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Bioengineering

망간 산화 질소 입자 합성 망간 (II) 아세틸라토네이트의 열 분해에 의해

Published: June 18, 2020 doi: 10.3791/61572
Automatic Translation
1, 1
1Department of Chemical and Biomedical Engineering, West Virginia University

Summary

이 프로토콜은 올릴라민과 디벤질 에테르의 존재에서 망간(II) 아세틸레토네이트의 열 분해에 의한 망간 산화물(MnO) 나노입자의 촉진, 1냄비 합성을 자세히 설명합니다. MnO 나노입자는 자기 공명 영상, 바이오센싱, 촉매, 배터리 및 폐수 처리를 포함한 다양한 응용 분야에서 활용되고 있습니다.

Abstract

생체 의학 응용 분야에서는 산화철 및 망간 산화물(MnO)과 같은 금속 산화물 나노 입자가 자기 공명 영상(MRI)에서 바이오 센서 및 조영제로 사용되어 왔습니다. 산화철 나노입자는 일반적인 실험 기간 동안 MRI에 일정한 음극대조를 제공하지만, MnO는 세포 내의 낮은 pH에서Mn2+로 Mn2+의 용해를 통해 MRI에 전환 가능한 양대비를 생성하여 MRI 콘트라스트를 '켜기' MRI 콘트라스트로 설정합니다. 이 프로토콜은 올릴라민과 디벤질 에테르에서 망간(II) 아세틸레톤네이트의 열 분해에 의해 형성된 MnO 나노 입자의 1냄비 합성을 설명합니다. MnO 나노 입자의 합성을 실행하는 것은 간단하지만, 상세한 지침이 제공되지 않는 경우 초기 실험 설정은 재현하기 어려울 수 있습니다. 따라서, 유리 제품 및 튜브 조립체는 먼저 철저하게 다른 조사관이 설정을 쉽게 재현할 수 있도록 설명된다. 합성 방법은 온도 컨트롤러를 통합하여 원하는 온도 프로파일의 자동화되고 정밀한 조작을 달성하여 나노입자 크기와 화학에 영향을 미칩니다. 열 분해 프로토콜은 다른 금속 산화물 나노 입자 (예를 들어, 산화철)를 생성하고 대체 유기 용매 및 안정제 (예를 들어, 올레산)를 포함하도록 쉽게 적응 할 수 있습니다. 또한, 유기 용매의 안정제 비율은 나노입자 특성에 더 영향을 미치기 위해 변경될 수 있으며, 이는 본원에 나와 도시된다. 합성 MnO 나노 입자는 각각 전송 전자 현미경 검사법, X 선 회절 및 Fourier 변환 적외선 분광법을 통해 형태, 크기, 벌크 조성 및 표면 조성을 특징으로합니다. 이 방법에 의해 합성된 MnO 나노입자는 소수성이며, 생물학적 유체 및 조직과의 상호 작용을 위해 친성군을 통합하기 위해 리간드 교환, 중합체 캡슐화 또는 지질 캡핑을 통해 더욱 조작되어야 한다.

Introduction

금속 산화수소 나노 입자는 자기, 전기 및 촉매 특성을 가지고 있으며, 바이오 이미징1,,2,,3,센서 기술4,,5,촉매6,,7,,8,에너지 저장9및 정수10에적용되었다. 생물의학 분야 내에서, 산화철 나노입자 및 망간 산화질소(MnO) 나노입자는 자기 공명 영상(MRI)1,2에서조영제로유틸리티를입증하였다. 산화철 나노입자는 T2* MRI에 견고한 음의 대조를 생성하고 생체11,12,,13에서단일 표지 된 세포를 시각화 할 만큼 강력하다;, 그러나, 부정적인 MRI 신호는 변조될 수 없고 일반적인 실험의 기간 내내 "ON"남아 있습니다. 간, 골수, 혈액 및 비장에서 존재하는 내인성 철로 인해 산화철 나노 입자에서 발생하는 부정적인 대비는 해석하기 어려울 수 있습니다. MnO 나노 입자는 반면에 pH의 낙하에 반응한다. MnO 나노입자에 대한 MRI 신호는 나노입자가 암세포,,14,15,16,,17,,18,,19와같은 표적 세포의 낮은 pH 내분및 리소좀 내부에 내면화되면 "OFF"에서 "ON"으로 전환될 수 있다. MnO의 용해에서 Mn2+로 생성된T1 MRI의 양성 대비는 틀림없으며 악성 종양 내의 표적 부위에만 점등하여 암 검출 특이성을 향상시킬 수 있다. 나노 입자 크기, 형태 및 조성에 대한 제어는 MnO 나노 입자로부터 최대 MRI 신호를 달성하는 데 중요합니다. 본명, 열분해 방법을 이용하여 MnO 나노입자를 합성 및 특성화하는 방법을 설명하고 합성 과정에서 변수를 변경하여 나노입자 특성을 미세 조정하기 위한 다양한 전략을 주목한다. 이 프로토콜은 산화철 나노입자와 같은 다른 자기 나노입자를 생성하도록 쉽게 변형될 수 있다.

MnO 나노입자는,,,열분해(20,21,22,,23, 24,,25,,25하이드로/솔보열26,,27,,28,29,각질 제거) 등의 다양한 기술에 의해 제조되고 있다.30,,31,,32,,33,,34,영등감35,36,,,37,,38,및 흡착 산화39,,40,,41,,42. 열분해는 MnO나노입자(43)를형성하는 불활성 기체 대기의 존재 하에서 망간 전구체, 유기 용매 및 안정화제(180 ~360°C)를 용해시키는 가장 일반적으로 사용되는 기술이다. 이러한 모든 기술 중에서 열 분해는 좁은 크기 분포를 가진 순수 상(MnO, Mn3O4 및 Mn2O3)의다양한 MnO 나노결정을 생성하는 우수한 방법입니다. 그 다재다능함은 반응 시간,,47,,44,45,46,온도44,,47, 48,,49,반응제20,45,,47,,48,50 및 불활성 가스47,,48,,50을 변경하여 나노 입자크기,형태 및 조성물을 엄격하게 제어 할 수있는 기능을 통해 강조된다.48 이 방법의 주요 한계는 고온, 산소없는 대기 및 합성 된 나노 입자의 소수성 코팅에 대한 요구 사항이며, 이는 생물학적 응용 에 대한 용해도를 높이기 위해 중합체, 지질 또는 기타 리간드와 추가 수정이 필요합니다14,,51,,52,,53.

열 분해 외에도, 하이드로/솔보열 방법은 MnO, Mn3O4및 MnO2를포함한 다양한 MnO 위상을 생성할 수 있는 유일한 다른 기술이다. 다른 모든 전략은 MnO2 제품만 형성합니다. 하이드로/솔보열 합성 중, Mn(II) 스테레이트54,,55 및 Mn(II) 아세테이트(27)와 같은 전구체는 몇 시간 동안 120-200°C 사이로 가열되어 좁은 크기 분포를 가진 나노입자를 달성한다.27 그러나 특수 반응 용기가 필요하며 고압에서 반응이 수행됩니다. 대조적으로, 각질 제거 전략은 2D 단층으로 해리를 승진시키기 위하여 계층화 또는 벌크 물질의 처리를 관련시킵니다. 그것의 주요 장점은 MnO2 나노 시트를 생산하지만 합성 과정은 며칠이 길고 시트의 결과 크기는 제어하기 어렵다. 대안적으로, KMnO4와 같은 퍼망가네이트는 올레산(56),56,57,그래핀 옥사이드58 또는 폴리(allylamine 염산염)59와 같은 환원제와 반응하여 MnO2 나노입자를 생성할 수 있다. KMnO4의 사용은 수성 조건43내에서 몇 분에서 시간까지 실온에서 나노 입자 형성을 용이하게한다. 불행히도, 급속한 합성과 나노 입자 성장은 그 결과로 생기는 나노 입자 크기를 미세하게 제어하는 것을 어렵게 만듭니다. MnO2 나노입자는 또한 흡착 산화를 사용하여 합성될 수 있으며,이온은 기본 조건하에서 산소에 의해 MnO2에 흡착및 산화된다. 이 방법은 수성 물질에서 몇 시간 동안 실온에서 좁은 크기 분포를 가진 작은 MnO2 나노 입자를 생성합니다; 그러나 Mn2 + 이온 및 알칼리 조건의 흡착 에 대한 요구 사항은 광범위한 응용 프로그램43을제한합니다.

