Summary

मैंगनीज ऑक्साइड नैनोपार्टिकल संश्लेषण द्वारा थर्मल अपघटन द्वारा मैंगनीज (II) एसिटाइलेसिटोनेट

Published: June 18, 2020
doi:

Summary

इस प्रोटोकॉल में ओलीलमाइन और डिबेंजिल ईथर की उपस्थिति में मैंगनीज (II) एसिटाइलेसिटोनेट के थर्मल अपघटन द्वारा मैंगनीज ऑक्साइड (एमएनओ) नैनोकणों के एक फेसियल, एक पॉट संश्लेषण का विवरण दिया गया है। एमएनएनओ नैनोकणों का उपयोग चुंबकीय अनुनय इमेजिंग, बायो सेंसिंग, उत्प्रेरक, बैटरी और अपशिष्ट जल उपचार सहित विविध अनुप्रयोगों में किया गया है।

Abstract

बायोमेडिकल अनुप्रयोगों के लिए, धातु ऑक्साइड नैनोकणों जैसे आयरन ऑक्साइड और मैंगनीज ऑक्साइड (एमएनओ) का उपयोग चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) में बायोसेंसर और कंट्रास्ट एजेंट के रूप में किया गया है। जबकि आयरन ऑक्साइड नैनोकणों ठेठ प्रयोगात्मक समय सीमा पर एमआरआई पर लगातार नकारात्मक विपरीत प्रदान करते हैं, MnO एमएनएनआइ के विघटन के माध्यम से एमआरआई पर स्विचेबल सकारात्मक विपरीत उत्पन्न करता है2 + सेल एंडोसोम के भीतर कम पीएच पर ‘ चालू ‘ एमआरआई विपरीत । यह प्रोटोकॉल ओलिलमाइन और डिबेंजिल ईथर में मैंगनीज (II) एसिटाइलेस्टोनेट के थर्मल अपघटन द्वारा गठित एमएनओ नैनोकणों के एक-पॉट संश्लेषण का वर्णन करता है। हालांकि एमएनओ नैनोकणों के संश्लेषण को चलाना सरल है, प्रारंभिक प्रयोगात्मक सेटअप को पुन: पेश करना मुश्किल हो सकता है यदि विस्तृत निर्देश प्रदान नहीं किए जाते हैं। इस प्रकार, कांच के बर्तन और ट्यूबिंग असेंबली को पहली बार अन्य जांचकर्ताओं को सेटअप को आसानी से पुन: पेश करने की अनुमति देने के लिए अच्छी तरह से वर्णित किया गया है। संश्लेषण विधि वांछित तापमान प्रोफ़ाइल के स्वचालित और सटीक हेरफेर को प्राप्त करने के लिए एक तापमान नियंत्रक को शामिल करती है, जो नैनोपार्टिकल आकार और रसायन शास्त्र को प्रभावित करेगी। थर्मल अपघटन प्रोटोकॉल को अन्य धातु ऑक्साइड नैनोकणों (जैसे, आयरन ऑक्साइड) उत्पन्न करने और वैकल्पिक कार्बनिक सॉल्वैंट्स और स्टेबलाइजर (जैसे, ओलिक एसिड) को शामिल करने के लिए आसानी से अनुकूलित किया जा सकता है। इसके अलावा, स्थिर गुणों को और अधिक प्रभावित करने के लिए ऑर्गेनिक सॉल्वेंट से स्टेबलाइजर के अनुपात को बदला जा सकता है, जो यहां दिखाया गया है। संश्लेषित एमएनओ नैनोकणों को क्रमशः ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी, एक्स-रे विवर्तन और फोरियर-ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से आकृति विज्ञान, आकार, थोक संरचना और सतह संरचना के लिए चिह्नित किया जाता है। इस विधि द्वारा संश्लेषित एमएनओ नैनोकण हाइड्रोफोबिक होंगे और जैविक तरल पदार्थों और ऊतकों के साथ बातचीत के लिए हाइड्रोफिलिक समूहों को शामिल करने के लिए लिगांड एक्सचेंज, पॉलीमेरिक एनकैप्सुलेशन, या लिपिड कैपिंग के माध्यम से आगे हेरफेर किया जाना चाहिए।

