Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Mangaanoxide Nanoparticle Synthese door thermische afbraak van mangaan(II) Acetylacetonaat

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

Summary

Dit protocol beschrijft een facile, one-pot synthese van mangaanoxide (MnO) nanodeeltjes door thermische afbraak van mangaan(II) acetylacetonaat in aanwezigheid van oleylamine en dibenzyl ether. MnO nanodeeltjes zijn gebruikt in diverse toepassingen, waaronder magnetische resonantie beeldvorming, biosensing, katalyse, batterijen, en afvalwater behandeling.

Abstract

Voor biomedische toepassingen zijn metaaloxidenanodeeltjes zoals ijzeroxide en mangaanoxide (MnO) gebruikt als biosensoren en contrastmiddelen in magnetic resonance imaging (MRI). Terwijl ijzeroxide nanodeeltjes bieden een constant negatief contrast op MRI over typische experimentele termijnen, MnO genereert schakelbaar positief contrast op MRI door ontbinding van MnO naar Mn2 + bij lage pH binnen cel endosomes te 'inschakelen' MRI contrast. Dit protocol beschrijft een eenpotsynthese van MnO nanodeeltjes gevormd door thermische afbraak van mangaan(II) acetylacetonaat in oleylamine en dibenzylether. Hoewel het uitvoeren van de synthese van MnO nanodeeltjes eenvoudig is, kan de eerste experimentele opstelling moeilijk te reproduceren zijn als er geen gedetailleerde instructies worden verstrekt. Zo wordt het glaswerk en de buizenmontage eerst grondig beschreven om andere onderzoekers in staat te stellen de opstelling gemakkelijk te reproduceren. De synthesemethode bevat een temperatuurregelaar om geautomatiseerde en nauwkeurige manipulatie van het gewenste temperatuurprofiel te bereiken, wat van invloed zal zijn op de resulterende nanodeeltjesgrootte en chemie. Het thermische afbraakprotocol kan gemakkelijk worden aangepast om andere metaaloxidenanodeeltjes (bijvoorbeeld ijzeroxide) te genereren en alternatieve organische oplosmiddelen en stabilisatoren (bijvoorbeeld oliezuur) op te nemen. Bovendien kan de verhouding van organisch oplosmiddel aan stabilisator worden veranderd in verdere effectnanodeeltjeseigenschappen, die hierin wordt getoond. Gesynthetiseerde MnO nanodeeltjes worden gekenmerkt voor morfologie, grootte, bulk samenstelling, en oppervlaktesamenstelling door middel van transmissie elektronenmicroscopie, X-ray diffractie, en Fourier-transform infrarood spectroscopie, respectievelijk. De MnO nanodeeltjes gesynthetiseerd door deze methode zal hydrofoob zijn en moet verder worden gemanipuleerd door ligand uitwisseling, polymere inkapseling, of lipide aftopping om hydrofiele groepen op te nemen voor interactie met biologische vloeistoffen en weefsels.

Introduction

Metaaloxide nanodeeltjes bezitten magnetische, elektrische en katalytische eigenschappen, die zijn toegepast in bioimaging1,2,3, sensortechnologieën4,5, katalyse6,7,8, energieopslag9en waterzuivering10. Binnen het biomedische veld hebben ijzeroxide nanodeeltjes en mangaanoxide (MnO) nanodeeltjes bewezen nut als contrastmiddelen in magnetic resonance imaging (MRI)1,2. IJzeroxide nanodeeltjes produceren een robuust negatief contrast op T2* MRI en zijn krachtig genoeg om enkelgelabelde cellen in vivo11,12,,13te visualiseren ; het negatieve MRI-signaal kan echter niet worden gemoduleerd en blijft "AAN" gedurende de duur van typische experimenten. Als gevolg van endogene ijzer aanwezig in de lever, beenmerg, bloed en milt, het negatieve contrast gegenereerd uit ijzeroxide nanodeeltjes kan moeilijk te interpreteren. MnO nanodeeltjes, aan de andere kant, reageren op een daling van de pH. MRI-signaal voor MnO nanodeeltjes kan de overgang van "UIT" naar "AAN" zodra de nanodeeltjes zijn geïnternaliseerd in de lage pH-endosomen en lysosomen van de doelcel, zoals een kankercel14,15,16,17,18,19. Het positieve contrast op T1 MRI geproduceerd van de ontbinding van MnO tot Mn2 + bij lage pH is onmiskenbaar en kan de specificiteit van kankerdetectie verbeteren door alleen op de doellocatie binnen een kwaadaardige tumor op te lichten. Controle over nanodeeltjes grootte, morfologie en samenstelling is cruciaal om een maximale MRI-signaal van MnO nanodeeltjes te bereiken. Hierin beschrijven we hoe te synthetiseren en karakteriseren MnO nanodeeltjes met behulp van de thermische afbraak methode en noteer verschillende strategieën voor fine-tuning nanodeeltjes eigenschappen door het wijzigen van variabelen in het syntheseproces. Dit protocol kan eenvoudig worden aangepast om andere magnetische nanodeeltjes zoals ijzeroxide nanodeeltjes te produceren.

MnO nanodeeltjes zijn geproduceerd door verschillende technieken, waaronder thermische afbraak20,21,22,23,24,25, hydro/solvothermal26,27,28,29, exfoliatie 30,31,32,33,34, permanganates reductie35,36,37,38, en adsorptie-oxidatie39,40,41,42. Thermische afbraak is de meest gebruikte techniek waarbij mangaanprecursoren, organische oplosmiddelen en stabilisatiemiddelen bij hoge temperaturen (180 – 360 °C) worden opgelost onder de aanwezigheid van een inerte gasvormige atmosfeer om MnO nanodeeltjes43te vormen. Van al deze technieken is thermische afbraak de superieure methode om een verscheidenheid aan MnO nanokristallen van pure fase te genereren (MnO, Mn3O4 en Mn2O3) met een smalle grootteverdeling. De veelzijdigheid wordt benadrukt door de mogelijkheid om de grootte van nanodeeltjes, morfologie en samenstelling strak te controleren door de reactietijd44,45,46,temperatuur44,47,48,49,typen/verhoudingen van reactanten20,,45,47,48,,50 en inert gas,47,,48,50 gebruikt te veranderen., De belangrijkste beperkingen van deze methode zijn de eis voor hoge temperaturen, de zuurstofvrije atmosfeer en de hydrofobe coating van de gesynthetiseerde nanodeeltjes, die verdere aanpassing met polymeren, lipiden of andere liganden vereist om de oplosbaarheid voor biologische toepassingen te verhogen14,51,52,53.

Naast thermische afbraak is de hydro/solvothermale methode de enige andere techniek die een verscheidenheid aan MnO-fasen kan produceren, waaronder MnO, Mn3O4en MnO2; alle andere strategieën vormen alleen MnO2-producten. Tijdens hydro/solvothermale synthese worden precursoren zoals Mn(II) stearaat54,,55 en Mn(II) acetaat27 gedurende enkele uren verwarmd tot tussen 120-200 °C om nanodeeltjes met een smalle grootteverdeling te bereiken; er zijn echter gespecialiseerde reactievaten nodig en reacties worden uitgevoerd bij hoge druk. De exfoliatiestrategie daarentegen omvat de behandeling van een gelaagd of bulkmateriaal om dissociatie in 2D-enkele lagen te bevorderen. Het belangrijkste voordeel is bij het produceren van MnO2 nanosheets, maar het syntheseproces duurt al enkele dagen en de resulterende grootte van de platen is moeilijk te controleren. Als alternatief kunnen permanganten zoals KMnO4 reageren met reducerende middelen zoals oliezuur56,57, grafeenoxide58 of poly(allylamine hydrochloride)59 om MnO2 nanodeeltjes te maken. Het gebruik van KMnO4 vergemakkelijkt de vorming van nanodeeltjes bij kamertemperatuur gedurende een paar minuten tot uren binnen waterige omstandigheden43. Helaas, de snelle synthese en nanodeeltjes groei maakt het een uitdaging om fijn te controleren resulterende nanodeeltjes grootte. MnO2 nanodeeltjes kunnen ook worden gesynthetiseerd met behulp van adsorptie-oxidatie waarbij Mn2 + ionen worden geadsorbeerd en geoxideerd tot MnO2 door zuurstof onder basisvoorwaarden. Deze methode zal produceren kleine MnO2 nanodeeltjes met een smalle grootte verdeling bij kamertemperatuur over enkele uren in waterige media; de eis tot adsorptie van Mn2+ ionen en alkali-omstandigheden beperkt echter de wijdverbreide toepassingervan 43.

Van de MnO nanodeeltjessynthesemethoden die worden besproken, is thermische ontleding het meest veelzijdig om verschillende monodisperse zuivere fase nanokristallen te genereren met controle over nanodeeltjesgrootte, vorm en samenstelling zonder gespecialiseerde synthesevaten. In dit manuscript beschrijven we hoe we MnO-nanodeeltjes kunnen synthetiseren door thermische afbraak bij 280 °C met mangaan(II) acetylacetonaat (Mn(II) ACAC) als bron van Mn2+ ionen, oleylamine (OA) als reducerend middel en stabilisator, en dibenzyl-ether (DE) als oplosmiddel onder een stikstofatmosfeer. Het glaswerk en de buizen opstelling voor nanodeeltjessynthese wordt in detail verklaard. Een voordeel van de techniek is de opname van een temperatuurregelaar, thermocouple sonde, en verwarming mantel om nauwkeurige controle over de verwarming, piektemperatuur, en reactietijden bij elke temperatuur te fine-tunen nanodeeltjes grootte en samenstelling. Hierin laten we zien hoe nanodeeltjes grootte kan ook worden gemanipuleerd door het veranderen van de verhouding van OA naar DE. Daarnaast laten we zien hoe we nanodeeltjesmonsters kunnen voorbereiden en de grootte van nanodeeltjes, bulksamenstelling en oppervlaktesamenstelling kunnen meten met behulp van respectievelijk transmissieelektronen microscopie (TEM), röntgendiffractie (XRD) en Fourier-transform infraroodspectroscopie (FTIR). Verdere richtlijnen zijn opgenomen over het analyseren van de verzamelde beelden en spectra van elk instrument. Om gelijkmatig gevormde MnO nanodeeltjes te genereren, moet een stabilisator en voldoende stikstofstroom aanwezig zijn; XRD- en TEM-resultaten worden weergegeven voor ongewenste producten die zijn gevormd zonder OA en onder een lage stikstofstroom. In de sectie Discussie belichten we cruciale stappen in het protocol, statistieken om succesvolle nanodeeltjessynthese te bepalen, verdere variatie van het afbraakprotocol om nanodeeltjes-eigenschappen (grootte, morfologie en samenstelling), probleemoplossing en beperkingen van de methode te wijzigen, en toepassingen van MnO-nanodeeltjes als contrastmiddelen voor biomedische beeldvorming.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Glaswerk en buizenmontage – alleen de eerste keer

OPMERKING: Figuur 1 toont de experimentele opstelling voor MnO nanodeeltjessynthese met genummerde buizenverbindingen. Figuur S1 toont dezelfde setup met de belangrijkste glaswerkcomponenten gelabeld. Als er een mismatch is tussen de chemische resistente slang en de grootte van de glasverbinding, bedek dan eerst de glasverbinding met een kort stukje kleinere buizen voordat de chemische resistente slang wordt toegevoegd om de verbindingen knus te maken.

