Tangential Flow Ultrafiltrering: "Grønt" Metode til størrelse udvælgelse og koncentration af kolloidt sølv Nanopartikler
Summary
Tangentiel strømnings-ultrafiltrering (TFU) er en recirkulation metode, der anvendes til den vægtbaserede adskillelse af biosamples. TFU blev tilpasset til størrelsen-select (1-20 nm diameter) og yderst koncentreret en stor mængde polydisperse sølvnanopartikler (4 L på 15,2 ug ml<sup> -1</sup> Ned til 4 ml 8,539.9 ug ml<sup> -1</sup>) Med minimal aggregering.
Abstract
I dag er AgNPs flittigt brugt til fremstilling af forbrugsgoder, 1 vand desinfektionsmidler, 2 terapi, 1, 3 og biomedicinsk udstyr 4 på grund af deres stærke antimikrobielle egenskaber. 3-6 Disse nanopartikler applikationer er kraftigt påvirket af den AgNP størrelse og sammenlægning tilstand . Mange udfordringer findes i den styrede fremstilling 7 og størrelse baseret isolation 4,8 af ikke-funktionaliseret, homogene AgNPs der er fri for kemisk aggressive capping / stabiliseringsmidler eller organiske opløsningsmidler. 7-13 Begrænsninger komme ud toksiciteten af reagenser, høje omkostninger og reduceret effektiviteten af de AgNP syntese eller isolering metoder (f.eks, centrifugering, størrelse-afhængig opløselighed, gelpermeationskromatografi, etc.). 10,14-18 For at overvinde dette har vi for nylig vist, at TFU tillader større kontrol over størrelsen, koncentrationen og sammenlægning tilstand af Creighton AgNPs (300ml 15,3 ug ml-1 ned til 10 ml 198,7 ug ml-1) end konventionelle fremgangsmåder til isolation, såsom ultracentrifugering. 19
TFU er en recirkulation, der almindeligvis anvendes til den vægtbaserede isolering af proteiner, vira og celler. 20,21 Kort fortalt anvendes den flydende prøve ledes gennem en serie af hulfibermembraner med en porestørrelse i området fra 1000 kD til 10 kD. Mindre suspenderet eller opløst i prøven vil passere gennem den porøse barriere sammen med opløsningsmidlet (filtrat), medens de større bestanddele bevares (retentat). TFU kan betragtes som en "grøn" metode, da det hverken skader prøve heller ikke kræver yderligere opløsningsmiddel til at fjerne giftige overskydende reagenser og biprodukter. Endvidere kan TFU anvendes på et stort udvalg af nanopartikler som både hydrofobe og hydrofile filtre findes.
De to vigtigste mål med denne undersøgelse var: 1) at illustrerede eksperimentelle aspekter af TUF tilgang gennem en indbudt video oplevelse og 2) at demonstrere muligheden for at TUF metoden til større mængder kolloide nanopartikler og mindre mængder af retentat. Første, unfuctionalized AgNPs (4 L, 15,2 ug ml-1) blev syntetiseret under anvendelse af veletablerede Creighton metoden 22,23 ved reduktion af AgNO 3 med NaBH4. AgNP polydispersitet blev derefter minimeret via en 3-trins TFU anvendelse af en 50-nm filter (460 cm2) for at fjerne AgNPs og AgNP-aggregater større end 50 nm, efterfulgt af to 100-kD (200 cm 2 og 20 cm 2) filtre at koncentrere de AgNPs. Repræsentative prøver blev karakteriseret ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi, UV-Vis absorptionsspektrofotometri, Raman spektroskopi, og induktiv koblet optisk emissionsspektroskopi. Det endelige retentat bestod af stærkt koncentreret (4 ml, 8,539.9 ug ml-1) endnu ringe aggregerede og homogenAgNPs på 1-20 nm i diameter. Dette svarer til en sølvkoncentration udbytte på ca 62%.
