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Bioengenharia

マンガンの熱分解による酸化マンガンナノ粒子合成(II) アセチルアセトネート

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

Summary

このプロトコルは、オレイラミンおよびジベンジルエーテルの存在下でマンガン(II)アセチルアセトネートの熱分解によるマンガン酸化物(MnO)ナノ粒子の簡単なワンポット合成を詳述する。MnOナノ粒子は、磁気共鳴画像、バイオセンシング、触媒、電池、廃水処理など、さまざまな用途で利用されてきました。

Abstract

生物医学用途では、酸化鉄や酸化マンガン(MnO)などの金属酸化物ナノ粒子が、磁気共鳴画像法(MRI)におけるバイオセンサーや造影剤として用いられている。酸化鉄ナノ粒子は、典型的な実験時間枠にわたってMRIに一定の負のコントラストを提供する一方で、MnOは細胞内の低pHでMnOからMn2+ を溶解してMRIコントラストを「ON」に変えてMRIコントラストを切り替える可能な正のコントラストを生成します。このプロトコルは、オレイラミンおよびジベンジルエーテルにおけるマンガン(II)アセチルアセトネートの熱分解によって形成されるMnOナノ粒子のワンポット合成を記述する。MnOナノ粒子の合成は簡単ですが、詳細な指示が提供されないと、初期実験のセットアップは再現が難しくなります。したがって、ガラス製品とチューブアセンブリは、他の研究者がセットアップを容易に再現できるように、最初に徹底的に記述されています。合成方法は、結果として得られるナノ粒子サイズと化学に影響を与える所望の温度プロファイルの自動化された正確な操作を達成するために温度コントローラを組み込んでいます。熱分解プロトコルは、他の金属酸化物ナノ粒子(例えば、酸化鉄)を生成し、代替有機溶媒および安定剤(例えば、オレイン酸)を含むように容易に適合させることができる。また、安定剤に対する有機溶媒の比は、本明細書に示されるナノ粒子特性にさらに影響を与えるために変更することができる。合成されたMnOナノ粒子は、透過型電子顕微鏡、X線回折、フーリエ変換赤外分光法を介した形態、大きさ、バルク組成、表面組成を特徴とする。この方法で合成されたMnOナノ粒子は疎水性であり、リガンド交換、高分子カプセル化、または脂質キャッピングを介してさらに操作して、生物学的流体および組織との相互作用のための親水性基を組み込む必要があります。

Introduction

金属酸化物ナノ粒子は、磁気、電気、および触媒特性,を有し、バイオイメージング1、2、3、2センサー1技術34、5、5触媒466、7、8、7,8エネルギー貯蔵9、及び水浄化10に適用されている。生物医学分野において、酸化鉄ナノ粒子およびマンガン酸化物(MnO)ナノ粒子は、磁気共鳴画像(MRI)1,2における造影剤としての1,2有用性を証明している。酸化鉄ナノ粒子は、T2*MRI上で強い負のコントラストを生成し、生体内11、12、1312,13で単一ラベル細胞を視覚化するのに十分強力です。11しかし、負のMRI信号は変調できず、典型的な実験の期間を通して「オン」のままです。肝臓に存在する内因性鉄、骨髄、血液および脾臓により、酸化鉄ナノ粒子から生じる負のコントラストを解釈することは困難である。一方、MnOナノ粒子は、pHの低下に反応する。MnOナノ粒子のMRIシグナルは、ナノ粒子が癌細胞,,,14、15、16、17、18、18などの標的細胞の低pHエンドソームおよびリソソーム14,15,の内部に内部化されると、「オフ」から「ON」に移行することができる。16171819低pHでMnOからMn2+に溶解して産生されるT1 MRIの正のコントラストは紛れもなく、悪性腫瘍内の標的部位で点灯するだけで癌検出特異性を改善することができる。ナノ粒子サイズ、形態および組成の制御は、MnOナノ粒子からの最大MRI信号を達成するために重要である。本明細書では、熱分解法を用いてMnOナノ粒子を合成および特徴付ける方法を説明し、合成過程で変数を変化させることによってナノ粒子特性を微調整するための異なる戦略に注目する。このプロトコルは、酸化鉄ナノ粒子のような他の磁性ナノ粒子を生成するために容易に変更することができる。