  1. Zet de luchtvrije stikstoftank in de buurt van een chemische rookkap vast met goedgekeurde riemsteunen. Voeg de juiste stikstofregelaar toe aan de tank.
    LET OP: Gasflessen moeten goed worden vastgezet, omdat ze zeer gevaarlijk kunnen zijn als ze omvallen.
  2. Vul de gasdroogkolom met droogmiddel. Bevestig chemische resistente buizen van de luchtvrije stikstofregelaar aan de bodeminlaat van de gasdroogkolom (#1 in figuur 1).
  3. Bevestig het glazen spruitstuk met ten minste 2 uitlaatstopcocks aan de bovenkant van de rookkap met behulp van twee metalen klauwklemmen. Bevestig chemisch resistente buizen van de uitlaat van de gasdroogkolom (#2 in figuur 1) op de inlaat van het spruitstuk (#3 in figuur 1).
  4. Plaats en zet 3 minerale oliebubbelaars in de rookkap met behulp van metalen klauwklemmen volgens figuur 1. Zet twee bubblers aan de linkerkant en een bubbler naar rechts.
  5. Vul de meest linkse bubbler (door #9 in figuur 1)met de kleinste hoeveelheid siliconenolie (~ 1 inch olie uit de bodem van de bubbler). Vul de middelste bubbler (met #7,8 in figuur 1)met een gemiddelde hoeveelheid siliconenolie (~ 1,5 centimeter olie uit de bodem van de bubbler). Vul de meest rechtse bubbler (door #11 in figuur 1)met de grootste hoeveelheid siliconenolie (~ 2 centimeter olie uit de bodem van de bubbler).
    OPMERKING: De relatieve hoeveelheid siliconenolie tussen de minerale bubbels is zeer belangrijk om een passende stroom van het luchtvrije stikstofgas door het systeem te bereiken. Voeg niet te veel olie (meer dan ~ 2,5 inch), als de olie zal bellen tijdens de reactie en kan de bubblers verlaten als overfilled.
  6. Sluit de uitlaat aan de rechterkant van het spruitstuk (#4 in figuur 1)aan op het schroefdraadeind van een glazen elleboogadapter (#5 in figuur 1)met behulp van chemische resistente buizen.
  7. Bevestig het schroefdraadeind van een andere glazen elleboogadapter (#6 in figuur 1)aan de inlaat van de middelste bubbler (#7 in figuur 1) met behulp van chemische resistente buizen. Sluit de uitlaat van de middelste bubbler (#8 in figuur 1)aan op de inlaat van de meest linkse bubbler (#9 figuur 1) met behulp van chemische resistente buizen.
  8. Sluit de uitlaat aan de linkerkant stopcock van het spruitstuk (#10 in figuur 1) aan op de inlaat van de meest rechtse bubbler (#11 in figuur 1).
  9. Laat de voorlopige setup in de rookkap als de ruimte geschikt is. Bevestig de twee glazen elleboogadapters met aan elkaar bevestigde buizen (#5,6 in figuur 1)aan het metalen rooster in de rookkap wanneer het experiment niet loopt.

2. Apparatuur en glaswerk setup – uit te voeren tijdens elk experiment

LET OP: Alle stappen met oplosmiddelen vereisen het gebruik van een chemische rookkap en goede persoonlijke beschermingsmiddelen (PPE), waaronder veiligheidsbrillen, labjas en handschoenen. De nanodeeltjesfabricage opstelling moet worden gemonteerd in de rookkap.

  1. Plaats de roerplaat in de rookkap en leg de verwarmingsmantel bovenop de roerplaat.
    LET OP: De verwarmingsmantel moet bestand zijn tegen temperaturen boven de 300 °C.
  2. Leg de 4 hals 500 mL ronde bodemkolf op de verwarmingsmantel en zet de middelste hals vast met een metalen klauwklem. Voeg een magnetische roerstaaf toe aan de ronde bodemkolf. Plaats de glazen trechter in de middelste hals van de ronde bodemkolf.
  3. Controleer het spruitstuk: zorg ervoor dat de veiligheidsstopcock (#10 in figuur 1)en inputstopcock (#4 in figuur 1)open zijn.
    LET OP: De veiligheidsstopcock moet te allen tijde open zijn om ervoor te zorgen dat er geen druk in het systeem wordt opgebouwd. Als de stopcock gesloten is, kan er een explosie optreden.
  4. Weeg 1,51 g mangaan(II) acetylacetonaat (Mn(II) ACAC) af en plaats in de ronde bodemkolf met behulp van de glazen trechter.
  5. Voeg 20 mL oleylamine en 40 mL dibenzylether toe aan de ronde bodemkolf met behulp van een glazen pipet en de glazen trechter. Verwijder de trechter en maak deze schoon met hexaan.
    LET OP: Het experiment kan worden opgeschaald (bijvoorbeeld 2 keer), maar het wordt aanbevolen om conservatief te zijn bij het gebruik van grotere hoeveelheden reactanten. Grotere hoeveelheden reactanten kunnen ervoor zorgen dat de reactie minder stabiel en dus gevaarlijk wordt.
  6. Bevestig de condensor aan de linker hals van de ronde bodemkolf en zet de condensor vast met een metalen klauwklem. Voeg de glazen elleboogadapter (#6 in figuur 1)toe bovenop de condensor.
    OPMERKING: De adapter moet worden aangesloten op chemisch resistente buizen op de middelste minerale olie bubbler (#7 in figuur 1).
  7. Sluit waterafdichte buizen uit de waterafvoeruiting in de rookkap (#12 in figuur 1)aan op de inlaat van de condensor (#13 in figuur 1). Gebruik ook waterafdichte buizen om de uitlaat van de condensor (#14 in figuur 1) aan te sluiten op de afvoer in de rookkap (#15 in figuur 1). Bevestig de slang aan de condensorverbindingen (#13,14 in figuur 1)met ingesloten metalen slangenklemmen van wormen.
  8. Voeg de rotovapval toe aan de rechter hals van de ronde bodemkolf. Plaats de glazen elleboogadapter (#5 in figuur 1)bovenop de rotovapval.
    OPMERKING: De adapter moet worden aangesloten op chemisch resistente buizen met de juiste stopcockspruitstuk (#4 in figuur 1).
  9. Bevestig de rubberen stop aan de middelste hals van de ronde bodemkolf en vouw deze om zodat de zijkanten de hals van de kolf bedekken. Voeg de kunststof conische voegclips (4 groene clips in figuur 1)toe om de volgende glaswerkhalsverbindingen vast te zetten: elleboogadapter en rotovapval, rotovapval en ronde bodemkolf, ronde bodemkolf en condensor en condensor- en elleboogadapter.
  10. Plaats de temperatuursonde in de kleinste hals in de ronde bodemkolf, draai en beveilig de sonde met de nekdop en de o-ring. Verzegel de verbinding met paraffine plastic folie.
    OPMERKING: Zorg ervoor dat de temperatuursonde in het vloeistofmengsel wordt ondergedompeld, maar raak de onderkant van het glas niet aan. Als de sonde in contact is met het glasoppervlak, is de gemeten temperatuur onjuist in vergelijking met de werkelijke vloeistoftemperatuur, waardoor de temperatuurregelaar een onjuiste hoeveelheid warmte aan de reactie geeft.
  11. Sluit de temperatuursonde aan op de invoer van de temperatuurregelaar. Sluit de verwarmingsmantel aan op de output van de temperatuurregelaar.
  12. Zet de roerplaat aan en begin krachtig te roeren.
  13. Open de luchtvrije stikstoftank en langzaam beginnen stromende stikstof in het systeem (dit zal de lucht te verwijderen). Pas de stikstofstroom aan met behulp van de regulator totdat zich een gestage langzame stroom bellen vormt in de middelste minerale oliebubbelaar (#7 in figuur 1).
  14. Zet het koude water in de rookkap (#12 in figuur 1)op de condensor en controleer of er geen water uit de slang lekt.
  15. Leg de sjerp van de rookkap naar beneden voordat de reactie begint.

3. Nanodeeltjessynthese

  1. Schakel de temperatuurregelaar (stroom- en verwarmingsvoorziening) in om de reactie te starten. Observeer en noter de kleur van het reactiemengsel in elke fase. De reactie begint als een donkerbruine kleur in fase 1 tot 3 en zal groen worden tijdens fase 4.
    LET OP: Elke temperatuurcontroller werkt anders. Zorg ervoor dat u de juiste handleiding en het juiste programma gebruikt.
  2. Fase 1: Let op het display van de temperatuurregelaar om de temperatuurstijgingen van kamertemperatuur tot 60 °C over 30 minuten te bevestigen.
  3. Fase 2: Zorg ervoor dat de temperatuurregelaar gedurende 1 min stabiliseert bij 60 °C terwijl deze zich voorbereidt op een snellere verwarmingssnelheid in fase 3.
  4. Fase 3: Controleer het beeldscherm van de temperatuurregelaar terwijl de temperatuur stijgt tot 280 °C bij 10 °C per minuut over 22 minuten. Zorg ervoor dat het water door de condensor stroomt voldoende is, omdat het mengsel in deze fase begint te verdampen.
  5. Fase 4: Bevestig dat de temperatuurregelaar gedurende 30 minuten een constante reactietemperatuur van 280 °C weergeeft. Observeer de reactiekleurverandering naar een groene toon, wat wijst op MnO-vorming. Zodra de reactie 280 °C bereikt, schakelt u de stikstoftank uit en sluit u de rechterstop voor de inlaat van de reactie op het spruitstuk (#4 in figuur 1).
    LET OP: Houd de veiligheidsstopcock (#10 in figuur 1)open.
  6. Fase 5: Controleer het display van de temperatuurregelaar om ervoor te zorgen dat de verwarming automatisch stopt. Houd de temperatuursonde binnen (open de ronde bodemkolf niet) en wacht tot de temperatuur op kamertemperatuur is om verder te gaan met het verzamelen van nanodeeltjes.
    LET OP: De kolf zal extreem heet zijn. Hittebestendige handschoenen moeten worden gedragen om de verwarmingsmantel te verwijderen als een snellere koelsnelheid gewenst is.
    LET OP: Het protocol kan hier worden onderbroken.