논의된 MnO 나노입자 합성 방법 중 열분해는 특수 합성 혈관없이 나노입자 크기, 형상 및 조성물을 제어하여 상이한 단분산 순수상 나노결정을 생성하는 가장 다재다능하다. 본 원고에서는,Mn2+ 이온의 원천으로서, 올릴라민(OA)을 질소 대기 하에서 용매로 하여 Mn2+이온(II) ACAC를 사용하여 280°C에서 열 분해에 의한 MnO 나노입자를 합성하는 방법을 설명한다. 나노 입자 합성을위한 유리 제품 및 튜브 설정은 자세히 설명됩니다. 이 기술의 한 가지 장점은 온도 제어기, 열전대 프로브 및 가열 맨틀을 포함하여 각 온도에서 가열 속도, 피크 온도 및 반응 시간을 정밀하게 제어하여 나노입자 크기와 조성물을 미세 조정하는 것입니다. 본명, 우리는 OA의 비율을 DE로 변경하여 나노입자 크기도 조작할 수 있는 방법을 보여줍니다. 또한, 나노입자 샘플을 준비하고 나노입자 크기, 벌크 조성 및 표면 조성물을 전송 전자 현미경검사(TEM), X선 회절(XRD), 푸리에 변환 적외선 분광법(FTIR)을 사용하여 측정하는 방법을 시연합니다. 각 계측기에서 수집된 이미지와 스펙트럼을 분석하는 방법에 대한 추가 지침이 포함되어 있습니다. 균일하게 형성된 MnO 나노입자를 생성하려면 안정제및 적절한 질소 흐름이 있어야 합니다. XRD 및 TEM 결과는 OA가 없는 상태에서 낮은 질소 흐름 하에서 형성되는 원치 않는 제품에 대해 도시된다. 토론 섹션에서는 프로토콜의 중요한 단계, 성공적인 나노 입자 합성을 결정하는 메트릭, 나노 입자 특성 (크기, 형태 및 조성), 문제 해결 및 방법의 한계를 수정하는 분해 프로토콜의 추가 변형, 생물 의학 이미징을위한 조영제로 MnO 나노 입자의 응용 프로그램을 강조합니다.

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Protocol

1. 유리 제품 및 튜브 조립 - 처음으로 수행 될

참고: 도 1은 번호가 매겨진 튜브 연결을 가진 MnO 나노 입자 합성에 대한 실험 설정을 보여줍니다. 도 S1은 표지된 주 유리제품 구성 요소와 동일한 설정을 표시합니다. 화학적 내성 튜브와 유리 연결 크기 사이에 불일치가 있는 경우, 연결체를 꼭 모으기 위해 화학적 내성 튜브를 추가하기 전에 짧은 튜브로 먼저 유리 연결을 덮습니다.

  1. 승인된 스트랩 구속을 사용하여 화학 연기 후드 에 가까운 벽에 공기가 없는 질소 탱크를 고정하십시오. 탱크에 적절한 질소 레귤레이터를 추가합니다.
    주의: 가스 실린더는 넘어지면 매우 위험할 수 있기 때문에 제대로 고정되어야 합니다.
  2. 가스 건조 컬럼을 건조제로 채웁니다. 공기가 없는 질소 레귤레이터에서 가스 건조 열의 하단 입구에 화학저항 튜브를 부착합니다(도 1에서#1).
  3. 두 개의 금속 발톱 클램프를 사용하여 연기 후드 의 상단에 적어도 2 개의 콘센트 스톱콕이 들어있는 유리 매니폴드를 고정하십시오. 가스 건조 컬럼(도 1의#2)의 출구에서 화학적 내성 튜브를 매니폴드(도 1의#3)의 입구에 부착합니다.
  4. 도 1에따라 금속 발톱 클램프를 사용하여 연기 후드에 3 개의 미네랄 오일 버블러를 배치하고 고정하십시오. 왼쪽에 버블러 2개와 버블러 1개를 오른쪽에 놓습니다.
  5. 가장 왼쪽 버블러(그림 1에서#9)를 가장 적은 양의 실리콘 오일(버블러 바닥에서 1인치)으로 채웁니다. 중간 버블러(도 1에서#7,8)를 중간 양의 실리콘 오일(거품기 바닥에서 1.5인치)으로 채웁니다. 가장 오른쪽 버블러 (그림 1에서#11)를 최대 양의 실리콘 오일 (거품기 바닥에서 2 인치 오일)로 채웁니다.
    참고: 광물 버블러 간의 상대적인 양의 실리콘 오일은 시스템을 통해 공기가 없는 질소 가스의 적절한 흐름을 달성하는 데 매우 중요합니다. 오일이 반응 중에 거품이 나고 과충전된 경우 버블러를 빠져나갈 수 있기 때문에 오일(~2.5인치 이상)을 너무 많이 첨가하지 마십시오.
  6. 매니폴드(도 1의#4)의 오른쪽 스톱콕에 있는 콘센트를 화학적 내성 튜브를 사용하여 유리 팔꿈치 어댑터(도 1의#5)의 나사 끝에 연결합니다.
  7. 다른 유리 팔꿈치 어댑터(도 1의#6)의 나사 끝을 화학적 내성 튜브를 사용하여 중간 버블러(도 1의#7)의 입구에 부착한다. 중간 버블러(도 1의#8)의 출구를 화학적 튜브를 사용하여 왼쪽 버블러(도 1의#9)의 입구에 연결합니다.
  8. 매니폴드(그림 1의#10)의 왼쪽 스톱콕의 콘센트를 오른쪽 버블러(도 1의#11)의 입구에 연결합니다.
  9. 공간이 수용되는 경우 연기 후드에 예비 설정을 남겨 둡니다. 실험이 실행되지 않을 때 연기 후드의 금속 격자에 튜브 부착(도 1의#5,6)이 부착된 두 개의 유리 팔꿈치 어댑터를 고정합니다.

2. 장비 및 유리 제품 설정 - 모든 실험 중에 수행 될

주의: 용매와 관련된 모든 단계는 화학 연기 후드뿐만 아니라 안전 안경, 실험실 코트 및 장갑을 포함한 적절한 개인 보호 장비 (PPE)를 사용해야합니다. 나노 입자 제조 설정은 연기 후드에 조립되어야한다.

  1. 연기 후드에 교반 판을 놓고 가열 맨틀을 교반 판 위에 놓습니다.
    참고: 가열 맨틀은 300 °C 이상의 온도를 견딜 수 있어야합니다.
  2. 4 목 500 mL 둥근 바닥 플라스크를 가열 맨틀에 넣고 금속 발톱 클램프로 중간 목을 고정시하십시오. 둥근 바닥 플라스크에 마그네틱 스터드 바를 추가합니다. 둥근 바닥 플라스크의 중간 목에 유리 깔때기를 놓습니다.
  3. 매니폴드 확인: 안전 스톱콕(그림 1의#10)과 입력 스톱콕(그림 1의#4)이 열려 있는지 확인합니다.
    주의: 시스템에 압력이 내장되어 있지 않도록 항상 안전 스톱콕을 열어야 합니다. 스톱콕이 닫히면 폭발이 발생할 수 있습니다.
  4. 망간 (II) 아세틸 레이스토네이트 (Mn (II) ACAC의 무게와 유리 깔때기를 사용하여 둥근 바닥 플라스크 내부에 배치합니다.
  5. 유리 파이펫과 유리 깔때기를 사용하여 20mL의 올리엘라민과 40mL의 디벤질 에테르를 둥근 바닥 플라스크에 넣습니다. 깔때기를 제거하고 헥산으로 청소하십시오.
    주의: 실험은(예를 들어, 2회) 확장될 수 있지만, 더 많은 양의 반응제를 사용할 때는 보수적이어야 합니다. 반응의 더 큰 양은 반응이 덜 안정되고, 따라서 위험하게 될 수 있습니다.
  6. 둥근 바닥 플라스크의 왼쪽 목에 응축기를 부착하고 금속 발톱 클램프로 응축기를 고정합니다. 응축기 위에 유리 팔꿈치 어댑터(도 1의#6)를 추가합니다.
    참고: 어댑터는 중간 미네랄 오일 버블러(도 1의#7)에 화학 내성 튜브와 연결되어야 합니다.
  7. 연기 후드(도 1의#12)의 물 콘센트 주물에서 응축기입구(도 1의#13)에 물과 호환되는 튜브를 연결합니다. 또한 응축기(도 1의#14)의 출구를 연기 후드의 배수구(도 1의#15)의 배수구에 연결하기 위해 물 호환 튜브를 사용합니다. 연동 웜 기어 메탈 호스 클램프로 응축기 연결(도 1의#13,14)에 튜브를 고정합니다.
  8. 원형 하단 플라스크의 오른쪽 목에 로토바프 트랩을 추가합니다. 유리 팔꿈치 어댑터(도 1의#5)를 로토바프 트랩 위에 놓습니다.
    참고: 어댑터는 오른쪽 스톱콕 매니폴드 콘센트에 화학 내성 튜브와 연결되어야 합니다(도 1의#4).
  9. 둥근 바닥 플라스크의 중간 목에 고무 스토퍼를 부착하고 측면이 플라스크의 목을 덮도록 접습니다. 팔꿈치 어댑터와 로토바프 트랩, 로토바프 트랩 및 둥근 바닥 플라스크, 둥근 바닥 플라스크 및 응축기, 응축기 및 팔꿈치 어댑터 : 플라스틱 원추형 조인트 클립 (그림 1의4 녹색 클립)을 추가합니다.
  10. 온도 프로브를 둥근 바닥 플라스크에서 가장 작은 목에 놓고 목 캡과 o 링으로 프로브를 조이고 고정합니다. 파라핀 플라스틱 필름과의 연결을 밀봉합니다.
    참고: 온도 프로브가 유체 혼합물 내에 침지되어 있지만 유리의 바닥을 만지지 않는지 확인하십시오. 프로브가 유리 표면과 접촉하는 경우, 측정된 온도는 실제 유체 온도에 비해 부정확하여 온도 제어기가 반응에 잘못된 양의 열을 제공합니다.
  11. 온도 프로브를 온도 컨트롤러의 입력에 연결합니다. 가열 맨틀을 온도 컨트롤러의 출력에 연결합니다.
  12. 교반판을 켜고 힘차게 저어주세요.
  13. 공기가 없는 질소 탱크를 열고 천천히 질소가 시스템에 흐르기 시작합니다 (이것은 공기를 제거합니다). 중간 광물 오일 버블러(도 1에서#7)에서 거품의 꾸준한 느린 흐름이 형성될 때까지 레귤레이터를 사용하여 질소 흐름을 조정한다.
  14. 연기 후드(도 1의#12)의 차가운 물을 콘덴서에 켜고 튜브에서 물이 누출되지 않는지 확인합니다.
  15. 반응이 시작되기 전에 연기 후드의 띠를 내려 놓습니다.

