Waiting
Login processing...

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

Bioengineering

إنتاج الجسيمات النانوية المعدنية عن طريق نابض بالليزر في الاجتثاث في السوائل: أداة لدراسة خصائص مضادة للجراثيم من الجسيمات النانوية

Published: June 2, 2017 doi: 10.3791/55416
Automatic Translation
1, 1, 1, 1,2, 1,2, 2,3
1Physics Department, Rutgers University-Camden, 2Center for Computational and Integrative Biology, Rutgers University-Camden, 3Biology Department, Rutgers University-Camden

Summary

وقد تم الاعتراف بالخصائص المضادة للميكروبات من المعادن مثل النحاس والفضة لعدة قرون. يصف هذا البروتوكول نابض بالليزر الاجتثاث في السوائل، وهي طريقة لتجميع النانوية المعدنية التي توفر القدرة على ضبط خصائص هذه الجسيمات النانوية لتحسين آثارها المضادة للميكروبات.

Abstract

ظهور البكتيريا المقاومة للأدوية المتعددة هو مصدر قلق سريري عالمي يؤدي البعض إلى التكهن حول عودتنا إلى عصر "قبل المضادات الحيوية" من الطب. بالإضافة إلى الجهود المبذولة لتحديد رواية جديدة جزيئات صغيرة مضادات الميكروبات المخدرات، كان هناك اهتمام كبير في استخدام الجسيمات النانوية المعدنية وطلاء للأجهزة الطبية، الضمادات الجرح، والتعبئة والتغليف للمستهلك، وذلك بسبب خصائصها المضادة للميكروبات. مجموعة واسعة من الطرق المتاحة لتوليف الجسيمات متناهية الصغر النتائج في مجموعة واسعة من الخصائص الكيميائية والفيزيائية التي يمكن أن تؤثر على فعالية مضادة للجراثيم. تصف هذه المخطوطة طريقة تذبذب الليزر النبضي في السوائل (بلال) لإنشاء الجسيمات النانوية. هذا النهج يسمح لصقل حجم الجسيمات متناهية الصغر، وتكوين، والاستقرار باستخدام أساليب ما بعد التشعيع وكذلك إضافة السطحي أو مستبعدات الحجم. عن طريق التحكم في حجم الجسيمات وتكوينها، ومجموعة كبيرة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية لل نانوبا المعادنيمكن استكشاف رتيكلس التي قد تسهم في فعالية مضادات الميكروبات وبالتالي فتح آفاقا جديدة للتنمية المضادة للبكتيريا.

Introduction

وتعرف الجسيمات النانوية عموما بأنها جسيمات لها بعد واحد على الأقل يقل عن 100 نانومتر في الطول. وعادة ما تتطلب أساليب التوليف النيوپيائي التقليدي الكيميائي عوامل اختزال خطرة، مثل البوروهيدريدات والهيدرازينات. في المقابل، الاجتثاث الليزر من أهداف المعادن الصلبة مغمورة في وسط السائل (نابض الليزر-- الاجتثاث في السوائل - بلال) يوفر الطريق الصديقة للبيئة لتجميع نب التي تلبي جميع 12 من مبادئ الكيمياء الخضراء 1 ، 2 . في بلال، يتم تشعيع هدف المعادن المغمورة بواسطة نبضات الليزر المتكررة. كما الليزر أبلاتس الهدف، يتم الافراج عن عمود كثيف من التكتلات الذرية والبخار في وسط السائل حيث نبس تتجمع بسرعة. نبس التي تنتجها بلال هي منتشرة بدقة في وسط مائي وحجم، بوليدسبيرسيتي، وتكوين نبس يمكن السيطرة عليها بسهولة عن طريق تغيير السائل الاجتثاث المائية وكذلك الليزر الاسميةأمتر 1 ، 2 ، 3 ، 4 ، 5 ، 6 .

ويمكن ضبط خصائص الجسيمات النانوية عن طريق ضبط عدد من المعلمات الليزر، بما في ذلك: فلوينس، الطول الموجي، ومدة النبض (مراجعة في المرجع 7 ). يتم حساب الليزر فلوينس كما الطاقة نبض مقسوما على مساحة بقعة الليزر على سطح الهدف. إن الآثار الدقيقة للفلوينس على حجم و نبسبدبريسيتي من نبس هي مثيرة للجدل إلى حد ما. وبصفة عامة، فقد تبين أن أنظمة الليزر النبضي "الطويلة" و "قصيرة جدا" هناك أنظمة فلوينس منخفضة وعالية التي تنتج اتجاهات سلبية وإيجابية في الحجم، على التوالي 8 ، 9 ، 10 ، 11 . نب حجم ديستريبوتييمكن قياسها تجريبيا باستخدام تقنيات مثل تشتت الضوء الديناميكي والمجهر الإلكتروني (تيم)، كما هو موضح أدناه.

