Ultrafiltracja przepływem stycznym: „zielona” metoda selekcji rozmiaru i zagęszczania koloidalnych nanocząstek srebra

Ogólnym celem niniejszej procedury jest wykazanie wykonalności metody ultrafiltracji przepływu stycznego dla większych objętości koloidalnych nanocząstek oraz mniejszych objętości Tate. Najpierw należy zsyntetyzować cztery litry koloidalnego srebra w nanocząstkach. Jakość koloidu należy zweryfikować poprzez wyznaczenie powierzchniowego rezonansu plazmonowego przy użyciu spektrofotometrii absorpcyjnej UV-Vis.

Następnie, za pomocą ultrafiltracji przepływowej (TFF), przeprowadź frakcjonowanie według wielkości, selekcję i zagęszczenie koloidu do objętości 4 mL wody. Następnie, wykorzystując spektroskopię emisyjną z plazmą sprzężoną indukcyjnie (ICP-OES), określ ilość srebra w pierwotnym koloidzie oraz w reprezentatywnych próbkach pobranych podczas procesu ultrafiltracji. Ostatecznie zastosuj transmisyjną mikroskopię elektronową w połączeniu z przetwarzaniem obrazów.

Oprogramowanie Image J jest wykorzystywane do przedstawienia rozkładu wielkości nanocząstek srebra w oryginalnym koloidzie oraz po końcowej ultrafiltracji. Osoby rozpoczynające pracę z ilościowym oznaczaniem nanomateriałów metodą I-C-P-O-E-S będą musiały zapoznać się z procedurami czyszczenia szkła laboratoryjnego, które są kluczowe dla zapewnienia braku śladowego zanieczyszczenia metalami. Ważny jest również czas niezbędny do prawidłowego trawienia próbek koloidalnych oraz przygotowania wzorców kalibracyjnych do analizy I-C-P-O-E-S.

W przeciwieństwie do innych metod, takich jak rozdzielanie zależne od wielkości, rozpuszczalność zależna od wielkości, chromatografia wykluczania, krystalizacja frakcyjna oraz elektroforeza żelowa, metoda ta pozwala uniknąć takich problemów jak agregacja, toksyczność odczynników do syntezy, niepożądane powłoki, wysokie koszty oraz niska wydajność. Syntezę nanocząsteczek Colorado Suen oraz ich charakterystykę przy użyciu spektrometrii UV-Vis i ICP-OES zademonstrują Austin Williams, Joshua Baker i Catherine Anders, studenci badawczy z mojego laboratorium. Jestem dr Woolley i przeprowadzę filtrację przepływową w trybie stycznym, natomiast Jackie Cisco zajmie się mikroskopią elektronową. Całe szkło laboratoryczne zostało dokładnie oczyszczone, zgodnie z opisem w tekście towarzyszącym.

Używając wody autoklawowanej schłodzonej do 10 °C, przygotuj 300 ml dwumilimolowego roztworu borowodorku sodu oraz 100 ml jednomilimolowego roztworu azotanu srebra. Następnie dodaj 300 ml roztworu borowodorku sodu do kolby Erlenmeyera o pojemności 500 ml zawierającej mieszadło magnetyczne. Owiń kolbę folią aluminiową, aby zapobiec utlenianiu srebra, i mieszaj w kąpieli lodowej.

Aby przygotować biuretę o pojemności 25 mililitrów, należy przepłukać ją pełną kolumną wody ultrapurej, a następnie pełną kolumną azotanem srebra. Następnie należy owinąć biuretę folią aluminiową i napełnić ją roztworem azotanu srebra. W ciemnym pomieszczeniu należy dodać 50 mililitrów roztworu azotanu srebra do roztworu sodu lub wodorku.

Przykryj środkową sekcję aparatury namiotem z folii, aby zminimalizować ekspozycję na światło. Okresowo uzupełniaj kąpiel lodową w tym czasie. Kontynuuj mieszanie roztworu koloidalnego w lodzie przez kolejne 45 do 50 minut.