,MnOナノ粒子は、熱分解,20、21、22、23、24、25、水力/ソルボサーマル21,22,23,24,252026、27、28、29、剥離を含む様々な技術によって製造されています26,27,292830、31、32、33、34、過マンガン酸塩減少30,31,32,33,3435、36、37、38、36,37,38および吸着酸化3539、40、41、42。39,40,41,42熱分解は、MnOナノ粒子43を形成する不活性気体雰囲気の下で高温(180〜360°C)でマンガン前駆体、有機溶媒、および安定化剤を溶解する最も一般的に使用される技術である。これらの技術の中で、熱分解は、狭いサイズ分布を有する純相(MnO、Mn3O4および3Mn2O3)の様々4なMnOナノ結晶3を生成する優れた方法である。247,その汎用性は、反応時間,,,44、45、46、45温度44、47、48、49、,47反応体の種類/比率48,4644,49,を20、47、48、5045および不活性ガス4847、48、50を使用して、ナノ粒子サイズ48、形態および組成物を厳密に制御47,する能力を通じて強調される。50 50この方法の主な制限は、高温、無酸素雰囲気、および合成ナノ粒子の疎水性コーティングの要件であり、生物学的用途14、51、52、53,52,に対する溶解性を高めるためにポリマー、脂質または他のリガン14,ドでさらなる修飾を必要とする。53

熱分解以外にも、水力/ソルボサーマル法は、MnO、Mn3O4、MnO2を含む様々な3MnO相を生成できる唯一の技術です。4他のすべての戦略は、MnO2製品を形成するだけです。水力/ソル熱合成の間、Mn(II)ステアレート54、55、55およびMn(II)酢酸27などの前駆体は、狭いサイズ分布を有するナノ粒子を達成するために、数時間にわたって120〜200°Cの間に加熱される。54しかし、特殊な反応容器が必要であり、反応は高圧で行われます。対照的に、剥離戦略は、2D単層への解離を促進するために、層状またはバルク材料の処理を伴う。その主な利点は、MnO2ナノシートを製造する上で、合成プロセスは数日を必要とし、その結果、シートのサイズを制御することは困難である。あるいは、KMnO4などの過マンガン酸塩は4、オレイン酸56、57、57グラフェン56オキシド58またはポリ(塩酸アライラミン塩酸塩)59などの還元剤と反応してMnO2ナノ粒子を作り出すことができる。2KMnO4の使用は、水性条件43内で数分から数時間にわたって室温でナノ粒子形成を促進する。残念ながら、急速な合成とナノ粒子の成長は、得られるナノ粒子サイズを細かく制御することが困難になります。MnO2ナノ粒子は、Mn2+イオンが吸着し、基本的な条件下で2+酸素によってMnO2に酸化される吸着酸化を用いて2合成することもできる。この方法は、水性媒体中2の数時間にわたって室温で狭いサイズ分布を有する小さなMnO2ナノ粒子を生成する。しかし、Mn2+イオンとアルカリ条件の吸着の要件は、その広範なアプリケーション43を制限します。