اختيار الطول الموجي الليزر يمكن أن تؤثر على الآليات المادية التي يتم تشكيلها نبس. في أطوال موجية أقصر (فوق البنفسجية)، فوتونات عالية الطاقة قادرة على كسر الروابط بين الذرية 12 . هذه الآلية من الاجتثاث الصورة هو مثال على تخليق نب من أعلى إلى أسفل لأنه يؤدي إلى الإفراج عن شظايا صغيرة جدا من المواد التي تميل إلى إنتاج أكبر عينات بوليديسبيرز أكبر عند التبريد في السائل الغمر 12 ، 13 ، 14 . على النقيض من ذلك، الاجتثاث بالقرب من الأشعة تحت الحمراء (λ = 1،064 نانومتر) ينتج آلية توليف من أسفل إلى أعلى تهيمن عليها الاجتثاث البلازما 12 . امتصاص الليزر من قبل الهدف يحرر الإلكترونات التي تتصادم مع، وبعد ذلك مجانا، ملزمة الإلكترونات. كما جزيادة الأصوات، تأين المواد، وبالتالي إشعال البلازما. السائل المحيطة يقيد البلازما، ويعزز استقرارها، ويزيد من امتصاص 12 . كما يتم إخماد البلازما توسيع من قبل السائل حصر، يتم تكثيف نبس مع هندستها مختلفة 4 ، 12 ، 15 .

اختيار مدة نبض الليزر يمكن أن تؤثر على عملية تشكيل نب. وتشمل أشعة الليزر النبضية الطويلة الاستخدام، التي تزيد مدتها عن عدد قليل من البيكو ثانية، كل ميلي، مايكرو، نانو وبعض أشعة الليزر النبضي البيكو ثانية. في هذا النظام نبض العرض، ومدة نبض الليزر أطول من وقت موازنة الإلكترون والفونون، والذي هو عادة على أساس عدد قليل من البيكو ثانية 4 و 16 و 17 و 18 و 19. وهذا يؤدي إلى تسرب الطاقة إلى وسط الاجتثاث المحيطة وتشكيل نبس بواسطة آليات الحرارية مثل الانبعاثات الحرارية، والتبخر، والغليان وذوبان 1 ، 20 .

ويتأثر النشاط المضاد للبكتيريا لل نبس بقوة حجم الجسيمات 21 ، 22 ، 23 ، 24 . من أجل تعزيز الحد من حجم و مونوديسبرزيتي، يمكن أن المشع النووي يمكن المشع للمرة الثانية باستخدام ليزر من الطول الموجي بالقرب من رنين بلاسمون السطح (سير) من نب. يتم امتصاص إشعاع الليزر الحادث من قبل نب من خلال الإثارة من سير. قد يحدث تجزؤ من نب إما من خلال التبخر الحراري 25 أو 26 أو انفجار كولومب 27 ، 28 . و فوتوكسسيتاتيون يثير روقال انه درجة الحرارة من نب فوق نقطة انصهار، مما أدى إلى سفك الطبقة الخارجية للجسيمات. وقد تبين أن إضافة عوامل مثل البولي فينيل بيروليدون (بب) أو كبريتات دوديسيل الصوديوم (سدز) إلى الحل يمكن أن يعزز إلى حد كبير آثار ما بعد التشعيع 5 . وقد تم وصف تأثير إضافة المذابح المختلفة في العديد من التقارير 1 ، 4 ، 6 . سهولة التلاعب في خصائص نب من قبل بلال يوفر طريقة جديدة لتطوير مضادات الميكروبات المستندة إلى نب جديدة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. التركيز على نانوسيكوند الليزر وقياس فلوينس