Protocol
Discussion
UV-Vis absorptionsspektrofotometri og Raman spektroskopi af kolloide AgNPs
Det er velkendt, at antallet af overfladeplasmonresonans toppe i absorptionsspektret for en kolloid aftager, når symmetrien mellem de AgNPs forøges. Derudover AgNP aggregation fører til fremkomsten af bredere eller rød-skiftede toppe. 25,26 Tilstedeværelsen af et enkelt, skarp og symmetrisk SPR top ved 394 nm er tegn på små, sfæriske AgNPs af moderat aggregering og størrelsesfordeling.
<p class="j…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansiering fra National Science Foundation gennem NUE i Engineering og Leader Consortium Programmer er modtaget med tak.
Materials
| Silver nitrate (AgNO3) | Acros Organics Inc. | CAS: 7761-88-8 | |
| Sodium borohydride (NaBH4) | Acros Organics Inc. | CAS: 16940-66-2 | |
| Nitric acid (HNO3, Optima) | Fisher Scientific Inc. | A467-1 | Trace metal grade for ICP analysis |
| 10,000 μg ml-1 silver standard, EnviroConcentrate | Ultra Scientific | US-IAA-047 | |
| KrosFlo Research IIi Tangential Flow Filtration System | Spectrum Laboratories Inc. | SYR2-U20-01N | |
| 0.05 μm PS (0.5 mm) 460 cm2 | Spectrum Laboratories Inc. | X30S-900-02N | |
| Midi 100 kD PS 200 cm2 | Spectrum Laboratories Inc. | X3-100S-901-02N | |
| Micro100 kD PS 20 cm2 | Spectrum Laboratories Inc. | X1AB-300-10N | |
| MasterFlex C-Flex tubing L/S Size 17 | Cole-Palmer Instrument Co. | 06424-17 | |
| MasterFlex C-Flex tubing L/S Size 14 | Cole-Palmer Instrument Co. | 06424-14 | |
| Cary 50 UV-VIS-NIR spectrophotometer | Varian Inc. | ||
| LabRam HR 800 system | Horiba Jobin Yvon Inc. | ||
| Varian 710ES ICP-OES | Varian Inc. |
Table 1. Specific reagents and equipment.
References
- Savage, N., Diallo, M. S. Nanomaterials and Water Purification: Opportunities and Challenges. Journal of Nanoparticle Research. 7, 331-342 (2005).
- Jain, J. Silver Nanoparticles in Therapeutics: Development of an Antimicrobial Gel Formulation for Topical Use. Mol. Pharmaceutics. 6, 1388-1401 (2009).
- Dal Lago, V., Franca, d. O., de, A. G., Kobarg, J., Borba Cardoso, M. Size-selective silver nanoparticles: future of biomedical devices with enhanced bactericidal properties. J. Mater. Chem. 21, 12267-12273 (2011).
- Panacek, A. Silver Colloid Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Their Antibacterial Activity. J. Phys. Chem. B. 110, 16248-16253 (2006).
- Elechiguerra, J. Interaction of silver nanoparticles with HIV-1. Journal of Nanobiotechnology. 3, 6 (2005).
- Jana, N. R., Sau, T. K., Pal, T. Growing Small Silver Particle as Redox Catalyst. J. Phys. Chem. B. 103, 115-121 (1999).
- Tolaymat, T. M. An evidence-based environmental perspective of manufactured silver nanoparticle in syntheses and applications: A systematic review and critical appraisal of peer-reviewed scientific papers. Sci. Total Environ. 408, 999-1006 (2010).
- Willets, K. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) for probing internal cellular structure and dynamics. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 394, 85-94 (2009).
- Novak, J. P., Nickerson, C., Franzen, S., Feldheim, D. L. Purification of Molecularly Bridged Metal Nanoparticle Arrays by Centrifugation and Size Exclusion Chromatography. Anal. Chem. 73, 5758-5761 (2001).
- Hossain, M. K., Kitahama, Y., Huang, G. G., Han, X., Ozaki, Y. Surface-enhanced Raman scattering: realization of localized surface plasmon resonance using unique substrates and methods. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 394, 1747-1760 (2009).
- Henglein, A., Giersig, M. Formation of Colloidal Silver Nanoparticles: Capping Action of Citrate. J. Phys. Chem. B. 103, 9533-9539 (1999).