4. Nanodeeltjesverzameling

  1. Zet de temperatuurregelaar, de roerplaat en het koude water uit. Verwijder de water compatibele buizen uit de condensor, waterkraan in de rookkap en de afvoer. Verwijder alle kunststof conische voegclips uit glaswerkaansluitingen.
  2. Haal de glazen elleboogadapters uit de rotovapval (#5 in figuur 1)en de condensor (#6 in figuur 1). Zet de elleboogadapters vast aan het metalen rooster in de kap om te gebruiken voor een toekomstig experiment.
  3. Maak de condensor en rotovapval los van de ronde bodemkolf en spoel de binnenkant van de condensor en rotovapval af met hexaan.
  4. Verwijder de rubberstop en temperatuursonde en reinig met 70% ethanol.
  5. Giet de MnO nanodeeltjesoplossing uit de ronde bodemkolf in een schone beker van 500 mL. Gebruik hexaan (~5 mL) om de ronde bodemkolf te spoelen en voeg de hexaan met resterende MnO nanodeeltjes toe aan de 500 mL bekerglas.
    OPMERKING: Hexane zal de MnO nanodeeltjes opnieuw opschorten, terwijl 200 bewijs ethanol zal fungeren als het precipiterende middel.
  6. Let op het huidige volume van het MnO nanodeeltje mengsel. Voeg 200 bewijs ethanol toe aan het MnO nanodeeltje mengsel met een volumeverhouding van 2:1 (voeg bijvoorbeeld 150 mL ethanol toe als het nanodeeltjesmengsel 75 mL bedraagt).
  7. Giet het nanodeeltjesmengsel evengoed in vier centrifugebuizen, ongeveer 3/4 vol. Schroef op de juiste doppen. Controleer of de vloeistofniveaus in balans zijn.
    LET OP: Een extra nanodeeltjesmengsel wordt bij de volgende ronde van centrifugatie aan de buizen toegevoegd.
  8. Centrifuge nanodeeltjes gedurende 10 minuten bij 17.400 x g bij 10 °C.
    OPMERKING: Langere centrifugatietijden en/of hogere centrifugatiesnelheden kunnen worden gebruikt om de inzameling van kleinere nanodeeltjesfracties te verhogen, maar nanodeeltjesaggregatie kan worden verhoogd.
  9. Gooi de supernatant in een afvalbeker, voorzichtig niet te verstoren de pellet. Gebruik indien nodig een transferpipet om de supernatant op te halen.
    OPMERKING: Het is normaal dat de eerste rondes van centrifugatie een bruin gekleurd supernatant produceren. De supernatant moet bruin en helder zijn, maar niet troebel. Elke troebelheid geeft aan dat de nanodeeltjes nog steeds aanwezig zijn in de supernatant. Als de supernatant troebel is, centrifuge de buizen opnieuw voordat u de supernatant weggooit; centrifugeren weer zal verminderen verlies van de gesynthetiseerde nanodeeltjes, maar kan leiden tot meer agglomeratie.
  10. Voeg 5 mL hexaan en eventuele extra nanodeeltjesoplossing toe aan elke centrifugebuis met de MnO nanodeeltjeskorrels. Resuspend de nanodeeltjes met behulp van een bad sonicator en / of vortex. Ga door totdat de oplossing troebel wordt en de pellet verdwijnt, wat duidt op succesvolle nanodeeltjesschorspensie.
  11. Voeg meer 200 bewijs ethanol toe aan de centrifugebuizen tot 3/4 vol.
  12. Herhaal stap 4.8-4.10. Combineer vervolgens de geresuspendeerde nanodeeltjes van vier centrifugebuizen tot twee centrifugebuizen. Herhaal vervolgens stap 4.11.
  13. Herhaal stap 4.8-4.10 nogmaals, die een totaal van drie wasbeurten met hexaan en 200 bewijs ethanol zal maken. Voeg geen 200 bewijs ethanol toe aan de centrifugebuizen.
  14. Combineer en breng de MnO nanodeeltjes opnieuw opsuspended in hexaan in een voorgevel 20 mL glas scintillatie flacon. Laat het deksel van de flacon eraf zodat de hexaan 's nachts in de rookkap kan verdampen.
  15. Breng de volgende dag de onbedekte glasscintiel met de nanodeeltjes over in een vacuümoven. Bewaar het deksel van de flacon op een veilige plaats buiten de oven. Droog de nanodeeltjes 24 uur uit bij 100 °C.
  16. Zodra nanodeeltjes zijn gedroogd, gebruik dan een spatel om het poeder in de flacon te breken. Weeg de flacon met gedroogde MnO nanodeeltjes af en trek het bekende gewicht van de glasscintillatiefluif af om de nanodeeltjesopbrengst te bepalen.
    LET OP: Gedroogde nanodeeltjes kunnen gemakkelijk in de lucht komen en moeten worden behandeld door personeel met behulp van een deeltjesmasker zoals N95 of P100.
  17. Bewaar nanodeeltjes op kamertemperatuur in de glazen scintillatie flacon met het deksel op. Wikkel het deksel met paraffine plastic folie.

5. Nanodeelgrootte en oppervlaktemorfologie (TEM)

  1. Verpulver de MnO nanodeeltjes tot een dun poeder met behulp van een mortier en stamper.
  2. Voeg 5 mg MnO nanodeeltjes toe aan een 15 mL conische centrifugebuis. Voeg 10 mL 200 bewijs ethanol toe.
    OPMERKING: 200 bewijs ethanol verdampt snel om een meer homogene verspreiding van nanodeeltjes op het TEM-net te verkrijgen. Een ander oplosmiddel zou een betere nanodeeltjessuspensie kunnen hebben, maar zou langer duren om te verdampen, en als gevolg van oppervlaktespanning zouden de nanodeeltjes zich ophopen aan de grenzen van de TEM-rasters.
  3. Bad sonicate de nanodeeltjes mengsel gedurende 5 min of tot volledige resuspensie van de nanodeeltjes.
  4. Voeg onmiddellijk na de resuspensie drie 5 μL druppels van het nanodeeltjesmengsel toe aan een 300 mesh koperen rasterondersteuningsfilm van koolstoftype-B. Laat de lucht drogen.
    1. Gebruik omgekeerde pincet voor een eenvoudigere monstervoorbereiding. Plaats het raster op de pincet met de donkere kant omhoog voordat u de druppels met nanodeeltjes toevoegt.
      LET OP: De roosters zijn kwetsbaar, dus wees voorzichtig niet te buigen en schade aan de roosters voor een betere beeldvorming. Eenmaal droog, moeten roosters worden bewaard in commercieel verkrijgbare TEM grid opslagdozen voor bescherming.
  5. Beoordeel de vorm en grootte van nanodeeltjes met behulp van transmissieelektronenmicroscopie (TEM). Pas typische parameters toe voor TEM, waaronder een bundelsterkte van 200 kV, een spotgrootte van 1 en een vergroting van 300x.
  6. Verzamel beelden op gebieden van het raster waar genoeg nanodeeltjes (10 - 30 nanodeeltjes) gelijkmatig worden verdeeld. Vermijd gebieden die nanodeeltjesaggregaties bevatten, omdat nauwkeurige grootte niet kan worden gemaakt als nanodeeltjes niet zichtbaar gescheiden zijn.
    1. Afbeeldingsgebieden van verschillende rastervierkanten om een gelijkmatige verdeling te garanderen. Voor een optimale grootteverdeling, neem tussen 25 - 30 beelden van elk monster om een voldoende steekproefgrootte te verkrijgen.

6. Kwantitatieve analyse van de diameter nanodeeltjes

  1. Als u TEM-afbeeldingen wilt analyseren met ImageJ, opent u eerst een van de afbeeldingen door op Bestand te klikken | Open. Selecteer de gewenste afbeelding en klik op Openen.
  2. Als u de afstandsmeting in ImageJ wilt kalibreren van pixels naar nanometers, klikt u eerst op het gereedschap rechte lijn. Houd shift-toets en traceer de lengte van de schaalbalk. Klik vervolgens op Analyseren | Schaal instellen.
  3. Typ in het pop-upvenster Schaal instellen de true scale bar meting in het vak Bekende afstand (bijvoorbeeld typ 50 als de schaalbalk 50 nm is). Wijzig de lengte-eenheid in de overeenkomstige eenheden (bijvoorbeeld type nm voor nanometers). Schakel het selectievakje Globaal in om de schaal consistent te houden in alle afbeeldingen en klik op OK.
  4. Gebruik na het instellen van de weegschaal het rechte lijngereedschap om de diameter van een nanodeeltje te traceren. Klik vervolgens op Analyseren | Meten of klikken op Ctrl+M-toetsen.
  5. Zoek naar een pop-upvenster voor resultaten dat moet worden weergegeven met verschillende informatie over de meting. Controleer of de kolom Lengte aanwezig is, omdat deze de diameter van de nanodeeltjes zal voorzien van de eenheden die tijdens stap 6.3 zijn opgegeven.
  6. Herhaal stap 6.4 totdat alle nanodeeltjes in het beeld zijn groot. Als u naar de volgende afbeelding wilt gaan, klikt u op Bestand | Volgendeof Ctrl+Shift+O-toetsen openen.
  7. Nadat alle nanodeeltjes zijn formaat in alle afbeeldingen, ga naar het venster Resultaten en klik op Bestand | Opslaan als. Wijzig de naam van het resultatenbestand en klik op Opslaan. Bekijk en analyseer alle diameters van nanodeeltjes in een spreadsheetprogramma na het importeren van het resultatenbestand.

7. Nanodeeltjesbulksamenstelling (XRD)

  1. Indien niet gedaan tijdens stap 5.1, verpulveren de MnO nanodeeltjes in een dun poeder met behulp van een mortier en stamper. Plaats het fijne nanodeeltjespoeder in de monsterhouder met behulp van een spatel. Volg de monsterbelastingprocedure die is opgegeven voor de te gebruiken X-ray diffractie (XRD).
  2. Bepaal de bulksamenstelling van MnO nanodeeltjes met XRD. Verzamel XRD-spectra over een bereik van 10° tot 110° om pieken van MnO (30° tot 90°) en Mn3O4 (15° tot 90°) te bekijken.
    OPMERKING: Andere voor XRD aanbevolen instellingsparameters zijn een stapgrootte van 0,05 s, een bundelmasker van 10 mm en een scanstaptijd van 64,77 s.
  3. Sla de gegenereerde . XRD-bestand en open het in het XRD-analyseprogramma.

