ייצור של חלקיקי מתכת על ידי פעימה לייזר ablation בנוזלים: כלי לחקר מאפיינים אנטיבקטריאליים של חלקיקים
Summary
תכונות מיקרוביאלית של מתכות כגון נחושת וכסף הוכרו במשך מאות שנים. פרוטוקול זה מתאר פעימה לייזר ablation בנוזלים, שיטה של סינתיזה חלקיקי מתכת המספק את היכולת לכוונן את המאפיינים של חלקיקים אלה כדי למטב את ההשפעות האנטי מיקרוביאלית שלהם.
Abstract
הופעתה של חיידקים עמידים בפני ריבוי מחלות היא דאגה קלינית עולמית המוליכה חלק מהשערה על החזרתנו לעידן "טרום אנטיביוטיקה" של הרפואה. בנוסף למאמצים לזהות תרופות מולקולות קטנות מולקולות קטנות, יש כבר עניין רב בשימוש חלקיקי מתכת כמו ציפויים עבור מכשירים רפואיים, תחבושות הפצע, ואריזת הצרכן, בשל תכונות מיקרוביאלית שלהם. מגוון רחב של שיטות זמין עבור סינתזה nanoparticle תוצאות בספקטרום רחב של תכונות כימיות ופיזיות אשר יכול להשפיע על יעילות אנטיבקטריאלית. כתב יד זה מתאר את פעימה לייזר ablation בנוזל (PLAL) שיטה כדי ליצור חלקיקים. גישה זו מאפשרת כוונון עדין של גודל nanoparticle, הרכב, ויציבות באמצעות שיטות שלאחר הקרנה, כמו גם תוספת של פעילי שטח או הרחקות נפח. על ידי שליטה בגודל החלקיקים ואת הרכב, מגוון רחב של תכונות פיסיקליות וכימיות של nanopa מתכתRtics ניתן לחקור אשר עשויים לתרום יעילות מיקרוביאלית שלהם ובכך פותחים אפיקים חדשים לפיתוח אנטיבקטריאלי.
Introduction
Nanoparticles (NPs) מוגדרים בדרך כלל כמו חלקיקים שיש להם לפחות ממד אחד כי הוא פחות מ -100 ננומטר אורך. שיטות כימית מסורתיות NP סינתזה בדרך כלל דורשים סוכני הפחתת מסוכנים, כגון borohydrides ו hydrazines. לעומת זאת, לייזר אבלציה של מטרות מתכת מוצק שקוע במדיום נוזלי (פולס לייזר ablation בנוזלים – PLAL) מספק נתיב ידידותי לסביבה עבור סינתזה NP אשר עונה על כל 12 של עקרונות הכימיה הירוקה 1 , 2 . ב PLAL, יעד מתכת שקוע הוא מוקרן על ידי פעימות לייזר חוזרים. כמו לייזר ablates את היעד, פלומה צפופה של אשכולות אדי אטומי הוא שוחרר לתוך המדיום הנוזלי שבו NPs במהירות coalesce. NPs המיוצרים על ידי PLAL הם מפוזרים היטב במדיום מימי ואת גודל, polydispersity, ואת ההרכב של NPs ניתן לשלוט בקלות על ידי שינוי נוזל אבלציה מימית כמו גם לייזרAmeters 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 .
מאפיינים Nanoparticle יכול להיות מכוון על ידי התאמת מספר פרמטרים לייזר, כולל: גל, גל, אורך הדופק (נסקרו בהתייחסות 7 ). פלואורס לייזר מחושב כאנרגיה הדופק חלקי שטח של נקודה לייזר על פני היעד. ההשפעות המדויקות של שטף על גודל polydispersity של NPs הם קצת שנויים במחלוקת. ככלל, הוכח כי במערכות לייזר פועלות "ארוכות" ו"מעטות " , יש משטרים נמוכים וגבוהים, המייצרים מגמות שליליות וחיוביות, בהתאמה , 8 , 9 , 10 , 11 . גודל NPOns ניתן למדוד אמפירי באמצעות טכניקות כגון פיזור אור דינמי ומיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM), כמתואר להלן.