3. 나노 입자 합성

  1. 온도 컨트롤러(전원 및 난방 공급 장치)를 켜서 반응을 시작합니다. 각 단계에서 반응 혼합물의 색상을 관찰하고 기록합니다. 반응은 1 단계에서 3 단계에서 어두운 갈색으로 시작하고 스테이지 4 동안 녹색으로 바뀝니다.
    참고: 각 온도 컨트롤러는 다르게 작동합니다. 올바른 수동 및 프로그램을 사용해야 합니다.
  2. 1단계: 온도 조절기 디스플레이를 관찰하여 실온에서 60°C로 30분 이상 온도상승을 확인합니다.
  3. 2단계: 3단계에서 더 빠른 가열 속도를 준비하면서 온도 조절기가 60°C에서 1분 동안 안정화되도록 합니다.
  4. 3단계: 온도가 분당 10°C에서 280°C로 상승하여 22분 이상 온도 컨트롤러 디스플레이를 확인합니다. 혼합물이이 단계에서 증발하기 시작하기 때문에 응축기를 통해 물 흐름이 충분했는지 확인하십시오.
  5. 4단계: 온도 조절기가 30분 동안 280°C의 일정한 반응 온도를 표시하는지 확인합니다. MnO 형성을 나타내는 녹색 톤에 대한 반응 색상 변화를 관찰한다. 반응이 280°C에 도달하면 질소 탱크를 끄고 매니폴드(도 1에서#4)에 대한 반응의 입구에 대한 오른쪽 스톱콕을 닫습니다.
    주의: 안전 스톱콕(그림 1에서#10)을 열어 두십시오.
  6. 5단계: 온도 컨트롤러 디스플레이를 확인하여 가열이 자동으로 중지되도록 합니다. 온도 프로브를 내부에 유지하고(둥근 바닥 플라스크를 열지 않음) 온도가 실온에 도달할 때까지 기다려 나노입자 수집을 진행합니다.
    주의: 플라스크는 매우 뜨거울 것입니다. 방열 장갑은 더 빠른 냉각 속도를 원하는 경우 가열 맨틀을 제거하기 위해 착용해야합니다.
    참고: 프로토콜은 여기에서 일시 중지할 수 있습니다.

4. 나노 입자 수집

  1. 온도 컨트롤러, 교반 플레이트 및 차가운 물을 끕니다. 응축기에서 물과 호환되는 튜브, 연기 후드및 배수구의 수도꼭지를 제거하십시오. 유리 제품 연결에서 모든 플라스틱 원물 조인트 클립을 제거합니다.
  2. 로토바프 트랩(도 1의#5)과 응축기(도 1의#6)에서 유리 팔꿈치 어댑터를 제거합니다. 향후 실험에 사용할 후드의 금속 격자에 팔꿈치 어댑터를 고정합니다.
  3. 연하 플라스크에서 응축기와 로토바프 트랩을 분리하고 응축기와 로토바프 트랩의 내부를 헥산으로 헹구세요.
  4. 고무 스토퍼와 온도 프로브를 제거하고 70 % 에탄올로 청소하십시오.
  5. MnO 나노 입자 용액을 둥근 바닥 플라스크에서 깨끗한 500 mL 비커로 붓습니다. 헥산(~5mL)을 사용하여 둥근 바닥 플라스크를 헹구고 잔류 MnO 나노입자를 500mL 비커에 넣은 헥산을 넣습니다.
    참고: 헥산은 MnO 나노 입자를 재일시 중단하는 반면 200 개의 증거 에탄올은 침전제 역할을합니다.
  6. MnO 나노입자 혼합물의 현재 부피를 유의하십시오. 2:1의 부피 비율을 사용하여 MnO 나노 입자 혼합물에 200 개의 증거 에탄올을 추가하십시오 (예를 들어, 나노 입자 혼합물이 75 mL인 경우 에탄올 150 mL을 추가하십시오).
  7. 나노 입자 혼합물을 4 원심 분리 튜브에 동등하게 붓고 약 3/4 전체를 붓습니다. 적절한 대문자에 나사를 두는 경우 유체 수준이 균형을 이루고 있는지 확인하십시오.
    참고: 모든 추가 나노 입자 혼합물은 원심 분리의 다음 라운드에 튜브에 추가됩니다.
  8. 원심분리기 나노입자는 10°C에서 17,400 x g에서 10분 동안.
    참고: 원심분리 시간 및/또는 더 높은 원심분리 속도를 사용하여 더 작은 나노입자 분획의 수집을 늘릴 수 있지만 나노입자 집계를 증가시킬 수 있습니다.
  9. 펠릿을 방해하지 않도록 주의하면서 상체를 폐기물 비커로 버리십시오. 필요한 경우 전송 파이펫을 사용하여 상체를 수집합니다.
    참고: 원심분리의 초기 라운드가 갈색 의 상체를 생성하는 것은 정상입니다. 상체는 갈색이고 맑아야하지만 흐린 것은 아닙니다. 모든 흐림은 나노 입자가 여전히 상체에 존재한다는 것을 나타냅니다. 상체가 흐린 경우, 상체를 폐기하기 전에 튜브를 다시 원심 분리합니다. 원심분리는 합성된 나노입자의 손실을 감소시키지만, 더 많은 응집을 일으킬 수 있다.
  10. 5mL의 헥산과 MnO 나노입자 펠릿을 함유한 각 원심분리기 튜브에 남은 여분의 나노입자 용액을 추가합니다. 목욕 초음파 및 / 또는 소용돌이를 사용하여 나노 입자를 다시 중단합니다. 용액이 흐리고 펠릿이 사라질 때까지 계속하여 나노입자 재서스펜션이 성공했음을 나타냅니다.
  11. 3/4 전체까지 원심분리기 튜브에 200개의 증거 에탄올을 더 넣습니다.
  12. 4.8-4.10 단계를 반복합니다. 그런 다음 4개의 원심분리기 튜브에서 2개의 원심분리기 튜브에 재중단된 나노입자를 결합합니다. 다음으로, 4.11 단계를 반복합니다.
  13. 다시 한 번 4.8-4.10 단계를 반복하면 헥산과 200 개의 증거 에탄올로 총 3 개의 세차재가 됩니다. 원심분리기 튜브에 200개의 증거 에탄올을 추가하지 마십시오.
  14. 육산에 재매달된 MnO 나노입자를 20mL 유리 신자극 바이알로 결합하고 옮김합니다. 육사한이 연기 후드에서 하룻밤 동안 증발할 수 있도록 바이알 뚜껑을 분리합니다.
  15. 다음 날, 나노 입자를 포함하는 발견 된 유리 반짝이 유리 유리를 진공 오븐으로 옮기다. 유리병에 대한 뚜껑을 오븐 외부의 안전한 장소에 보관하십시오. 나노 입자를 100 °C에서 24 시간 동안 건조시킵니다.
  16. 나노 입자가 건조되면 주걱을 사용하여 유리병 내부의 분말을 분해하십시오. 말린 MnO 나노 입자를 포함하는 유리병을 계량하고 나노 입자 수율을 결정하기 위해 유리 신자극 유리병의 알려진 무게를 뺍니다.
    주의: 말린 나노 입자는 쉽게 공중에 떠있을 수 있으며 N95 또는 P100과 같은 입자 호흡보호구를 사용하여 인력에 의해 처리되어야합니다.
  17. 유리 반짝이 유리 내부에 실온에 나노 입자를 저장 뚜껑에. 파라핀 플라스틱 필름으로 뚜껑을 감쌉니다.