8. Analyse van XRD-spectra

  1. Identificeer in het XRD-analyseprogramma alle belangrijkste pieken in het gemeten XRD-spectrum van het monster door op de IdeAll-knop in de software te klikken.
  2. Als u de gegevens wilt opslaan, selecteert u Bestand op de werkbalk, gevolgd door Opslaan als... om de gegevens op te slaan als een ASC-bestand dat kan worden geopend met een spreadsheetprogramma.
  3. Gebruik het programma om het patroon te matchen met de XRD-database van bekende verbindingen om de beste samenstelling te vinden die overeenkomt met het monster. Als u de zoekopdracht wilt beperken, geeft u verwachte verbindingen (bijvoorbeeld mangaan en zuurstof) op.
    1. Als u het patroon wilt afstemmen op het spectrum, selecteert u Analyse | Zoeken en matchen. Selecteer in het pop-upvenster Scheikunde en klik op de gewenste chemische elementen om de programmazoekopdracht op basis van het voorbeeld te beperken.
    2. Zodra alle elementen zijn gekozen, selecteert u Zoeken. Wacht tot er een lijst met chemische samenstellingen verschijnt die overeenkomen met het XRD-spectrum.
      OPMERKING: Het programma geeft de waarschijnlijkheid dat bekende XRD-spectra overeenkomt met de samenstelling van het monster. Als twee of meer composities worden gekozen, geeft het programma het samenstellingspercentage van elk van deze composities (bijvoorbeeld MnO versus Mn3O4).
  4. Verwijder desverwensen de achtergrond desgevraagd uit het XRD-spectrum door op de knop Achtergrond passen ( Equation 1 te klikken). Klik vervolgens op Achtergrond in het pop-upvenster, gevolgd door Aftrekken. Controleer of het spectrum begint met 0 op de y-as.
    1. Sla de gegevens opnieuw op zonder de achtergrond zoals weergegeven in stap 8.2.
  5. Bij het uitzetten van het XRD-spectrum, tonen de karakteristieke pieken van elke overeenkomende verbinding (bijvoorbeeld MnO en Mn3O4).
    1. Als u de lijst met de kenmerkende pieken voor overeenkomende verbindingen uit de database wilt verkrijgen, klikt u eerst met de rechtermuisknop op het patroongelijkspectrum en selecteert u Patroon weergeven. Wacht tot er een pop-upvenster wordt weergegeven met alle piekinformatie die overeenkomt met het geselecteerde patroon.
    2. Selecteer, kopieer en plak de gewenste informatie uit die verbinding en plot de karakteristieke pieken met het gemeten XRD-spectrum in een spreadsheetprogramma.

9. Samenstelling van het nanodeeltjesoppervlak (FTIR)

  1. Voeg droog MnO nanodeeltjespoeder toe aan de monsterhouder voor Fourier-transform infrarood spectroscopie (FTIR) analyse.
  2. Evalueren nanodeeltjes oppervlaktechemie met behulp van FTIR. Verzamel FTIR spectra tussen een 4000 en 400 cm-1 golflengte bereik met een resolutie van 4 cm-1.
  3. Reinig de FTIR-monsterhouder en voeg vloeibare oleylamine toe. Herhaal stap 9.2.

10. Analyse van FTIR-spectra

  1. Verwijder in het FTIR-analyseprogramma de achtergrond uit het verzamelde FTIR-spectrum door Transformaties te selecteren in het vervolgkeuzemenu, gevolgd door Basislijn Correct. Selecteer Lineair als correctietype.
  2. Gebruik de linkermuisklik om de basislijnpunten op het oorspronkelijke spectrum te selecteren. Sla het spectrum onder een andere naam op onder een andere naam door het oude spectrum toevoegen of vervangen door Vervangen teselecteren.
    OPMERKING: Achtergrondcorrectie kan de prevalentie van zwakkere FTIR-pieken verbeteren.
  3. Als u het FTIR-spectrum wilt exporteren, selecteert u eerst het specifieke spectrum uit de lijst. Klik vervolgens op Bestand op de werkbalk, gevolgd door Exportspectrum.
  4. Kies csv-bestandsindeling in het venster Opslaan als en klik op Opslaan. Open en grafiek het csv-bestand met behulp van een spreadsheetprogramma.
  5. Vergelijk verworven MnO nanodeeltje met oleylamine FTIR spectra zoals beschreven in de sectie Representatieve resultaten om nanodeeltjes aftopping met oleylamine te evalueren.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Om een succesvolle synthese te bevestigen, moeten MnO-nanodeeltjes worden gesorsayd op grootte en morfologie (TEM), bulksamenstelling (XRD) en oppervlaktesamenstelling (FTIR). Figuur 2 toont representatieve TEM-beelden van MnO-nanodeeltjes gesynthetiseerd met behulp van afnemende verhoudingen van oleylamine (OA, stabilisator) tot dibenzylether (DE, het organische oplosmiddel): 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. Ideale TEM-beelden bestaan uit afzonderlijke nanodeeltjes (weergegeven als donker afgeronde achthoeken in figuur 2), met minimale overlapping. Het is van cruciaal belang om een adequate scheiding van nanodeeltjes te bereiken voor nauwkeurige handmatige grootte van de nanodeeltjesdiameters met behulp van het lijnspoorgereedschap in ImageJ.

Figuur 3 toont suboptimale TEM-monstervoorbereiding. Als een hoge concentratie MnO-nanodeeltjes in ethanol wordt opgehangen of er te veel druppels nanodeeltjessuspensie aan het TEM-raster worden toegevoegd, zal elk beeld bestaan uit grote agglomeraties van nanodeeltjes (figuur 3A,B). Door de aanzienlijke overlapping van nanodeeltjes kunnen de grenzen van elke nanodeeltjesdiameter niet worden onderscheiden, wat een nauwkeurige meting voorkomt. Als een lage nanodeeltjesconcentratie in ethanol wordt bereid, kunnen nanodeeltjes goed worden gescheiden, maar schaars verdeeld over het TEM-raster(figuur 3C,D). Wanneer slechts één of twee nanodeeltjes in elke TEM-afbeelding worden weergegeven, moeten er meer afbeeldingen worden gemaakt om een voldoende monstergrootte te krijgen en de volledige grootteverdeling kan niet nauwkeurig worden vastgelegd. Het HIERIN beschreven TEM-voorbereidingsprotocol heeft tot doel TEM-beelden te produceren met ongeveer 10-30 nanodeeltjes per afbeelding (meer nanodeeltjes kunnen per afbeelding worden ondergebracht als de diameter klein is).

TEM kan worden gebruikt om veranderingen in nanodeeltjesgrootte te evalueren met een variatie in syntheseparameters. Figuur 4 toont de gemiddelde diameters van MnO nanodeeltjes gesynthetiseerd met afnemende verhoudingen van OA:DE. Diameters voor elke synthesevoorwaarde werden gekwantificeerd van 75 tot 90 TEM-beelden, met een totaal van 900 tot 1100 MnO nanodeeltjes geanalyseerd per aandoening. Om de reproduceerbaarheid te garanderen, werden 3 batches nanodeeltjes gesynthetiseerd voor elke OA:DE-verhouding. Over het geheel genomen leverde een daling van de verhouding OA:DE kleinere MnO-nanodeeltjes op met minder variatie in grootte; de enige uitzondering deed zich voor toen OA alleen werd gebruikt tijdens de synthese, die vergelijkbare grootte nanodeeltjes geproduceerd aan de 30:30 verhouding. Histogrammen met de volledige grootte verdeling van alle MnO nanodeeltjes groepen worden weergegeven in figuur S2.

Na bevestiging van nanodeeltjesgrootte en morfologie met TEM, kan de bulk nanodeeltjessamenstelling worden getest met XRD. Door het meten van de hoek en intensiteit van de röntgenstraal die door het monster wordt verspreid, kan XRD worden gebruikt om de kristalstructuur en de fase van de nanodeeltjes te bepalen. Figuur 5A-F toont de ruwe verzamelde XRD spectra voor elk gesynthetiseerd MnO nanodeeltjes monster met afnemende ratio's van OA:DE. De XRD-pieken die zijn verkregen op voorbeeldspectra worden via de XRD-analyseprogrammadatabase afgestemd op XRD-pieken van bekende verbindingen zoals MnO en Mn3O4. De standaardpieken voor MnO verschijnen op 35°, 40°, 58°, 70°, 73°, en 87°, die zijn weergegeven in figuur 5G. Bij het vergelijken van de nanodeeltjes XRD spectra met bekende MnO, is het duidelijk dat alle nanodeeltjes spectra beschikken over de 5 hoogste pieken van MnO, wat wijst op succesvolle synthese van MnO nanodeeltjes. XRD kan ook worden gebruikt om de grootte van nanodeeltjes te schatten met behulp van de Scherrer-vergelijking; bredere pieken op XRD geven kleinere nanodeeltjesdiameters aan. Figuur 5F met de breedste XRD-pieken wordt bijvoorbeeld geassocieerd met de kleinste nanodeeltjes, zoals blijkt uit TEM (18,6 ± 5,5 nm).

Figuur 6 toont XRD spectra van twee ongewenste producten in MnO nanodeeltjes synthese. Om de vorming van de MnO-fase bij hoge temperaturen (280 oC) aan te moedigen, wordt stikstof gebruikt tijdens de nanodeeltjessynthese om lucht uit het systeem te zuiveren. Als onvoldoende stikstofstroom wordt toegepast, een gemengde fase samenstelling van Mn3O4 (51%) en MnO (49%) wordt geproduceerd (figuur 6A). In vergelijking met de standaardpieken van Mn3O4 (figuur 6C) en MnO (Figuur 6D),produceert een lage stikstofstroom XRD spectra met de 8 hoogste pieken voor Mn3O4 en de 5 hoogste pieken voor MnO. TEM van nanodeeltjes gesynthetiseerd onder een lage stikstofstroom bleek een gemengde populatie van grote nanodeeltjes omgeven door kleinere nanodeeltjes (Figuur 6E). Stikstof stroom kan worden gecontroleerd door middel van de stikstof regulator lezing en de snelheid van borrelen door de minerale olie bubbler. Een andere kritische parameter in MnO nanodeeltjes synthese is de opname van een stabilisator. In een poging om nog kleinere MnO nanodeeltjes te produceren dan de 10:50 OA:DE ratio, werd pure DE gebruikt zonder OA. Een zeer kleine hoeveelheid van een onbekend poeder werd gesynthetiseerd in de afwezigheid van stabilisator. Zoals weergegeven in figuur 6B, de XRD spectra voor de 0:60 OA:DE ratio was luidruchtig en bevatte de 3 hoogste pieken van Mn3O4. Uit analyse in de XRD-programmadatabase had de verbinding een chemische samenstelling van 67% Mn3O4 en 33% MnO. Zoals ondersteund door de brede pieken in de XRD spectra, bevestigde de TEM dat zeer kleine nanodeeltjes werden gesynthetiseerd bij afwezigheid van stabilisator (figuur 6F). Nanodeeltjes verschenen ook onregelmatig gevormd en geagglomereerd. Bovendien werd slechts een rendement van 33% verkregen zonder stabilisator, wat betekent dat een kleine hoeveelheid product werd gesynthetiseerd. Daarom is een hoge stikstofstroom en opname van een stabilisator zoals OA of oliezuur noodzakelijk voor de synthese van MnO nanodeeltjes.

