Tangential Flow-Ultrafiltration: Ein "Green"-Methode für die Größe Auswahl und Konzentration von kolloidalem Silber-Nanopartikel

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, die Durchführbarkeit der Tangentialfluss-Ultrafiltrationsmethode für größere Volumina kolloidaler Nanopartikel und kleinere Volumina von Tate zu demonstrieren. Stellen Sie zunächst vier Liter kolloidaler Silbernanopartikel her. Überprüfen Sie die Qualität des Kolloids durch Bestimmung der Oberflächenplasmonenresonanz mittels UV/Vis-Absorptions-Spektrophotometrie.

Als Nächstes verwenden Sie die tangentialflussbasierte Ultrafiltration, um diesen Kolloid auf vier Milliliter Wasser zu verkleinern, auszuwählen und zu konzentrieren. Anschließend quantifizieren Sie mittels optischer Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppelter Plasmaquelle die Menge an Silber im ursprünglichen Kolloid und in repräsentativen Proben des Ultrafiltrationsprozesses. Abschließend Transmissionselektronenmikroskopie in Verbindung mit Bildverarbeitung.

In der Image-J-Software wird die Größenverteilung der Silbernanopartikel im ursprünglichen Kolloid und nach der abschließenden Ultrafiltration dargestellt. Personen, die neu in der Quantifizierung von Nanomaterialien mittels ICP-OES sind, müssen die für die Glasreinigung erforderlichen Verfahren erlernen, die entscheidend dafür sind, dass die Glasgeräte frei von Spurenmetallkontaminationen sind. Ebenso wichtig ist die Zeit, die notwendig ist, um die kolloidalen Proben ordnungsgemäß aufzuschließen und die ICP-OES-Kalibrierstandards herzustellen.

Im Gegensatz zu anderen Methoden wie Fällungsgröße, löslichkeitsabhängige Trennung, Größenausschlusschromatographie, fraktionierte Kristallisation und Gelelektrophorese vermeidet diese Methode Probleme wie Aggregation, Toxizität der Synthese, Reagenzien, unerwünschte Beschichtungen, hohe Kosten und/oder verminderte Effizienz. Die Synthese der Colorado-Suen-Nanopartikel und deren Charakterisierung mittels visueller, spektraler Optometrie und ICP-OES werden Austin Williams, Joshua Baker und Catherine Anders, Forschungsstudenten aus meinem Labor, durchführen. Hallo, ich bin Dr. Woolley, und ich werde die tangentialflussfiltrierende Trennung durchführen, während Jackie Cisco die Elektronenmikroskopie durchführen wird. Sorgfältig sämtliches Glaswerk reinigen. Die genaue Beschreibung des Glaswerks ist im begleitenden Text enthalten.

Unter Verwendung von Autoklavenwasser, das auf 10 Grad Celsius abgekühlt wurde, stellen Sie 300 Milliliter einer zwei Millimolar-Lösung von Natriumborhydrid und 100 Milliliter einer einmillimolaren Silbernitratlösung her. Geben Sie nun 300 Milliliter der Natriumborhydrid-Lösung in einen 500-Milliliter-Erlenmeyerkolben, der einen Rührstab enthält. Wickeln Sie den Kolben mit Aluminiumfolie ein, um eine Oxidation des Silbers zu verhindern, und rühren Sie die Mischung auf Eis um.

Um eine 25-Milliliter-Bürette vorzubereiten, spülen Sie sie zunächst mit einer vollen Säule aus ultrareinem Wasser, gefolgt von einer vollen Säule mit Silbernitrat. Wickeln Sie die Bürette dann mit Aluminiumfolie ein und füllen Sie sie mit Silbernitratlösung. Fügen Sie in einem dunklen Raum 50 Milliliter Silbernitratlösung zu der Natrium- oder Hydridlösung hinzu.

Bedecken Sie den mittleren Bereich der Apparatur mit einer Folienhaube, um die Lichteinwirkung zu minimieren. Ergänzen Sie das Eisbad in regelmäßigen Abständen während dieser Zeit. Rühren Sie die kolloidale Lösung weitere 45 bis 50 Minuten über Eis weiter.