5. 나노 입자 크기 및 표면 형태학 (TEM)

  1. MnO 나노 입자를 박격포와 유봉을 사용하여 얇은 분말로 분쇄합니다.
  2. 15mL 원심분리기 튜브에 MnO 나노입자 5mg을 추가합니다. 200 증거 에탄올의 10mL를 추가합니다.
    참고: 200개의 증거 에탄올이 빠르게 증발하여 TEM 그리드에서 나노 입자의 균질한 확산을 얻습니다. 또 다른 용매는 더 나은 나노 입자 현탁액을 가질 수 있지만 증발하는 데 시간이 오래 걸리며 표면 장력으로 인해 나노 입자가 TEM 그리드의 경계에 축적됩니다.
  3. 목욕은 나노 입자 혼합물을 5 분 동안 또는 나노 입자의 완전한 재발이 될 때까지 초음파 처리합니다.
  4. 재서스펜션 즉시 나노입자 혼합물의 3개의 5μL 방울을 탄소 형 B의 300 메쉬 구리 그리드 지지 필름에 추가합니다. 공기를 건조하게 하십시오.
    1. 시료 준비를 쉽게 위해 역핀셋을 사용하십시오. 나노 입자를 포함하는 방울을 추가하기 전에 핀셋에 격자를 어두운 면으로 올려 놓습니다.
      참고: 그리드가 깨지기 때문에 더 나은 이미징을 위해 그리드를 구부리고 손상시키지 않도록 주의하십시오. 건조하면 그리드를 시판되는 TEM 그리드 저장 상자 내부에 보관하여 보호를 받아야 합니다.
  5. 투과 전자 현미경 검사법(TEM)을 사용하여 나노입자 모양과 크기를 평가합니다. 200kV의 빔 강도, 1의 스팟 크기 및 300x배율을 포함하여 TEM에 대한 일반적인 매개 변수를 적용합니다.
  6. 충분한 나노 입자 (10 - 30 나노 입자)가 균등하게 분포되는 그리드 영역에서 이미지를 수집합니다. 나노 입자가 눈에 띄게 분리되지 않으면 정확한 크기 조정을 할 수 없으므로 나노 입자 응집이 포함된 영역을 피하십시오.
    1. 다른 그리드 사각형의 이미지 영역을 사용하여 균일한 분포를 보장합니다. 최적의 크기 분포를 위해 각 샘플에서 25~30개의 이미지를 사용하여 충분한 샘플 크기를 얻습니다.

6. 나노 입자 직경의 정량적 분석

  1. ImageJ로 TEM 이미지를 분석하려면 먼저 파일을 클릭하여 이미지 중 하나를 엽니다 | 열립니다. 원하는 이미지를 선택하고 열립니다.
  2. ImageJ에서 픽셀에서 나노미터까지의 거리 측정을 보정하려면 먼저 직선 도구를 클릭합니다. Shift 키를 잡고 축척 막대의 길이를 추적합니다. 그런 다음 분석한 다음 | 설정 축척을 설정합니다.
  3. 설정 스케일 팝업 창에서 실제 스케일 막대 측정값을 알려진 거리 상자에 입력합니다(예: 스케일 표시줄이 50nm인 경우 50형). 길이 단위를 해당 단위로 변경합니다(예: 나노미터용 nm 유형). 전역 상자를 선택하여 모든 이미지에서 배율을 일관되게 유지하고 확인을 클릭합니다.
  4. 스케일을 설정한 후 직선 도구를 사용하여 나노입자의 직경을 추적합니다. 그런 다음 분석 | Ctrl+M 키를 측정하거나 클릭합니다.
  5. 측정에 대한 다른 정보와 함께 표시할 결과 팝업 창을 찾습니다. 길이 컬럼이 존재하는지 확인하며, 6.3 단계에서 지정된 단위로 나노입자의 직경을 제공한다.
  6. 이미지의 모든 나노 입자가 크기가 될 때까지 6.4 단계를 반복합니다. 다음 이미지로 이동하려면 파일을 클릭합니다 | 다음키 또는 Ctrl+Shift+O 키를 엽니다.
  7. 모든 나노 입자가 모든 이미지에서 크기가 끝나면 결과 창으로 이동하여 파일을 클릭하십시오 | 로 저장합니다. 결과 파일의 이름을 변경하고 저장을 클릭합니다. 결과 파일을 가져온 후 스프레드시트 프로그램에서 모든 나노입자 직경을 보고 분석합니다.

7. 나노 입자 벌크 조성 (XRD)

  1. 5.1 단계에서 하지 않으면 MnO 나노 입자를 박격포와 유봉을 사용하여 얇은 분말로 분쇄하십시오. 미세한 나노입자 분말을 주걱을 사용하여 샘플 홀더에 넣습니다. 사용할 XRD(XRD) 컴퓨터에 지정된 샘플 적재 절차를 따릅니다.
  2. XRD를 사용하여 MnO 나노 입자의 대량 조성을 결정합니다. XRD 스펙트럼을 10°에서 110°까지 2θ 범위에서 수집하여 MnO(30°~ 90°) 및 Mn3O 4(15°~ 90°)의 피크를 볼 수 있습니다.4
    참고: XRD에 권장되는 다른 설정 매개 변수는 0.05s의 단계 크기, 10mm의 빔 마스크 및 64.77s의 스캔 단계 시간입니다.
  3. 생성된 을 저장합니다. XRD 파일을 열고 XRD 분석 프로그램에서 엽니다.

8. XRD 스펙트럼 분석

  1. XRD 분석 프로그램에서소프트웨어의 IdeAll 버튼을 클릭하여 샘플의 측정된 XRD 스펙트럼의 모든 주요 피크를 식별합니다.
  2. 데이터를 저장하려면 도구 모음에 파일을 선택한 다음 스프레드시트 프로그램으로 열 수 있는 ASC 파일로 데이터를 저장합니다.
  3. 프로그램을 사용하여 알려진 화합물의 XRD 데이터베이스와 일치하는 패턴을 사용하여 샘플과 일치하는 최상의 컴포지션을 찾습니다. 검색을 좁히려면 예상 화합물(예: 망간 및 산소)을 지정합니다.
    1. 패턴이 스펙트럼과 일치하려면 분석을 선택 | 검색 및 일치. 팝업 창에서 화학을 선택하고 원하는 화학 요소를 클릭하여 샘플에 따라 프로그램 검색을 제한합니다.
    2. 모든 요소를 선택하면 검색을선택합니다. XRD 스펙트럼과 일치하는 화학 조성 목록이 나타날 때까지 기다립니다.
      참고: 이 프로그램은 알려진 XRD 스펙트럼이 샘플의 컴포지션에 해당할 가능성을 제공합니다. 두 개 이상의 컴포지션을 선택하면 각 컴포지션 백분율(예: MnO 대MnO3 O4)의조성 백분율을 부여합니다.
  4. 원하는 경우 배경 맞춤 단추()를 클릭하여 XRD 스펙트럼에서 배경을 Equation 1 제거합니다. 그런 다음 팝업 창에서 배경을 클릭한 다음 빼기입니다. 스펙트럼이 y축에서 0으로 시작하는지 확인합니다.
    1. 8.2 단계에서 표시된 대로 백그라운드 없이 데이터를 다시 저장합니다.
  5. XRD 스펙트럼을 플로팅할 때 일치하는 각 화합물(예: MnO 및 Mn3O4)의특성 피크를 표시합니다.
    1. 데이터베이스에서 일치하는 화합물에 대한 특성 피크 목록을 얻으려면 먼저 패턴 일치 스펙트럼을 마우스 오른쪽 단추로 클릭한 다음 패턴 표시를선택합니다. 선택한 패턴에 해당하는 모든 피크 정보와 함께 팝업 창이 나타날 때까지 기다립니다.
    2. 해당 화합물에서 원하는 정보를 선택, 복사 및 붙여넣기하고 스프레드시트 프로그램에서 측정된 XRD 스펙트럼으로 특성 피크를 플롯합니다.