  1. تجميع جهاز الاجتثاث عن طريق وضع شريط ضجة المغناطيسي ومرحلة الاجتثاث التي يسهل اختراقها داخل كوب زجاجي 50 مل.
    ملاحظة: مرحلة الاجتثاث تتكون من 3.81 سم القطر، 1.6 مم سميكة منصة الفولاذ المقاوم للصدأ مع عشرة 0.65 سم ثقوب قطرها وستة ثقوب قطرها 0.50 سم حفر في نمط يتضح في الشكل 1 . والغرض من هذه الثقوب هو السماح للسائل للتحرك عبر الهدف بحيث الجسيمات لا تتراكم فورا فوق الهدف. يؤدي الاختلاط غير الكافي إلى تفاعلات ضارة بين الليزر والجزيئات المشكلة بالفعل. بالإضافة إلى ذلك، ثلاثة # 29 (8-32) استغلالها الثقوب استغلالها بالقرب من محيط المنصة لقبول مسامير تعيين التي تعمل بمثابة الساقين لرفع المنصة وتوفير مساحة لشريط مغناطيسي ( الشكل 1A ).
    1. ضع الكأس على المغناطيسيةلوحة ضجة وتعيين لوحة ضجة على مرحلة الترجمة زي لتمكين حركة الهدف خلال الاجتثاث ( الشكل 1A ).
  2. تعيين الليزر ند: ياغ للعمل في الطول الموجي الأساسي من 1،064 نانومتر، مع مدة النبض من 5 نانومتر، ومعدل تكرار النبض من 10 هرتز. قياس الطاقة لكل نبضة مع قوة الليزر والطاقة متر. الطاقة المطلوبة هي 240-250 مج.
  3. التركيز شعاع تحت الهدف على مرحلة الاجتثاث باستخدام 250 ملم البعد البؤري العدسة المتقاربة (نا = 0.05).
    ملاحظة: الشعاع الوارد لديه دائرة نصف قطرها 4.025 مم وارتفاع عدسة من 161 ملم مطلوب لتحقيق حجم البقعة المطلوب. يتم تحديد حجم البقعة الأمثل تجريبيا. يتم استخدام حجم البقعة أكبر للحد من تأثير التدريع من قبل نبس الموجودة في الحل. وهذا متوازن مع حقيقة أن زيادة حجم البقعة يتطلب طاقة أعلى للحفاظ على فلوينس كافية.
  4. تحديد حجم البقعة عن طريق وضع هدف معدني (انظر المقطعن 2) على خشبة المسرح والتخلي عن عدة نبضات ليزر. عرض الهدف أبلاتد جنبا إلى جنب مع شريحة ميكرومتر على كاميرا كسد المجهر الضوئي المجهزة (4X الهدف) لقياس حجم البقعة ( الشكل 1A ).
    ملاحظة: للجهاز هنا، ونظام الاجتثاث ينتج حجم البقعة مع مساحة متوسطة من 5.51 ملم 2 . يبقى حجم البقعة في هذا النطاق لكل الاجتثاث.
  5. حساب فلوينس بقسمة الطاقة نبض من منطقة البقعة. للجهاز هنا، فلوينس هو 4.80 J / سم 2 .

2. توليف الجسيمات النانوية الفضة من قبل نابض الليزر-الاجتثاث في السائل

  1. تزن الهدف الفضة شقة باستخدام ميكروبالانس للحصول على كتلة ما قبل الاجتثاث.
  2. التمسك الهدف الفضة إلى المرحلة التي يسهل اختراقها باستخدام الشريط الكربون على الوجهين. إضافة 40 مل من السائل الاجتثاث إلى الكأس ( الشكل 1A ). ارتفاع السائل فوق الهدف هو 11 ملم.
    ملاحظة: ليق نموذجي الاجتثاثوالأعشاب هي المحاليل المائية التي تحتوي على إما 60 ملي سدز أو بب بب 2 لتعزيز مونوديسبرزيتي.
  3. تحت التحريك المستمر، حرك المحرك بمحرك زي المرحلة في نمط بيضاوي الشكل (أبعاد: المحور الرئيسي = 2.09 سم، محور طفيفة = 0.956 سم، مساحة = 1.57 سم 2 ) بسرعة 0.42 سم / ثانية و أبليت الهدف لمدة 20-40 دقيقة.
    ملاحظة: تركيز نب يزيد مع مرات الاجتثاث أطول. تأكد من أن التحريك قوية بما فيه الكفاية للحفاظ على تركيز نب موحدة في جميع أنحاء الحل للحد من آثار التدريع 7 .

