Flusso tangenziale Ultrafiltrazione: un metodo "verde" per la selezione del formato e la concentrazione di nanoparticelle di argento colloidale

L'obiettivo generale di questo procedimento è dimostrare la fattibilità del metodo di ultrafiltrazione a flusso tangenziale per volumi più grandi di nanoparticelle colloidali e volumi più piccoli di Tate. Innanzitutto, sintetizzare quattro litri di nanoparticelle colloidali di argento cretino. Verificare la qualità del colloide determinando la risonanza plasmonica superficiale mediante spettrofotometria di assorbimento UV-vis.

Successivamente, utilizzare un flusso tangenziale con filtrazione ultrafine per selezionare le dimensioni e concentrare questo colloide in quattro millilitri di acqua. Quindi, mediante spettroscopia di emissione ottica con plasma accoppiato induttivamente, quantificare la quantità di argento presente nel colloide originale e nei campioni rappresentativi del processo di ultrafiltrazione. Infine, microscopia elettronica a trasmissione in combinazione con l'elaborazione delle immagini.

In Image J il software viene utilizzato per mostrare la distribuzione dimensionale delle nanoparticelle d'argento nel colloide originale e nella successiva ultrafiltrazione. I principianti nella quantificazione di nanomateriali mediante ICP-OES dovranno imparare le procedure di pulizia della vetreria, fondamentali per garantire che la stessa sia priva di qualsiasi contaminazione da metalli in tracce. Altrettanto importante è il tempo necessario per digerire correttamente i campioni colloidali e per preparare gli standard di calibrazione per l'ICP-OES.

A differenza di altri metodi come la dimensione della fazione, la solubilità dipendente, la cromatografia ad esclusione di dimensione, la cristallizzazione frazionata e l'elettroforesi su gel, questo metodo evita problemi come l'aggregazione, la tossicità della sintesi, i reagenti, rivestimenti indesiderati, costi elevati e/o ridotta efficienza. La sintesi delle nanoparticelle Colorado Suen e la loro caratterizzazione mediante spettrofotometria visibile e I-C-P-O-E-S saranno eseguite da Austin Williams, Joshua Baker e Catherine Anders, studenti ricercatori del mio laboratorio. Ciao, sono il dottor Woolley e eseguirò la filtrazione tangenziale a flusso, mentre Jackie Cisco eseguirà la microscopia elettronica. Pulire con cura tutta la vetreria, come descritto nel testo allegato.

Utilizzando acqua sterilizzata raffreddata a 10 gradi Celsius, preparare 300 millilitri di una soluzione di boroidruro di sodio a due millimoli e 100 millilitri di una soluzione di nitrato di argento a un millimole. Aggiungere ora 300 millilitri della soluzione di boroidruro di sodio a un matraccio da reazione Erlemmeyer da 500 millilitri contenente una barretta agitatrice. Avvolgere il matraccio con carta d'alluminio per prevenire l'ossidazione dell'argento e agitare sul ghiaccio.

Per condizionare una buretta da 25 millilitri, risciacquare con una colonna completa di acqua ultrapura, seguita da un risciacquo con una colonna completa di nitrato d'argento. Quindi avvolgere la buretta con carta d'alluminio e riempirla con soluzione di nitrato d'argento. Al buio, aggiungere 50 millilitri di soluzione di nitrato d'argento alla soluzione di sodio o di idruro.

Coprire la sezione centrale dell'apparecchiatura con un foglio di alluminio a forma di tenda per ridurre al minimo l'esposizione alla luce. Rabboccare periodicamente il bagno di ghiaccio durante questo periodo. Continuare a mescolare la soluzione colloidale su ghiaccio per ulteriori 45-50 minuti.

La formazione di nanoparticelle d'argento è indicata da un cambiamento di colore da incolore a giallo dorato, caratteristico del massimo di risonanza della plasmonica superficiale delle nanoparticelle d'argento. Conservare in frigorifero il colloide ottenuto. Riempire una provetta monouso da un millilitro Q vet con colloide di Creighton e acqua ultrapura in un rapporto volumetrico di 1 a 10. Per una correzione della linea di base in bianco, riempire un'altra provetta Q Vet con acqua ultrapura.

Pulire l'esterno di entrambi i Q vets con un fazzoletto Kim. Impostare lo spettrofotometro in modalità assorbanza da un valore minimo di Y di -0,5 a un valore massimo di Y di 1,0. Impostare inoltre la finestra di scansione X da 200 a 800 nanometri e selezionare una velocità di scansione rapida con correzione della linea di base.

Inserire il Q vet riempito con acqua nello strumento ed eseguire una scansione di linea di base. Ripetere se necessario fino a ottenere un controllo di linea di base diverso da zero. Sostituire il Q.Vet vuoto con il Q vet contenente il campione e avviare una scansione di assorbanza per acquisire lo spettro di assorbimento UV-vis del campione colloidale.

Collegare 17 tubi flessibili di alimentazione principali alla pompa peristaltica come descritto nel testo allegato, selezionare il senso di rotazione antiorario della pompa tramite il pulsante DIR e verificare che il pulsante della modalità sia su INT. Impostare la velocità della pompa a meno di 300 millilitri al minuto. Successivamente, preparare il sistema creando un vuoto nel circuito di filtrazione.

Una volta che il liquido scorre liberamente attraverso il sistema, spegnere la pompa, chiudere il porto nel giunto del tubo ed eliminare la pinza. Riaccendere la pompa e controllare il circuito del tubo per verificare la presenza di perdite. Aumentare ora la portata della pompa in base alle dimensioni del tubo.

