for Molecular and Cellular MRI. ACS Nano. 5 (5), 3438-3446 (2011).
  15. Chen, Y., et al. Manganese oxide-based multifunctionalized mesoporous silica nanoparticles for pH-responsive MRI, ultrasonography and circumvention of MDR in cancer cells. Biomaterials. 33 (29), 7126-7137 (2012).
  16. Park, M., et al. Large-Scale Synthesis of Ultrathin Manganese Oxide Nanoplates and Their Applications to T1 MRI Contrast Agents. Chemistry of Materials. 23 (14), 3318-3324 (2011).
  17. Duan, B., et al. Core-Shell Structurized Fe3O4@C@MnO2 Nanoparticles as pH Responsive T1-T2* Dual-Modal Contrast Agents for Tumor Diagnosis. ACS Biomaterials Science & Engineering. 4 (8), 3047-3054 (2018).
  18. Hao, Y., et al. Multifunctional nanosheets based on folic acid modified manganese oxide for tumor-targeting theranostic application. Nanotechnology. 27 (2), 025101 (2015).
  19. Shi, Y., Guenneau, F., Wang, X., Hélary, C., Coradin, T. MnO2-gated Nanoplatforms with Targeted Controlled Drug Release and Contrast-Enhanced MRI Properties: from 2D Cell Culture to 3D Biomimetic Hydrogels. Nanotheranostics. 2 (4), 403-416 (2018).
  20. Zhang, H., et al. Revisiting the coordination chemistry for preparing manganese oxide nanocrystals in the presence of oleylamine and oleic acid. Nanoscale. 6 (11), 5918 (2014).
  21. McDonagh, B. H., et al. L-DOPA-Coated Manganese Oxide Nanoparticles as Dual MRI Contrast Agents and Drug-Delivery Vehicles. Small. 12 (3), 301-306 (2016).
  22. Ding, X., et al. Polydopamine coated manganese oxide nanoparticles with ultrahigh relaxivity as nanotheranostic agents for magnetic resonance imaging guided synergetic chemo-/photothermal therapy. Chemical Science. 7 (11), 6695-6700 (2016).
  23. Wei, R., et al. Versatile Octapod-Shaped Hollow Porous Manganese(II) Oxide Nanoplatform for Real-Time Visualization of Cargo Delivery. Nano Letters. 19 (8), 5394-5402 (2019).
  24. Na, H. B., et al. Development of a T1 contrast agent for magnetic resonance imaging using MnO nanoparticles. Angewandte Chemie (International Ed. in English). 46 (28), 5397-5401 (2007).
  25. Rockenberger, J., Scher, E. C., Alivisatos, A. P. A New Nonhydrolytic Single-Precursor Approach to Surfactant-Capped Nanocrystals of Transition Metal Oxides. Journal of the American Chemical Society. 121 (49), 11595-11596 (1999).
  26. Han, C., et al. Synthesis of a multifunctional manganese(II)-carbon dots hybrid and its application as an efficient magnetic-fluorescent imaging probe for ovarian cancer cell imaging. Journal of Materials Chemistry B. 4 (35), 5798-5802 (2016).
  27. Wang, A., et al. Redox-mediated dissolution of paramagnetic nanolids to achieve a smart theranostic system. Nanoscale. 6 (10), 5270-5278 (2014).
  28. Jia, Q., et al. A Magnetofluorescent Carbon Dot Assembly as an Acidic H2O2-Driven Oxygenerator to Regulate Tumor Hypoxia for Simultaneous Bimodal Imaging and Enhanced Photodynamic Therapy. Advanced Materials. 30 (13), 1706090 (2018).
  29. Yang, B., et al. A three dimensional Pt nanodendrite/graphene/MnO 2 nanoflower modified electrode for the sensitive and selective detection of dopamine. Journal of Materials Chemistry B. 3 (37), 7440-7448 (2015).
  30. Li, J., Li, D., Yuan, R., Xiang, Y. Biodegradable MnO2 Nanosheet-Mediated Signal Amplification in Living Cells Enables Sensitive Detection of Down-Regulated Intracellular MicroRNA. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (7), 5717-5724 (2017).
  31. Fan, H., et al. A Smart DNAzyme-MnO2 Nanosystem for Efficient Gene Silencing. Angewandte Chemie International Edition. 54 (16), 4801-4805 (2015).