3. توصيف المعادن النانوية

  1. جمع حل جسيمات متناهية الصغر من الكأس عن طريق الصب. تأكيد وجود الجسيمات النانوية من خلال قياس الأشعة فوق البنفسجية مرئية أطياف الضوء (200-1،100 نانومتر).
    ملاحظة: نبس لديها امتصاص الذروة في الرنين بلاسمون الرنين (سير) الطول الموجي. للفضة، ويركز سير في 400 نانومتر. نب مركزة للغايةوالحلول تتطلب التخفيف قبل قياس الطيف الأشعة فوق البنفسجية فيس لضمان أن تبقى قراءات الامتصاصية ضمن النطاق الخطي من الطيفي.
  2. قياس القطر الهيدروديناميكي لل نبس من خلال تشتت الضوء الديناميكي (دلس) باستخدام عدد تحليل طريقة التوزيع 29 .
    1. تمييع الحل نب 1:40 في حل الاجتثاث وماصة 1 مل في كوفيت 1 سم البلاستيك. وباستخدام زاوية قياس قدرها 180 درجة ، يقيس تشتت الضوء عند طول موجة يبلغ 633 نانومتر لتحديد قطر نب وفقا لمعادلة ستوكس - أينشتاين:
      المعادلة 1
      حيث d هو نصف قطر الهيدروديناميكية، k هو ثابت بولتزمان، T هو درجة الحرارة المطلقة، η هو اللزوجة، و D معامل انتشار متعدية أو سرعة حركة براونية.
  3. تأكيد نب حجم وشكل باستخدام الإلكترونات الدقيقة الإرسالسكوبي (تيم) 30 .
    ملاحظة: القطر الهيدروديناميكي قياس باستخدام دلس أكبر من حجم قياس باستخدام تيم بسبب طبقة المذيبات المحيطة نبس.
    1. تمييع الحل نب 1:40 في الماء المقطر المزدوج لإزالة أي إضافات الزائدة ( مثل سدز أو بب) التي قد تتداخل مع التصوير. إسقاط 2 ميكرولتر من الحل على شبكة تيم النحاس قبل المغلفة مع لاسي / فيلم الكربون رقيقة (المتاحة تجاريا؛ انظر قائمة المواد) وجافة بين عشية وضحاها في درجة حرارة الغرفة تحت فراغ في مجفف.
    2. صورة نبس لتقييم الحجم والشكل كما هو موضح في المرجع 30 .
  4. لحساب تركيز نب، طرد أي نبس المرفقة فضفاضة من الهدف المعدني أبلاتد (الخطوة 2.3) عن طريق وضع الهدف في حمام ماء سونيكاتينغ تحتوي على الماء المقطر لمدة 1 دقيقة.
    1. تجفيف الهدف تحت تيار من الهواء المضغوط لمدة 1 دقيقة. قياس كتلة من تارجيت على التوازن الجزئي. تحديد كتلة نب في الحل كما الفرق في الوزن قبل وبعد الاجتثاث، والذي يفترض أن يكون نتيجة لطرد النانوية المعدنية في الحل.

4. بعد التشعيع

  1. تمييع نبس إلى أقصى تركيز 100 ميكروغرام / مل في نفس الحل الاجتثاث المستخدمة في 2.2. هذا الحد تركيز مهم لضمان التشعيع موحدة.
  2. نقل 15-17 مل من نبس المخفف إلى كفيت الكوارتز التي تحتوي على شريط ضجة ( الشكل 1B ). وضع كفيت على لوحة مغناطيسية الانحياز بالتوازي مع الليزر واردة.
  3. استخدام نظام الليزر ند: ياغ لإنتاج نبضات ليزر 25 نانومتر 532 نانومتر و 75 مم عدسة البعد البؤري للتركيز الليزر على مركز الحل. إراديات الحل لمدة 30 دقيقة لساعات متعددة، اعتمادا على الحجم المطلوب.
    ملاحظة: إجمالي الطاقة تسليم يعتمد على تركيز الحل و tإيم من التشعيع ويمكن أن تتراوح من 0.5 ميجاهرتز إلى 3.5 ميجاهرتز. بالنسبة للجهاز هنا، 30 دقيقة من بعد الإشعاع من عينة شفافة، وتركيز منخفض (<50 ميكروغرام / مل) ينتج الفضة نبس التي يبلغ قطرها 10 نانومتر.

5. قياس خصائص مضادة للجراثيم من الجسيمات النانوية

ملاحظة: تم اختبار سمية الفضة نبس ضد كل من إيجابية الجرام ( عصية سوبتيليس ) والسالبة الجرام ( إشيريشيا كولي ) 31 . الطريقة تتكيف بسهولة مع أي نوع؛ ومع ذلك فإن الجرعة الفعالة من الجسيمات النانوية قد تختلف اختلافا كبيرا ويجب تحديدها تجريبيا. هنا، يستخدم E. القولونية كنظام نموذج لوصف الأسلوب.