Continuare la filtrazione fino a quando il liquido nella bottiglia del serbatoio è quasi esaurito, quindi spegnere la pompa, ridurre la velocità della pompa e raccogliere il rifiuto dal circuito di filtrazione. Il rifiuto è costituito da nanoparticelle di dimensioni superiori a 50 nanometri. Successivamente, raccogliere il filtrato, che consiste in nanoparticelle di dimensioni inferiori a 50 nanometri.

Il campione può essere sicuro per ulteriori analisi e il filtrato viene utilizzato nel passaggio successivo. Successivamente, selezionare nanoparticelle con diametro inferiore a 20 nanometri. Sciacquare il tubo con acido nitrico al 2% in acqua ultrapura.

Ripetere il processo di filtrazione utilizzando un filtro CROs da 100 chilodalton. Raccogliere il retenuto dal circuito di filtrazione. Il campione può essere ulteriormente concentrato utilizzando un filtro micross da cento chilodalton più piccolo e un tubo di dimensioni minori, numero 14, con portate della pompa più basse di 30 mil e 90 mil rispettivamente per le fasi di condizionamento e di filtrazione.

Questo metodo è progettato per quantificare l'argento attraverso le fasi di purificazione della preparazione delle nanoparticelle d'argento. Utilizzare contenitori in polipropilene a bassa densità per prevenire il rilascio di argento dai campioni. In primo luogo, digerire chimicamente i campioni con acido nitrico concentrato.

Preparare anche una curva di calibrazione per l'argento utilizzando otto standard. Procedere ora con l'impostazione dei parametri dello strumento I-C-P-O-E-S per la lunghezza d'onda dell'argento, la potenza della radiofrequenza, il flusso del plasma, il flusso ausiliario e la pressione del nebulizzatore. Impostare inoltre lo strumento per misurare i campioni in triplice replicato con un tempo di replica di 10 secondi.

Utilizzarlo con un tempo di stabilizzazione della misura di 15 secondi e un ritardo di prelievo del campione di 30 secondi. Inoltre, assicurarsi di inserire un bianco del metodo tra ogni campione per ridurre il rischio di contaminazione incrociata. A questo punto, caricare i campioni e diluire il campione di 100 kilodalton con acqua ultrapura.

Ora depositare 20 microlitri del colloide originale e della soluzione diluita di tate da 100 kilodalton su griglie d'oro rivestite con formvar da 300 mesh. Lasciare asciugare le griglie all'aria. Impostare il potenziale di accelerazione dello strumento TEM a 70 kilovolt per visualizzare le nanoparticelle d'argento, acquisire microfotografie elettroniche mediante la fotocamera ad alta risoluzione e salvare in formato file immagine taggato.

In questa preparazione di quattro litri di creta e nanoparticelle di argento colloidale, il colloide finale presentava un caratteristico colore giallo dorato. Lo spettro di assorbimento UV-vis di questo colloide mostrava un tipico picco simmetrico e ben definito del plasmone superficiale a 394 nanometri. Lo spettro Raman del colloide originale di cretina e del campione finale di 100 chilodalton mostrava soltanto tre modi vibrazionali.

La modalità di flessione a 1.640 e le modalità di allungamento simmetrico e asimmetrico dell'acqua. Il processo in tre fasi di filtrazione tangenziale e ultrafiltrazione per la selezione dimensionale e la concentrazione delle nanoparticelle d'argento ha prodotto un residuo finale di 100 kilodalton, pari a otto di quattro millilitri. La maggior parte dei sottoprodotti della sintesi e dei reagenti in eccesso è stata eliminata attraverso il solvente acquoso.

La quantità di argento è stata quindi determinata utilizzando la curva di calibrazione I-C-P-O-E-S. In questo caso, il rendimento effettivo è molto vicino al rendimento teorico tipico di 15,4 parti per milione. Per la reazione cretin, l'elevata concentrazione di nanoparticelle di argento si è riflessa in un cambiamento drammatico di colore, passando dal dorato e giallo del colloide originale al marrone scuro del finale 100 kilodalton; le misurazioni I-C-P-O-E-S hanno confermato le osservazioni visive e rivelato una concentrazione di argento per il tate finale di 100 kilodalton.

Queste microfotografie al microscopio elettronico a trasmissione del colloide cretin originale e del campione finale di 100 kilodalton mostrano che, nel loro stato non aggregato, le nanoparticelle d'argento appaiono come aree nere rotonde su uno sfondo grigio più chiaro. Gli istogrammi dimensionali al microscopio elettronico a trasmissione sono stati costruiti analizzando circa 800 nanoparticelle d'argento, sia quelle originali di creon che il campione finale di 100 kilodalton. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come eseguire la filtrazione a flusso tangenziale per la concentrazione e la selezione dimensionale delle nanoparticelle d'argento.

È possibile concentrare diversi volumi con aggregazione minima. È inoltre necessario avere una buona conoscenza delle metodiche per la caratterizzazione delle nanoparticelle. Una volta acquisita, questa tecnica può essere eseguita in sei ore o meno.

Nel tentativo di eseguire questa procedura, è importante ricordare che sospensioni colloidali altamente concentrate avranno una vita limitata anche in condizioni di refrigerazione. Questa limitazione può essere gestita attraverso un'attenta ricerca, pianificazione e preparazione. Ricordare che, quando si lavora con reagente di acido nitrico caldo durante la digestione chimica per l'analisi I-C-P-U-S, la procedura può essere pericolosa e devono essere adottate adeguate precauzioni, come lavorare sotto cappa chimica o indossare l'adeguata attrezzatura di protezione durante l'esecuzione di questa procedura.