Als aanvulling op de samenstelling van bulknanodeeltjes met XRD, kan de samenstelling van het oppervlak worden geëvalueerd met FTIR. Figuur 7 toont de FTIR-spectra van MnO-nanodeeltjes na achtergrondcorrectie. Alle spectra tonen de symmetrische en asymmetrische CH2 pieken (2850-2854 en 2918-2926 cm-1, gemarkeerd met sterretjes) geassocieerd met oleylgroepen60, naast de NH2 buigende trillingspieken (1593 cm-1 en 3300 cm-1, gemarkeerd door vierkanten) geassocieerd met aminegroepen6. Aangezien MnO-nanodeeltjes dezelfde pieken delen voor oleylgroepen en aminegroepen die aanwezig zijn in de FTIR-spectra van OA(figuur S3),kan worden geconcludeerd dat de nanodeeltjes zijn bekleed met een oppervlaktelaag van OA. Bovendien bevatten alle nanodeeltjes FTIR-spectra Mn-O- en Mn-O-Mn-bindingstrillingen rond 600 cm-1 (gemarkeerd door driehoeken), die de samenstelling bevestigen die via XRD62is gevonden .

Figure 1
Figuur 1: Stikstof en water stromen door de MnO nanodeeltjes synthese opstelling.
Buizenaansluitingen zijn gelabeld 1-15. Luchtvrije stikstof komt (1) en verlaat (2) de droogkolom en wordt in de inham van het spruitstuk (3) gevoerd. Tijdens de reactie zuivert stikstof lucht uit het systeem door de juiste stopcock op het spruitstuk in te voeren (4). Stikstof stroomt van de stopcock naar de glazen elleboogadapter (5), rotovapval, ronde bodemkolf, condensor, glazen elleboogadapter (6) en door een reeks van twee minerale oliebubbelaars (7-9). In het spruitstuk, overtollige stikstof niet stroomt door de reactie zal het systeem verlaten door de linker stopcock (10), die is aangesloten op de minerale olie bubbler met de grootste hoeveelheid siliconen olie (11). Stopcock #10 is om altijd open te blijven. Water stroomt uit de kraan (12) door de condensor inlaat (13) en uitlaat (14) en in de rookkap afvoer (15). De slang wordt met metalen klemmen aan de condensor bevestigd. Alle buizen moeten chemisch resistente buizen zijn, met uitzondering van de waterafdichte buizen die voor de condensor worden gebruikt. Het belangrijkste glaswerk en de apparatuur zijn gelabeld in figuur S1. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2: TEM-beelden van MnO-nanodeeltjes gesynthetiseerd met afnemende ratio's van OA:DE.
De volgende verhoudingen werden gebruikt: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20,d) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. MnO nanodeeltjes verschijnen als afzonderlijke, afgeronde achthoeken met minimale overlap om een duidelijke afbakening van nanodeeltjesgrenzen mogelijk te maken. De reactant ratio werd waargenomen van invloed op de totale nanodeeltjes grootte, met 50:10 synthetiseren van de grootste nanodeeltjes en 10:50 het produceren van de kleinste nanodeeltjes. Schaalbalken zijn 50 nm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3: Suboptimale TEM-afbeeldingen als gevolg van onjuiste TEM-rastervoorbereiding.
(A,B) Als de nanodeeltjessuspensie te geconcentreerd is of als overtollige druppels nanodeeltjessuspensie op het TEM-net worden geladen, zullen nanodeeltjes zich in grote massa's met aanzienlijke overlappen. Individuele nanodeeltjes kunnen niet worden waargenomen in de meeste gebieden van het raster. (C,D) Als alternatief kan een lage nanodeeltjesconcentratie resulteren in TEM-rasters gevuld met een schaarse hoeveelheid nanodeeltjes. Individuele nanodeeltjes zijn ver uit elkaar verspreid, maar vereisen meer beelden om de populatiegrootte van het monster te vangen. Schaalbalken zijn 50 nm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4: Gemiddelde MnO nanodeeltjesdiameters gemeten op tem-beelden.
Over het algemeen resulteerde een lagere hoeveelheid stabilisator (OA) met een hogere hoeveelheid organisch oplosmiddel (DE) in kleinere, meer uniforme MnO-nanodeeltjes. In totaal werden 900 tot 1100 nanodeeltjesdiameters berekend op TEM-afbeeldingen met behulp van het lijnspoorgereedschap in ImageJ voor elke groep. Foutbalken vertonen standaarddeviatie. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5: XRD spectra van MnO nanodeeltjes gesynthetiseerd met afnemende ratio's van OA:DE.
De volgende verhoudingen werden gebruikt: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20,d) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. (G) De standaard diffractiepieken voor MnO worden weergegeven uit de XRD-analyseprogrammadatabase. Alle nanodeeltjes geproduceerd vertonen de 5 hoogste intensiteit XRD pieken voor MnO, wat wijst op succesvolle synthese van MnO nanodeeltjes. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6: XRD spectra en TEM-beelden van ongewenste nanodeeltjes.
XRD spectra worden getoond voor MnO nanodeeltjes synthese met behulp van (A) lage stikstofstroom en (B) een 0:60 verhouding van OA:DE (geen stabilisator aanwezig is). De standaard diffractiepieken voor (C) Mn3O4 en(D)MnO worden weergegeven uit de XRD-analyseprogrammadatabase. Door vergelijking met standaard spectra creëerde onvoldoende stikstofstroom(A)nanodeeltjes met een mengsel van Mn3O4 (51%) en MnO (49%). Bij afwezigheid van oleylamine(B) wordt een breder XRD-spectrum verkregen, dat overeenkomt met de 3 hoogste toppen van Mn3O4. Op basis van de analyse uitgevoerd door het XRD-programma database, deze gesynthetiseerde nanodeeltjes zijn 67% Mn3O4 en 33% MnO. TEM beelden van (E) nanodeeltjes gesynthetiseerd met een lage stikstofstroom tonen grote nanodeeltjes omgeven door kleinere. TEM-beelden van (F) nanodeeltjes gesynthetiseerd met een 0:60 verhouding van OA:DE tonen zeer kleine geaggregeerde nanodeeltjes met onregelmatige vorm. Schaalbalken zijn 50 nm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 7
Figuur 7: FTIR spectra van MnO nanodeeltjes gesynthetiseerd met afnemende ratio's van OA:DE.
De volgende verhoudingen werden gebruikt: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20,d) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Sterretjes en vierkanten komen overeen met respectievelijk oleylgroepen en aminegroepen, terwijl driehoeken de trilling van Mn-O- en Mn-O-Mn-bindingen aangeven. De boxed insets markeren de twee verschillende pieken van oleylgroepen. FTIR spectra geven aan dat MnO nanodeeltjes zijn bekleed met oleylamine, zoals bevestigd door vergelijking met de oleylamine alleen FTIR spectrum in figuur S3. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figuur S1: Belangrijk glaswerk en apparatuur van de MnO nanodeeltjes synthese setup. Het spruitstuk wordt door metalen klauwklemmen aan het metalen rooster bevestigd en verspreidt stikstof in de reactie. Mn(II) ACAC, dibenzylther, oleylamine en een roerstaaf worden met vier nekken aan de ronde bodemkolf toegevoegd. De rechter hals van de kolf is bevestigd aan de rotovap val en een elleboog adapter, terwijl de linker hals is bevestigd aan een condensor en een elleboog adapter. De middelste hals van de ronde bodemkolf is bedekt met een rubberen stop. De temperatuursonde wordt in de kleinste opening van de ronde bodemkolf geplaatst en wordt omgeven door een o-ring en paraffine plastic folie om een luchtdichte afdichting te vormen. De ronde bodemkolf zit bovenop een verwarmingsmantel en een roerplaat om de reactie krachtig te roeren tijdens het verwarmen. De temperatuursonde en verwarmingsmantel zijn aangesloten op de temperatuurregelaar om real-time geautomatiseerde regulering van het temperatuurprofiel te bieden. De ronde bodemkolf en condensor worden met metalen klauwklemmen aan het metalen rooster bevestigd. Er zijn drie minerale olie bubblers, twee aan de linkerkant en een aan de rechterkant, gevuld met toenemende hoeveelheden siliconen olie van de linker bubbler naar rechts bubbler in het beeld. De bubblers zijn ook bevestigd aan het metalen rooster met klauwklemmen. Groene plastic conische voegclips zijn bevestigd aan beveiligde glaswerkverbindingen voordat de reactie begint. De buizenaansluitingen zijn beschreven in figuur 1. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Figuur S2: Histogrammen met de verdeling van de MnO nanodeeltjesgrootte voor afnemende verhoudingen van OA:DE. De volgende verhoudingen werden gebruikt: (A) 60:0, (B) 50:10, (C) 40:20,d) 30:30, (E) 20:40, (F) 10:50. Over het algemeen als de verhouding nadert 10:50, de nanodeeltjes grootte verdeling verschuift naar links (met vermelding van kleinere diameters) en wordt compacter (met vermelding van meer uniforme nanodeeltjes grootte). De gemiddelde diameter voor elke verdeling wordt weergegeven in figuur 4. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Figuur S3: FTIR-spectrum van oleylamine. Sterretjes en vierkanten vertegenwoordigen respectievelijk de oleylgroepen en aminegroepen oleylamine. Klik hier om dit cijfer te downloaden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Het protocol hierin beschrijft een facile, one-pot synthese van MnO nanodeeltjes met behulp van Mn(II) ACAC, DE en OA. Mn(II) ACAC wordt gebruikt als uitgangsmateriaal om een bron van Mn2+ te leveren voor MnO nanodeeltjesvorming. Het uitgangsmateriaal kan eenvoudig worden vervangen om de productie van andere metaaloxide nanodeeltjes mogelijk te maken. Wanneer bijvoorbeeld ijzer(III) ACAC wordt toegepast, kunnen Fe3O4 nanodeeltjes worden gegenereerd met behulp van dezelfde nanodeeltjessyntheseapparatuur en protocol beschreven63. DE dient als een ideaal organisch oplosmiddel voor thermische afbraakreacties, omdat het een hoog kookpunt heeft van 295-298 °C. OA is een veelgebruikte goedkope stabilisator/mild reducerend middel, dat helpt bij het afdekken en coördineren van metaaloxide nanodeeltjes nucleatie en groei61,63. Net als DE heeft OA een hoog kookpunt van 350 °C om bestand te zijn tegen de hoge temperaturen van thermische afbraak. De volgende twee waarnemingen kunnen worden gebruikt als bewijs van succesvolle generatie MnO nanodeeltjes tijdens de synthese: 1) het verschijnen van een groene tint aan het reactiemengsel tijdens thermische ontleding bij 280 °C en 2) de vorming van een donkerbruine grote pellet op de bodem van de centrifugebuizen na centrifugatie in hexaan en ethanol. Resulterende nanodeeltjes moeten verder worden gekenmerkt door TEM, XRD en FTIR om respectievelijk grootte/morfologie, bulksamenstelling en oppervlaktesamenstelling te evalueren.

