액체에서의 펄스 레이저 어블 레이션에 의한 금속 나노 입자의 제조 : 나노 입자의 항균성 연구를위한 도구
Summary
구리 및은과 같은 금속의 항균 특성은 수세기 동안 인정되어왔다. 이 프로토콜은 액체의 펄스 레이저 절제 (pulsed laser ablation)를 기술하며,이 나노 입자의 특성을 미세 조정하여 항균 효과를 최적화 할 수있는 금속 나노 입자를 합성하는 방법입니다.
Abstract
다제 내성 세균의 출현은 전 세계적으로 임상 적으로 우려되고 있으며, 일부 사람들은 '항생제 전 처치'시대로의 복귀를 예상하고 있습니다. 새로운 소분자 항균제를 확인하려는 노력 외에도, 항균 특성으로 인해 의료 기기, 상처 드레싱 및 소비자 패키징 용 코팅제로 금속 나노 입자를 사용하는 데 큰 관심이있었습니다. 나노 입자 합성에 사용할 수있는 다양한 방법은 항균 효과에 영향을 줄 수있는 광범위한 화학적 및 물리적 특성을 나타냅니다. 이 원고는 나노 입자를 만들기위한 액체의 펄스 레이저 절제 (PLAL) 방법을 설명합니다. 이 접근법은 조사 후 방법과 계면 활성제 또는 체적 제외 물의 첨가를 사용하여 나노 입자 크기, 조성 및 안정성을 미세 조정할 수있게합니다. 입자 크기와 조성을 조절함으로써, 금속 nanopa의 물리적 및 화학적 특성의 넓은 범위항균 효과에 기여할 수있는 항생제가 개발 될 수 있으므로 항균제 개발을위한 새로운 길을 열 수 있습니다.
Introduction
Nanoparticles (NPs)는 일반적으로 길이가 100nm 미만인 하나 이상의 치수를 갖는 입자로 정의됩니다. 전통적인 화학적 NP 합성 방법은 전형적으로 보로 하이드 라이드 및 히드라진과 같은 유해한 환원제를 필요로합니다. 대조적으로, 액체 매질 (액체의 펄스 레이저 절삭 – PLAL)에 잠긴 고체 금속 표적의 레이저 절삭은 녹색 화학 원리 1,2의 모든 12 개를 충족시키는 NP 합성을위한 환경 친화적 인 경로를 제공합니다. PLAL에서, 잠긴 금속 표적은 반복 된 레이저 펄스에 의해 조사된다. 레이저가 타겟을 제거하면, 원자 클러스터 및 증기의 조밀 한 기둥이 NP가 신속하게 합체되는 액체 매질로 방출된다. PLAL에 의해 생성 된 NP는 수성 매질에 미세하게 분산되고, NP의 크기, 다 분산도 및 조성은 수성 제거 액체 및 레이저 파를 변화시킴으로써 용이하게 제어 될 수있다ameters 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 .
나노 입자 특성은 플루 언스, 파장 및 펄스 지속 시간 (참고 자료 7 에서 검토 됨)을 비롯한 많은 레이저 매개 변수를 조정하여 조정할 수 있습니다. 레이저 플루 언스는 펄스 에너지를 타겟 표면상의 레이저 스폿의 면적으로 나눈 값으로 계산됩니다. NP의 크기와 다분 산성에 미치는 fluence의 정확한 효과는 다소 논란의 여지가있다. 일반적으로 '긴'및 '매우 짧은'펄스 레이저 시스템의 경우 크기가 음수 및 양수로 각각 8 , 9 , 10 , 11 을 발생하는 낮은 및 높은 플루 언스 영역이 있음이 나타났습니다. NP 크기 분포동적 광산란 및 투과 전자 현미경 (TEM)과 같은 기술을 사용하여 경험적으로 측정 할 수 있습니다.