  32. Zhang, Y., et al. A real-time fluorescence turn-on assay for acetylcholinesterase activity based on the controlled release of a perylene probe from MnO 2 nanosheets. Journal of Materials Chemistry C. 5 (19), 4691-4694 (2017).
  33. Meng, H. M., et al. Multiple Functional Nanoprobe for Contrast-Enhanced Bimodal Cellular Imaging and Targeted Therapy. Analytical Chemistry. 87 (8), 4448-4454 (2015).
  34. Zhao, Z., et al. Activatable Fluorescence/MRI Bimodal Platform for Tumor Cell Imaging via MnO2 Nanosheet-Aptamer Nanoprobe. Journal of the American Chemical Society. 136 (32), 11220-11223 (2014).
  35. Chen, J. L., et al. A glucose-activatable trimodal glucometer self-assembled from glucose oxidase and MnO 2 nanosheets for diabetes monitoring. Journal of Materials Chemistry B. 5 (27), 5336-5344 (2017).
  36. Yang, G., et al. Hollow MnO 2 as a tumor-microenvironment-responsive biodegradable nano-platform for combination therapy favoring antitumor immune responses. Nature Communications. 8 (1), 1-13 (2017).
  37. Wu, Y., et al. Versatile in situ synthesis of MnO2 nanolayers on upconversion nanoparticles and their application in activatable fluorescence and MRI imaging. Chemical Science. 9 (24), 5427-5434 (2018).
  38. Jing, X., et al. Intelligent nanoflowers: a full tumor microenvironment-responsive multimodal cancer theranostic nanoplatform. Nanoscale. 11 (33), 15508-15518 (2019).
  39. Peng, Y. K., et al. Engineered core-shell magnetic nanoparticle for MR dual-modal tracking and safe magnetic manipulation of ependymal cells in live rodents. Nanotechnology. 29 (1), 015102 (2018).
  40. Ren, S., et al. Ternary-Responsive Drug Delivery with Activatable Dual Mode Contrast-Enhanced in vivo Imaging. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (38), 31947-31958 (2018).
  41. Zhen, W., et al. Multienzyme-Mimicking Nanocomposite for Tumor Phototheranostics and Normal Cell Protection. ChemNanoMat. 5 (1), 101-109 (2019).
  42. Tang, W., et al. Wet/Sono-Chemical Synthesis of Enzymatic Two-Dimensional MnO2 Nanosheets for Synergistic Catalysis-Enhanced Phototheranostics. Advanced Materials. 31 (19), 1900401 (2019).
  43. Ding, B., Zheng, P., Ma, P., Lin, J. Manganese Oxide Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Theranostic Applications. Advanced Materials. , 1905823 (2020).
  44. Schladt, T. D., Graf, T., Tremel, W. Synthesis and Characterization of Monodisperse Manganese Oxide Nanoparticles-Evaluation of the Nucleation and Growth Mechanism. Chemistry of Materials. 21 (14), 3183-3190 (2009).
  45. Yin, M., O'Brien, S. Synthesis of Monodisperse Nanocrystals of Manganese Oxides. Journal of the American Chemical Society. 125 (34), 10180-10181 (2003).
  46. Chen, Y., Johnson, E., Peng, X. Formation of Monodisperse and Shape-Controlled MnO Nanocrystals in Non-Injection Synthesis: Self-Focusing via Ripening. Journal of the American Chemical Society. 129 (35), 10937-10947 (2007).
  47. Nolis, G. M., Bolotnikov, J. M., Cabana, J. Control of Size and Composition of Colloidal Nanocrystals of Manganese Oxide. Inorganic Chemistry. 57 (20), 12900-12907 (2018).
  48. Seo, W. S., et al. Size-Dependent Magnetic Properties of Colloidal Mn3O4 and MnO Nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 43 (9), 1115-1117 (2004).
  49. Douglas, F. J., et al. Formation of octapod MnO nanoparticles with enhanced magnetic properties through kinetically-controlled thermal decomposition of polynuclear manganese complexes. Nanoscale. 6 (1), 172-176 (2013).
  50. Salazar-Alvarez, G., Sort, J., Suriñach, S., Baró, M. D., Nogués, J. Synthesis and Size-Dependent Exchange Bias in Inverted Core-Shell MnO|Mn 3 O 4 Nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 129 (29), 9102-9108 (2007).
  51. Zhang, T., Ge, J., Hu, Y., Yin, Y. A General Approach for Transferring Hydrophobic Nanocrystals into Water. Nano Letters. 7 (10), 3203-3207 (2007).