  1. تنمو E. كولاي الثقافات (سلالة MG1655) بين عشية وضحاها في 37 درجة مئوية في لوريا مرق (لب) تحتوي على 10 غرام / لتر باكتو تريبتون، 5 جم / لتر استخراج الخميرة، و 10 غ / L كلوريد الصوديوم. تمييع الثقافات بين عشية وضحاها إلى كثافة بصرية (λ = 600نانومتر) من 0.01 في LB.
  2. إذا تم تجميع نبس في وسائل الاعلام الاجتثاث التي تحتوي على إضافات ( مثل سدز أو بب)، إضافة المواد الكيميائية ذات الصلة إلى لب بحيث يبقى تركيز ثابت عند إضافة نبس.
    ملاحظة: على سبيل المثال، في تجربة نموذجية وبلاتد الهدف الفضة في حل سد 60 ملي لتسفر عن 100 ميكروغرام / مل حل نبس. إذا كان تركيز النهائي من نبس في وسائل الإعلام والثقافة هو 10 ميكروغرام / مل، وإعداد لب تحتوي على 6 ملي سدز ( أي 1/10 تركيز سدز في السائل الاجتثاث). ليس هناك أي تأثير سلبي على نمو البكتيريا عند استخدام هذه التركيزات. ويظهر هذا في السيطرة -AgNP في الشكل 3 .
  3. إضافة الخلايا النووية إلى الثقافات المخففة في تركيزات تتراوح بين 0-50 ميكروغرام / مل وتنمو الثقافات مع اهتزاز عند 37 درجة مئوية لمدة 2 ساعة إضافية. كسيطرة إيجابية على السمية، وعلاج E. القولونية مع المضادات الحيوية (على سبيل المثال 30 ميكروغرام / مل كانامycin).
  4. بعد الحضانة 2 ساعة، تمييع مسلسل عينات ثقافة 01:10 في لب الطازجة وبقعة 10 قطرات ميكرولتر من كل التخفيف على لوحات أجار لب. عادة، 10 4 -10 8 التخفيفات أضعاف كافية لرؤية المستعمرات الفردية.
  5. مرة واحدة وقد تم استيعاب قطرات، احتضان لوحات بين عشية وضحاها في 37 درجة مئوية وعد وحدات تشكيل مستعمرة (كفو) في صباح اليوم التالي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

باستخدام أهداف الفضة، المعلمات الليزر المذكورة أعلاه، و 60 ملي سدز في السائل الاجتثاث، يتم إنشاء نبس الفضة مع مميزة للأشعة فوق البنفسجية فيس الامتصاصية في سير ( الشكل 2A ). تيم و دلس القياسات تكشف عن متوسط ​​نب قطرها حوالي 25 نانومتر قبل بعد التشعيع ( الشكل 2B ). استئصال الهدف الفضة لمدة 30 دقيقة ينتج عادة تركيز نب من 200 ميكروغرام / مل. في تقييم سمية مضادات الميكروبات من نبس الفضة، 15 ميكروغرام / مل يمنع بشدة E. القولونية النمو ( الشكل 3 ).

شكل 1
الشكل 1 : تكوينات الجهاز. ( A ) بالنسبة لعملية بلال، فإن الليزر ند: ياغ يعمل عند طول موجة يبلغ 1،064 نانومتروتركز من خلال 250 ملم عدسة البعد البؤري لإنتاج حجم بقعة من 5.51 ملم 2 على المرحلة المستهدفة. يتم التقاط الصورة حجم بقعة باستخدام كاميرا كسد إلى جانب المجهر الضوئي. يتم تعيين الهدف الاجتثاث على مرحلة مسامية مع عشرة 0.65 سم ثقوب قطرها وستة 0.50 سم ثقوب قطرها. يتم استغلال 3 ثقوب إضافية لمجموعة مسامير التي تعمل كساقين لدعم المرحلة فوق شريط التحريك. ( B ) بعد التشعيع، يتم تعيين إخراج الليزر ند: ياغ إلى 532 نانومتر وتركز من خلال عدسة 75 ملم التنسيق البؤري على مركز كفيت الكوارتز التي تحتوي على نبس. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2
الشكل 2 : توصيف الفضة النانوية. A ) الطيف الأشعة فوق البنفسجية فيس من نبس الفضة يظهر ذروة مميزة في الطول الموجي سير (400 نانومتر). ( ب ) تم قياس حجم توزيع نبس الفضة قبل ما بعد الإشعاع من قبل تيم. يظهر أقحم ممثل تيم صورة من أغنبس (85،000X التكبير، شريط مقياس = 100 ميكرون). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3
الشكل 3 . آثار مضادات الميكروبات من الجسيمات النانوية الفضة. تم علاج E. القولونية الخلايا لمدة 2 ساعة مع تركيزات مختلفة من نبس الفضة. تم تخفيف التخفيفات المسلسل من الثقافات على لب-أجار لتحديد الجدوى البكتيرية. تم علاج الخلايا مع 30 ميكروغرام / مل كاناميسين كسيطرة إيجابية. لاحظ أن سيللم تزرع ل لس تلقي أغنبس (-AgNP عينة) في وجود 6 ملي سدز لضمان أن السطحي لم ينتج بشكل مستقل في السمية. هذا الرقم هو مركب من المستعمرات على لوحتين من نفس التجربة وهو نتيجة تمثيلية (ن = 5). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وتتطلب التأثيرات المضادة للميكروبات القابلة للتكاثر من البروتينات النووية إنتاجا متسقا من البروتينات النووية ذات الأحجام والتركيزات المماثلة. ولذلك، فمن الأهمية بمكان توحيد معايير الليزر بما في ذلك فلوينس، الطول الموجي، ومدة النبض. في حين أن تشتت الضوء الديناميكي هو وسيلة سهلة وسريعة لتقدير حجم نب، يتطلب القياس الكمي لتوزيع الحجم قياس مباشر من قبل تيم. وبما أن كل شعاع ليزر له خصائص متميزة من حيث المظهر الجانبي للوضع والاختلاف، فمن الأهمية بمكان استخدام عملية تجريبية لإعطاء فلوينس الأمثل وارتفاع السائل فوق الهدف. بما أن حجم الجسيمات النانوية يمكن تعديلها عن طريق التشعيع بعد، يمكن تحسين كفاءة إنتاج الجسيمات من خلال قياسات خسارة الكتلة والقياسات الضوئية المستهدفة.