Powstanie nanocząsteczek srebra sygnalizuje zmiana barwy z bezbarwnej na złocistożółtą, co jest charakterystyczne dla maksimum powierzchniowego rezonansu plazmonowego nanocząsteczek srebra. Otrzymany koloid należy schłodzić. Jednorazową kuwetę Q o objętości jednego mililitra należy napełnić koloidem i wodą ultrapure w stosunku objętości 1:10. W celu przeprowadzenia korekcji linii bazowej (blank), inną kuwetę Q należy napełnić wodą ultrapure.

Przetrzyj zewnętrzną powierzchnię obu kuwet kwartcowych chusteczką Kim. Ustaw spektrofotometr w trybie absorbancji z zakresem Y od minimum -0,5 do maksimum 1,0. Ustaw również okno skanowania X w zakresie od 200 do 800 nanometrów i wybierz szybką prędkość skanowania z korekcją linii bazowej.

Włóż do urządzenia kuwetę Q vet wypełnioną wodą i przeprowadź skan bazowy. Powtarzaj czynność w razie potrzeby, aż do uzyskania niezerowej kontroli linii bazowej. Zastąp pustą kuwetę Q.Vet kuwetą Q vet z próbką i uruchom skan absorbancji w celu zebrania widma absorpcyjnego UV-vis próbki koloidalnej.

Podłącz przewod doprowadzający Master Flex 17 do pompy perystaltycznej zgodnie z opisem w towarzyszącym tekście, wybierz kierunek pracy pompy przeciwny do ruchu wskazówek zegara za pomocą przycisku DIR i upewnij się, że przycisk trybu jest ustawiony na INT. Ustaw prędkość pompowania na wartość poniżej 300 mililitrów na minutę. Następnie przygotuj układ do pracy, tworząc podciśnienie w pętli filtracyjnej.

Gdy ciecz zacznie swobodnie przepływać przez system, wyłączyć pompę, zamknąć port w złączu przewodów i zdjąć zacisk. Ponownie włączyć pompę i monitorować obwód przewodów pod kątem nieszczelności. Następnie zwiększyć szybkość przepływu pompy zgodnie z rozmiarem przewodów.

Kontynuuj filtrację, aż ciecz w butelce zbiorniku zostanie niemal całkowicie zużyta, a następnie wyłącz pompę, zmniejsz szybkość pompowania i pobierz retentat z pętli filtracyjnej. Retentat składa się z nanocząsteczek o rozmiarze większym niż 50 nanometrów. Następnie pobierz filtrat, który składa się z nanocząsteczek o rozmiarze mniejszym niż 50 nanometrów.

Osad może być zachowany do dalszej analizy, a filtrat wykorzystuje się w następnym etapie. Następnie należy wyselekcjonować nanocząstki o średnicy mniejszej niż 20 nanometrów. Przeplucz rurkę 2% kwasem azotowym w wodzie ultrapurej.

Powtórz proces filtracji, używając filtra CROs o wielkości odcięcia 100 kilodalton. Zbierz retent z pętli filtracyjnej. Próbkę można dodatkowo zagęścić, stosując mniejszy filtr mikros 100 KD oraz cieńszą rurkę o rozmiarze 14, przy niższych przepływach pompy wynoszących 30 ml i 90 ml dla etapów przygotowania układu oraz filtracji.

Metoda ta służy do ilościowego oznaczenia srebra w etapach oczyszczania podczas przygotowania nanocząsteczek srebra. Należy używać pojemników z polipropylenu o niskiej gęstości, aby zapobiec wymywaniu srebra z próbek. W pierwszej kolejności próbki poddaje się trawieniu chemicznemu stężonym kwasem azotowym.

Należy również przygotować krzywą kalibracyjną dla srebra przy użyciu ośmiu standardów. Następnie w instrumencie I-C-P-O-E-S należy ustawić parametry długości fali dla srebra, moc częstotliwości radiowej, przepływ plazmy, przepływ pomocniczy oraz ciśnienie nebulizatora. Instrument należy ponadto zaprogramować tak, aby mierzyć próbki w trzech powtórzeniach, przy czasie powtórzenia wynoszącym 10 sekund.