議論されたMnOナノ粒子合成法のうち、熱分解は、特殊な合成容器を必要とせずにナノ粒子サイズ、形状および組成を制御する異なる単分散純相ナノ結晶を生成するのに最も汎用性が高い。本稿では、Mn2+ イオンの供給源としてマンガン(II)アセチルアセトネート(Mn(II)ACACを用いて280°Cで熱分解することによりMnOナノ粒子を合成する方法、還元剤と安定剤としてオレイラミン(OA)、窒素雰囲気下の溶媒としてジベンジルエーテル(DE)を用いて合成する方法を説明する。ナノ粒子合成用のガラス製品とチューブのセットアップについて詳しく説明します。この技術の利点の1つは、温度コントローラ、熱電対プローブ、加熱マントルを含めることで、各温度での加熱速度、ピーク温度、反応時間を正確に制御し、ナノ粒子のサイズと組成を微調整することです。ここでは、ナノ粒子サイズをOA対DEの比率を変化させることによってもどのように操作できるかを示す。また、ナノ粒子サンプルの作成方法、透過型電子顕微鏡(TEM)、X線回折(XRD)、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)を用いたナノ粒子サイズ、バルク組成、表面組成をそれぞれ測定する方法を実演します。各機器から収集した画像やスペクトルを分析する方法については、さらにガイダンスが含まれています。均一な形のMnOナノ粒子を生成するには、安定剤と適切な窒素流が存在する必要があります。XRDおよびTEMの結果はOAの不在および低窒素流の下で形成される望ましくないプロダクトのために示される。「考察」では、プロトコルの重要なステップ、ナノ粒子合成の成功を決定するための指標、ナノ粒子の特性(サイズ、形態および組成)を修飾するための分解プロトコルのさらなる変動、方法のトラブルシューティングと限界、およびバイオメディカルイメージングの造影剤としてのMnOナノ粒子の応用を強調する。

Protocol

1.ガラス製品とチューブアセンブリ – 初回にのみ実行されます 注: 図 1 は、番号付きチューブ接続を使用した MnO ナノ粒子合成の実験用セットアップを示しています。 図 S1 は、ラベル付けされた主なガラス製品コンポーネントと同じセットアップを示しています。耐薬品性チューブとガラス接続サイズの間に不一致がある場合?…

Representative Results

合成に成功したことを確認するために、MnOナノ粒子は、サイズおよび形態(TEM)、バルク組成(XRD)、および表面組成(FTIR)についてアッセイする必要があります。 図2 は、ダイベンジルエーテル(DE、有機溶媒)に対するオレイラミン(OA、安定剤)の減少率を用いて合成したMnOナノ粒子の代表的なTEM画像を示しています:60:0、50:10、40:20、30:30、20:40、10:50。理想的なTEM画像は、個々?…

Discussion

本明細書のプロトコルは、Mn(II) ACAC、DE、およびOAを用いたMnOナノ粒子の簡単なワンポット合成を記述する。Mn(II) ACACは、MnOナノ粒子形成のためのMn2+の供給源を提供する出発物質として利用される。出発物質は他の金属酸化物ナノ粒子の生産を可能にするために容易に置き換えることができる。例えば、鉄(III)ACACが適用される場合、Fe3O4ナノ粒子は4、63と同じ?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、WVU化学・生物医学工学部のスタートアップファンド(M.F.B.)によって支援されました。著者らは、マルセラ・レディゴロ博士に、TEMによるナノ粒子のグリッド調製と画像キャプチャに関するガイダンス、XRDとFTIRスペクトルの評価に関するサポートに対するQiang Wang博士、ジョン・ゾンドロ博士、ハンター・スノデリー博士がナノ粒子合成プロトコルに温度コントローラーをプログラミングして統合してくれたことに感謝したいと考えています。、TEM画像からのMnOナノ粒子径の定量化を支援するためのアレクサンドル・プエシェルとジェナ・ヴィート、およびTEM、XRD、およびFTIRを使用するためのWVU共有研究施設。

Materials

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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Keywords: Manganese OxideNanoparticle SynthesisThermal DecompositionManganese(II) AcetylacetonateUniform Metal Oxide NanoparticlesParticle Size ControlParticle Shape ControlChemical Composition ControlOne-pot SynthesisMetal PrecursorOrganic SolventStabilizerManganese Oxide NanoparticlesIron Oxide Nanoparticles
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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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