Introduction

धातु ऑक्साइड नैनोकणों में चुंबकीय, विद्युत और उत्प्रेरक गुण,होते हैं, जिन्हें बायोइमेजिंग1,2, 3,सेंसर प्रौद्योगिकियों4,5,उत्प्रेरक,6,7,,58,ऊर्जा भंडारण9,और जल शुद्धिकरण10में लागू किया गया है।6, बायोमेडिकल क्षेत्र के भीतर, आयरन ऑक्साइड नैनोकणों और मैंगनीज ऑक्साइड (एमएनओ) नैनोकणों ने चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई)1,,2में विपरीत एजेंटों के रूप में उपयोगिता साबित की है। आयरन ऑक्साइड नैनोकण टी 2 * एमआरआई पर मजबूत नकारात्मक विपरीत उत्पन्न करते हैं और वीवो11 , 12,213,13में एकल लेबल कोशिकाओं की कल्पना करने के लिए पर्याप्त शक्तिशाली हैं । हालांकि, नकारात्मक एमआरआई संकेत को संग्राहक नहीं किया जा सकता है और विशिष्ट प्रयोगों की अवधि के दौरान “ऑन” रहता है। जिगर, बोन मैरो, रक्त और तिल्ली में मौजूद अंतर्जात लोहे के कारण, आयरन ऑक्साइड नैनोकणों से उत्पन्न नकारात्मक विपरीत की व्याख्या करना मुश्किल हो सकता है। दूसरी ओर, एमएनओ नैनोकण पीएच में गिरावट के प्रति उत्तरदायी हैं। एमएनए नैनोकणों के लिए एमआरआई सिग्नल “ऑफ” से “ऑन” तक संक्रमण कर सकता है, एक बार नैनोकणों को कम पीएच एंडोसोम्स के अंदर आंतरिक किया जाता है और लक्ष्य कोशिका के लाइसोसोम जैसे कैंसर,सेल14,15,,16,17,,,,18,19। कम पीएच पर एमएनओ के विघटन से एमएन2 + तक उत्पादित टी1 एमआरआई पर सकारात्मक विपरीत अचूक है और केवल एक घातक ट्यूमर के भीतर लक्ष्य स्थल पर प्रकाश डालकर कैंसर का पता लगाने की विशिष्टता में सुधार कर सकता है। नैनोपार्टिकल आकार, आकृति विज्ञान और संरचना पर नियंत्रण एमएनओ नैनोकणों से अधिकतम एमआरआई सिग्नल प्राप्त करने के लिए महत्वपूर्ण है। इसके साथ ही, हम थर्मल अपघटन विधि का उपयोग करके एमएनएनओ नैनोकणों का संश्लेषण और विशेषता कैसे बताते हैं और संश्लेषण प्रक्रिया में चर में फेरबदल करके ठीक ट्यूनिंग नैनोपार्टिकल गुणों के लिए विभिन्न रणनीतियों को नोट करते हैं। इस प्रोटोकॉल को आसानी से अन्य चुंबकीय नैनोकणों जैसे आयरन ऑक्साइड नैनोकणों का उत्पादन करने के लिए संशोधित किया जा सकता है।

एमएनएनओ नैनोकणों का उत्पादन थर्मल अपघटन20, 21, 22,23,,,24,24,25,,हाइड्रो/सोल्वोथर्मल26,,27,2228,,28,,29,एक्सफोली सहित विभिन्न तकनीकों द्वारा किया गया है।30,31,32,33,27,34, परमानगन 35 ,36,3734,38, और सोख-ऑक्सीकरण39,3740, 41,,,4142. थर्मल अपघटन सबसे अधिक उपयोग की जाने वाली तकनीक है जिसमें एमएनएनओ नैनोकणों केगठनके लिए एक अक्रिय गैसीय वातावरण की उपस्थिति के तहत मैगनीज अग्रदूतों, कार्बनिक सॉल्वैंट्स और उच्च तापमान (180-360 डिग्री सेल्सियस) पर एजेंटों को स्थिर करना शामिल है। इन सभी तकनीकों में से, थर्मल अपघटन एक संकीर्ण आकार वितरण के साथ शुद्ध चरण (एमएनओ, एमएन 3 ओ4 और एमएन2डी33)के विभिन्न प्रकार के एमएनओ नैनोक्रिस्टल उत्पन्न करने के लिए बेहतर तरीका है। इसकी बहुमुखी प्रतिभा को नैनोपार्टिकल आकार, आकृति विज्ञान और संरचना को कसकर नियंत्रित करने की क्षमता के माध्यम से हाइलाइट किया जाता है प्रतिक्रिया समय44,,45,,,46,तापमान44, 47,,48,,49,प्रतिक्रियाओं के प्रकार/अनुपात20,4745,,,47,,48,,50 और अकर्ट गैस47,48,,50 का उपयोग किया जाता है।, इस विधि की मुख्य सीमाएं उच्च तापमान, ऑक्सीजन मुक्त वातावरण और संश्लेषित नैनोकणों की हाइड्रोफोबिक कोटिंग की आवश्यकता हैं, जिसके लिए जैविक अनुप्रयोगों,,14, 51,52,,53के लिए घुलनशीलता बढ़ाने के लिए पॉलीमर, लिपिड या अन्य लिगामेंट्स के साथ और संशोधन की आवश्यकता होती है।53