Die Bildung von Silbernanopartikeln zeigt sich durch eine Farbänderung von farblos zu einem goldenen Gelbton, was charakteristisch für das Maximum der Oberflächenplasmaresonanz von Silbernanopartikeln ist. Kühlen Sie den resultierenden Kolloid. Füllen Sie eine Einweg-Q-Vet mit einem Milliliter Creighton-Kolloid und ultrareinem Wasser im Volumenverhältnis 1:10. Füllen Sie für eine leere Referenzkorrektur eine weitere Q-Vet mit ultrareinem Wasser.

Wischen Sie die Außenseiten beider Q-Vets mit einem Kim-Tuch ab. Stellen Sie das Spektrophotometer auf den Absorptionsmodus mit einem Y-Minimum von -0,5 und einem Y-Maximum von 1,0 ein. Stellen Sie außerdem das X-Scan-Fenster auf 200 bis 800 Nanometer ein und wählen Sie eine schnelle Scan-Geschwindigkeit mit Basislinienkorrektur.

Setzen Sie die mit Wasser gefüllte Q vet in das Gerät ein und führen Sie einen Basislinien-Scan durch. Wiederholen Sie den Vorgang gegebenenfalls, bis eine nicht-null Basislinienkontrolle erreicht ist. Ersetzen Sie die leere Q.Vet durch die Proben-Q vet und starten Sie einen Absorptions-Scan zur Aufnahme des UV/Vis-Absorptionsspektrums der kolloidalen Probe.

Schließen Sie 17 cm Masterflex-Zuführungsschläuche an die peristaltische Pumpe an, wie im begleitenden Text beschrieben, wählen Sie die Drehrichtung gegen den Uhrzeigersinn mithilfe der DIR-Taste aus und stellen Sie sicher, dass der Modus-Schalter auf INT steht. Stellen Sie die Pumpgeschwindigkeit auf weniger als 300 Milliliter pro Minute ein. Danach spülen Sie das System vor, indem Sie ein Vakuum im Filtrationskreislauf erzeugen.

Sobald die Flüssigkeit frei durch das System fließt, schalten Sie die Pumpe aus, schließen Sie den Hahn an der Schlauchverbindung und entfernen Sie die Klemme. Schalten Sie die Pumpe erneut ein und überwachen Sie den Schlauchkreislauf auf Lecks. Erhöhen Sie nun die Pumpenflussrate entsprechend der Schlauchgröße.

Setzen Sie die Filtration fort, bis die Flüssigkeit in der Vorratsflasche nahezu verbraucht ist, und schalten Sie die Pumpe aus, verringern Sie die Pumpgeschwindigkeit und sammeln Sie das Taten aus der Filtrationsanlage. Das Taten besteht aus Nanopartikeln, die größer als 50 Nanometer sind. Sammeln Sie anschließend das Filtrat, das aus Nanopartikeln besteht, die kleiner als 50 Nanometer sind.

Das Tate kann für weitere Analysen verwendet werden, und das Filtrat wird im nächsten Schritt genutzt. Danach Nanopartikel mit einem Durchmesser von weniger als 20 Nanometern auswählen. Spülen Sie die Tubing mit 2 % Salpetersäure in ultrareinem Wasser.

Wiederholen Sie den Filtrationsprozess mit einem 100-Kilodalton-CROs-Filter. Sammeln Sie den Retentat aus der Filtrationsanordnung. Die Probe kann weiter angereichert werden, indem ein kleinerer 100-KD-Mikrofilter und ein Schlauch mit der geringeren Größe 14 verwendet werden, zusammen mit niedrigeren Pumpgeschwindigkeiten von 30 Mil und 90 Mil für die Priming- und Filtrationsschritte.

Diese Methode dient dazu, das Silber während der Reinigungsschritte der Silbernanopartikelpräparation zu quantifizieren. Verwenden Sie Behälter aus niedrigdichtem Polypropylen, um ein Auslaugen von Silber aus den Proben zu verhindern. Digestieren Sie die Proben zunächst chemisch mit konzentrierter Salpetersäure.

Bereiten Sie außerdem eine Silber-Kalibrierkurve unter Verwendung von acht Standardlösungen vor. Gehen Sie nun zur ICP-OES-Geräteparametereinstellung über, und legen Sie die Wellenlänge für Silber, die Hochfrequenzleistung, den Plasmafluss, den Hilfsfluss sowie den Nebuliserdruck fest. Stellen Sie das Gerät zudem so ein, dass Proben im Dreifachansatz mit einer Wiederholungszeit von 10 Sekunden gemessen werden.