- Sapsford, K. E., Tyner, K. M., Dair, B. J., Deschamps, J. R., Medintz, I. L. Analyzing Nanomaterial Bioconjugates: A Review of Current and Emerging Purification and Characterization Techniques. Anal. Chem. 83, 4453-4488 (2011).
- Al-Somali, A., Krueger, K. M., Falkner, J. C., Colvin, V. L. Recycling Size Exclusion Chromatography for the Analysis and Separation of Nanocrystalline Gold. Anal. Chem. 76, 5903-5910 (2004).
- Hanauer, M., Pierrat, S., Zins, I., Lotz, A., Sonnichsen, C. Separation of Nanoparticles by Gel Electrophoresis According to Size and Shape. Nano Lett. 7, 2881-2885 (2007).
- Sweeney, S. F., Woehrle, G. H., Hutchison, J. E. Rapid Purification and Size Separation of Gold Nanoparticles via Diafiltration. J. Am. Chem. Soc. 128, 3190-3197 (2006).
- Clarke, N. Z., Waters, C., Johnson, K. A., Satherley, J., Schiffrin, D. J. Size-Dependent Solubility of Thiol-Derivatized Gold Nanoparticles in Supercritical Ethane. Langmuir. 17, 6048-6050 (2001).
- Schaaff, T. G. Isolation of Smaller Nanocrystal Au Molecules: Robust Quantum Effects in Optical Spectra. J Phys Chem B. 101, 7885-7891 (1997).
- Trefry, J. C. Size Selection and Concentration of Silver Nanoparticles by Tangential Flow Ultrafiltration for SERS-Based Biosensors. J. Am. Chem. Soc. 132, 10970-10972 (2010).
- Bhattacharjee, S., Bhattacharjee, C., Datta, S. Studies on the fractionation of & beta-lactoglobulin from casein whey using ultrafiltration and ion-exchange membrane chromatography. J. Membr. Sci. 275, 141-150 (2006).
- Eppler, A., Weigandt, M., Schulze, S., Hanefeld, A., Bunjes, H. Comparison of different protein concentration techniques within preformulation development. Int. J. Pharm. 421, 120-129 (2011).
- Creighton, J. A., Blatchford, C. G., Albrecht, M. G. Plasma resonance enhancement of Raman scattering by pyridine adsorbed on silver or gold sol particles of size comparable to the excitation wavelength. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 2, 790-798 (1979).
- Pavel, I. E. Estimating the Analytical and Surface Enhancement Factors in Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS): A Novel Physical Chemistry and Nanotechnology Laboratory Experiment. J. Chem. Educ. , (2011).
- Rasband, W. S. . ImageJ. , (1997).
- Kelly, K. L., Coronado, E., Zhao, L. L., Schatz, G. C. The Optical Properties of Metal Nanoparticles: The Influence of Size, Shape, and Dielectric Environment. J. Phys. Chem. B. 107, 668-677 (2003).
- Śileikaitċ, A., Prosyčevas, I., Puišo, J., Juraitis, A., Guobienċ, A. Analysis of Silver Nanoparticles Produced by Chemical Reduction of Silver Salt Solution. Mater. Sci. (Medziagotyra). 12, 287-291 (2006).
- Lewis, L. N. Chemical catalysis by colloids and clusters. Chem. Rev. 93, 2693-2730 (1993).
- Li, Y., Wu, Y., Ong, B. S. Facile Synthesis of Silver Nanoparticles Useful for Fabrication of High-Conductivity Elements for Printed Electronics. J. Am. Chem. Soc. 127, 3266-3267 (2005).
- Sun, Y., Xia, Y. Shape-Controlled Synthesis of Gold and Silver Nanoparticles. Science. 298, 2176-2179 (2002).
- Han, X., Zhao, B., Ozaki, Y. Surface-enhanced Raman scattering for protein detection. Analytical and Bioanalytical Chemistry. 394, 1719-1727 (2009).
- Pavel, I. Label-Free SERS Detection of Small Proteins Modified to Act as Bifunctional Linkers. J. Phys. Chem. C. 112, 4880-4883 (2008).
- Ladner, D. A., Steele, M., Weir, A., Hristovski, K., Westerhoff, P. Functionalized nanoparticle interactions with polymeric membranes. J. Hazard. Mater. , (2011).