레이저 파장의 선택은 NP가 형성되는 물리적 메커니즘에 영향을 줄 수 있습니다. 더 짧은 (자외선) 파장에서 고 에너지 광자는 원자 간 결합을 파괴 할 수 있습니다 12 . 이 광 절삭 메커니즘은 하향식 NP 합성의 한 예이며, 이는 침지 액체 12 , 13 , 14 에서 급냉시 더 큰 다 분산 샘플을 생성하는 경향이있는 초소형 물질 조각을 방출하기 때문입니다. 대조적으로, 근적외선 제거 (λ = 1,064 nm)는 플라즈마 제거에 의해 지배되는 상향식 합성 메커니즘을 산출합니다 12 . 목표물에 의한 레이저 흡수는 전자와 충돌 해 전자를 자유롭게 만듭니다. C로물질이 이온화되어 플라즈마를 점화시킨다. 주변 액체는 플라즈마를 가두어주고 안정성을 높이며 흡수를 더욱 증가시킵니다 12 . 팽창하는 플라즈마가 구속 액체에 의해 급냉됨에 따라, NP는 다양한 기하학적 형상 4 , 12 , 15로 응축된다.
레이저 펄스 지속 시간의 선택은 NP 형성 과정에 더 영향을 줄 수 있습니다. 일반적으로 사용되는 긴 펄스 레이저는 펄스 지속 시간이 수 피코 초보다 크며 모든 밀리, 마이크로, 나노 및 일부 피코 초 펄스 레이저를 포함합니다. 이 펄스 폭 영역에서, 레이저 펄스 지속 시간은 전자 – 포논 평형 시간보다 길며, 전형적으로 수 피코 초 4 , 16 , 17 , 18 , 19. 이것은 열 이온 방출, 기화, 비등 및 용융과 같은 열적 메커니즘에 의해 주변 절제 매질로의 에너지 누출 및 NP의 형성을 초래한다.
NP의 항균 활성은 입자 크기 21 , 22 , 23 , 24 에 크게 영향을받습니다. 크기 감소 및 단 분산을 향상시키기 위해, NP는 NP의 표면 플라즈몬 공명 (SPR) 부근의 파장을 갖는 레이저를 사용하여 두 번째로 조사 될 수있다. 입사 된 레이저 복사는 SPR의 여기를 통해 NP에 흡수됩니다. NP의 분열은 열 증발 25 , 26 또는 쿨롱 폭발 27 , 28 을 통해 발생할 수 있습니다. photoexcitation은 t를 발생시킵니다.그는 NP의 융점보다 높은 온도로 입자의 외부 층을 흘린다. 폴리 비닐 피 롤리 돈 (PVP)이나 나트륨 도데 실 설페이트 (SDS)와 같은 제제를 용액에 첨가하면 방사선 조사 후 효과를 크게 향상시킬 수 있다는 것이 밝혀졌습니다 5 . 다양한 용질의 첨가의 영향은 여러 보고서 1 , 4 , 6에 기술되어 있다. PLAL에 의한 NP 특성 조작의 용이성은 새로운 NP 기반 항균제를 개발하는 새로운 방법을 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
NP의 재현성있는 항균 효과는 비슷한 크기와 농도의 NP를 지속적으로 생산해야한다. 따라서 플루 언스 (fluence), 파장 및 펄스 지속 시간 등의 레이저 매개 변수를 표준화하는 것이 중요합니다. 동적 광 산란은 NP 크기를 추정하기위한 쉽고 신속한 방법이지만, 크기 분포의 정확한 정량화는 TEM에 의한 직접 측정이 필요합니다. 각 레이저 빔은 모드 프로파일 및 발산 측면에서 뚜렷한 특성을 가지므로 …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 연구는 국립 과학 재단 (NSF 어워드 DB에 CMMI-0922946, DB 및 S.O'M.에 CMMI-1300920, S.O.M., DB 및 EAK에 CMMI-1531789) 및 EAK와 S.O'M에게 Busch Biomedical Research Grant 부여.
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 |
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