הבחירה של אורך גל לייזר יכולה להשפיע על המנגנונים הפיזיים שבאמצעותם NPs נוצרים. באורכי גל קצרים יותר (אולטרה סגול), פוטונים באנרגיה גבוהה מסוגלים לשבור את הקשרים הבין-אטומיים 12 . מנגנון זה של אבלציה צילום הוא דוגמה של סינתזה NP מלמעלה למטה כי זה גורם לשחרור של קטעים קטנים במיוחד של חומר אשר נוטים לייצר דגימות polydisperse גדול יותר על מרווה בנוזל צולל 12 , 13 , 14 . לעומת זאת, אבלציה ליד אינפרא אדום (λ = 1,064 ננומטר) מניב מנגנון סינתזה מלמטה למעלה הנשלט על ידי אבלציה פלזמה 12 . ספיגת לייזר על ידי המטרה משחררת אלקטרונים מתנגשים עם, ולאחר מכן בחינם, אלקטרונים מחויב. כגOllisions להגדיל, החומר הוא מיונן, ובכך הצתה פלזמה. הנוזל שמסביב מגביל את הפלסמה, משפר את יציבותה ומגדיל עוד יותר את הקליטה. כמו פלזמה מתרחבת הוא הרווה על ידי נוזל החסימה, NP הם מרוכזים עם גיאומטריות שונות 4 , 12 , 15 .
הבחירה של משך הדופק לייזר יכול להשפיע עוד יותר על תהליך היווצרות NP. נפוץ לייזרים ארוכים פעמו, עם משכי הדופק יותר מאשר כמה picosonds, כוללים את כל מילי, מיקרו, ננו וכמה לייזרים פעמו picosond. במשטר רוחב הפולס הזה, משך הדופק של הלייזר ארוך יותר מהזמן של איזון הפלקטרון אלקטרונים, שהוא בדרך כלל בסדר גודל של כמה picoseconds 4 , 16 , 17 , 18 , 19. התוצאה היא דולף של אנרגיה לתוך המדיום אבלציה שמסביב היווצרות של NPs על ידי מנגנונים תרמיים כגון פליטת thermionic, אידוי, רותחים ונמס 1 , 20 .
הפעילות האנטיבקטריאלית של NPs מושפעת במידה רבה על ידי גודל החלקיקים 21 , 22 , 23 , 24 . כדי להגביר את הפחתת גודל monodispersity, NPs יכול להיות מוקרן בפעם השנייה באמצעות לייזר של אורך גל ליד התהודה פלסמון (SPR) של NP. קרינת לייזר האירוע נספג על ידי NP דרך עירור של SPR. פיצול של NP עשוי להתרחש באמצעות אויד תרמי 25 , 26 או קולומב פיצוץ 27 , 28 . צילום החידוש מעלההוא הטמפרטורה של NP מעל נקודת ההיתוך, וכתוצאה מכך שפיכת השכבה החיצונית של החלקיקים. הוכח כי הוספת סוכנים כגון polyvinylpyrrolidone (PVP) או נתרן dodecyl סולפט (SDS) לפתרון יכול מאוד לשפר את ההשפעות שלאחר קרינה 5 . ההשפעה של תוספת של מומסים שונים תוארו במספר דוחות 1 , 4 , 6 . הקלות של מניפולציה של המאפיינים NP ידי PLAL מעניקה שיטה חדשה לפתח מיקרוביאלית חדש NP מבוססי.
Protocol
Representative Results
Discussion
השפעות אנטי מיקרוביאליות חוזרות של NP דורשות ייצור עקבי של NPs בגדלים וריכוזים דומים. לכן, זה קריטי כדי לתקנן פרמטרים לייזר כולל גל, גל, אורך הדופק. בעוד פיזור אור דינמי היא שיטה קלה ומהירה להערכת גודל NP, כימות מדויק של התפלגות גודל דורש מדידה ישירה על ידי TEM. כמו כל קרן לי?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע (NSF פרסים CMMI-0922946 ל- DB, CMMI-1300920 ל- DB ו- S.O'M., ו- CMMI-1531789 ל- S.O'm, DB ו- EAK) בוש מענק מחקר ביו-רפואי ל- EAK ו- 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).