थर्मल अपघटन के अलावा, हाइड्रो/सॉल्वोथर्मल विधि एकमात्र अन्य तकनीक है जो एमएनओ, एमएन3ओ 4 और एमएनओ2सहित विभिन्न प्रकार के एमएनओ चरणों का उत्पादन कर सकती है।2 अन्य सभी रणनीतियां केवल एमएनओ2 उत्पाद बनाती हैं। हाइड्रो/सॉल्वथेरमल संश्लेषण के दौरान, एक संकीर्ण आकार वितरण के साथ नैनोकणों को प्राप्त करने के लिए कई घंटों में एमएन (II) स्टेरेट54,,55 और एमएन (II) एसीटेटजैसे अग्रदूतों को 120-200 डिग्री सेल्सियस के बीच गर्म किया जाता है; हालांकि, विशेष प्रतिक्रिया जहाजों की आवश्यकता होती है और प्रतिक्रियाएं उच्च दबाव पर की जाती हैं। इसके विपरीत, एक्सफोलिएशन रणनीति में 2डी एकल परतों में वियोजन को बढ़ावा देने के लिए एक स्तरित या थोक सामग्री का उपचार शामिल है। इसका मुख्य लाभ एमएनओ2 नैनोशीट के उत्पादन में है, लेकिन संश्लेषण प्रक्रिया लंबे समय से कई दिनों की आवश्यकता होती है और चादरों के परिणामस्वरूप आकार को नियंत्रित करना मुश्किल है। वैकल्पिक रूप से, केएमएनओ4 जैसे परमगनेट्स एमएनएनओ2 नैनोकणों को बनाने के लिए ओलिक एसिड56,,57,ग्राफीन ऑक्साइड58 या पॉली (एलेलिमाइन हाइड्रोक्लोराइड)59 जैसे एजेंटों को कम करने के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं। केपीएनओ4 का उपयोग जलीय परिस्थितियों में कुछ मिनटों से घंटों तक कमरे के तापमान पर नैनोपार्टिकलगठनकी सुविधा प्रदान करता है। दुर्भाग्य से, तेजी से संश्लेषण और नैनोपार्टिकल विकास के परिणामस्वरूप नैनोपार्टिकल आकार को बारीक नियंत्रित करना चुनौतीपूर्ण बनाता है। एमएनओ2 नैनोकणों को सोखने-ऑक्सीकरण का उपयोग करके भी संश्लेषित किया जा सकता है जिससे एमएन2 + आयनों को बुनियादी परिस्थितियों में ऑक्सीजन द्वारा एमएनओ 2 में सोख और ऑक्सीकृत कियाजाता है। यह विधि जलीय मीडिया में कई घंटों में कमरे के तापमान पर एक संकीर्ण आकार वितरण के साथ छोटे एमएनओ2 नैनोकणों का उत्पादन करेगी; हालांकि एमएन2 + आयनों और क्षार स्थितियों के सोखना के लिए आवश्यकता अपने व्यापक आवेदन43सीमाओं .

एमएनओ नैनोपार्टिकल संश्लेषण विधियों पर चर्चा की गई, थर्मल अपघटन विशेष संश्लेषण जहाजों की आवश्यकता के बिना नैनोपार्टिकल आकार, आकार और संरचना पर नियंत्रण के साथ विभिन्न मोनोडिस्पर्स शुद्ध चरण नैनोक्रिस्टल उत्पन्न करने के लिए सबसे बहुमुखी है। इस पांडुलिपि में, हम वर्णन करते हैं कि एमएनएनआइटी (II) एसिटाइलेस्टोनेट (एमएन (II) एसीएसी का उपयोग करके 280 डिग्री सेल्सियस पर थर्मल अपघटन द्वारा एमएनओ नैनोकणों को कैसे संश्लेषित किया जाए, जो एमएनएन2 + आयनों, ओलिमाइन (ओए) के स्रोत के रूप में कम करने वाले एजेंट और स्टेबलाइजर के रूप में, और डिबेंजिल ईथर (डीई) को नाइट्रोजन वातावरण के तहत सॉल्वेंट के रूप में। नैनोपार्टिकल संश्लेषण के लिए कांच के बर्तन और ट्यूबिंग सेटअप को विस्तार से समझाया गया है। तकनीक का एक लाभ एक तापमान नियंत्रक, थर्मोकपल जांच, और हीटिंग मेंटल को शामिल करना है ताकि प्रत्येक तापमान पर सटीक-ट्यून नैनोपार्टिकल आकार और संरचना पर सटीक नियंत्रण सक्षम किया जा सके। इसके साथ ही, हम दिखाते हैं कि कैसे ओए के अनुपात को डीई में बदलकर नैनोपार्टिकल आकार में भी हेरफेर किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, हम प्रदर्शित करते हैं कि नैनोपार्टिकल नमूने कैसे तैयार किए जाएं और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM), एक्स-रे डिफेक्शन (एक्सआरडी), और फोरियर-ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी (एफटीआर) का उपयोग करके नैनोपार्टिकल आकार, थोक संरचना और सतह संरचना को मापने के लिए क्रमशः। इसके अलावा मार्गदर्शन कैसे एकत्र छवियों और प्रत्येक साधन से स्पेक्ट्रा का विश्लेषण करने पर शामिल है। समान रूप से आकार के एमएनओ नैनोकणों को उत्पन्न करने के लिए, एक स्टेबलाइजर और पर्याप्त नाइट्रोजन प्रवाह मौजूद होना चाहिए; एक्सआरडी और TEM परिणाम ओए की अनुपस्थिति में और कम नाइट्रोजन प्रवाह के तहत बनने वाले अवांछित उत्पादों के लिए दिखाए जाते हैं। चर्चा अनुभाग में, हम प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदमों, सफल नैनोपार्टिकल संश्लेषण को निर्धारित करने के लिए मैट्रिक्स, नैनोपार्टिकल गुणों (आकार, आकृति विज्ञान और संरचना), समस्या निवारण और विधि की सीमाओं को संशोधित करने के लिए अपघटन प्रोटोकॉल की और भिन्नता, और बायोमेडिकल इमेजिंग के लिए कंट्रास्ट एजेंट के रूप में MnO नैनोपार्टिकल्स के अनुप्रयोगों को उजागर करते हैं।

Protocol

1. ग्लासवेयर और ट्यूबिंग असेंबली – केवल पहली बार प्रदर्शन किया जाएगा नोट: चित्रा 1 गिने ट्यूबिंग कनेक्शन के साथ MnO नैनोपार्टिकल संश्लेषण के लिए प्रयोगात्मक सेटअप से पता चलता है । <strong cl…

Representative Results

सफल संश्लेषण की पुष्टि करने के लिए, एमएनओ नैनोकणों को आकार और आकृति विज्ञान (TEM), बल्क संरचना (एक्सआरडी), और सतह संरचना (एफटीआर) के लिए परख किया जाना चाहिए। चित्रा 2 से पता चलता है कि 101मांकी (ओए, स्ट…

Discussion

यहां प्रोटोकॉल एमएन (II) एसीएसी, डीई और ओए का उपयोग करके एमएनओ नैनोकणों के एक फेसियल, एक-पॉट संश्लेषण का वर्णन करता है। एमएन (II) एसीएसी का उपयोग एमएनओ नैनोपार्टिकल गठन के लिए एमएन2 + का स्रोत प्रदान करने ?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

इस काम को डब्ल्यूवीयू केमिकल एंड बायोमेडिकल इंजीनियरिंग डिपार्टमेंट स्टार्टअप फंड्स (एमएफबी) ने सपोर्ट किया । लेखक ग्रिड तैयार करने और TEM के साथ नैनोकणों की छवि पर कब्जा करने पर मार्गदर्शन के लिए डॉ मार्सेला Redigolo शुक्रिया अदा करना चाहते हैं, डॉ Qiang वांग XRD और FTIR स्पेक्ट्रा के मूल्यांकन पर समर्थन के लिए, डॉ जॉन Zondlo और हंटर Snoderly प्रोग्रामिंग के लिए और नैनोपार्टिकल संश्लेषण प्रोटोकॉल में तापमान नियंत्रक को एकीकृत करने, नैनोपार्टिकल संश्लेषण की विधानसभा में उनकी सहायता के लिए जेंस हॉल , अलेक्जेंडर पुशेल और जेना विटो ने TEM छवियों से एमएनएनो नैनोपार्टिकल व्यास के मात्राकरण में सहायता के लिए, और डब्ल्यूवीयू ने TEM, XRD और FTIR के उपयोग के लिए साझा अनुसंधान सुविधा साझा की।

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

References

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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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