Sıvılardaki Darbeli Lazer-Ablasyonuyla Metal Nanopartikül Üretimi: Nanopartiküllerin Antibakteriyel Özelliklerini İncelemek İçin Bir Alet
Summary
Bakır ve gümüş gibi metallerin antimikrobiyal özellikleri yüzyıllar boyunca fark edilmiştir. Bu protokol, antibakteriyel etkilerini en iyi duruma getirmek için bu nanoparçacıkların özelliklerini ince ayar yapabilme olanağı sağlayan metal nanopartiküllerin sentezinde kullanılan bir yöntem olan sıvılardaki pulsed lazer ablasyonunu tanımlamaktadır.
Abstract
Çoklu ilaca dirençli bakterilerin ortaya çıkışı, bazılarının tıp öncesi "antibiyotik öncesi" bir döneme dönüşümüz hakkında spekülasyon yapmalarını sağlayan küresel bir klinik kaygıdır. Yeni küçük moleküllü antimikrobiyal ilaçları belirleme çabalarına ek olarak, antimikrobiyal özelliklerinden dolayı metal nanopartiküllerin tıbbi cihazlar, yara bandajları ve tüketici ambalajları için kaplamalar olarak kullanılmasına büyük ilgi duyulmaktadır. Nanopartikül sentezi için mevcut olan çok çeşitli yöntemler, antibakteriyel etkinliği etkileyebilecek geniş bir kimyasal ve fiziksel özellik yelpazesine neden olur. Bu el yazması nanoparçacıklar oluşturmak için sıvılardaki pulsed laser ablasyonunu (PLAL) anlatmaktadır. Bu yaklaşım, nanopartikül boyutunun, kompozisyonunun ve radyasyon sonrası yöntemler ile yüzey aktif cisimlerin veya hacim dışlayıcıların ilave edilmesiyle dengenin ayarlanmasını sağlar. Parçacık boyutunu ve bileşimini kontrol ederek, metal nanopanın geniş bir fiziksel ve kimyasal özellikleri serisiAntimikrobiyal etkinliklerine katkıda bulunabilecek ve böylece antibakteriyel gelişim için yeni yollar açan makaleler keşfedilebilir.
Introduction
Nanopartiküller (NP) genellikle, 100 nm'den daha az uzunlukta en az bir boyuta sahip parçacıklar olarak tanımlanır. Geleneksel kimyasal NP sentez yöntemleri tipik olarak borohidritler ve hidrazinler gibi tehlikeli indirgeyici ajanlar gerektirir. Buna karşın, sıvı ortamda (sıvılarda atımlı lazerle ablatif – PLAL) daldırılmış katı metal hedeflerin lazerle ablasmanı NP sentezi için Çevre Kimyası İlkeleri'nin 1 , 2 prensiplerinin tümünü karşılayan çevre dostu bir yol sağlar. PLAL'da, dalmış bir metal hedef tekrarlanan lazer darbeleri ile ışınlanır. Lazer hedefi ablattıkça yoğun atom kümeleri ve buhar, NP'lerin hızla birleştiği sıvı ortam içine salınır. PLAL tarafından üretilen NP'ler sulu bir ortamda iyice dağıtılır ve NP'lerin boyutu, polidispersitesi ve bileşimi, sulu ablasyon sıvısının yanı sıra lazer paritesinin değiştirilmesiyle kolaylıkla kontrol edilebilir1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 sayaçları.
Nanopartikül özellikleri, akıcılık, dalga boyu ve darbe süresi gibi bir dizi lazer parametresinin ayarlanmasıyla ayarlanabilir (referans 7'de gözden geçirilmiştir). Lazer akıcılık puls enerjisi, hedef yüzeydeki lazer noktasının alanına bölünerek hesaplanır. Fluence'ın NP'lerin büyüklüğü ve polidispersitesi üzerindeki kesin etkileri biraz tartışmalıdır. Genel olarak, 'uzun' ve 'ultra-kısa' atımlı lazer sistemleri için sırasıyla 8 , 9 , 10 , 11 ebatlarında negatif ve pozitif eğilimler üreten düşük ve yüksek akıcılık rejimleri olduğu gösterilmiştir. NP büyüklüğü dağıtımıAşağıda tarif edildiği gibi, dinamik ışık saçılması ve iletim elektron mikroskopisi (TEM) gibi teknikler kullanılarak ampirik olarak ölçülebilir.
