Tangentiellt flöde Ultrafiltrering: en "grön" Metod för storlek Urval och koncentration av kolloidalt silver nanopartiklar
Summary
Tangentiellt flöde ultrafiltrering (TFU) är en recirkulation som används för den viktbaserade separation av biosamples. TFU anpassades till storlek-select (1-20 nm i diameter) och mycket koncentrera en stor volym av polydispersa silvernanopartiklar (4 L av 15,2 pg ml<sup> -1</sup> Ner till 4 ml av 8,539.9 pg ml<sup> -1</sup>) Med minimal aggregering.
Abstract
Numera är AgNPs utsträckning används vid tillverkning av konsumentprodukter, 1 vatten desinfektionsmedel, 2 terapier, 1, 3 och biomedicinska anordningar 4 på grund av sina kraftfulla antimikrobiella egenskaper. 3-6 Dessa nanopartiklar applikationer starkt påverkas av AgNP storlek och aggregationstillstånd . Många utmaningar finns i den kontrollerade tillverkningen 7 och storlek baserad isolering 4,8 av icke-funktionaliserad, homogena AgNPs som är fria från kemiskt aggressiv tak / stabiliseringsmedel eller organiska lösningsmedel. 7-13 Begränsningar ur toxicitet reagenser, höga kostnader eller minskade effektivitet AgNP syntes eller isolering metoder (t.ex., centrifugering, storlek-beroende löslighet, storleksuteslutningskromatografi, etc.). 10,14-18 att övervinna detta visade vi nyligen att TFU tillåter större kontroll över storleken, koncentration och aggregationstillstånd av Creighton AgNPs (300ml av 15,3 pg ml -1 ned till 10 ml av 198,7 pg ml -1) än konventionella metoder för isolering, såsom ultracentrifugering. 19
TFU är en återcirkulation metod som vanligen används för den viktbaserade isolering av proteiner, virus och celler. 20,21 korthet vätskeprovet att passera genom en serie av hålfibermembran med porstorlek som sträcker sig från 1.000 kD till 10 kD. Mindre suspenderade eller lösta beståndsdelar i provet kommer att passera genom den porösa barriären tillsammans med lösningsmedlet (filtratet), medan de större beståndsdelarna behålls (retentat). TFU kan betraktas som ett "grönt" metod som varken skadar prov eller kräver ytterligare lösningsmedel för att eliminera giftiga överskottsreagens och biprodukter. Vidare kan TFU appliceras på en stor variation av nanopartiklar som både hydrofoba och hydrofila filter finns tillgängliga.
De två viktigaste målen med denna studie var: 1) för att illustrerade experimentella aspekterna av TFU strategi genom en inbjuden videoupplevelse och 2) att demonstrera genomförbarheten av TFU metoden för större volymer av kolloidala nanopartiklar och mindre volymer retentat. Först unfuctionalized AgNPs (4 L, 15,2 pg ml -1) syntetiserades med den väletablerade Creighton metoden 22,23 genom reduktion av AgNO 3 med NaBH 4. AgNP polydispersitet därefter minimeras genom en 3-stegs TFU använder en 50-nm-filter (460 cm 2) för att avlägsna AgNPs och AgNP-aggregat större än 50 nm, följt av två 100-kD (200 cm 2 och 20 cm 2) filter att koncentrera AgNPs. Representativa prover karakteriserades med transmissionselektronmikroskopi, UV-Vis absorptionsspektrofotometri, Raman-spektroskopi och induktivt kopplad plasma optisk emissionsspektroskopi. Den slutliga retentatet bestod av högkoncentrerat (4 ml, 8,539.9 pg ml -1) ändå ödmjuk aggregerade och homogenAgNPs med 1-20 nm i diameter. Detta motsvarar en koncentration silver utbyte av omkring 62%.
Protocol
Discussion
UV-Vis absorptionsspektrofotometri och Raman-spektroskopi av kolloidala AgNPs
Det är väl känt att antalet av ytplasmonresonans toppar i absorptionsspektrumet för en kolloid minskar då symmetrin hos de AgNPs ökar. Dessutom leder AgNP aggregering till uppkomsten av bredare eller röd-skiftade toppar. 25,26 Förekomsten av en enda, skarp och symmetrisk SPR topp vid 394 nm är ett tecken på små sfäriska AgNPs av måttlig aggregering och storleksfördelning.
<p class="jove_co…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Finansiering från National Science Foundation genom NUE i teknisk och Leaderprogrammen konsortiet tacksamt erkänt.
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).
