Tangential Flow-Ultrafiltration: Ein "Green"-Methode für die Größe Auswahl und Konzentration von kolloidalem Silber-Nanopartikel
Summary
Tangentialströmungs-Ultrafiltration (TFU) ist ein Verfahren zur Rückführung Gewicht basierenden Trennung Bioproben verwendet. TFU wurde einer select-(1-20 nm Durchmesser) ausgelegt und hoch konzentriert ein großes Volumen von polydispersen Silbernanopartikel (4 L von 15,2 ug ml<sup> -1</sup> Bis 4 ml 8,539.9 pg ml<sup> -1</sup>) Mit minimaler Aggregation.
Abstract
Heutzutage werden AgNPs weitgehend in der Herstellung von Konsumgütern, 1 Wasser Desinfektionsmittel, 2 Therapeutika, 1, 3 und biomedizinische Geräte 4 aufgrund ihrer starken antimikrobiellen Eigenschaften verwendet. 3-6 Diese Nanopartikel Anwendungen stark von der AgNP Größe und Aggregatzustand beeinflusst . Viele Herausforderungen bestehen in der kontrollierten Fertigung 7 und Größe-basierte Isolierung von nichtfunktionalisierten 4,8, homogene AgNPs die frei von chemisch aggressiven Capping / Stabilisierungsmittel oder organische Lösungsmittel sind. 7-13 Einschränkungen ergeben sich aus der Toxizität von Reagenzien, hohe Kosten reduziert oder Effizienz der AgNP Synthese oder Isolierung Methoden (z. B. Zentrifugation, Größe-abhängige Löslichkeit, Größenausschlusschromatographie, etc.). 10,14-18 Um dies zu überwinden, haben wir vor kurzem gezeigt, dass TFU größere Kontrolle über die Größe, Konzentration und ermöglicht Aggregationszustand Creighton AgNPs (300ml von 15,3 pg ml -1 bis 10 ml 198,7 pg ml -1) als herkömmliche Methoden der Isolierung, wie Ultrazentrifugation. 19
TFU eine Umluft-Methode üblicherweise für die Gewichts-basierte Isolierung von Proteinen, Viren und Zellen verwendet. 20,21 Kürze, die flüssige Probe durch eine Reihe von Hohlfasermembranen mit Porengröße im Bereich von 1000 kD bis 10 kD übergeben wird. Kleinere suspendiert oder gelöst Bestandteile in der Probe wird durch die poröse Barriere zusammen vorbei mit dem Lösungsmittel (Filtrat), während die größeren Bestandteile zurückgehalten werden (Retentat). TFU kann als ein "grünes" Verfahren, da es weder Beschädigungen der Probe, noch erfordert zusätzliche Lösungsmittel giftig überschüssige Reagenzien und Nebenprodukte zu beseitigen. Ferner kann TFU gegenüber einer Vielzahl von Nanopartikeln eingesetzt werden, da beide hydrophobe und hydrophile Filter zur Verfügung stehen.
Die beiden wichtigsten Ziele dieser Studie waren: 1) zu veranschaulichen,die experimentellen Aspekte der TFU Ansatz durch einen eingeladenen Video-Erlebnis und 2) zum Nachweis der Machbarkeit des TFU-Methode für größere Mengen von kolloidalen Nanopartikeln und kleinere Mengen von Retentat. Erstens unfuctionalized AgNPs (4 l, 15.2 ug ml -1) wurden synthetisiert unter Verwendung des gut eingeführten Methode Creighton 22,23 durch Reduktion von AgNO 3 mit NaBH 4. AgNP Polydispersität wurde dann über ein 3-Stufen TFU Verwendung eines 50 nm-Filters (460 cm 2) bis AgNPs und AgNP-Aggregate größer als 50 nm, die von zwei 100-kD (200 cm 2 und 20 cm 2) zu entfernen, gefolgt Filter minimiert die AgNPs konzentrieren. Repräsentative Proben wurden mittels Transmissionselektronenmikroskopie, UV-Vis-Absorptions-Spektroskopie, Raman-Spektroskopie, und induktiv gekoppelte Plasma-Atom-Emissions-Spektroskopie. Die endgültige Retentat bestand aus hochkonzentrierten (4 ml, 8,539.9 ug ml-1) dennoch niedrigen aggregierten und homogenenAgNPs von 1-20 nm im Durchmesser. Dies entspricht einer Ausbeute von Silberkonzentration etwa 62%.
Protocol
Discussion
UV-Vis Absorptionsspektrophotometrie und Raman-Spektroskopie von kolloidalem AgNPs
Es ist bekannt, dass die Anzahl der Oberflächen-Plasmon-Resonanz-Spitzen im Absorptionsspektrum einer Kolloid als der Symmetrie der AgNPs abnimmt. Zusätzlich führt AgNP Aggregation zum Auftreten breiteren oder rot verschobenen Peaks. 25,26 Das Vorhandensein einer einzigen, scharfen und symmetrisch SPR Peak bei 394 nm angibt kleine, kugelförmige AgNPs mäßiger Aggregation und Größenverteilung ist…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Mittel aus dem National Science Foundation durch die NUE in Engineering und der LEADER Consortium Programs wird dankbar anerkannt.
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).