Verwenden Sie es zwischen einer Messstabilisierungszeit von 15 Sekunden und einer Probenaufnahmeverzögerung von 30 Sekunden. Stellen Sie außerdem sicher, dass Sie zwischen jeder Probe eine Methylenprobe einfügen, um eine mögliche Kreuzkontamination zu verringern. Laden Sie nun die Proben und messen Sie, indem Sie die 100-Kilodalton-Tate-Probe mit ultrareinem Wasser verdünnen.

Tragen Sie nun 20 Mikroliter des ursprünglichen Kolloids und der verdünnten 100-Kilodalton-Lösung auf 300-Maschen-Formvar-beschichtete Goldgitter auf. Lassen Sie die Gitter an der Luft trocknen. Stellen Sie das Beschleunigungspotential des TEM-Geräts auf 70 Kilovolt ein, um die Silbernanopartikel zu visualisieren, erfassen Sie Elektronenmikrografien mit der hochauflösenden Kamera und speichern Sie diese im Format „Tagged Image File Format“.

Bei dieser Herstellung von vier Litern Cret und kolloidalen Silbernanopartikeln wies der endgültige Kolloid eine charakteristische goldgelbe Farbe auf. Das UV-Vis-Absorptionsspektrum dieses Kolloids zeigte einen typischen, scharfen, symmetrischen Oberflächenplasmonenpeak bei 394 Nanometern. Das Raman-Spektrum des ursprünglichen Cretin-Kolloids und des endgültigen 100-Kilodalton-Tate wies lediglich drei Schwingungsmodi auf.

Der Biegemodus bei 1.640 und die symmetrischen sowie asymmetrischen Streumoden des Wassers. Das dreistufige tangentialfließende Ultrafiltrationsverfahren zur Größenselektion und Konzentration der Silbernanopartikel ergab ein Endprodukt von 100 Kilodalton Retentat, acht von vier Millilitern. Die meisten Synthese-Nebenprodukte und überschüssigen Reagenzien wurden über das Wassersolvens eliminiert.

Die Menge an Silber wurde anschließend unter Verwendung der ICP-OES-Kalibrierungskurve bestimmt. Hier liegt die tatsächliche Ausbeute sehr nahe an der typischen theoretischen Ausbeute von 15,4 Teilen pro Million. Bei der Cretin-Reaktion spiegelte die extreme Konzentration an Silbernanopartikeln eine starke Farbänderung wider, die von Gold- und Gelbtönen des ursprünglichen Kolloids zu einem dunkelbraunen Farbton für das endgültige 100-Kilodalton-Produkt reichte. Die ICP-OES-Messungen bestätigten die visuellen Beobachtungen und zeigten eine Silberkonzentration für das endgültige 100-Kilodalton-Produkt auf.

Diese TEM-Aufnahmen des ursprünglichen Cretin-Kolloids und des finalen 100-Kilodalton-Tat zeigen, dass sich silberne Nanopartikel im nicht aggregierten Zustand als schwarze runde Bereiche auf einem helleren grauen Hintergrund darstellen. Diese TEM-Größen-Histogramme wurden durch die Analyse von etwa 800 silbernen Nanopartikeln für die ursprünglichen Creon-Silber-Nanopartikel und das finale 100-Kilodalton-Ate erstellt. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie die tangentialflussfiltration zur Konzentrierung und Größenselektion silberner Nanopartikel durchgeführt wird.

Es können verschiedene Volumina mit minimaler Aggregation angereichert werden. Sie sollten außerdem gut verstehen, wie man die Nanopartikel charakterisiert. Sobald die Technik beherrscht ist, kann sie in sechs Stunden oder weniger durchgeführt werden.

Bei der Durchführung dieses Verfahrens ist zu beachten, dass hochkonzentrierte kolloidale Suspensionen selbst bei Kühlung eine begrenzte Haltbarkeit aufweisen. Diese Einschränkung kann durch sorgfältige Recherche, Planung und Vorbereitung bewältigt werden. Beachten Sie, dass die Arbeit mit heißer Salpetersäure während der chemischen Aufschlussreaktion für die ICP-MS-Analyse gefährlich sein kann; es sind daher geeignete Sicherheitsvorkehrungen zu treffen, wie beispielsweise die Arbeit im chemischen Abzug oder das Tragen der vorgeschriebenen Schutzausrüstung während der Durchführung dieses Verfahrens.