على النقيض من أساليب التوليف الكيميائي التقليدية، الاجتثاث الليزر في السوائل لديه ميزة إنتاج الجسيمات النانوية في أي من الماء النقي أو سول السطحي سول ution. لا توجد مركبات السلائف لتلوث الثقافات وتكون بمثابة التدخلات. يمكن للباحثين إنتاج الجسيمات النانوية في مختبرهم في فترة قصيرة من الزمن للاستخدام الفوري. هذه التقنية هي استنساخه للغاية ولا تتطلب تدريبا متخصصا أو الموظفين. ومع ذلك، فمن المهم أن نلاحظ القيود المفروضة على هذه الطريقة. أولا، التنوع في الأشكال من الجسيمات النانوية التي تنتجها الاجتثاث الليزر في السوائل يمكن أن تختلف على نطاق واسع. إذا كان مطلوبا من واحد لاستهداف نسب معينة من الجانب أو معلمات الشكل الأخرى، فإن المعالجة التكرارية للغاية ستكون مطلوبة إذا كان ذلك ممكنا على الإطلاق. ولعل القيد الأهم لهذه التقنية هو أن التجارب التي تتطلب كتل كبيرة من الجسيمات النانوية ستكون صعبة. يمكن أن يحدث تخليق على نطاق غرام، ولكنه أمر صعب ويتطلب معدات ليزر متخصصة 32 ، 33 ، 34 .

إن "> من المهم أن نلاحظ أن العديد من نبس المعادن حساسة للضوء، والواقع أن تشعيع الجسيمات النانوية الفضة مع الضوء المرئي يؤدي إلى زيادة سمية مضادة للجراثيم 31. الفعالية المعززة ويرجع ذلك إلى زيادة في الافراج الفضة ايون من نبس لذلك ، فمن المهم النظر في ما إذا كان لأداء طريقة بلال وتخزين نبس الناتجة محمية من الضوء.

وأخيرا، فإن اختيار السطحي ومستثني الحجم ( مثل سدز و بب) لتقليل حجم نب أمر بالغ الأهمية عند دراسة قوة مضادة للميكروبات من نبس. من المهم إجراء تجارب التحكم للتأكد من أن المواد المضافة ليست سامة من تلقاء نفسها. على سبيل المثال، E. القولونية يتسامح سدز في تركيزات تصل إلى 10 ملم. ومع ذلك، B. الرقيقة هو أكثر حساسية بكثير 31 . لذلك، عند العمل مع B. سوبتيليس، يمكن إضافة تركيزات غير سامة من بب (2 ملم) إلى السائل الاجتثاث للحصول على 25 نانومترحبيبات.

يمكن استخدام الليزر الاجتثاث في السوائل جنبا إلى جنب مع ما بعد الإشعاع لإنتاج توزيعات الجسيمات متناهية الصغر مع مجموعة من التشتت والأحجام. وهذا من شأنه تسهيل الدراسات مع البكتيريا المختلفة، والمعادن، وحتى السبائك. استخدام بلال لتوليف الجسيمات متناهية الصغر يوفر طريقة جديدة لتطوير نبس مضادات الميكروبات لمكافحة التحدي المتزايد باستمرار من المقاومة للجراثيم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم (جوائز نسف كمي-0922946 إلى دب، كمي-1300920 إلى دب و S.O'M، و كمي-1531789 ل S.O'M.، دب، و إيك) و بوش منحة البحوث الطبية الحيوية ل إيك و S.O'M.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nanosecond Nd:YAG laser Ekspla NL303
Motorized xy scanning stage Standa 8MTF
UV-VIS spectrophotometer Agilent Cary 60
Dynamic light scattering unit Malvern Zetasizer ZS 90
Microbalance Maktek TM 400
Transmission electron microscope Zeiss EM 902
Silver foil target Alfa Aesar 12127
250 mm focal length lens Edmund Optics 69-624
Copper TEM grids Pacific Grid-Tech Cu-400LD Lacey/thin film coated grid
E. coli MG1655 ATCC 47076
Bacto tryptone BD Biosciences 211705
Yeast extract BD Biosciences 212750
Sodium chloride Fisher Scientific BP3581
Bacto agar BD Biosciences 214010
Sodium dodecyl sulfate Fisher Scientific BP166-100
Polyvinylpyrrolidone Fisher Scientific BP431-100
Stainless steel disc (for ablation stage) Metal Remnants, Inc. N/A 1.5 inch diameter, 16 gauge
Beaker Fisher Scientific 02-540G
Magnetic stir bar Fisher Scientific 14-513-57
Magnetic stir plate Fisher Scientific 11-100-49SH
Laser energy and power meter Coherent 1098579
Carbon tape Shinto Chemitron Co. Ltd. STR Tape
Sonicating water bath Branson 1510
Air compressor GMC Syclone 3010 For drying ablation target
75 mm focal length lens Edmund Optics 34-096 Focusing lens for post-irradiation
Quartz cuvette Precision Cells Inc 21UV40 50 mm light path (for post-irradiation)
Kanamycin Fisher Scientific BP906-5
Light microscope Nikon 50i This microscope is used to focus the laser on the ablation stage. This particular model is no longer available, but any light microscope with a 4X objective will work.
CCD camera AmScope MT5000-CCD
Micrometer slide Ted Pella 2280-70

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Amendola, V., Meneghetti, M. What controls the composition and the structure of nanomaterials generated by laser ablation in liquid solution? Phys Chem Chem Phys. 15 (9), 3027-3046 (2013).
  2. Anastas, P., Eghbali, N. Green chemistry: principles and practice. Chem Soc Rev. 39 (1), 301-312 (2010).
  3. Mafune, F., Kohno, J. Y., Takeda, Y., Kondow, T., Sawabe, H. Formation of Gold Nanoparticles by Laser Ablation in Aqueous Solution of Surfactant. J Phys Chem B. 105 (22), 5114-5120 (2001).
  4. Rao, S. V., Podagatlapalli, G. K., Hamad, S. Ultrafast laser ablation in liquids for nanomaterials and applications. J Nanosci Nanotechnol. 14 (2), 1364-1388 (2014).
  5. Tsuji, T., et al. Preparation of silver nanoparticles by laser ablation in polyvinylpyrrolidone solutions. Appl Surf Sci. 254 (16), 5224-5230 (2008).
  6. Zeng, H., et al. Nanomaterials via laser ablation/irradiation in liquid: a review. Adv Funct Mater. 22 (7), 1333-1353 (2012).
  7. Naddeo, J. J., et al. Antibacterial Properties of Nanoparticles: A Comparative Review of Chemically Synthesized and Laser-Generated Particles. Adv. Sci. Eng. Med. 7 (12), 1044-1057 (2015).
  8. Elsayed, K. A., Imam, H., Ahmed, M. A., Ramadan, R. Effect of focusing conditions and laser parameters on the fabrication of gold nanoparticles via laser ablation in liquid. Opt. & Laser Tech. 45, 495-502 (2013).
  9. Kabashin, A. V., Meunier, M. Synthesis of colloidal nanoparticles during femtosecond laser ablation of gold in water. J Appl Phys. 94 (12), 7941-7943 (2003).
  10. Nichols, W. T., Sasaki, T., Koshizaki, N. Laser ablation of a platinum target in water I. Ablation mechanisms. J Appl Phys. 100 (11), 114911 (2006).
  11. Povarnitsyn, M. E., Itina, T. E., Levashov, P. R., Khishchenko, K. V. Mechanisms of nanoparticle formation by ultra-short laser ablation of metals in liquid environment. Phys Chem Chem Phys. 15 (9), 3108-3114 (2013).
  12. Mortazavi, S. Z., Parvin, P., Reyhani, A., Golikand, A. N., Mirershadi, S. Effect of Laser Wavelength at IR (1064 nm) and UV (193 nm) on the Structural Formation of Palladium Nanoparticles in Deionized Water. J Phys Chem C. 115 (12), 5049-5057 (2011).
  13. Kim, J., Reddy, D. A., Ma, R., Kim, T. K. The influence of laser wavelength and fluence on palladium nanoparticles produced by pulsed laser ablation in deionized water. Solid State Sci. 37, 96-102 (2014).
  14. Mortazavi, S. Z., Parvin, P., Reyhani, A., Mirershadi, S., Sadighi-Bonabi, R. Generation of various carbon nanostructures in water using IR/UV laser ablation. J Phys D: Appl Phys. 46 (16), 165303 (2013).
  15. Hunter, B. M., et al. Highly active mixed-metal nanosheet water oxidation catalysts made by pulsed-laser ablation in liquids. J Am Chem Soc. 136 (38), 13118-13121 (2014).
  16. Momma, C., et al. Short-pulse laser ablation of solid targets. Opt Commun. 129 (1), 134-142 (1996).
  17. Sonntag, S., Roth, J., Gaehler, F., Trebin, H. R. Femtosecond laser ablation of aluminium. Appl Surf Sci. 255 (24), 9742-9744 (2009).
  18. Yamashita, Y., Yokomine, T., Ebara, S., Shimizu, A. Heat transport analysis for femtosecond laser ablation with molecular dynamics-two temperature model method. Fusion Eng Des. 81 (8), 1695-1700 (2006).
  19. Zhigilei, L. V., Lin, Z., Ivanov, D. S. Atomistic modeling of short pulse laser ablation of metals: connections between melting, spallation, and phase explosion. J Phys Chem C. 113 (27), 11892-11906 (2009).
  20. Schmidt, M., et al. Lasers in Manufacturing 2011 - Proceedings of the Sixth International WLT Conference on Lasers in Manufacturing Metal Ablation with Short and Ultrashort Laser Pulses. Physics Procedia. 12, 230-238 (2011).
  21. Azam, A., Ahmed, A. S., Oves, M., Khan, M. S., Memic, A. Size-dependent antimicrobial properties of CuO nanoparticles against Gram-positive and-negative bacterial strains. Int. J. Nanomed. 7, 3527-3535 (2012).
  22. Ivask, A., et al. Size-dependent toxicity of silver nanoparticles to bacteria, yeast, algae, crustaceans and mammalian cells in vitro. PLoS One. 9 (7), e102108 (2014).
  23. Kim, T. H., et al. Size-dependent cellular toxicity of silver nanoparticles. J Biomed Mater Res A. 100 (4), 1033-1043 (2012).
  24. Raghupathi, K. R., Koodali, R. T., Manna, A. C. Size-dependent bacterial growth inhibition and mechanism of antibacterial activity of zinc oxide nanoparticles. Langmuir. 27 (7), 4020-4028 (2011).
  25. Plech, A., Kotaidis, V., Gresillon, S., Dahmen, C., von Plessen, G. Laser-induced heating and melting of gold nanoparticles studied by time-resolved x-ray scattering. Phys Rev B. 70 (19), 195423 (2004).
  26. Takami, A., Kurita, H., Koda, S. Laser-Induced Size Reduction of Noble Metal Particles. J Phys Chem B. 103 (8), 1226-1232 (1999).
  27. Kamat, P. V., Flumiani, M., Hartland, G. V. Picosecond Dynamics of Silver Nanoclusters. Photoejection of Electrons and Fragmentation. J Phys Chem B. 102 (17), 3123-3128 (1998).
  28. Yamada, K., Tokumoto, Y., Nagata, T., Mafune, F. Mechanism of laser-induced size-reduction of gold nanoparticles as studied by nanosecond transient absorption spectroscopy. J Phys Chem B. 110 (24), 11751-11756 (2006).
  29. Pecora, R. Dynamic Light Scattering Measurement of Nanometer Particles in Liquids. J. Nanoparticle Res. 2 (2), 123-131 (2000).
  30. Pyrz, W. D., Buttrey, D. J. Particle size determination using TEM: a discussion of image acquisition and analysis for the novice microscopist. Langmuir. 24 (20), 11350-11360 (2008).
  31. Ratti, M., et al. Irradiation with visible light enhances the antibacterial toxicity of silver nanoparticles produced by laser ablation. Appl Phys A. 122 (4), 1-7 (2016).
  32. Sajti, C. L., Sattari, R., Chichkov, B. N., Barcikowski, S. Gram Scale Synthesis of Pure Ceramic Nanoparticles by Laser Ablation in Liquid. J Phys Chem C. 114 (6), 2421-2427 (2010).
  33. Streubel, R., Barcikowski, S., Gokce, B. Continuous multigram nanoparticle synthesis by high-power, high-repetition-rate ultrafast laser ablation in liquids. Opt Lett. 41 (7), 1486-1489 (2016).
  34. Streubel, R., Bendt, G., Gokce, B. Pilot-scale synthesis of metal nanoparticles by high-speed pulsed laser ablation in liquids. Nanotechnology. 27 (20), 205602 (2016).

Tags

الهندسة الحيوية، العدد 124، نابض الليزر-- الاجتثاث في السوائل، الجسيمات النانوية، مضادات الميكروبات،
إنتاج الجسيمات النانوية المعدنية عن طريق نابض بالليزر في الاجتثاث في السوائل: أداة لدراسة خصائص مضادة للجراثيم من الجسيمات النانوية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Ratti, M., Naddeo, J. J.,… More

Ratti, M., Naddeo, J. J., Griepenburg, J. C., O'Malley, S. M., Bubb, D. M., Klein, E. A. Production of Metal Nanoparticles by Pulsed Laser-ablation in Liquids: A Tool for Studying the Antibacterial Properties of Nanoparticles. J. Vis. Exp. (124), e55416, doi:10.3791/55416 (2017).

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