  52. Chhour, P., et al. Nanodisco balls: control over surface versus core loading of diagnostically active nanocrystals into polymer nanoparticles. ACS nano. 8 (9), 9143-9153 (2014).
  53. Suk, J. S., Xu, Q., Kim, N., Hanes, J., Ensign, L. M. PEGylation as a strategy for improving nanoparticle-based drug and gene delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 99, 28-51 (2016).
  54. Huang, C. C., Khu, N. H., Yeh, C. S. The characteristics of sub 10 nm manganese oxide T1 contrast agents of different nanostructured morphologies. Biomaterials. 31 (14), 4073-4078 (2010).
  55. Zhao, N., et al. Size-Controlled Synthesis and Dependent Magnetic Properties of Nearly Monodisperse Mn3O4 Nanocrystals. Small. 4 (1), 77-81 (2008).
  56. He, D., Hai, L., He, X., Yang, X., Li, H. W. Glutathione-Activatable and O2/Mn2+-Evolving Nanocomposite for Highly Efficient and Selective Photodynamic and Gene-Silencing Dual Therapy. Advanced Functional Materials. 27 (46), 1704089 (2017).
  57. He, D., et al. Redox-responsive degradable honeycomb manganese oxide nanostructures as effective nanocarriers for intracellular glutathione-triggered drug release. Chemical Communications. 51 (4), 776-779 (2015).
  58. Chen, Y., et al. Multifunctional Graphene Oxide-based Triple Stimuli-Responsive Nanotheranostics. Advanced Functional Materials. 24 (28), 4386-4396 (2014).
  59. Prasad, P., et al. Multifunctional Albumin-MnO2 Nanoparticles Modulate Solid Tumor Microenvironment by Attenuating Hypoxia, Acidosis, Vascular Endothelial Growth Factor and Enhance Radiation Response. ACS Nano. 8 (4), 3202-3212 (2014).
  60. Perez De Berti, I., et al. Alternative low-cost approach to the synthesis of magnetic iron oxide nanoparticles by thermal decomposition of organic precursors. Nanotechnology. 24, 175601 (2013).
  61. Mourdikoudis, S., Liz-Marzán, L. M. Oleylamine in Nanoparticle Synthesis. Chemistry of Materials. 25 (9), 1465-1476 (2013).
  62. Zheng, M., et al. A simple additive-free approach for the synthesis of uniform manganese monoxide nanorods with large specific surface area. Nanoscale Research Letters. 8 (1), 166 (2013).
  63. Xu, Z., Shen, C., Hou, Y., Gao, H., Sun, S. Oleylamine as Both Reducing Agent and Stabilizer in a Facile Synthesis of Magnetite Nanoparticles. Chemistry of Materials. 21 (9), 1778-1780 (2009).
  64. Hou, Y., Xu, Z., Sun, S. Controlled Synthesis and Chemical Conversions of FeO Nanoparticles. Angewandte Chemie. 119 (33), 6445-6448 (2007).
  65. McCall, R. L., Sirianni, R. W. PLGA Nanoparticles Formed by Single- or Double-emulsion with Vitamin E-TPGS. Journal of Visualized Experiments. (82), (2013).
  66. Le Joncour, V., Laakkonen, P. Seek & Destroy, use of targeting peptides for cancer detection and drug delivery. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 26 (10), 2797-2806 (2018).
  67. Perry, J. L., et al. Mediating Passive Tumor Accumulation through Particle Size, Tumor Type, and Location. Nano Letters. 17 (5), 2879-2886 (2017).
  68. Tang, L., et al. Investigating the optimal size of anticancer nanomedicine. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (43), 15344-15349 (2014).
  69. Godunov, E. B., Izotov, A. D., Gorichev, I. G. Dissolution of Manganese Oxides of Various Compositions in Sulfuric Acid Solutions Studied by Kinetic Methods. Inorganic Materials. 54 (1), 66-71 (2018).

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Síntesis de nanopartículas de óxido de manganeso por descomposición térmica de manganeso(II) acetilacetonato
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Martinez de la Torre, C., Bennewitz, M. F. Manganese Oxide Nanoparticle Synthesis by Thermal Decomposition of Manganese(II) Acetylacetonate. J. Vis. Exp. (160), e61572, doi:10.3791/61572 (2020).

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