Należy go używać przy czasie stabilizacji pomiaru wynoszącym 15 sekund oraz opóźnieniu poboru próbki wynoszącym 30 sekund. Należy również pamiętać o wprowadzeniu próbki ślepej metody między każdą próbką, aby zredukować potencjalną kontaminację krzyżową. Teraz należy załadować próbki i dokonać pomiaru, rozcieńczając próbkę tate 100 kilodalton wodą ultrapurą.

Następnie nanieś 20 µL oryginalnego koloidu oraz rozcieńczonego tate 100 kDa na siatki złote pokryte formą 300 mesh. Pozostaw siatki do wyschnięcia na powietrzu. Ustaw potencjał przyspieszający instrumentu TEM na 70 kV w celu wizualizacji nanocząsteczek srebra; wykonaj mikrografie elektronowe przy użyciu kamery o wysokiej rozdzielczości i zapisz je w formacie plików obrazów z tagami.

W tej preparacji czterech litrów nanocząsteczek srebra koloidalnego i kretu, końcowy koloid miał charakterystyczny złocistożółty kolor. Widmo absorpcyjne UV-vis tego koloidu wykazało typowy, ostry, symetryczny pik plazmonowy powierzchniowy przy 394 nanometrach. Widmo Ramana pierwotnego koloidu kretu oraz końcowego Tate 100 kilodalton wykazało jedynie trzy mody wibracyjne.

Mod zgięcia przy 1 640 oraz symetryczne i asymetryczne mody rozciągania wody. Trzystopniowy proces ultrafiltracji w przepływie stycznym, zastosowany do selekcji wielkości i zagęszczania nanocząsteczek srebra, pozwolił na uzyskanie końcowego retentatu o masie cząsteczkowej 100 kilodalton w objętości czterech mililitrów. Większość produktów ubocznych syntezy oraz nadmiar odczynników zostały usunięte wraz z rozpuszczalnikiem wodnym.

Ilość srebra określono następnie za pomocą krzywej kalibracyjnej I-C-P-O-E-S. W tym przypadku rzeczywista wydajność jest bardzo zbliżona do typowej wydajności teoretycznej wynoszącej 15,4 parts per million. W przypadku reakcji kretynowej ekstremalne stężenie nanocząsteczek srebra objawiło się gwałtowną zmianą koloru ze złotego i żółtego dla pierwotnego koloidu na ciemnobrązowy dla końcowego 100 kilodalton ate; pomiary I-C-P-O-E-S potwierdziły obserwacje wizualne i wykazały stężenie srebra dla końcowego 100 kilodalton tate.

Niniejsze mikrografie TEM pierwotnego koloidu oraz końcowej frakcji 100 kilodalton wskazują, że w stanie niezagregowanym nanocząsteczki srebra występują jako czarne, okrągłe obszary na jaśniejszym, szarym tle. Przedstawione histogramy wielkości TEM zostały sporządzone na podstawie analizy około 800 nanocząsteczek srebra dla pierwotnego koloidu oraz końcowej frakcji 100 kilodalton. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat przeprowadzania filtracji stycznej w celu zagęszczania i selekcji wielkości nanocząsteczek srebra.

Różne objętości mogą zostać zagęszczone przy minimalnej agregacji. Należy również dobrze rozumieć sposób charakteryzacji nanocząstek. Po opanowaniu technika ta może zostać wykonana w ciągu sześciu godzin lub krócej.

Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że silnie skoncentrowane zawiesiny koloidalne mają ograniczoną trwałość, nawet w warunkach chłodniczych. Ograniczenie to można zminimalizować poprzez staranne zaplanowanie i przygotowanie badań. Należy pamiętać, że praca z gorącym odczynnikiem kwasu azotowego podczas mineralizacji chemicznej dla analizy ICP-U-S może być niebezpieczna, dlatego należy zachować odpowiednie środki ostrożności, takie jak praca w dygestorium chemicznym oraz stosowanie właściwego sprzętu ochrony osobistej podczas realizacji tej procedury.