Tijdens de nanodeeltjessynthese moeten verschillende variabelen worden opgemerkt en gecontroleerd om de productie van uniforme nanodeeltjes met de MnO-kristallijne fase te garanderen. Ten eerste moet de verhouding tussen alle uitgangsmaterialen gelijk blijven, aangezien we hebben aangetoond dat de dalende verhoudingen van OA tot DE de nanodeeltjesgrootte verminderen (figuur 4). Ten tweede moet de reactie krachtig worden geroerd om een adequate verspreiding van nucleating nanodeeltjes, uniforme verwarming en vermindering van groottevariatie mogelijk te maken. Ten derde, als temperatuur speelt een grote rol bij het regelen van metaaloxide nanodeeltjes grootte47,,48,50 en fase samenstelling47,48,50, is het van cruciaal belang om goed onder te dompelen de temperatuur sonde tip in het reactiemengsel, terwijl niet in contact met het glas van de ronde bodem kolf die een onnauwkeurige temperatuur zal lezen. Ten vierde moet de stikstofstroom hoog genoeg zijn om alle lucht te zuiveren uit de reactie om de vorming van de MnO-kristallijne fase over Mn3O4aan te moedigen . Zoals blijkt uit figuur 6A,zal een lage stikstofstroom resulteren in nanodeeltjes met een gemengde MnO/Mn3O4-samenstelling. Correcte vulling van de minerale olie bubblers met toenemende hoeveelheden siliconen olie uit de linker bubbler (1 inch olie) naar de middelste bubbler (1,5 centimeter olie) aan de rechter bubbler (2 centimeter olie) zal de weerstand voor stikstof stroom laagste door de reactie (#4 in figuur 1). De borrelende snelheid van de middenminnende oliebubbelaar (met #7,8 in figuur 1)kan worden gebruikt om de snelheid van stikstof die door de reactie stroomt te meten. Ten slotte moet een stabilisator zoals OA worden toegevoegd aan het reactiemengsel om nanodeeltjeskern en -groei te coördineren. Zoals blijkt uit figuur 6Bheeft DE without OA een kleine hoeveelheid product gemaakt, meestal van een Mn3O4 (67%) Samenstelling. Dit product werd ook waargenomen als een onregelmatige vorm met geaggregeerde nanodeeltjes door TEM, die niet voorkwam toen OA aanwezig was in de reactie (figuur 6F).

Verschillende variabelen van de thermische afbraakreactie kunnen worden aangepast om de grootte van nanodeeltjes te optimaliseren, morfologie, en samenstelling, met inbegrip van het type inert gas47,48,50, piekreactietemperatuur44,47,48,49, totale reactietijd44,45,46, en soorten/verhoudingen van de oorspronkelijke chemische verbindingen die in de reactie20,45,,47,48,50worden gebruikt . Salazar-Alvarez et al.50 en Seo et al.48 hebben aangetoond dat argonstroom tijdens thermische afbraak van Mn(II) Mn3O4 vormt bij lagere piekreactietemperaturen variërend van 150 °C tot 200 °C. Bij het gebruik van stikstof of lucht hebben Nolis et al.47 vergelijkbare resultaten behaald voor de ontleding van Mn(III) ACAC waarbij Mn3O4 nanodeeltjes werden geproduceerd bij lagere temperaturen (150 oC of 200 oC) en MnO nanodeeltjes alleen werden gegenereerd bij hogere temperaturen (250 °C en 300 °C)47. Hogere piekreactietemperaturen en langere tijden bij de piekreactietemperatuur, ook wel bekend als de verouderingstijd, zijn ook geassocieerd met een toename van nanodeeltjesgrootte44,45,46,47,48,49. Bovendien kan de verwarmingssnelheid van de reactie van invloed zijn op de grootte van nanodeeltjes. Schladt et al.44 stelde vast dat het verhogen van de verwarmingssnelheid van 1,5 °C/min tot 90 oC/min de nanodeeltjesgrootte liet vallen van respectievelijk 18,9 nm naar 6,5 nm. Ten slotte kunnen verschillende chemische stoffen worden toegevoegd als reducerende agentia en stabilisatoren in mangaan thermische afbraakreacties; OA20,47,,48,,50 en oliezuur20,45 worden echter het meest gebruikt. De verhouding van OA tot oliezuur is bewezen dat de chemie en vorm van gesynthetiseerde MnO nanodeeltjes beïnvloeden. Volgens Zhang et al.20resulteerde OA alleen in de vorming van Mn3O4 nanodeeltjes, een combinatie van OA en oliezuur leidde tot een mengsel van Mn3O4 en MnO nanodeeltjes, en oliezuur produceerde alleen MnO nanodeeltjes. Interessant is dat de ervaring leert dat MnO nanodeeltjes alleen met OA kunnen worden vervaardigd en dat oliezuur niet nodig is om de vorming van de MnO kristallijne fase te bevorderen. Bovendien heeft het gebruik van OA op zichzelf sferische nanodeeltjes vervaardigd, terwijl alleen oliezuur stervormige nanodeeltjesgenereerde 20,64. Het is duidelijk dat er veel flexibiliteit is in het wijzigen van syntheseparameters om de resulterende fysische en chemische eigenschappen van MnO-nanodeeltjes te beïnvloeden.

Ondanks het gedetailleerde protocol kunnen er instanties ontstaan die probleemoplossing vereisen. In de volgende paragraaf worden enkele veelvoorkomende problemen en oplossingen beschreven. Tijdens de reactie, als de temperatuur lijkt te stabiliseren rond 100 °C, kan er wat water in de verwarmingsmantel zijn gelekt. Inspecteer zichtbaar de omgeving op waterlekkage uit de condensor. Raak de mantel of ronde bodemkolf niet direct aan zonder hittebestendige handschoenen, omdat ze erg heet zullen zijn. Als er water wordt waargenomen, schakel dan onmiddellijk de temperatuurregelaar uit, haal de verwarmingsmantel los en laat deze 's nachts drogen. Om toekomstige lekkages te voorkomen, gebruikt u een ingesloten slangslang van het wormentuig om de waterbuizen aan de condensor te beveiligen. In het geval dat het gewenste product MnO is, maar alleen Mn3O4 wordt geproduceerd, is het belangrijk om de stikstofstroom tijdens de reactie te controleren. De middelste bubbler moet een constante stroom van bubbels (zie de video voor de juiste borrelsnelheid), terwijl de juiste bubbler moet slechts een of twee bubbels vormen in. Onjuiste stikstofstroom kan optreden als het differentieel siliconenoliegehalte in elke minerale oliebubbel niet wordt gehandhaafd. Controleer het oliepeil voor elk experiment en vul de bubblers volgens stap 1.5 indien nodig. Tijdens de nanodeeltjesverzameling geeft het protocol aan om de supernatant uit te storten zonder de nanodeeltjespellet te verstoren. De beste manier om de supernatant te ontdoen is om het uit te gieten met een snelle continue beweging in plaats van een langzame. Echter, als de pellet gemakkelijk los van de centrifuge buis, het gebruik van een overdracht pipet wordt aanbevolen om de supernatant te verwijderen. Tijdens nanodeeltjesinzameling en TEM-rastervoorbereiding is bath sonicatie een belangrijke stap. Als de nanodeeltjes niet correct worden geresusd, beweegt u de buis rond het waterbad sonicator totdat zich een gebied is gelegen waar de sonicatie kan worden gevoeld door de hand die de buis vasthoudt. De nanodeeltjespellet kan ook zichtbaar worden gezien desintegrerend onder sterke badsoonisatie als de buis zich op de juiste plek bevindt. Na nanodeeltjes resuspension is het belangrijk dat het TEM-raster met een achteruitrijcet in de lucht wordt opgehangen in plaats van op een doekje of direct op een absorberend bankoppervlak te plaatsen. Het doekje of absorberend bankoppervlak zal de nanodeeltjessuspensie van het TEM-raster afwikkelen voordat het wordt gedroogd, wat resulteert in onvoldoende nanodeeltjesdepositie op het net voor beeldvorming.