9. 나노 입자 표면 조성 (FTIR)

  1. 푸리에 변환 적외선 분광법 (FTIR) 분석을 위해 샘플 홀더에 건조 MnO 나노 입자 분말을 추가합니다.
  2. FTIR를 사용하여 나노입자 표면 화학을 평가합니다. 4cm-1의해상도로 4000 ~400cm-1 파장 범위 사이의 FTIR 스펙트럼을 수집합니다.
  3. FTIR 샘플 홀더를 청소하고 액체 올리엘라민을 추가합니다. 9.2 단계를 반복합니다.

10. FTIR 스펙트럼 분석

  1. FTIR 분석 프로그램에서드롭다운 메뉴에서 변환을 선택한 다음 기준선 올바른 값을 선택하여 수집된 FTIR 스펙트럼에서 배경을 제거합니다. 선형을 보정 유형으로 선택합니다.
  2. 왼쪽 마우스 클릭을 사용하여 원래 스펙트럼의 기준점을 선택합니다. 완료되면 바꾸기를 선택하여 이전 스펙트럼 추가 를 선택하거나 이전 스펙트럼을 대체하여 스펙트럼을 다른 이름으로 저장합니다.
    참고: 배경 보정은 약한 FTIR 피크의 보급을 향상시킬 수 있습니다.
  3. FTIR 스펙트럼을 내보내려면 먼저 목록에서 특정 스펙트럼을 선택합니다. 그런 다음 도구 모음에서 파일을 클릭한 다음 내보내기 스펙트럼을 클릭합니다.
  4. 저장 창에서 csv 파일 형식을 선택하고 저장을 클릭합니다. 스프레드시트 프로그램을 사용하여 CSV 파일을 열고 그래프로 그립니다.
  5. 인수된 MnO 나노입자를 대표 결과 섹션에 자세히 설명한 대로 인수된 MnO 나노입자를 올리엘라민으로 평가합니다.

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Representative Results

성공적인 합성을 확인하려면 MnO 나노 입자가 크기 및 형태학 (TEM), 벌크 조성 (XRD), 및 표면 조성 (FTIR)에 대해 분석되어야합니다. 도 2는 올릴라민(OA, 안정제)의 감소비율을 이용하여 합성된 MnO 나노입자의 대표적인 TEM 이미지를 나타내며, 디벤질 에테르(DE, 유기 용매)에 대해 : 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. 이상적인 TEM 이미지는 개별 나노 입자 (그림 2에서어두운 둥근 팔각형으로 표시됨)로 구성됩니다. ImageJ의 라인 미량 도구를 사용하여 나노 입자 직경의 정확한 수동 크기 조정을 위해 나노 입자를 적절히 분리하는 것이 중요합니다.

도 3은 최적이 아닌 TEM 샘플 준비를 나타낸다. MnO 나노입자의 고농도가 에탄올에서 일시 중단되거나 나노입자 현탁액의 너무 많은 방울이 TEM 그리드에 첨가되는 경우, 각 이미지는 나노입자의 큰 응집체(도3A,B)로구성됩니다. 나노 입자의 상당한 중복으로 인해 각 나노 입자 직경의 한계를 구별 할 수 없으므로 정확한 측정을 방지합니다. 낮은 나노입자 농도가 에탄올로 제조되면 나노입자가 잘 분리될 수 있지만 TEM그리드(도 3C,D)에드물게 분배될 수 있다. 각 TEM 이미지에 하나 또는 두 개의 나노 입자만 나타나면 충분한 샘플 크기를 얻기 위해 더 많은 이미지를 가져와야 하며 전체 크기 분포가 정확하게 캡처되지 않을 수 있습니다. 본 명세서에 기재된 TEM 제제 프로토콜은 이미지당 약 10-30나노입자를 가진 TEM 이미지를 생성하는 것을 목표로 한다(직경이 작으면 이미지당 더 많은 나노입자를 수용할 수 있음).

TEM은 합성 파라미터의 변화와 함께 나노입자 크기의 변화를 평가하는 데 사용할 수 있다. 도 4는 각 합성 조건에 대한 OA:DE.직경의 감소비율로 합성된 MnO 나노입자의 평균 직경을 75에서 90TEM 이미지로 정량화했으며, 조건당 총 900~1100MnO 나노입자를 분석하였다. 재현성을 보장하기 위해 각 OA:DE 비율에 대해 3개의 나노입자 배치를 합성했습니다. 전반적으로, OA:DE의 비율에 있는 감소는 크기에 있는 더 적은 변이와 더 작은 MnO 나노 입자를 산출했습니다; 유일한 예외는 OA 단독으로 합성 하는 동안 사용 될 때 발생, 30:30 비율에 비슷한 크기의 나노 입자를 생산 하는. 모든 MnO 나노입자 그룹의 전체 크기 분포를 나타내는 히스토그램이 도면 S2에표시됩니다.

TEM을 사용하여 나노입자 크기 및 형태학을 확인한 후, 벌크 나노입자 조성물은 XRD를 사용하여 테스트할 수 있다. XRD는 시료에 의해 분산된 X선 빔의 각도와 강도를 측정함으로써 나노입자의 결정 구조 및 위상을 결정하는 데 사용될 수 있다. 도 5A-F는 OA:DE의 감소 비율을 가진 각 합성MnO 나노 입자 샘플에 대한 원시 수집 된 XRD 스펙트럼을 나타낸다. 샘플 스펙트럼에서 얻은 XRD 피크는 XRD 분석 프로그램 데이터베이스를 통해 MnO 및 Mn3O4와 같은 알려진 화합물의 XRD 피크와 일치합니다. MnO의 표준 피크는 그림 5G에표시된 35°, 40°, 58°, 70°, 73°및 87°로 나타납니다. 나노 입자 XRD 스펙트럼을 알려진 MnO와 비교할 때, 모든 나노 입자 스펙트럼은 MnO의 5 가장 높은 봉우리를 가지고 있음을 분명하다, MnO 나노 입자의 성공적인 합성을 나타내는. XRD는 또한 Scherrer 방정식을 사용하여 나노 입자 크기를 추정하기 위하여 이용될 수 있습니다; XRD의 피크가 더 넓어짐에 따라 나노입자 직경이 작아짐을 나타냅니다. 예를 들어, 가장 넓은 XRD 피크를 가진 도 5F는 TEM(18.6±5.5 nm)에 의해 도시된 바와 같이 가장 작은 나노입자와 연관된다.

도 6은 MnO 나노입자 합성에서 원치 않는 두 제품의 XRD 스펙트럼을 나타낸다. 고온(280o C)에서 MnO 상의 형성을 장려하기 위해 질소는 나노입자 합성 중에 시스템에서 공기를 제거하는 데 사용됩니다. o 부적절한 질소 흐름이 적용되면 Mn3O 4(51%)의 혼합 상 조성4 MnO (49%) 생산됩니다(그림 6A). Mn3O4 (도 6C)및 MnO(도 6D)의표준 피크와 비교하여 낮은 질소 흐름은 Mn3O4및 MnO에 대한 5 가장 높은 피크에 대해 8 가장 높은 피크와 XRD 스펙트럼을 생성합니다. 낮은 질소 흐름하에서 합성된 나노입자의 TEM은 작은 나노입자(도6E)로둘러싸인 큰 나노입자의 혼합집단을 드러냈다. 질소 흐름은 질소 조절기 판독 및 미네랄 오일 버블러를 통한 버블링 속도를 통해 모니터링될 수 있다. MnO 나노 입자 합성의 또 다른 중요한 매개 변수는 안정제의 포함이다. 10:50 OA:DE 비율보다 더 작은 MnO 나노입자를 생산하기 위해 순수 DE는 OA 없이 사용되었다. 아주 소량의 알 수 없는 분말은 안정제의 부재에서 합성되었다. 도 6B에도시된 바와 같이 0:60 OA:DE 비율에 대한 XRD 스펙트럼은 시즈화되었고 Mn3O4의가장 높은 피크3를 포함하였다. XRD 프로그램 데이터베이스의 분석에서 화합물은 67% Mn3O4 및 33% MnO의 화학 적 조성물을 가졌다. XRD 스펙트럼에서 넓은 봉우리에 의해 지원됨에 따라, TEM은 매우 작은 나노 입자가 안정제(도 6F)의부재에서 합성된 것을 확인했다. 나노 입자는 또한 불규칙하게 모양이고 응집된 나타났습니다. 또한, 안정제 없이 33%의 수율만 얻어져 소량의 제품이 합성되었다는 것을 의미합니다. 따라서, MnO 나노입자의 합성을 위해서는 OA 또는 올레산과 같은 안정제의 높은 질소 흐름 및 포함이 필요하다.

대량 나노입자 조성물을 XRD로 보완하기 위해 FTIR를 사용하여 표면 조성물을 평가할 수 있다. 도 7은 배경 보정 후 MnO 나노 입자의 FTIR 스펙트럼을 나타낸다. 모든 스펙트럼은 61광산과 관련된NH2 굽힘 진동 피크(1593cm -1 및 3300cm -1)에 더하여 올릴군(60)과관련된 대칭 및 비대칭 CH 2 피크(2850-2854 및 2918-2926 cm-1)및61군과관련된NH2 굽힘 진동 피크(1593cm-1 및 3300cm-1)를 나타내고 있다.-1 MnO 나노입자는 OA(도S3)의FTIR 스펙트럼에 존재하는 올레일 군및 아민 군과 동일한 피크를 공유하기 때문에 나노입자가 OA의 표면층으로 코팅되어 있음을 결론지을 수 있다. 더욱이, 모든 나노입자 FTIR 스펙트럼은 Mn-O 및 Mn-O-Mn 의 약600cm-1(삼각형 표시)을 함유하고 있으며, 이는 XRD62를통해 발견된 조성물을 확인한다.

Figure 1
그림 1: MnO 나노입자 합성 설정을 통한 질소 및 물 흐름.
튜브 연결은 1-15로 표시되어 있습니다. 공기가 없는 질소는 (1) 및 건조 컬럼(2)을 입력하고 매니폴드(3)의 입구로 공급된다. 반응 하는 동안, 질소 는 매니 폴드 (4)에 오른쪽 스톱콕을 입력 하 여 시스템에서 공기를 제거 합니다. 질소는 스톱콕에서 유리 팔꿈치 어댑터(5), 로토바프 트랩, 둥근 바닥 플라스크, 응축기, 유리 팔꿈치 어댑터(6)로 흐르며, 일련의 미네랄 오일 버블러(7-9)를 통해 흐른다. 매니폴드에서, 과잉 질소는 반응을 통해 흐르지 않고, 실리콘 오일(11)의 가장 큰 양을 가진 미네랄 오일 버블러에 연결되는 좌측 스톱콕(10)을 통해 시스템을 떠날 것이다. 스톱콕 #10 항상 열려 있는 것입니다. 물은 수도꼭지(12)에서 응축기 입구(13)와 콘센트(14)를 거쳐 연기 후드 드레인(15)으로 흐르게 된다. 튜브는 금속 클램프가 있는 응축기에 고정됩니다. 모든 튜브는 응축기에 사용되는 물과 호환 되는 튜브를 제외하고 화학 적 튜브여야합니다. 주요 유리 제품 및 장비는 그림 S1에레이블이 지정되어 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 2
그림 2: MnO 나노 입자의 TEM 이미지는 OA:DE의 감소 비율로 합성됩니다.
다음 비율이 사용되었다:(A)60:0,(B)50:10,(C)40:20,(D)30:30,(E)20:40,(F)10:50. MnO 나노 입자는 나노 입자 테두리의 명확한 묘사를 허용하기 위해 최소한의 중복과 별도의 둥근 팔각형으로 나타납니다. 반응비율은 50:10으로 전체 나노입자 크기에 영향을 미치는 것으로 관찰되었으며, 가장 큰 나노입자를 합성하고 10:50은 가장 작은 나노입자를 생성하였다. 스케일 바는 50nm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 3
그림 3: 잘못된 TEM 그리드 준비로 인한 최적이 아닌 TEM 이미지입니다.
(A,B) 나노 입자 현탁액이 너무 집중되어 있거나 나노 입자 현탁액의 과잉 방울이 TEM 그리드에 로드되면 나노 입자가 상당한 중복으로 큰 질량으로 집계됩니다. 개별 나노 입자는 그리드의 대부분의 영역에서 관찰 할 수 없습니다. (C,D) 또는 나노 입자 농도가 낮으면 부족한 양의 나노 입자로 채워진 TEM 그리드가 발생할 수 있습니다. 개별 나노 입자는 멀리 떨어져 퍼져 있지만 샘플의 인구 크기 분포를 캡처하려면 더 많은 이미지가 필요합니다. 스케일 바는 50nm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 4
그림 4: TEM 이미지에서 측정된 평균 MnO 나노입자 직경.
일반적으로, 더 높은 양의 유기 용매(DE)를 가진 더 적은 양의 안정제(OA)는 더 작고 균일한 MnO 나노입자를 초래하였다. 각 그룹에 대해 ImageJ의 선 추적 도구를 사용하여 총 900~1100나노입자 직경을 TEM 이미지에서 계산하였다. 오류 막대에 표준 편차가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 5
그림 5: OA:DE의 감소 비율로 합성된 MnO 나노 입자의 XRD 스펙트럼.
다음 비율이 사용되었다:(A)60:0,(B)50:10,(C)40:20,(D)30:30,(E)20:40,(F)10:50. (G)MnO의 표준 회절 피크는 XRD 분석 프로그램 데이터베이스에서 표시됩니다. 생성된 모든 나노입자는 MnO에 대해 5개의 최고 강도 XRD 피크를 나타내며, 이는 MnO 나노입자의 성공적인 합성을 나타낸다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 6
그림 6: 바람직하지 않은 나노 입자의 XRD 스펙트럼 및 TEM 이미지.
XRD 스펙트럼은 MnO 나노입자 합성을 위해 도시된다(A)낮은 질소 흐름 및(B)OA:DE의 0:60 비율 (안정제없음). (C)Mn3O4 및(D)MnO에 대한 표준 회절 피크는 XRD 분석 프로그램 데이터베이스로부터 표시됩니다. 표준 스펙트럼과의 비교를 통해 부적절한 질소흐름(A)은Mn3O 4(51%)를 혼합하여 나노입자를 생성했습니다.4 MnO (49%). 올일라민(B)이B없는 경우, Mn3O4의3개의 가장 높은 봉우리와 일치하는 더 넓은 XRD 스펙트럼이 얻어진다. XRD 프로그램 데이터베이스에 의해 수행된 분석에 기초하여, 이러한 합성 된 나노 입자는 67 % Mn3O4 및 33 % MnO입니다. 낮은 질소 유량으로 합성된(E)나노입자의 TEM 이미지는 작은 나노입자로 둘러싸인 큰 나노입자를 보여준다. (F)나노입자의 TEM 이미지는 OA:DE의 0:60 비율로 합성되어 불규칙한 형상을 가진 매우 작은 응집 나노입자를 표시한다. 스케일 바는 50nm입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Figure 7
그림 7: MnO 나노 입자의 FTIR 스펙트럼은 OA:DE의 감소 비율로 합성됩니다.
다음 비율이 사용되었다:(A)60:0,(B)50:10,(C)40:20,(D)30:30,(E)20:40,(F)10:50. 별표와 사각형은 각각 올릴 그룹과 아민 그룹에 해당하며, 삼각형은 Mn-O 및 Mn-O-Mn 결합의 진동을 나타냅니다. 박스형 인셋은 올레일 그룹의 두 개의 뚜렷한 봉우리를 강조 표시합니다. FTIR 스펙트럼은 MnO 나노 입자가 올리엘라민으로 코팅되어 있음을 나타내며, 도S3에서올리라민만 FTIR 스펙트럼과 비교하여 확인된다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 S1: MnO 나노입자 합성 설정의 주요 유리 제품 및 장비. 매니폴드는 금속 발톱 클램프에 의해 금속 격자에 고정되고 반응에 질소를 분산시합니다. Mn (II) ACAC, 디벤질 에테르, 올릴라민 및 스터디 바가 4 개의 목으로 둥근 바닥 플라스크에 추가됩니다. 플라스크의 오른쪽 목은 로토바프 트랩과 팔꿈치 어댑터에 부착되며 왼쪽 목은 응축기와 팔꿈치 어댑터에 부착됩니다. 둥근 바닥 플라스크의 중간 목은 고무 스토퍼로 덮여 있습니다. 온도 프로브는 둥근 바닥 플라스크의 가장 작은 개구부에 삽입되며, 오링과 파라핀 플라스틱 필름으로 둘러싸여 밀폐 씰을 형성합니다. 둥근 바닥 플라스크는 가열 맨틀과 교반 플레이트 위에 앉아 가열하는 동안 적극적으로 반응을 저어줍니다. 온도 프로브와 가열 맨틀은 온도 프로파일의 실시간 자동화 된 규제를 제공하기 위해 온도 컨트롤러에 연결되어 있습니다. 둥근 바닥 플라스크와 응축기는 금속 발톱 클램프가 있는 금속 격자에 고정됩니다. 3개의 미네랄 오일 버블러가 있으며, 왼쪽에는 2개, 오른쪽에는 1개가 있으며, 왼쪽 버블러에서 오른쪽 버블러까지 실리콘 오일의 양이 증가합니다. 버블러는 또한 발톱 클램프와 금속 격자에 부착됩니다. 녹색 플라스틱 원상 조인트 클립은 반응이 시작되기 전에 유리 제품 연결을 확보하기 위해 부착됩니다. 튜빙 연결은 그림 1에자세히 설명되어 있습니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

