Получение металлических наночастиц импульсной лазерной абляцией в жидкостях: инструмент для изучения антибактериальных свойств наночастиц
Summary
Антимикробные свойства металлов, таких как медь и серебро, были признаны на протяжении веков. Этот протокол описывает импульсную лазерную абляцию в жидкостях, метод синтеза металлических наночастиц, который обеспечивает возможность тонкой настройки свойств этих наночастиц для оптимизации их антимикробных эффектов.
Abstract
Появление бактерий с множественной лекарственной устойчивостью является глобальной клинической проблемой, ведущей к размышлениям о нашем возвращении к эпохе «антибиотиков» до начала антибиотиков. В дополнение к усилиям по выявлению новых маломолекулярных противомикробных препаратов большой интерес представляет использование наночастиц металлов в качестве покрытий для медицинских устройств, раневых повязок и потребительской упаковки из-за их антимикробных свойств. Широкий спектр методов, доступных для синтеза наночастиц, приводит к широкому спектру химических и физических свойств, которые могут влиять на антибактериальную эффективность. В этой рукописи описывается метод импульсной лазерной абляции в жидкостях (PLAL) для создания наночастиц. Такой подход позволяет осуществлять точную настройку размера, состава и стабильности наночастиц с использованием методов пост-облучения, а также добавления поверхностно-активных веществ или объемных экскрементов. Контролируя размер и состав частиц, большой диапазон физических и химических свойств металлических наноповМогут быть исследованы, которые могут способствовать их антимикробной эффективности, открывая тем самым новые пути для развития антибактериальных средств.
Introduction
Наночастицы (NP) обычно определяются как частицы, которые имеют по меньшей мере один размер, длина которого меньше 100 нм. Традиционные химические методы синтеза NP обычно требуют опасных восстановителей, таких как борогидриды и гидразины. Напротив, лазерная абляция твердых металлических целей, погруженных в жидкую среду (импульсная лазерная абляция в жидкостях – PLAL), обеспечивает экологически чистый путь синтеза NP, который удовлетворяет всем 12 принципам зеленой химии 1 , 2 . В PLAL подводная металлическая мишень облучается повторными лазерными импульсами. Когда лазер удаляет мишень, плотный шлейф атомных кластеров и пара высвобождается в жидкую среду, где NP быстро сливаются. NP, полученные PLAL, тонко диспергированы в водной среде, а размер, полидисперсность и состав NP могут легко регулироваться путем изменения водной абляционной жидкости,1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 .
Характеристики наночастиц могут быть настроены путем корректировки ряда параметров лазера, включая: флюенс, длину волны и длительность импульса (см. Ссылку 7 ). Флюенс лазера рассчитывается как энергия импульса, деленная на площадь лазерного пятна на поверхности мишени. Точные эффекты флюенса по размеру и полидисперсности НП несколько противоречивы. В целом было показано, что для «длинных» и «ультракоротких» импульсных лазерных систем существуют режимы с низким и высоким уровнем флюенса, которые приводят к отрицательным и положительным тенденциям в размере, соответственно 8 , 9 , 10 , 11 . Размер дистрибутива NPМогут быть эмпирически измерены с использованием таких методов, как динамическое рассеяние света и просвечивающая электронная микроскопия (ТЕА), как описано ниже.
Выбор длины волны лазера может влиять на физические механизмы, с помощью которых формируются NP. При более коротких (ультрафиолетовых) длинах волн фотоны с высокой энергией способны разрушать межатомные связи 12 . Этот механизм фотоабразии является примером синтеза НП-нисходящего потока, поскольку он приводит к высвобождению сверхмалых фрагментов материала, которые, как правило, производят более крупные полидисперсные образцы при гашении в погружной жидкости 12 , 13 , 14 . Напротив, ближняя инфракрасная абляция (λ = 1,064 нм) дает механизм синтеза снизу вверх, в котором преобладает аблация плазмы 12 . Лазерное поглощение мишенью освобождает электроны, которые сталкиваются с, а затем свободными связанными электронами. Поскольку cУвеличиваются, материал ионизируется, тем самым воспламеняя плазму. Окружающая жидкость ограничивает плазму, повышает ее стабильность и дополнительно увеличивает поглощение 12 . По мере того, как расширяющаяся плазма гасится ограничивающей жидкостью, NPs конденсируются с различными геометриями 4 , 12 , 15 .