Hoewel de thermische afbraakreactie vrij eenvoudig en eenvoudig te volgen is om MnO-nanodeeltjes te synthetiseren, zijn er enkele beperkingen verbonden aan de methode. Hoewel het mogelijk is om de fysische en chemische eigenschappen van nanodeeltjes tot op zekere hoogte te controleren, beïnvloeden sommige variabelen zoals temperatuur en verouderingstijd tegelijkertijd zowel de grootte van nanodeeltjes als de fasesamenstelling. Daarom is het moeilijk om altijd nauwkeurige onafhankelijke controle van nanodeeltjes eigenschappen met behulp van deze methode. Bovendien kan het opschalen van de nanodeeltjessynthese door verdrievoudiging of verviervoudiging van de hoeveelheden uitgangsmaterialen ertoe leiden dat de reactie onstabiel en gewelddadig wordt. Grotere batchgrootte wordt ook geassocieerd met een verminderde opbrengst. Bovendien, ondanks de opslag van MnO nanodeeltjes in afgedekte scintillatie flacon flacon flaconsolie, hebben we gezien oxidatie van het nanodeeltjesoppervlak tot Mn3O4 zoals geëvalueerd door röntgenfotoelectron spectroscopie. Ten slotte zullen de MnO nanodeeltjes gegenereerd door deze techniek hydrofoob zijn en afgetopt met OA (figuur 7). Verdere oppervlaktewijziging in de overgang nanodeeltjes naar een hydrofiele toestand zal moeten worden toegepast om nanodeeltjes schorsing in waterige media mogelijk te maken. Er zijn verschillende methoden vastgesteld om de verspreiding van nanodeeltjes in biologische oplossingen te bevorderen, waaronder nanodeeltjesinkaping in polymeren14, coating van het nanodeeltjesoppervlak met lipiden52, of liganduitwisseling om de OA op het nanodeeltjesoppervlak te vervangen door hydrofiele liganden zoals poly(acrylzuur)20. Om de inkapseling van MnO nanodeeltjes in poly(melk-co-glycolzuur) (PLGA) polymeer te bereiken, volg McCall en Sirianni's gedetailleerde JoVE protocol65; MnO nanodeeltjes kunnen rechtstreeks worden toegevoegd aan de PLGA polymeeroplossing zoals beschreven voor hydrofobe geneesmiddelen in stap 8 van de sectie Nanoparticle Preparation. MnO nanokristal distributie binnenkant van PLGA nanodeeltjes kan worden beoordeeld met behulp van TEM en het laden van Mn in het PLGA-polymeer kan worden bepaald door thermogravimetrische analyse zoals aangegeven in Bennewitz et al.14.