그림 S2: OA:DE의 감소 비율을 위한 MnO 나노 입자 크기의 분포를 보여주는 히스토그램. 다음 비율이 사용되었다:(A)60:0,(B)50:10,(C)40:20,(D)30:30,(E)20:40,(F)10:50. 전반적으로 비율이 10:50에 가까워지면 나노 입자 크기 분포가 왼쪽으로 이동하고 (더 작은 직경을 나타내는) 더 컴팩트해집니다 (더 균일 한 나노 입자 크기를 나타냅니다). 각 분포의 평균 직경은 그림 4에표시됩니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

그림 S3: 올일라민의 FTIR 스펙트럼. 별표와 사각형은 각각 올릴 그룹과 올릴라민의 아민 그룹을 나타냅니다. 이 그림을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

본 원에서 프로토콜은 Mn(II) ACAC, DE 및 OA를 사용하여 MnO 나노 입자의 촉진, 1냄비 합성을 설명합니다. Mn(II) ACAC는 MnO 나노입자 형성을 위한 Mn2+의 원천을 제공하기 위한 시동 물질로 활용된다. 시작 재료는 다른 금속 산화물 나노 입자의 생산을 가능하게하기 위해 쉽게 대체 될 수있다. 예를 들어, 철(III) ACAC가 적용될 때, Fe3O4 나노입자는63에기재된 동일한 나노입자 합성 장비 및 프로토콜을 사용하여 생성될 수 있다. DE는 295-298°C의 높은 비등점을 가지고 있기 때문에 열 분해 반응을 위한 이상적인 유기 용매로서 작용하며, OA는 일반적으로 사용되는 저렴한 안정제/경질 환원제로서, 이는 금속 산화물 나노입자 핵형성 및 성장61,,63을제한및 조정하는 데 도움이 된다. DE와 유사하게, OA는 열 분해의 고온을 견딜 수 있는 350°C의 높은 비등점을 갖는다. 다음 두 가지 관측은 합성 시 MnO 나노입자의 성공적인 생성의 증거로 사용될 수 있다: 1) 280°C및 2)에서 열 분해 시 반응 혼합물에 녹색 색조의 출현을 헥산 및 에단올에서 원심분리기 튜브의 바닥에 어두운 갈색 큰 펠릿의 형성. 결과 나노 입자는 크기 / 형태, 벌크 조성 및 표면 조성물을 각각 평가하기 위해 TEM, XRD 및 FTIR를 특징으로해야합니다.

나노 입자 합성 동안, MnO 결정 상과 균일 한 나노 입자의 생산을 보장하기 위해 여러 변수를 주목하고 제어해야합니다. 첫째, 모든 시작 물질의 비율은 동일하게 유지되어야 하며, 이는 OA의 감소비율이 나노입자크기(그림 4)를감소시키는 것으로 나타났다. 둘째, 반응은 핵 입자의 적절한 분산을 가능하게하기 위해 적극적으로 교반되어야한다, 균일 한 가열, 크기 변화의 감소. 셋째, 온도가 금속 산화물 나노입자 크기47,48, 50 및 위상,조성47,,48,,48,50을제어하는 데 큰 역할을 하므로, 원형 바닥 플라스크의 유리에 접촉하지 않고 반응 혼합물에 온도 프로브 팁을 적절히 침지하는 것이 중요하다.50 넷째, 질소의 흐름은 Mn3O4를통해 MnO 결정상의 형성을 장려하기 위해 반응으로부터 모든 공기를 제거할 만큼 충분히 높아야 한다. 도 6A에도시된 바와 같이, 낮은 질소 흐름은 혼합Mn/Mn3O4 조성물을 가진 나노입자를 초래할 것이다. 왼쪽 버블러(1인치 오일)에서 오른쪽 버블러(2인치 오일)로 의 중간 버블러(1.5인치 오일)에서 실리콘 오일의 양이 증가하는 미네랄 오일 버블러의 정확한 충전은 반응(도 1에서#4)을 통해 질소 흐름에 대한 저항성을 가장 낮게 설정한다. 중간 광물 오일 버블러의 버블링 속도(도 1에서#7,8에 의해) 반응을 통해 흐르는 질소의 속도를 측정하는 데 사용될 수 있다. 마지막으로, OA와 같은 안정제는 나노입자 핵형성 및 성장을 조정하기 위해 반응 혼합물에 첨가되어야 한다. 도 6B에도시된 바와 같이, OA가 없는 DE는 소량의 제품을 만들었으며, 대부분 Mn3O 4(67%)를 생성했습니다.4 구성. 이 제품은 또한 OA가반응(도 6F)에존재했을 때 발생하지 않았던 TEM에 의한 응집된 나노입자를 갖는 불규칙한 형상을 갖는 것으로 관찰되었다.

열분해 반응의 몇몇 변수는47,,50,47반응20,,,,,,45,47, 47,49,총 반응48시간48,,44,4445,,46,및 유형/비율을 포함하는 나노입자 크기, 형태 및 조성물을 최적화하도록 변형될 수있다.48 살라자르-알바레즈 외50 및 서외48은 Mn(II)의 열 분해 시 아르곤 흐름이 150°C에서 200°C에 이르는 낮은 피크 반응 온도에서 Mn3O4를 형성하는 것으로 나타났다. 질소 또는 공기를 사용할 때, Nolis 외47Mn(III) ACAC 분해에 대해 유사한 결과를 달성하여 Mn3O4 나노입자가 낮은 온도(150o C 또는 200o C)에서 생성되었으며 MnO 나노입자는 더 높은 온도(250°C 및 300°C)에서만 생성되었다. o o47 고성반응 온도와 고성반응 온도에서 보유되는 시간이 길어지는 경우,,또한 나노입자 크기44,45,,46,47,,48, 49의,49증가와 관련이 있다., 더욱이, 반응의 가열 속도는 나노입자 크기에 영향을 미칠 수 있다. 슐라드 외44는 가열 속도를 1.5°C/min에서 90oC/min까지 증가시켜 나노입자 크기를 각각 18.9nm에서 6.5nm로 떨어뜨렸다는 것을 발견했습니다. 마지막으로, 망간 열 분해 반응에서 제및 안정제 감소로 다른 화학 물질을 첨가할 수 있다; 그러나, OA20,,47,,48,,50 및 올레산(20)20및45가 가장 일반적으로 사용된다.50 OA와 올레산의 비율은 합성MnO 나노입자의 화학 및 형상에 영향을 미치는 것으로 입증되었다. 장외20에따르면, OA는 Mn3O4 나노입자의 형성만을 초래했으며, OA와 올레산의 조합은 Mn3O4 및 MnO 나노입자의 혼합물로 이어졌으며, 올레산은 MnO 나노입자만 생산하였다. 흥미롭게도, 경험에 따르면 MnO 나노입자는 OA로만 조작될 수 있으며, 올레산은 MnO 결정상 형성을 촉진할 필요가 없다는 것을 보여준다. 더욱이, OA를 단독으로 제조한 구형 나노입자를 사용하는 반면, 올레산만으로도 별모양나노입자(20,,64)를생성한다. 분명히, MnO 나노 입자의 결과 물리적 및 화학 적 특성에 영향을 합성 매개 변수를 변경에 많은 유연성이있다.