Выбор длительности лазерного импульса может еще больше повлиять на процесс формирования NP. Обычно используемые длинные импульсные лазеры с длительностью импульса, превышающей несколько пикосекунд, включают в себя все милли-микро, нано и некоторые пикосекундные импульсные лазеры. В этом широтно-импульсном режиме длительность лазерного импульса больше времени электрон-фононного уравновешивания, которое обычно составляет порядка нескольких пикосекунд 4 , 16 , 17 , 18 , 19, Это приводит к утечке энергии в окружающую среду абляции и образованию НП посредством тепловых механизмов, таких как термоэлектронное излучение, испарение, кипение и плавление 1 , 20 .
На антибактериальную активность НП сильно влияет размер частиц 21 , 22 , 23 , 24 . Чтобы улучшить уменьшение размера и монодисперсность, NP могут быть облучены во второй раз с использованием лазера с длиной волны вблизи поверхностного плазмонного резонанса (SPR) NP. Падающее лазерное излучение поглощается NP через возбуждение SPR. Фрагментация NP может происходить либо при термическом испарении 25 , 26, либо в кулоновском взрыве 27 , 28 . Фотовозбуждение поднимает tОн температуры НП выше точки плавления, что приводит к просачиванию внешнего слоя частицы. Было показано, что добавление агентов, таких как поливинилпирролидон (PVP) или додецилсульфат натрия (SDS) к раствору, может значительно улучшить эффекты после облучения 5 . Влияние добавления различных растворенных веществ описано в нескольких отчетах 1 , 4 , 6 . Легкость манипулирования NP-характеристиками PLAL дает новый метод для разработки новых противомикробных препаратов на основе NP.
Protocol
Representative Results
Discussion
Воспроизводимые антимикробные эффекты НП требуют последовательного производства НП с аналогичными размерами и концентрациями. Поэтому крайне важно стандартизировать параметры лазера, включая флюенсы, длину волны и длительность импульса. Хотя динамическое рассеяние света является …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана Национальным научным фондом (NSF присуждает CMMI-0922946 DB, CMMI-1300920 для DB и S.O'M. И CMMI-1531789 для S.O'M., DB и EAK) и Бюджетный научно-исследовательский грант Буша для EAK и S.O'M.
Materials
| 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 |
References
- 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).
- Anastas, P., Eghbali, N. Green chemistry: principles and practice. Chem Soc Rev. 39 (1), 301-312 (2010).
- 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).
- 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).
- Tsuji, T., et al. Preparation of silver nanoparticles by laser ablation in polyvinylpyrrolidone solutions. Appl Surf Sci. 254 (16), 5224-5230 (2008).
- Zeng, H., et al. Nanomaterials via laser ablation/irradiation in liquid: a review. Adv Funct Mater. 22 (7), 1333-1353 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Momma, C., et al. Short-pulse laser ablation of solid targets. Opt Commun. 129 (1), 134-142 (1996).
- Sonntag, S., Roth, J., Gaehler, F., Trebin, H. R. Femtosecond laser ablation of aluminium. Appl Surf Sci. 255 (24), 9742-9744 (2009).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Kim, T. H., et al. Size-dependent cellular toxicity of silver nanoparticles. J Biomed Mater Res A. 100 (4), 1033-1043 (2012).
- 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).
- 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).
- Takami, A., Kurita, H., Koda, S. Laser-Induced Size Reduction of Noble Metal Particles. J Phys Chem B. 103 (8), 1226-1232 (1999).
- 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).
- 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).
- Pecora, R. Dynamic Light Scattering Measurement of Nanometer Particles in Liquids. J. Nanoparticle Res. 2 (2), 123-131 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