Lazer dalga boyunun seçimi NP'lerin oluştuğu fiziksel mekanizmaları etkileyebilir. Daha kısa (ultraviyole) dalga boylarında yüksek enerjili fotonlar atomlar arasındaki bağları kesebilir 12 . Foto ablasmanın bu mekanizması, yukarıdan aşağıya NP sentezinin bir örneğidir, zira daldırma sıvısı 12 , 13 , 14'te söndürüldükten sonra daha fazla polidispers numuneleri üretme eğilimi gösteren ultra-küçük parçacıkların salınmasına neden olur. Buna karşılık, yakın kızılötesi ablasyon (λ = 1,064 nm), plazma ablasyonunun egemen olduğu aşağıdan yukarıya bir sentez mekanizması verir 12 . Hedef tarafından alınan lazer emilimi, çarpışan elektronları serbest bırakan elektronları serbest bırakır. C olarakZenginleşmeler artar, materyal iyonlaşır, böylece bir plazma tutuşur. Çevreleyen sıvı plazmayı sınırlar, kararlılığını arttırır ve absorpsiyonu 12 artırır. Genişleyen plazma sınırlayıcı sıvı tarafından söndürüldüğünden, NP'ler çeşitli geometriler 4 , 12 , 15 ile yoğunlaştırılır.
Lazer pals süresinin seçimi NP oluşum sürecini daha da etkileyebilir. Darbe süreleri birkaç pikosaniyeden fazla olan yaygın olarak kullanılan uzun püskürtmeli lazerler, tüm mili, mikro, nano ve bazı pikosaniye darbeli lazerleri içerir. Bu darbe genişliği rejiminde lazer atım süresi, genellikle birkaç pikosaniye olan 4 , 16 , 17 , 18 , 19 nolu sırayla elektron-fonon dengeleme süresinden daha uzundur. Bu, çevresel ablasyon ortamına enerji sızıntısı ve termiyonik emisyon, buharlaşma, kaynama ve erime 1 , 20 gibi ısıl mekanizmalara göre NP oluşumu ile sonuçlanır.
NP'lerin antibakteriyel etkisi, partikül boyutu 21 , 22 , 23 , 24 tarafından kuvvetle etkilenir. Boyut azaltma ve monodispersiteyi arttırmak için, NP'ler, NP'nin yüzey plazmon rezonansı (SPR) yakınında bir dalga boyundaki bir lazer kullanılarak ikinci kez ışınlanabilirler. Olay lazer ışınımı SPR'nin uyarılması yoluyla NP tarafından absorbe edilir. NP'nin parçalanması, termal buharlaştırma 25 , 26 veya Coulomb patlaması 27 , 28 yoluyla gerçekleşebilir. Photoexcitation artar tNP'nin erime noktasının üzerindeki sıcaklığı, parçacık dış tabakasının dökülmesine neden olur. Çözeltiye polivinilpirolidon (PVP) veya sodyum dodesil sülfat (SDS) gibi ajanlar eklenmesinin radyasyon sonrası etkileri büyük oranda artırabileceği gösterilmiştir ( 5) . Çeşitli çözünen maddelerin ilavesinin etkisi birkaç rapor 1 , 4 , 6'da tanımlanmıştır. NP özelliklerinin PLAL tarafından manipüle edilmesinin kolaylığı yeni NP tabanlı antimikrobik maddelerin geliştirilmesi için yeni bir yöntem sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
NP'lerin tekrarlanabilir antimikrobiyal etkileri benzer boyut ve konsantrasyonlarda NP'lerin tutarlı üretilmesini gerektirir. Bu nedenle, akıcılık, dalga boyu ve darbe süresi dahil olmak üzere lazer parametrelerini standartlaştırmak kritik önem taşır. Dinamik ışık saçılması, NP boyutunu tahmin etmek için kolay ve hızlı bir yöntem olsa da, boyut dağılımının doğru bir şekilde ölçülmesi TEM ile doğrudan ölçümü gerektirir. Her bir lazer ışınının mod profili ve sapma açısı…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma National Science Foundation (NSF'nin DB'ye CMMI-0922946, DB'ye ve S.O'M'ye CMMI-1300920 ve S.O'M., DB ve EAK'e verilen CMMI-1531789) ve bir Busch Biyomedikal Araştırma Grubunun EAK ve S.O'M'e Verilmesi.
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 |
Riferimenti
- 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).