자세한 프로토콜에도 불구하고 문제 해결이 필요한 인스턴스가 발생할 수 있습니다. 다음 단락에서 몇 가지 일반적인 문제 및 해결 방법 자세히 설명합니다. 반응 하는 동안, 온도 주위 안정 하는 것 같다 경우 100°C, 일부 물 가열 맨틀에 유출 되었을 수 있습니다. 응축기에서 누출되는 경우 주변 지역을 눈에 띄게 검사합니다. 매우 뜨거워지기 때문에 내열 장갑없이 맨틀이나 둥근 바닥 플라스크를 직접 만지지 마십시오. 물이 관찰되면 즉시 온도 컨트롤러를 끄고 가열 맨틀을 분리하고 밤새 건조시키십시오. 미래의 누출을 방지하기 위해 연동 된 웜 기어 호스 클램프를 사용하여 응축기로 물 튜브를 고정하십시오. 원하는 제품이 MnO인 경우Mn3O4만 생산되지만, 반응 중에 질소 흐름을 확인하는 것이 중요하다. 중간 버블러는 거품의 일정한 스트림이 있어야합니다 (올바른 버블링 속도에 대한 비디오 참조), 오른쪽 버블러는 하나에 형성 하나 또는 두 개의 거품이 있어야합니다. 각 미네랄 오일 버블러의 차동 실리콘 오일 수준이 유지되지 않으면 잘못된 질소 흐름이 발생할 수 있습니다. 모든 실험 전에 오일 레벨을 확인하고 필요한 경우 1.5 단계에 따라 버블러를 채웁니다. 나노 입자 수집 중에 프로토콜은 나노 입자 펠릿을 방해하지 않고 상퍼 를 부어 오도록 지정합니다. 상체를 버리는 가장 좋은 방법은 느린 동작이 아닌 하나의 빠른 연속 동작으로 붓는 것입니다. 그러나, 펠릿이 원심분리기 관으로부터 쉽게 분리되면, 상퍼를 제거하기 위해 이송 파이펫의 사용이 좋습니다. 나노입자 수집 및 TEM 그리드 준비 중에 목욕 초음파 처리가 핵심 단계입니다. 나노 입자가 올바르게 다시 중단되지 않으면 튜브를 잡고 손으로 초음파 를 느낄 수있는 영역이 위치 할 때까지 수조 초음파 처리기 주위에 튜브를 이동합니다. 나노 입자 펠릿은 튜브가 올바른 지점에있는 경우 강한 목욕 초음파 처리에서 붕괴되는 것을 눈에 띄게 볼 수 있습니다. 나노입자 재서스펜션 후, TEM 그리드가 스와이프에 놓거나 흡수성 벤치 표면에 직접 놓기보다는 역핀셋으로 공중에 매달려 있는 것이 중요합니다. 닦아 또는 흡수성 벤치 표면은 건조하기 전에 TEM 그리드에서 나노 입자 현탁액을 심어 이미징을 위한 그리드에 나노 입자 증착이 충분하지 않습니다.

열 분해 반응은 MnO 나노 입자를 합성하기 위해 따라야 하는 매우 간단하고 간단하지만, 방법과 관련된 몇 가지 제한이 있다. 나노입자의 물리적 및 화학적 특성을 어느 정도 조절할 수 있지만, 온도 및 노화 시간과 같은 일부 변수는 나노입자 크기와 위상 조성모두에 동시에 영향을 미친다. 따라서 이 방법을 사용하여 나노 입자 특성을 항상 정확하게 독립적으로 제어하기가 어렵습니다. 또한, 시작 물질의 양을 세 배 또는 네 배로 하여 나노 입자 합성의 스케일업은 반응이 불안정하고 폭력적될 수 있다. 더 큰 배치 크기는 또한 감소된 수율과 연관됩니다. 또한, 파라핀 플라스틱 필름으로 싸인 막힌 신경병 내부에 MnO 나노입자를 저장했음에도 불구하고 X선 광전자 분광법에 의해 평가된 Mn3O4로 나노입자 표면의 산화를 보았습니다. 마지막으로, 이 기술에 의해 생성된 MnO 나노입자는 소수성및OA(도 7)로제한됩니다. 수성 물질에서 나노입자 현탁액을 가능하게 하기 위해 나노입자를 친성 상태로 전환하기 위해 추가 표면 수정이 적용될 필요가 있다. 중합체(14)의내부 나노입자 캡슐화,지질(52)을갖는 나노입자 표면의 코팅, 또는 나노입자 표면의 OA를 폴리(아크릴산)(20)와 같은 수성성 리간드로 대체하는 리간드 교환을 포함한 생물학적 용액에서 나노입자의 분산을 촉진하기 위한 몇 가지 방법이 수립되었다.20 폴리(젖체-공동 글리콜산) (PLGA) 중합체 내의 MnO 나노입자의 캡슐화를 달성하기 위해 맥콜과 시란니의 상세한 JoVE 프로토콜65을따르십시오. MnO 나노입자는 나노입자 제제 섹션의 8단계에서 소수성 약물에 대해 설명된 바와 같이 PLGA 폴리머 용액에 직접 첨가될 수 있다. PLGA 나노입자 내부의 MnO 나노결정 분포는 PlGA 중합체 내부에 Mn의 TEM 및 하중을 사용하여 평가될 수 있으며, 베뉴이츠 외14에도시된 바와 같이 열역학 분석에 의해 결정될 수 있다.

MnO 나노입자는 자기, 전자 및 촉매 특성으로 인해 다양한 응용 분야에 활용할 수 있지만, MnO 나노입자를 전환 가능한T1 MRI 콘트라스트제로 적용하는 데 관심이 있습니다. 이전에는, 우리 그룹 및 그 외는 그대로 MnO 나노입자가,혈액14,15,,16,,17,18,19를모방하는 생리pH 7.4에서 무시할 수 있는 T1 MRI 콘트라스트(MRI 신호는 "OFF")를 갖는 것으로 나타났다.,, 그러나, MnO는 낮은 pH 5에서 실질적인 Mn2+ 이온을 생성하기 위해 용해세포 내분모를 모방; 출시 된 Mn 2+ 낮은 pH,,14,15,,16,17,18,19에서"ON"MRI 신호를 설정하는 주변 물분자와조정합니다., MnO 나노입자는 암세포와 같은 상이한 관심 세포에 국한될 수 있으며, 나노입자 표면에 펩티드 또는 항체를 추가하여51,,66을추가한다. 여기서, 우리는 18.6 nm에서 38.8 nm에 구역 수색하는 평균 직경을 가진 MnO 나노 입자의 합성을 설명합니다. 나노 입자 크기의 제어는 MRI 조영제 효과를 향상시키는 데 유용 할 수 있습니다. 구체적으로, 더 큰 나노입자는 종양과 같은 관심 부위의 나노입자 축적을 향상시키기 위해 리간드를 표적으로 하는 부착을 위한 더 많은 표면적을 가질 것으로 예상된다. 그러나, 표면군을 첨가한 전체 나노입자 크기는 종양축적67,,68을최대화하기 위해 50-100nm로 제한되어야 한다. 반면에 더 작은 나노입자는 산성 환경에서 Mn2+의 빠른 방출을 용이하게 하기 위해 표면적 대 부피 비율이 높으며 중합체 전달 시스템 내부의 향상된 나노입자 포장 량을 허용해야 합니다. Mn3O4이상의 MnO 합성은 MnO가 Mn2+ 이온69를더 많이 생성하는 농축 산성 용액에서 Mn3O4보다 빠르게 용해되는 것으로 나타났기 때문에 MRI 대비를 개선해야 한다. 요약하면, 스마트 MRI 조영제, 바이오 센서, 촉매, 배터리 및 정수와 같은 응용 분야에서 향후 사용을 위해 나노 입자 설계를 최적화할 수 있도록 비교적 간단하고 사용자 정의 할 수있는 MnO 나노 입자의 제조를위한 열 분해 프로토콜을 설명했습니다.

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Disclosures

저자는 공개 할 것이 없습니다.

Acknowledgments

이 작품은 WVU 화학 및 생물 의학 공학 부서 의 시작 기금 (M.F.B.)에 의해 지원되었다. 저자는 TEM과 나노 입자의 그리드 준비 및 이미지 캡처에 대한 지침을 마르셀라 Redigolo 박사에게 감사하고 싶습니다, 박사. 치앙 왕 XRD및 FTIR 스펙트럼을 평가에 대한 지원, 박사 존 존들로와 헌터 스노더리 프로그래밍및 나노 입자 합성 프로토콜에 온도 컨트롤러를 통합, 나노 입자 합성 설정 의정서에 자신의 지원을 위해 제임스 홀 , 알렉산더 푸에셸과 제나 비토는 TEM 이미지에서 MnO 나노 입자 직경의 정량화를 돕고, TEM, XRD 및 FTIR의 사용을위한 WVU 공유 연구 시설.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

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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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