Hoewel MnO nanodeeltjes kunnen worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen vanwege hun magnetische, elektronische en katalytische eigenschappen, zijn we geïnteresseerd in het toepassen van MnO nanodeeltjes als schakelbare, T1 MRI contrastmiddelen. Eerder hebben onze groep en anderen aangetoond dat intacte MnO nanodeeltjes hebben verwaarloosbare T1 MRI contrast (MRI-signaal is "UIT") bij fysiologische pH 7.4 het nabootsen van het bloed14,15,16,17,18,19. MnO lost echter op om aanzienlijke Mn2+ ionen te creëren bij een lage pH 5 die cellulaire endosomosomen nabootst; vrijgegeven Mn2+ coördineert met omringende watermoleculen om het MRI-signaal "AAN" in te schakelen bij lage pH14,15,16,17,18,19. MnO nanodeeltjes kunnen worden gelokaliseerd op verschillende cellen van belang, zoals kankercellen, door toevoeging van targeting peptiden of antilichamen op het nanodeeltjesoppervlak51,66. Hier beschrijven we de synthese van MnO nanodeeltjes met een gemiddelde diameter variërend van 18,6 nm tot 38,8 nm. Controle van nanodeeltjes grootte kan nuttig zijn voor het verbeteren van MRI contrastmiddel effectiviteit. Specifiek, wordt verwacht dat grotere nanodeeltjes meer oppervlakte voor gehechtheid van richtende liganden zullen hebben om nanodeeltjesaccumulatie bij de plaats van belang zoals tumoren te verbeteren. De totale nanodeeltjesgrootte met toegevoegde oppervlaktegroepen moet echter worden beperkt tot 50-100 nm om tumoraccumulatie67,68te maximaliseren . Kleinere nanodeeltjes hebben daarentegen een hogere oppervlakte-volumeverhouding om het snellere vrijkomen van Mn2+ onder zure omgevingen te vergemakkelijken en moeten verbeterde verpakkingsvolumes van nanodeeltjes binnen polymere leveringssystemen mogelijk maken. Synthese van MnO over Mn3O4 moet ook het MRI-contrast verbeteren, omdat MnO is aangetoond dat het sneller oplost dan Mn3O4 in geconcentreerde zure oplossingen om meer Mn2+ ionen69te genereren. Samengevat hebben we een thermisch afbraakprotocol voor de fabricage van MnO-nanodeeltjes beschreven dat relatief eenvoudig en aanpasbaar is om het nanodeeltjesontwerp te optimaliseren voor toekomstig gebruik in toepassingen zoals slimme MRI-contrastmiddelen, biosensoren, katalysatoren, batterijen en waterzuivering.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd ondersteund door WVU Chemical and Biomedical Engineering Department startup funds (M.F.B.). De auteurs willen dr. Marcela Redigolo bedanken voor de begeleiding bij de voorbereiding van het raster en het vastleggen van nanodeeltjes met TEM, Dr. Qiang Wang voor ondersteuning bij de evaluatie van XRD en FTIR spectra, Dr. John Zondlo en Hunter Snoderly voor het programmeren en integreren van de temperatuurcontroller in het nanoparticle syntheseprotocol, James Hall voor zijn hulp bij de assemblage van de nanodeeltjessynthese setup , Alexander Pueschel en Jenna Vito voor het helpen bij het kwantificeren van MnO nanodeeltjesdiameters van TEM-beelden, en de WVU Shared Research Facility voor het gebruik van de TEM, XRD en FTIR.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Felton, C., et al. Magnetic nanoparticles as contrast agents in biomedical imaging: recent advances in iron- and manganese-based magnetic nanoparticles. Drug Metabolism Reviews. 46 (2), 142-154 (2014).
  2. Hsu, B. Y. W., et al. Relaxivity and toxicological properties of manganese oxide nanoparticles for MRI applications. RSC Advances. 6 (51), 45462-45474 (2019).
  3. Wierzbinski, K. R., et al. Potential use of superparamagnetic iron oxide nanoparticles for in vitro and in vivo bioimaging of human myoblasts. Scientific Reports. 8 (1), 1-17 (2018).
  4. Vukojević, V., et al. Enzymatic glucose biosensor based on manganese dioxide nanoparticles decorated on graphene nanoribbons. Journal of Electroanalytical Chemistry. 823, 610-616 (2018).
  5. George, J. M., Antony, A., Mathew, B. Metal oxide nanoparticles in electrochemical sensing and biosensing: a review. Microchimica Acta. 185 (7), 358 (2018).
  6. Fei, J., et al. Tuning the Synthesis of Manganese Oxides Nanoparticles for Efficient Oxidation of Benzyl Alcohol. Nanoscale Research Letters. 12, (2017).
  7. Le, T. H., Ngo, T. H. A., Doan, V. T., Nguyen, L. M. T., Le, M. C. Preparation of Manganese Dioxide Nanoparticles on Laterite for Methylene Blue Degradation. Journal of Chemistry. 2019, 1602752 (2019).
  8. Kuo, C. H., et al. Robust Mesoporous Manganese Oxide Catalysts for Water Oxidation. ACS Catalysis. 5 (3), 1693-1699 (2015).
  9. Farzana, R., Rajarao, R., Hassan, K., Behera, P. R., Sahajwalla, V. Thermal nanosizing: Novel route to synthesize manganese oxide and zinc oxide nanoparticles simultaneously from spent Zn-C battery. Journal of Cleaner Production. 196, 478-488 (2018).
  10. Elbasuney, S., Elsayed, M. A., Mostafa, S. F., Khalil, W. F. MnO2 Nanoparticles Supported on Porous Al2O3 Substrate for Wastewater Treatment: Synergy of Adsorption, Oxidation, and Photocatalysis. Journal of Inorganic and Organometallic Polymers and Materials. , (2019).
  11. Shapiro, E. M., et al. MRI detection of single particles for cellular imaging. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101 (30), 10901-10906 (2004).
  12. Shapiro, E. M., Skrtic, S., Koretsky, A. P. Sizing it up: Cellular MRI using micron-sized iron oxide particles. Magnetic Resonance in Medicine. 53 (2), 329-338 (2005).
  13. Bennewitz, M. F., Tang, K. S., Markakis, E. A., Shapiro, E. M. Specific chemotaxis of magnetically labeled mesenchymal stem cells: implications for MRI of glioma. Molecular imaging and biology: MIB: the official publication of the Academy of Molecular Imaging. 14 (6), 676-687 (2012).
  14. Bennewitz, M. F., et al. Biocompatible and pH-Sensitive PLGA Encapsulated MnO Nanocrystals for Molecular and Cellular MRI. ACS Nano. 5 (5), 3438-3446 (2011).
  15. Chen, Y., et al. Manganese oxide-based multifunctionalized mesoporous silica nanoparticles for pH-responsive MRI, ultrasonography and circumvention of MDR in cancer cells. Biomaterials. 33 (29), 7126-7137 (2012).
  16. Park, M., et al. Large-Scale Synthesis of Ultrathin Manganese Oxide Nanoplates and Their Applications to T1 MRI Contrast Agents. Chemistry of Materials. 23 (14), 3318-3324 (2011).
  17. Duan, B., et al. Core-Shell Structurized Fe3O4@C@MnO2 Nanoparticles as pH Responsive T1-T2* Dual-Modal Contrast Agents for Tumor Diagnosis. ACS Biomaterials Science & Engineering. 4 (8), 3047-3054 (2018).
  18. Hao, Y., et al. Multifunctional nanosheets based on folic acid modified manganese oxide for tumor-targeting theranostic application. Nanotechnology. 27 (2), 025101 (2015).
  19. Shi, Y., Guenneau, F., Wang, X., Hélary, C., Coradin, T. MnO2-gated Nanoplatforms with Targeted Controlled Drug Release and Contrast-Enhanced MRI Properties: from 2D Cell Culture to 3D Biomimetic Hydrogels. Nanotheranostics. 2 (4), 403-416 (2018).
  20. Zhang, H., et al. Revisiting the coordination chemistry for preparing manganese oxide nanocrystals in the presence of oleylamine and oleic acid. Nanoscale. 6 (11), 5918 (2014).
  21. McDonagh, B. H., et al. L-DOPA-Coated Manganese Oxide Nanoparticles as Dual MRI Contrast Agents and Drug-Delivery Vehicles. Small. 12 (3), 301-306 (2016).
  22. Ding, X., et al. Polydopamine coated manganese oxide nanoparticles with ultrahigh relaxivity as nanotheranostic agents for magnetic resonance imaging guided synergetic chemo-/photothermal therapy. Chemical Science. 7 (11), 6695-6700 (2016).
  23. Wei, R., et al. Versatile Octapod-Shaped Hollow Porous Manganese(II) Oxide Nanoplatform for Real-Time Visualization of Cargo Delivery. Nano Letters. 19 (8), 5394-5402 (2019).
  24. Na, H. B., et al. Development of a T1 contrast agent for magnetic resonance imaging using MnO nanoparticles. Angewandte Chemie (International Ed. in English). 46 (28), 5397-5401 (2007).
  25. Rockenberger, J., Scher, E. C., Alivisatos, A. P. A New Nonhydrolytic Single-Precursor Approach to Surfactant-Capped Nanocrystals of Transition Metal Oxides. Journal of the American Chemical Society. 121 (49), 11595-11596 (1999).
  26. Han, C., et al. Synthesis of a multifunctional manganese(II)-carbon dots hybrid and its application as an efficient magnetic-fluorescent imaging probe for ovarian cancer cell imaging. Journal of Materials Chemistry B. 4 (35), 5798-5802 (2016).
  27. Wang, A., et al. Redox-mediated dissolution of paramagnetic nanolids to achieve a smart theranostic system. Nanoscale. 6 (10), 5270-5278 (2014).
  28. Jia, Q., et al. A Magnetofluorescent Carbon Dot Assembly as an Acidic H2O2-Driven Oxygenerator to Regulate Tumor Hypoxia for Simultaneous Bimodal Imaging and Enhanced Photodynamic Therapy. Advanced Materials. 30 (13), 1706090 (2018).
  29. Yang, B., et al. A three dimensional Pt nanodendrite/graphene/MnO 2 nanoflower modified electrode for the sensitive and selective detection of dopamine. Journal of Materials Chemistry B. 3 (37), 7440-7448 (2015).
  30. Li, J., Li, D., Yuan, R., Xiang, Y. Biodegradable MnO2 Nanosheet-Mediated Signal Amplification in Living Cells Enables Sensitive Detection of Down-Regulated Intracellular MicroRNA. ACS Applied Materials & Interfaces. 9 (7), 5717-5724 (2017).
  31. Fan, H., et al. A Smart DNAzyme-MnO2 Nanosystem for Efficient Gene Silencing. Angewandte Chemie International Edition. 54 (16), 4801-4805 (2015).
  32. Zhang, Y., et al. A real-time fluorescence turn-on assay for acetylcholinesterase activity based on the controlled release of a perylene probe from MnO 2 nanosheets. Journal of Materials Chemistry C. 5 (19), 4691-4694 (2017).
  33. Meng, H. M., et al. Multiple Functional Nanoprobe for Contrast-Enhanced Bimodal Cellular Imaging and Targeted Therapy. Analytical Chemistry. 87 (8), 4448-4454 (2015).
  34. Zhao, Z., et al. Activatable Fluorescence/MRI Bimodal Platform for Tumor Cell Imaging via MnO2 Nanosheet-Aptamer Nanoprobe. Journal of the American Chemical Society. 136 (32), 11220-11223 (2014).
  35. Chen, J. L., et al. A glucose-activatable trimodal glucometer self-assembled from glucose oxidase and MnO 2 nanosheets for diabetes monitoring. Journal of Materials Chemistry B. 5 (27), 5336-5344 (2017).
  36. Yang, G., et al. Hollow MnO 2 as a tumor-microenvironment-responsive biodegradable nano-platform for combination therapy favoring antitumor immune responses. Nature Communications. 8 (1), 1-13 (2017).
  37. Wu, Y., et al. Versatile in situ synthesis of MnO2 nanolayers on upconversion nanoparticles and their application in activatable fluorescence and MRI imaging. Chemical Science. 9 (24), 5427-5434 (2018).
  38. Jing, X., et al. Intelligent nanoflowers: a full tumor microenvironment-responsive multimodal cancer theranostic nanoplatform. Nanoscale. 11 (33), 15508-15518 (2019).
  39. Peng, Y. K., et al. Engineered core-shell magnetic nanoparticle for MR dual-modal tracking and safe magnetic manipulation of ependymal cells in live rodents. Nanotechnology. 29 (1), 015102 (2018).
  40. Ren, S., et al. Ternary-Responsive Drug Delivery with Activatable Dual Mode Contrast-Enhanced in vivo Imaging. ACS Applied Materials & Interfaces. 10 (38), 31947-31958 (2018).
  41. Zhen, W., et al. Multienzyme-Mimicking Nanocomposite for Tumor Phototheranostics and Normal Cell Protection. ChemNanoMat. 5 (1), 101-109 (2019).
  42. Tang, W., et al. Wet/Sono-Chemical Synthesis of Enzymatic Two-Dimensional MnO2 Nanosheets for Synergistic Catalysis-Enhanced Phototheranostics. Advanced Materials. 31 (19), 1900401 (2019).
  43. Ding, B., Zheng, P., Ma, P., Lin, J. Manganese Oxide Nanomaterials: Synthesis, Properties, and Theranostic Applications. Advanced Materials. , 1905823 (2020).
  44. Schladt, T. D., Graf, T., Tremel, W. Synthesis and Characterization of Monodisperse Manganese Oxide Nanoparticles-Evaluation of the Nucleation and Growth Mechanism. Chemistry of Materials. 21 (14), 3183-3190 (2009).
  45. Yin, M., O'Brien, S. Synthesis of Monodisperse Nanocrystals of Manganese Oxides. Journal of the American Chemical Society. 125 (34), 10180-10181 (2003).
  46. Chen, Y., Johnson, E., Peng, X. Formation of Monodisperse and Shape-Controlled MnO Nanocrystals in Non-Injection Synthesis: Self-Focusing via Ripening. Journal of the American Chemical Society. 129 (35), 10937-10947 (2007).
  47. Nolis, G. M., Bolotnikov, J. M., Cabana, J. Control of Size and Composition of Colloidal Nanocrystals of Manganese Oxide. Inorganic Chemistry. 57 (20), 12900-12907 (2018).
  48. Seo, W. S., et al. Size-Dependent Magnetic Properties of Colloidal Mn3O4 and MnO Nanoparticles. Angewandte Chemie International Edition. 43 (9), 1115-1117 (2004).
  49. Douglas, F. J., et al. Formation of octapod MnO nanoparticles with enhanced magnetic properties through kinetically-controlled thermal decomposition of polynuclear manganese complexes. Nanoscale. 6 (1), 172-176 (2013).
  50. Salazar-Alvarez, G., Sort, J., Suriñach, S., Baró, M. D., Nogués, J. Synthesis and Size-Dependent Exchange Bias in Inverted Core-Shell MnO|Mn 3 O 4 Nanoparticles. Journal of the American Chemical Society. 129 (29), 9102-9108 (2007).
  51. Zhang, T., Ge, J., Hu, Y., Yin, Y. A General Approach for Transferring Hydrophobic Nanocrystals into Water. Nano Letters. 7 (10), 3203-3207 (2007).
  52. Chhour, P., et al. Nanodisco balls: control over surface versus core loading of diagnostically active nanocrystals into polymer nanoparticles. ACS nano. 8 (9), 9143-9153 (2014).
  53. Suk, J. S., Xu, Q., Kim, N., Hanes, J., Ensign, L. M. PEGylation as a strategy for improving nanoparticle-based drug and gene delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 99, 28-51 (2016).
  54. Huang, C. C., Khu, N. H., Yeh, C. S. The characteristics of sub 10 nm manganese oxide T1 contrast agents of different nanostructured morphologies. Biomaterials. 31 (14), 4073-4078 (2010).
  55. Zhao, N., et al. Size-Controlled Synthesis and Dependent Magnetic Properties of Nearly Monodisperse Mn3O4 Nanocrystals. Small. 4 (1), 77-81 (2008).
  56. He, D., Hai, L., He, X., Yang, X., Li, H. W. Glutathione-Activatable and O2/Mn2+-Evolving Nanocomposite for Highly Efficient and Selective Photodynamic and Gene-Silencing Dual Therapy. Advanced Functional Materials. 27 (46), 1704089 (2017).
  57. He, D., et al. Redox-responsive degradable honeycomb manganese oxide nanostructures as effective nanocarriers for intracellular glutathione-triggered drug release. Chemical Communications. 51 (4), 776-779 (2015).
  58. Chen, Y., et al. Multifunctional Graphene Oxide-based Triple Stimuli-Responsive Nanotheranostics. Advanced Functional Materials. 24 (28), 4386-4396 (2014).
  59. Prasad, P., et al. Multifunctional Albumin-MnO2 Nanoparticles Modulate Solid Tumor Microenvironment by Attenuating Hypoxia, Acidosis, Vascular Endothelial Growth Factor and Enhance Radiation Response. ACS Nano. 8 (4), 3202-3212 (2014).
  60. Perez De Berti, I., et al. Alternative low-cost approach to the synthesis of magnetic iron oxide nanoparticles by thermal decomposition of organic precursors. Nanotechnology. 24, 175601 (2013).
  61. Mourdikoudis, S., Liz-Marzán, L. M. Oleylamine in Nanoparticle Synthesis. Chemistry of Materials. 25 (9), 1465-1476 (2013).
  62. Zheng, M., et al. A simple additive-free approach for the synthesis of uniform manganese monoxide nanorods with large specific surface area. Nanoscale Research Letters. 8 (1), 166 (2013).
  63. Xu, Z., Shen, C., Hou, Y., Gao, H., Sun, S. Oleylamine as Both Reducing Agent and Stabilizer in a Facile Synthesis of Magnetite Nanoparticles. Chemistry of Materials. 21 (9), 1778-1780 (2009).
  64. Hou, Y., Xu, Z., Sun, S. Controlled Synthesis and Chemical Conversions of FeO Nanoparticles. Angewandte Chemie. 119 (33), 6445-6448 (2007).
  65. McCall, R. L., Sirianni, R. W. PLGA Nanoparticles Formed by Single- or Double-emulsion with Vitamin E-TPGS. Journal of Visualized Experiments. (82), (2013).
  66. Le Joncour, V., Laakkonen, P. Seek & Destroy, use of targeting peptides for cancer detection and drug delivery. Bioorganic & Medicinal Chemistry. 26 (10), 2797-2806 (2018).
  67. Perry, J. L., et al. Mediating Passive Tumor Accumulation through Particle Size, Tumor Type, and Location. Nano Letters. 17 (5), 2879-2886 (2017).
  68. Tang, L., et al. Investigating the optimal size of anticancer nanomedicine. Proceedings of the National Academy of Sciences. 111 (43), 15344-15349 (2014).
  69. Godunov, E. B., Izotov, A. D., Gorichev, I. G. Dissolution of Manganese Oxides of Various Compositions in Sulfuric Acid Solutions Studied by Kinetic Methods. Inorganic Materials. 54 (1), 66-71 (2018).

Tags

Bio-engineering nanodeeltjes mangaan(II) acetylacetonaat mangaanoxide oleylamine dibenzyl ether thermische ontbinding magnetische resonantie beeldvorming x-ray diffractie transmissie elektronenmicroscopie Fourier-getransformeerde infrarood spectroscopie
Mangaanoxide Nanoparticle Synthese door thermische afbraak van mangaan(II) Acetylacetonaat
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Martinez de la Torre, C., Bennewitz, … More

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).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter