JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

פרוטוקול זה מפרט את התזה, סיר אחד של תחמוצת מנגן (MnO) חלקיקים על ידי ריקבון תרמי של מנגן (II) acetylacetonate בנוכחות אולילאמין ו dibenzyl אתר. חלקיקי MnO נוצלו ביישומים מגוונים כולל הדמיית תהודה מגנטית, רגישות ביולוגית, זליזה, סוללות, וטיפול בשפכים.

Abstract

עבור יישומים ביו-רפואיים, חלקיקי תחמוצת מתכת כגון תחמוצת ברזל ותחמוצת מנגן (MnO), שימשו חיישנים ביולוגיים וסוכני ניגוד בהדמיית תהודה מגנטית (MRI). בעוד חלקיקי תחמוצת ברזל מספקים ניגוד שלילי קבוע על MRI על פני מסגרות זמן ניסיוניות טיפוסיות, MnO יוצר ניגודיות חיובית להחלפה על MRI באמצעות פירוק של MnO ל Mn2+ ב pH נמוך בתוך אנדוזומים תא כדי 'להפעיל' ניגודיות MRI. פרוטוקול זה מתאר סינתזה של סיר אחד של חלקיקי MnO שנוצרו על ידי ריקבון תרמי של מנגן(II) אצטילאצטונאט באוליילאמין ו dibenzyl אתר. למרות הפעלת הסינתזה של חלקיקי MnO הוא פשוט, ההתקנה הניסיונית הראשונית יכולה להיות קשה להתרבות אם הוראות מפורטות אינן מסופקות. לכן, כלי זכוכית ואסיפה צינורות מתוארת תחילה ביסודיות כדי לאפשר לחוקרים אחרים לשחזר בקלות את ההתקנה. שיטת הסינתזה משלבת בקר טמפרטורה כדי להשיג מניפולציה אוטומטית ומדויקת של פרופיל הטמפרטורה הרצוי, אשר ישפיע על גודל ננו-חלקיקים וכתוצאה מכך כימיה. פרוטוקול הפירוק התרמי יכול להיות מותאם בקלות כדי ליצור חלקיקי תחמוצת מתכת אחרים (למשל, תחמוצת ברזל) ולכלול ממיסים אורגניים חלופיים ומייצבים (למשל, חומצה אולאית). בנוסף, ניתן לשנות את היחס בין ממס אורגני למייצב למאפייני ננו-חלקיקים השפעה נוספת, המוצג בזאת. חלקיקי MnO מסונתזים מאופיינים מורפולוגיה, גודל, הרכב בתפזורת, הרכב פני השטח באמצעות מיקרוסקופאלקטרונים שידור, מפזר רנטגן, וספקטרוסקופיה אינפרא אדום פורייה-טרנספורמציה, בהתאמה. חלקיקי MnO מסונתזים על ידי שיטה זו יהיה הידרופובי ויש לתמרן עוד יותר באמצעות חילופי ליגנד, אנקלוסציה פולימרית, או פקיקה שומנים לשלב קבוצות הידרופיליות לאינטראקציה עם נוזלים ביולוגיים ורקמות.

Introduction

חלקיקי תחמוצת מתכת בעלי תכונות מגנטיות, חשמליות וקטליטיות, אשר הוחלו בהדמיהביולוגית 1,,2,,3,טכנולוגיותחיישנים 4,,5, זליזה 6,7,8, אחסוןאנרגיה 9,וטיהור מים10.6, בתוך השדה הביו-רפואי, חלקיקי תחמוצת ברזל וחתמי תחמוצת מנגן (MnO) הוכיחו את השירות כסוכני ניגוד בהדמיית תהודה מגנטית (MRI)1,2. חלקיקי תחמוצת ברזל לייצר ניגודיות שלילית חזקה על T2* MRI והם חזקים מספיק כדי לדמיין תאים בעלי תווית אחת vivo11,12,13; עם זאת, לא ניתן לאפנן את אות ה-MRI השלילי ונשאר "ON" לאורך כל תקופת הניסויים הטיפוסיים. בשל ברזל אנדוגני נוכח בכבד, מח עצם, דם טחול, הניגוד השלילי שנוצר חלקיקים תחמוצת ברזל עשוי להיות קשה לפרש. חלקיקים MnO, מצד שני, מגיבים לירידה בpH. אות MRI עבור חלקיקי MnO יכול לעבור מ "כבוי" ל "ON" ברגע שהחלקיקים הם פנימיים בתוך אנדוזומים pH נמוך lysosomes של תא היעד כגון תאסרטני 14,15,16,17,18,19. הניגוד החיובי על T1 MRI המיוצר מפירוק MnO ל Mn2+ ב pH נמוך הוא ללא סייחות והוא יכול לשפר את ספציפיות גילוי סרטן על ידי תאורה רק באתר היעד בתוך גידול ממאיר. שליטה על גודל חלקיקים, מורפולוגיה והרכב הוא קריטי כדי להשיג אות MRI מרבי מחלקיקים MnO. בזאת, אנו מתארים כיצד לסנתז ולאפיין חלקיקי MnO באמצעות שיטת הריקבון התרמי ושים לב אסטרטגיות שונות עבור תכונות חלקיקים כוונון עדין על ידי שינוי משתנים בתהליך הסינתזה. פרוטוקול זה ניתן לשנות בקלות כדי לייצר חלקיקים מגנטיים אחרים כגון חלקיקי תחמוצת ברזל.

חלקיקי MnO יוצרו על ידי מגוון טכניקות כולל ריקבון תרמי20,,21,22,,23,,24,,25,הידרו / solvothermal26,,27,28,29, פילינג30,31,32,33,34, הפחתת35,,36,37,,38,וחמצון adsoration39,40,41,42. ריקבון תרמי היא הטכניקה הנפוצה ביותר הכוללת המסת מבשרי מנגן, ממיסים אורגניים, וסוכני ייצוב בטמפרטורות גבוהות (180 – 360 °C) תחת נוכחות של אטמוספרה גזית אינרטית כדי ליצור חלקיקי MnO43. מתוך כל הטכניקות האלה, ריקבון תרמי היא השיטה מעולה כדי ליצור מגוון של nanocrystals MnO של שלב טהור (MnO, Mn3O4 ו Mn2O3)עם התפלגות גודל צר. הרב-תכליתיות שלו מודגישה באמצעות היכולת לשלוט בחוזקה בגודל הננו-חלקיקים, מורפולוגיה והרכב על ידי שינוי זמן התגובה44,45,46,טמפרטורה 44,47, 48,49,סוגים/ יחסים שלמגיבים 20,45,47,48,50 וגז ,אינרטי 47,48,50 בשימוש. המגבלות העיקריות של שיטה זו הן הדרישה לטמפרטורות גבוהות, האטמוספירה ללא חמצן, ואת הציפוי הידרופובי של חלקיקים מסונתז, אשר דורש שינוי נוסף עם פולימרים, שומנים או ליגנדים אחרים כדי להגדיל אתהמסיסות עבור יישומים ביולוגיים 14,51,52,53.

מלבד ריקבון תרמי, שיטת הידרו /solvothermal היא הטכניקה היחידה האחרת שיכול לייצר מגוון רחב שלבים MnO כולל MnO, Mn3O4, ו MnO2; כל האסטרטגיות האחרות יוצרות רק MnO2 מוצרים. במהלך סינתזת הידרו /solvothermal, מבשרים כגון Mn(II) stearate54,55 ו Mn(II)אצטט 27 מחוממים בין 120-200 °C על פני מספר שעות כדי להשיג חלקיקים עם התפלגות גודל צר; עם זאת, כלי תגובה מיוחדים נדרשים ותגובות מבוצעות בלחצים גבוהים. לעומת זאת, אסטרטגיית פילינג כרוכה בטיפול בחומר שכבתי או בתפזורת כדי לקדם דיסוציאציה לשכבות בודדות דו-מיוד. היתרון העיקרי שלה הוא בהפקת MnO2 nanosheets, אבל תהליך הסינתזה הוא ארוך דורש כמה ימים ואת הגודל שנוצר של הסדינים קשה לשלוט. לחלופין, permanganates כגון KMnO4 יכול להגיב עם הפחתת סוכנים כגון חומצה אולאית56,57, תחמוצתגרפן 58 או פולי (allylamine הידרוכלוריד)59 כדי ליצור MnO2 חלקיקים. השימוש KMnO4 מקל על היווצרות ננו-חלקיקים בטמפרטורת החדר במשך מספר דקות עד שעות בתוך תנאים מדומים43. למרבה הצער, סינתזה מהירה וצמיחת ננו-חלקיקים עושה את זה מאתגר לשלוט דק גודל ננו חלקיקים וכתוצאה מכך. MnO2 חלקיקים יכול גם להיות מסונתז באמצעות חמצון adsorption לפיו Mn2+ יונים הם adsorbed וחמצון MnO2 על ידי חמצן בתנאים בסיסיים. שיטה זו תייצר קטן MnO2 חלקיקים עם התפלגות גודל צר בטמפרטורת החדר על פני מספר שעות במדיה מואית; עם זאת, הדרישה לתסה של יונים Mn2+ ותנאים אלקליים מגבילה את היישום הנרחב שלה43.

של שיטות סינתזת ננו-חלקיקים MnO שנדונו, פירוק תרמי הוא הרב-תכליתי ביותר כדי ליצור nanocrystals פאזה טהור monodisperse שונים עם שליטה על גודל ננו-חלקיקים, צורה והרכב ללא צורך כלי סינתזה מיוחדים. בכתב יד זה, אנו מתארים כיצד לסנתז חלקיקים MnO על ידי ריקבון תרמי ב 280 °C באמצעות מנגן(II) אצטילאצטונאט (Mn(II) ACAC) כמקור של Mn2+ יונים, oleylamine (OA) כסוכן הפחתת ומייצב, ו אתר דיבזיל (DE) כממס תחת אווירת חנקן. כלי זכוכית וצינורות ההתקנה עבור סינתזת ננו-חלקיקים מוסבר בפירוט. אחד היתרונות של הטכניקה הוא הכללה של בקר טמפרטורה, בדיקה תרמוקופל, ומעטה חימום כדי לאפשר שליטה מדויקת על קצב החימום, טמפרטורת שיא, וזמן תגובה בכל טמפרטורה כדי לכוונן את גודל ננו-חלקיק והרכב. בזאת, אנו מראים כיצד גודל nanoparticle יכול גם להיות מניפולציה על ידי שינוי היחס של OA ל- DE. בנוסף, אנו מדגימים כיצד להכין דגימות ננו-חלקיקים ולמדוד גודל ננו-חלקיקים, הרכב בתפזורת והרכב פני השטח באמצעות מיקרוסקופאלקטרון שידור (TEM), מפזר רנטגן (XRD) וספקטרוסקופיה אינפרא אדום פורייה-טרנספורמציה (FTIR), בהתאמה. הדרכה נוספת כלולה על איך לנתח את התמונות שנאספו ספקטרום מכל מכשיר. כדי ליצור חלקיקי MnO בצורה אחידה, מייצב וזרימת חנקן נאותה חייבים להיות נוכחים; תוצאות XRD ו- TEM מוצגות עבור מוצרים לא רצויים שנוצרו בהיעדר OA ותחת זרימת חנקן נמוכה. במקטע דיון, אנו מדגישים שלבים קריטיים בפרוטוקול, מדדים כדי לקבוע סינתזת ננו-חלקיקים מוצלחת, וריאציה נוספת של פרוטוקול הפירוק כדי לשנות מאפייני ננו-חלקיקים (גודל, מורפולוגיה והרכב), פתרון בעיות ומגבלות של השיטה, ויישומים של חלקיקי MnO כסוכני ניגודיות עבור הדמיה ביו-רפואית.

Protocol

1. הרכבה של כלי זכוכית וצינורות – להתבצע רק בפעם הראשונה

הערה: איור 1 מציג את ההתקנה הניסיונית עבור סינתזת ננו-חלקיקים MnO עם חיבורי צינורות ממוספרים. איור S1 מציג את אותה התקנה עם רכיבי כלי הזכוכית הראשיים המסווים בתווית. אם יש חוסר התאמה בין הצינורות העמידים כימית לבין גודל חיבור הזכוכית, לכסות את חיבור הזכוכית הראשון עם חתיכה קצרה של צינורות קטנים לפני הוספת צינורות עמידים כימית כדי להפוך את החיבורים להתכרבל.

  1. אבטחו את מיכל החנקן ללא אוויר לקיר קרוב למכסה מנוע אדים כימי באמצעות מעצורי רצועה מאושרים. הוסף את וסת החנקן המתאים למיכל.
    התראה: צילינדרים גז חייב להיות מאובטח כראוי מאז הם יכולים להיות מסוכנים מאוד אם התהפך.
  2. מלאו את עמוד ייבוש הגז בהתייבשות. חבר צינורות עמידים כימית מהרגולטור חנקן ללא אוויר להיכנס התחתון של עמוד ייבוש הגז (#1 באות 1).
  3. אבטחו את סעפת הזכוכית המכילה לפחות 2 שקעי עצירה לראש מכסה המנוע של האדים באמצעות שני מהדקי טופר מתכת. חבר צינורות עמידים כימית משקע עמוד ייבוש הגז (#2 באות 1)לפתיח הסעפת (#3 באות 1).
  4. מקום ואבטח 3 בועות שמן מינרלי ב מכסה המנוע אדים באמצעות מהדקי טופר מתכת על פי איור 1. שים שני בועות בצד שמאל ומבעבע אחד ימינה.
  5. מלא את הבועה השמאלית ביותר (#9 באות 1)עם הכמות הקטנה ביותר של שמן סיליקון (~ 1 אינץ' של שמן מתחתית הבועה). מלא את הבועה האמצעית (על #7,8 באות 1)עם כמות בינונית של שמן סיליקון (~ 1.5 אינץ' של שמן מתחתית הבועה). למלא את הבועה הימנית ביותר (#11 באות 1)עם הכמות הגדולה ביותר של שמן סיליקון (~ 2 סנטימטרים של שמן מתחתית הבועה).
    הערה: הכמות היחסית של שמן סיליקון בין בועות מינרלים חשוב מאוד כדי להשיג זרימה מתאימה של גז חנקן ללא אוויר דרך המערכת. אין להוסיף יותר מדי שמן (מעל ~ 2.5 אינץ'), כמו השמן יהיה בועה במהלך התגובה והוא יכול לצאת bubblers אם מלא יתר על כן.
  6. חבר את השקע בפקק הימני של הסעפת (#4 באות 1)לקצה ההברגה של מתאם מרפק זכוכית (#5 באות 1) באמצעות צינורותעמידים כימיים.
  7. חבר את הקצה המשוררש של מתאם מרפק זכוכית אחר (#6 באות 1)לזרם של הבועה האמצעית (#7 באות 1) באמצעות צינורותעמידים כימיים. חבר את השקע של הבועה האמצעית (#8 באות 1)להיכנס של הבועה השמאלית ביותר (#9 באות 1) באמצעות צינורותעמידים לכימיקלים.
  8. חבר את השקע בסטוקוק השמאלי של הסעפת (#10 באות 1)לפתן של הבועה הימנית ביותר (#11 באות 1).
  9. השאר את ההתקנה הראשונית בכסה המנוע של האדים אם החלל מתאים. אבטחו את שני מתאמי מרפק הזכוכית עם צינורות מחוברים (#5,6 באות 1)לסריג המתכת בכסה המנוע של האדים כאשר הניסוי אינו פועל.

2. התקנת ציוד וכלי זכוכית – להתבצע במהלך כל ניסוי

התראה: כל הצעדים הכרוכים בממיסים דורשים שימוש במכסה מנוע אדים כימי, כמו גם ציוד מגן אישי מתאים (PPE) כולל משקפי בטיחות, חלוק מעבדה וכפפות. יש להרכיב את ההתארגנון של הננו-חלקיקים בכסה המנוע של האדים.

  1. מניחים את צלחת ההתערבבות בקפוצ'ון האדים ומכניסים את המעטפת לחימום מעל צלחת ההתעוררות.
    הערה: המעטפת החימום חייבת להיות מסוגלת לעמוד בטמפרטורות מעל 300 מעלות צלזיוס.
  2. שים את הבקבוקון התחתון העגול 4 צוואר 500 מ"ל על המעטפת חימום ולאבטח את הצוואר האמצעי עם מהדק טופר מתכת. מוסיפים סרגל ערבוב מגנטי לסקבוק התחתון העגול. מניחים את משפך הזכוכית בצוואר האמצעי של הבקבוקון התחתון העגול.
  3. בדוק את הסעפת: ודא stopcock הבטיחות (#10 באות 1)וsטופקוק קלט (#4 באות 1)פתוחים.
    התראה: stopcock הבטיחות צריך להיות פתוח בכל עת כדי להבטיח שום לחץ נבנה במערכת. אם העצור סגור, פיצוץ יכול להתרחש.
  4. לשקול 1.51 גרם של מנגן (II) אצטילאצאט (Mn(II) ACAC) ולהניח בתוך הבקבוקון התחתון העגול באמצעות משפך הזכוכית.
  5. להוסיף 20 מ"ל של אולילאמין ו 40 מ"ל של אתר dibenzyl לבקבוקון התחתון העגול באמצעות פיפטה זכוכית ומשפך זכוכית. הסר את המשפך ונקה אותו עם הקסאן.
    התראה: ניתן לשנות את קנה המידה של הניסוי (לדוגמה, 2 פעמים), אך מומלץ להיות שמרני בעת שימוש בכמויות גדולות יותר של מגיבים. כמויות גדולות יותר של מגיבים עלולות לגרום לתגובה להיות פחות יציבה, ולכן מסוכנת.
  6. חבר את העיב לצוואר השמאלי של הבקבוקון התחתון העגול ואבטח את העיך עם מהדק טופר מתכת. הוסף את מתאם מרפק הזכוכית (#6 באות 1)מעל העיך.
    הערה: המתאם צריך להיות מחובר עם צינורות עמידים כימית לבועה שמן מינרלים באמצע (#7 באות 1).
  7. חבר את הצינורות התואמים למים משקע המים במחסה האדים (#12 באות 1)לפרף של העיך (#13 באות 1). כמו כן, השתמשו בצינורות תואמי מים כדי לחבר את שקע העיך (#14 באות 1)לניקוז במכסה האדים (#15 באות 1). אבטחו את הצינורות לחיבורי העבות (#13,14 באיור 1)עם מהדקי צינור מתכת של ציוד תולעת.
  8. הוסף את מלכודת הרוטוואפ לצוואר הימני של הבקבוקון התחתון העגול. מניחים את מתאם מרפק הזכוכית (#5 באות 1)מעל מלכודת הרוטוואפ.
    הערה: המתאם צריך להיות מחובר עם צינורות עמידים כימית לשקע סעפת stopcock הנכון (#4 באות 1).
  9. חבר את תעצור הגומי לצוואר האמצעי של הבקבוקון התחתון העגול ומקפלים אותו כך שהצדדים יכסו את צוואר הבקבוקון. הוסף את מהדקי מפרק קונסרבתי פלסטיק (4 קליפים ירוקים באות 1)כדי לאבטח את חיבורי צוואר כלי הזכוכית הבאים: מתאם מרפק ומלכודת rotovap, מלכודת rotovap בקבוקון תחתון עגול, בקבוקון תחתון עגול מעבה, ומתאם מעבה ומרפק.
  10. מקם את גשושית הטמפרטורה לתוך הצוואר הקטן ביותר במבחנות התחתון העגול, הידוק ואבטחת הגשוש עם מכסה הצוואר וטבעת O. לאטום את הקשר עם סרט פלסטיק פרפין.
    הערה: ודאו שבדיקה בטמפרטורה שקועה בתוך תערובת הנוזלים, אך אינה נוגעת בתחתית הזכוכית. אם הגשוש נמצא במגע עם משטח הזכוכית, הטמפרטורה שנמדדה תהיה לא מדויקת בהשוואה לטמפרטורת הנוזלים האמיתית, מה שגורם לבקר הטמפרטורה לספק כמות שגויה של חום לתגובה.
  11. חבר את גשושית הטמפרטורה לקלט של בקר הטמפרטורה. חבר את המעטפת לחימום לפלט של בקר הטמפרטורה.
  12. מדליקים את צלחת ההתערבבות ומתחילים לערבב במרץ.
  13. פתח את מיכל החנקן ללא אוויר והתחל לאט לאט לזרום חנקן לתוך המערכת (זה יסיר את האוויר). להתאים את זרימת החנקן באמצעות הרגולטור עד זרם איטי קבוע של בועות טופס בבועה שמן מינרלי באמצע (#7 באות 1).
  14. הפעל את המים הקרים במכסה האדים (#12 באות 1)לעיך ובדוק כי אין דליפות מים מהצינורות.
  15. תניח את אבנט מכסה המנוע לפני שהתגובה תתחיל.

3. סינתזת ננו-חלקיקים

  1. הפעל את בקר הטמפרטורה (אספקת חשמל וחימום) כדי להפעיל את התגובה. התבוונן והקליט את צבע תערובת התגובה בכל שלב. התגובה תתחיל כצבע חום כהה בשלבים 1-3 ותהפוך לירוקה בשלב 4.
    הערה: כל בקר טמפרטורה יפעל באופן שונה. הקפד להשתמש במדריך ובתוכנה הנכונים.
  2. שלב 1: שים לב לתצוגת בקר הטמפרטורה כדי לאשר שהטמפרטורה עולה מטמפרטורת החדר ל-60 מעלות צלזיוס במשך 30 דקות.
  3. שלב 2: ודא כי בקר הטמפרטורה מתייצב ב 60 °C במשך 1 דקות כפי שהוא מתכונן לקצב חימום מהיר יותר בשלב 3.
  4. שלב 3: בדוק את תצוגת בקר הטמפרטורה כאשר הטמפרטורה עולה ל- 280 °C ב- 10 °C לדקה במשך 22 דקות. ודאו שזרימת המים דרך העיבה מספיקה, מכיוון שהתערובת תתחיל להתאדות בשלב זה.
  5. שלב 4: אשר בקר הטמפרטורה מציג טמפרטורת תגובה קבועה של 280 °C במשך 30 דקות. שים לב לשינוי צבע התגובה לגוון ירוק, המציין היווצרות MnO. ברגע שהתגובה מגיעה ל-280 מעלות צלזיוס, כבה את מיכל החנקן וסגור את ה-stopcock הנכון למפלט התגובה בסעפת (#4 באות 1).
    התראה: השאר את ה-stopcock הבטיחותי (#10 באות 1)פתוח.
  6. שלב 5: בדוק את תצוגת בקר הטמפרטורה כדי לוודא שההתחממות מפסיקה לפעול באופן אוטומטי. שמרו את גשושית הטמפרטורה בפנים (אל תפתחו את הבקבוקון התחתון העגול) והמתינו עד שהטמפרטורה תגיע לטמפרטורת החדר כדי להמשיך עם אוסף הננו-חלקיקים.
    זהירות: הבקבוקון יהיה חם מאוד. יש ללבוש כפפות עמידות בחום כדי להסיר את גלימת החימום אם יש צורך בקצב קירור מהיר יותר.
    הערה: ניתן להשהות את הפרוטוקול כאן.

4. אוסף ננו-חלקיקים

  1. כבו את בקר הטמפרטורה, את לוח התחושה ואת המים הקרים. הסר את הצינורות התואמים למים מהעיב, ברז המים בכסה האדים והניקוז. הסר את כל מהדקי המפרקים הקונסטריים מפלסטיק מחיבורי כלי זכוכית.
  2. הסר את מתאמי מרפק הזכוכית ממלכודת הרוטוואפ (#5 באות 1)ואת העיך (#6 באות 1). אבטחו את מתאמי המרפק לסריג המתכת בשכונה לשימוש לניסוי עתידי.
  3. נתקו את המלכודת העבה והרוטו-וופ מהבטון התחתון העגול ושפו את החלק הפנימי של המעיבה ומלכודת הרוטו-וופ עם הקסאן.
  4. הסר את תעצור הגומי ואת בדיקות הטמפרטורה, ונקה עם 70% אתנול.
  5. יוצקים את תמיסת הננו-חלקיק MnO מהבקבוקון התחתון העגול לציפוי נקי של 500 מ"ל. השתמש הקסאן (~ 5 מ"ל) כדי לשטוף את הבקבוקון התחתון העגול ולהוסיף את הקסאן עם חלקיקי MnO שיורית לתוך ה-500 מ"ל.
    הערה: הקסן יהיה לתוכנת מחדש את חלקיקי MnO בעוד 200 אתנול הוכחה יפעל כסוכן מקדים.
  6. שים לב לנפח הנוכחי של תערובת הננו-חלקיק MnO. להוסיף 200 אתנול הוכחה לתערובת ננו-חלקיקים MnO באמצעות יחס נפח של 2:1 (למשל, להוסיף 150 מ"ל של אתנול אם תערובת nanoparticle הוא 75 מ"ל).
  7. יוצקים את תערובת הננו-חלקיקים באופן שווה לארבע צינורות צנטריפוגה, סביב 3/4 מלא. לעזאזל עם הכובעים המתאימים. בדוק כדי לוודא שרמות הנוזלים מאוזנות.
    הערה: כל תערובת ננו-חלקיקים נוספת תתווסף לצינורות בסיבוב הבא של צנטריפוגציה.
  8. חלקיקי צנטריפוגה במשך 10 דקות ב 17,400 x g ב 10 ° C.
    הערה: זמני צנטריפוגציה ארוכים יותר ו/או מהירויות צנטריפוגציה גבוהות יותר יכולים לשמש כדי להגדיל את האוסף של שברים קטנים יותר של ננו-חלקיקים, אך ניתן להגדיל את צבירת הננו-חלקיקים.
  9. השליכו את הסופרנט לתוך מים של פסולת, נזהרים שלא להפריע לדור. במידת הצורך, השתמש בפיפטת העברה כדי לאסוף את הסופרנטנט.
    הערה: זה נורמלי עבור הסיבובים המוקדמים של צנטריפוגה לייצר supernatant בצבע חום. הסופרנטנט צריך להיות חום ובהיר, אבל לא מעונן. כל עננות מצביעה על כך שהחלקיקים עדיין קיימים בסופרנטנט. אם הסופרנטנט מעונן, צנטריפוגה הצינורות שוב לפני השלכת supernatant; צנטריפוגה שוב תפחית את אובדן החלקיקים מסונתז, אבל יכול לגרום יותר agglomeration.
  10. הוסף 5 מ"ל של הקסאן וכל פתרון ננו-חלקיקים נוסף שנותר לכל צינור צנטריפוגה המכיל את כדורי הננו-חלקיקים MnO. תחברו מחדש את החלקיקים באמצעות סוניקטור אמבטיה ו/או מערבולת. המשך עד שהפתרון יהיה מעונן והגלולה נעלמת, מה שמצביע על התחדשות ננו-חלקיקים מוצלחת.
  11. להוסיף עוד 200 אתנול הוכחה לצינורות צנטריפוגה עד 3/4 מלא.
  12. חזור על שלבים 4.8-4.10. לאחר מכן, לשלב את החלקיקים מחדש מארבעה צינורות צנטריפוגה לשני צינורות צנטריפוגה. לאחר מכן, חזור על שלב 4.11.
  13. חזור על שלבים 4.8-4.10 פעם נוספת, אשר יעשה בסך הכל שלוש שטיפה עם הקסן ו 200 אתנול הוכחה. אל תוסיף 200 אתנול הוכחה לצינורות הצנטריפוגה.
  14. לשלב ולהעביר את חלקיקי MnO מחדש בהקסן לתוך בקבוקון מבריק זכוכית 20 מ"ל preweighed. השאר את מכסה הבקבוקון כבוי כדי לאפשר הקסאן להתאדות לילה ב מכסה המנוע אדים.
  15. למחרת, להעביר את בקבוקון ההתגלה זכוכית חשופה המכיל את החלקיקים לתוך תנור ואקום. שומרים את המכסה למבען במקום בטוח מחוץ לתנור. לייבש את החלקיקים ב 100 מעלות צלזיוס במשך 24 שעות.
  16. ברגע שהחלקיקים מיובשים, השתמשו במית כדי לשבור את האבקה בתוך הבקבוקון. לשקול את הבקבוקון המכיל חלקיקי MnO מיובשים ולהחסיר את המשקל הידוע של בקבוקון ההבעה זכוכית כדי לקבוע את תפוקת הננו חלקיקים.
    התראה: חלקיקים מיובשים יכולים בקלות להיות נישאים באוויר ויש לטפל בהם על ידי אנשים באמצעות מכונת הנשמה חלקיקים כגון N95 או P100.
  17. לאחסן חלקיקים בטמפרטורת החדר בתוך בקבוקון מבריק זכוכית עם המכסה על. עוטפים את המכסה עם סרט פרפין מפלסטיק.

5. גודל ננו-חלקיקים ומורפולוגיה פני השטח (TEM)

  1. לרסק את חלקיקי MnO לתוך אבקה דקה באמצעות מרגמה ועלי.
  2. להוסיף 5 מ"ג של חלקיקים MnO לצינור צנטריפוגה חפרית 15 מ"ל. הוסף 10 מ"ל של 200 אתנול הוכחה.
    הערה: 200 אתנול הוכחה מתאדה במהירות כדי להשיג התפשטות הומוגנית יותר של חלקיקים ברשת TEM. ממיס אחר יכול להיות מתלה ננו חלקיקים טוב יותר, אבל ייקח יותר זמן להתאדות, ו בשל מתח פני השטח, החלקיקים יצטברו על הגבולות של רשתות TEM.
  3. אמבטיה sonicate תערובת ננו חלקיקים במשך 5 דקות או עד resuspens באופן מלא של החלקיקים.
  4. מיד עם resuspension, להוסיף שלוש 5 טיפות μL של תערובת nanoparticle על 300 רשת נחושת תמיכה סרט של פחמן סוג-B. תן לאוויר להתייבש.
    1. השתמש פינצטה הפוכה להכנת מדגם קל יותר. מקם את הרשת על הפינצטה עם הצד הכהה למעלה לפני הוספת הטיפות המכילות חלקיקים.
      הערה: הרשתות שבריריות, לכן היזהרו לא לכופף ולפגוע ברשתות להדמיה טובה יותר. לאחר היבש, רשתות יש לשמור בתוך תיבות אחסון רשת TEM זמין מסחרית להגנה.
  5. להעריך צורה וגודל ננו-חלקיקים באמצעות מיקרוסקופאלקטרונים שידור (TEM). החל פרמטרים אופייניים עבור TEM כולל חוזק קרן של 200 kV, גודל ספוט של 1 והגדלה של 300x.
  6. לאסוף תמונות על אזורים של הרשת שבו מספיק חלקיקים (10 - 30 חלקיקים) מופצים באופן שווה. הימנע אזורים המכילים צבירת חלקיקים, כמו גודל מדויק לא יכול להיעשות אם חלקיקים אינם מופרדים באופן ניכר.
    1. אזורי תמונה מריבועי רשת שונים כדי להבטיח התפלגות שווה. להפצת גודל אופטימלית, תוכלו לצלם בין 25 ל-30 תמונות מכל דוגמה כדי לקבל גודל דגימה מספק.

6. ניתוח כמותי של קוטר ננו-חלקיקים

  1. כדי לנתח תמונות TEM עם ImageJ, פתח תחילה את אחת התמונות על-ידי לחיצה על קובץ | פתח את . בחר את התמונה הרצויה ולחץ על פתח.
  2. לכייל מדידת המרחק ב- ImageJ מפיקסלים לננומטר, לחצו תחילה על הכלי בקו ישר. החזק את מקש Shift ו עקוב אחר אורך סרגל קנה המידה. לאחר מכן, לחץ על נתח | הגדר קנה מידה.
  3. בחלון המוקפץ הגדר קנה מידה, הקלד את מדידת סרגל קנה המידה האמיתי בתיבה מרחק מוכר (לדוגמה, הקלד 50 אם סרגל קנה המידה הוא 50 נהל-מ'). שנה את יחידת האורך ליחידות המתאימות (לדוגמה, הקלד nm עבור ננומטר). סמן את התיבה כללי כדי לשמור על קנה המידה עקבי בכל התמונות ולחץ על אישור.
  4. לאחר הגדרת קנה המידה, השתמש בכלי הקו הישר כדי לעקוב אחר הקוטר של ננו-חלקיק. לאחר מכן לחץ על נתח | מדוד או לחץ על מקשי Ctrl+M.
  5. חפש חלון מוקפץ של תוצאות שיופיע עם מידע שונה אודות המדידה. ודא כי עמודה אורך קיים, כפי שהוא יספק את הקוטר של החלקיקים עם היחידות שצוינו במהלך שלב 6.3.
  6. חזור על שלב 6.4 עד שכל החלקיקים בתמונה יתממשו. כדי לעבור לתמונה הבאה, לחץ על קובץ | פתח את הבא, או Ctrl+Shift+O.
  7. לאחר גודל כל החלקיקים בכל התמונות, עבור לחלון תוצאות ולחץ על קובץ | שמירה בשם. שנה את שם קובץ התוצאות ולחץ על שמור. הצג ונתח את כל קוטר החלקיקים בתוכנית גיליון אלקטרוני לאחר ייבוא קובץ התוצאות.

7. הרכב בתפזורת ננו-חלקיקים (XRD)

  1. אם לא נעשה במהלך שלב 5.1, לרסק את חלקיקי MnO לתוך אבקה דקה באמצעות מרגמה ועלי. מניחים את אבקת הננו-חלקיקים העדינה במחזיק הדגימה באמצעות מרית. בצע את הליך הטעינה לדוגמה שצוין עבור מכונת מפזר קרני הרנטגן (XRD) לשימוש.
  2. לקבוע הרכב בצובר של חלקיקי MnO באמצעות XRD. אסוף ספקטרה XRD על פני טווח של 2° עד 110° כדי להציג פסגות MnO (30° עד 90°) ו- Mn3O4 (15° עד 90°).
    הערה: פרמטרי הגדרה אחרים המומלצים עבור XRD הם גודל שלב של 0.05 שניות, מסיכת קרן של 10 מ"מ וזמן שלב סריקה של 64.77 שניות.
  3. שמור את ה. XRD קובץ ולפתוח אותו בתוכנית ניתוח XRD.

8. ניתוח ספקטרה XRD

  1. בתוכנית ניתוח XRD, לזהות את כל הפסגות העיקריות בספקטרום XRD נמדד של המדגם על ידי לחיצה על לחצן IdeAll בתוכנה.
  2. כדי לשמור את הנתונים, בחר קובץ בסרגל הכלים ולאחריו שמירה בשם...
  3. השתמש בתוכנית כדי להתאים את מסד הנתונים XRD של תרכובות מוכרות כדי למצוא את התאמת הרכב הטוב ביותר לדגימה. כדי לצמצם את החיפוש, ציין תרכובות צפויות (למשל, מנגן וחמצן).
    1. כדי להתאים את התבנית לספקטרום, בחר ניתוח | חפש והתאים. בחלון המוקפץ, בחר כימיה ולחץ על האלמנטים הכימיים הרצויים כדי להגביל את חיפוש התוכנית בהתבסס על המדגם.
    2. לאחר בחירת כל הרכיבים, בחר חיפוש. המתן לרשימה של קומפוזיציות כימיות התואמות לספקטרום XRD להופיע.
      הערה: התוכנית תספק את הסבירות שספקטרה XRD ידועה תואמת להרכב המדגם. אם ייבחרו שתי יצירות או יותר, התוכנית תיתן את אחוז הקומפוזיציה של כל אחד מהם (לדוגמה, MnO לעומת Mn3O4).
  4. אם תרצה, הסר את הרקע בספקטרום XRD על-ידי לחיצה על לחצן התאם רקע ( figure-protocol-16599 ). לאחר מכן, לחץ על רקע בחלון המוקפץ ולאחר מכן על הפוך את הוסף . ודא שהספקטרום מופיע החל מ- 0 בציר ה- y.
    1. שמור את הנתונים שוב ללא הרקע כפיצג בשלב 8.2.
  5. בעת התוויית ספקטרום XRD, הצג את הפסגות האופייניות של כל תרכובת תואמת (לדוגמה, MnO ו- Mn3O4).
    1. כדי להשיג את רשימת הפסגות האופייניות עבור תרכובות תואמות ממסד הנתונים, לחץ תחילה באמצעות לחצן העכבר הימני על ספקטרום התאמת התבנית ולאחר מכן בחר הצג תבנית. המתן שחלון מוקפץ יופיע עם כל מידע השיא המתאים לתבנית שנבחרה.
    2. בחר, העתק והדבק את המידע הרצוי ממתחם זה והתווה את הפסגות האופייניות עם ספקטרום XRD הנמדד בתוכנית גיליון אלקטרוני.

9. הרכב פני השטח של ננו-חלקיקים (FTIR)

  1. הוסף אבקת ננו-חלקיקים MnO יבש למחזיק המדגם עבור פורייה-המרה ספקטרוסקופיה אינפרא אדום (FTIR) ניתוח.
  2. להעריך את הכימיה פני השטח ננו-חלקיקים באמצעות FTIR. אסוף ספקטרה FTIR בין טווח 4000 ו 400ס"מ -1 אורך גל עם רזולוציה של 4ס"מ -1.
  3. נקה את מחזיק מדגם FTIR והוסף אולילאמין נוזלי. חזור על שלב 9.2.

10. ניתוח ספקטרה FTIR

  1. בתוכנית הניתוח FTIR, הסר את הרקע בספקטרום FTIR שנאסף על-ידי בחירה באפשרות המרות בתפריט הנפתח ולאחר מכן 'תקן בסיסי'. בחר ליניארי כסוג התיקון.
  2. השתמש בלחיצת העכבר השמאלית כדי לבחור את נקודות הבסיס בספקטרום המקורי. לאחר סיום, שמור את הספקטרום תחת שם אחר על-ידי בחירה באפשרות הוסף או החלף את הספקטרום הישן על-ידי בחירה באפשרות החלף.
    הערה: תיקון רקע יכול לשפר את השכיחות של פסגות FTIR חלשות יותר של עניין.
  3. כדי לייצא את ספקטרום FTIR, בחר תחילה את הספקטרום הספציפי מהרשימה. לאחר מכן, לחץ על קובץ בסרגל הכלים ולאחריו ספקטרום ייצוא.
  4. בחר תבנית קובץ csv מהחלון שמירה בשם ולחץ על שמור. פתח וגרף את קובץ csv באמצעות תוכנית גיליון אלקטרוני.
  5. השווה ננו-חלקיק MnO שנרכש עם ספקטרה FTIR oleylamine כמפורט בסעיף תוצאות מייצגות כדי להעריך ננו-חלקיקים כתר עם oleylamine.

תוצאות

כדי לאשר סינתזה מוצלחת, יש למצוא חלקיקים של MnO עבור גודל ומורפולוגיה (TEM), הרכב בצובר (XRD) והרכב פני השטח (FTIR). איור 2 מציג תמונות TEM מייצגות של חלקיקי MnO מסונתזים באמצעות הפחתת יחסים של oleylamine (OA, המייצב) כדי dibenzyl אתר (DE, הממס האורגני): 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. תמונות TEM אידיאליות מורכבות מחלקיקים בודדים (המוצגים כאומן מעוגל כהה באות 2), עם חפיפהמינימלית. זה חיוני כדי להשיג הפרדה נאותה של חלקיקים לשינוי ידני מדויק של קוטר ננו-חלקיקים באמצעות כלי מעקב קו ב ImageJ.

איור 3 מציג הכנת מדגם TEM תת-אופטימלי. אם ריכוז גבוה של חלקיקים MnO מושעים אתנול או טיפות רבות מדי של מתלה ננו חלקיקים מתווספים לרשת TEM, כל תמונה תכלול agglomerations גדולים שלחלקיקים (איור 3A,B). בשל החפיפה המשמעותית של חלקיקים, לא ניתן להבחין בגבולות של כל קוטר חלקיקים, מה שמונע מדידה מדויקת. אם ריכוז חלקיקים נמוך מוכן אתנול, חלקיקים יכול להיות מופרד היטב, אבל מופץ דלילה על רשת TEM (איור 3C,D). כאשר רק חלקיקי אחד או שניים מופיעים בכל תמונת TEM, יש צורך למצוא תמונות נוספות כדי לקבל גודל מדגם גדול מספיק, והתפלגות הגודל המלא לא תיתפס במדויק. פרוטוקול הכנת TEM המתואר בזאת נועד לייצר תמונות TEM עם כ 10-30 חלקיקים לכל תמונה (חלקיקים נוספים ניתן להכיל לכל תמונה אם הקוטר קטן).

ניתן להשתמש ב- TEM כדי להעריך שינויים בגודל ננו-חלקיקים עם וריאציה בפרמטרים של סינתזה. איור 4 מראה את הקוטר הממוצע של חלקיקי MnO מסונתז עם הפחתת יחסים של OA:DE. קוטרים עבור כל מצב סינתזה היו לכמת מ 75 כדי 90 תמונות TEM, עם סך של 900 כדי 1100 חלקיקים MnO נותחו לכל תנאי. כדי להבטיח שכפול, 3 אצוות של חלקיקים היו מסונתז עבור כל יחס OA:DE. בסך הכל, ירידה ביחס של OA:DE הניבחלקיקים MnO קטנים יותר עם פחות וריאציה בגודל; החריג היחיד התרחש כאשר OA לבד שימש במהלך סינתזה, אשר הפיקחלקיקים בגודל דומה ליחס 30:30. היסטוגרמות המציגות את התפלגות הגודל המלא של כל קבוצות הננו-חלקיקים MnO מוצגות באות S2.

לאחר אישור גודל ננו-חלקיקים ומורפולוגיה עם TEM, הרכב ננו-חלקיקים בתפזורת ניתן לבדוק באמצעות XRD. באמצעות מדידת הזווית והעוצמה של קרן הרנטגן שהחברה תוספה על ידי המדגם, ניתן להשתמש ב-XRD כדי לקבוע את מבנה הגביש ואת השלב של החלקיקים. איור 5A-F מציג את ספקטרה XRD שנאספו גלם עבור כל דגימת ננו-חלקיקי MnO מסונתז עם הפחתת יחסים של OA:DE. פסגות XRD המתקבלות על ספקטרה לדוגמה תואמות לפסגות XRD מתרכובות ידועות כגון MnO ו- Mn3O4 באמצעות מסד הנתונים של תוכנית ניתוח XRD. הפסגות הסטנדרטיות עבור MnO מופיעות ב- 35°, 40°, 58°, 70°, 73°ו- 87°, המוצגות באות 5G. בעת השוואת ספקטרה XRD nanoparticle עם MnO ידוע, ניכר כי כל ספקטרום ננו חלקיקים להחזיק את 5 הפסגות הגבוהות ביותר של MnO, המציין סינתזה מוצלחת של חלקיקי MnO. ניתן גם לנצל את XRD כדי להעריך גודל ננו-חלקיקים באמצעות משוואת שרר; פסגות רחבות יותר ב-XRD מצביעות על קוטר ננו-חלקיקים קטן יותר. לדוגמה, איור 5F עם פסגות XRD הרחבות ביותר משויך לחלקיקים הקטנים ביותר כפיצג על-ידי TEM (18.6 ± 5.5 ננומטר).

איור 6 מציג ספקטרה XRD של שני מוצרים לא רצויים בסינתזת ננו-חלקיקים MnO. כדי לעודד את היווצרות שלב MnO בטמפרטורות גבוהות (280 oC), חנקן משמש במהלך סינתזת ננו-חלקיקים כדי לטהר את האוויר מהמערכת. אם חלה זרימת חנקן לקויה, הרכב שלב מעורב של Mn3O4 (51%) ו-MnO (49%) מיוצר (איור 6A). לשם השוואה לפסגות הסטנדרטיות של Mn3O4 (איור 6C) ו-MnO (איור 6D), זרימת חנקן נמוכה מייצרת ספקטרה XRD עם 8 הפסגות הגבוהות ביותר עבור Mn3O4 ו-5 הפסגות הגבוהות ביותר עבור MnO. TEM של חלקיקים מסונתז תחת זרימת חנקן נמוכה גילה אוכלוסייה מעורבת של חלקיקים גדולים מוקף חלקיקים קטנים יותר (איור 6E). זרימת חנקן יכולה להיות מנוטרת באמצעות קריאת ווסת החנקן וקצב מבעבע דרך בועת שמן מינרלי. פרמטר קריטי נוסף בסינתזת ננו-חלקיקים MnO הוא הכללת מייצב. בניסיון לייצר חלקיקים קטנים עוד יותר MnO מאשר יחס 10:50 OA:DE, DE טהור היה בשימוש ללא כל OA. כמות קטנה מאוד של אבקה לא ידועה היה מסונתז בהיעדר מייצב. כפי המוצג באיחות 6B, ספקטרה XRD עבור יחס OA:DE 0:60 היה רועש והכיל את 3 הפסגות הגבוהות ביותר של Mn3O4. מניתוח במסד הנתונים של תוכנית XRD, המתחם היה הרכב כימי של 67% Mn3O4 ו 33% MnO. כפי שנתמך על ידי הפסגות רחבות ספקטרה XRD, TEM אישר כי חלקיקים קטנים מאוד היו מסונתזים בהיעדר מייצב (איור 6F). חלקיקים גם הופיעו בצורה לא סדירה וagglomerated. בנוסף, רק תשואה של 33% הושגה ללא כל מייצב, כלומר כמות קטנה של מוצר היה מסונתז. לכן, זרימת חנקן גבוהה והכללה של מייצב כגון OA או חומצה אולאית יש צורך סינתזה של חלקיקי MnO.

כדי להשלים הרכב ננו-חלקיקים בתפזורת עם XRD, הרכב פני השטח ניתן להעריך באמצעות FTIR. איור 7 מציג את ספקטרה FTIR של חלקיקי MnO לאחר תיקון רקע. כל ספקטרה מציגה את הפסגות הסימטריות והאסימטריות CH2 (2850-2854 ו-2918-2926 ס"מ -1 , המסומנות ב כוכביות) הקשורות ל- 2918-2926 ס"מ -1, המסומנות ב כוכביות) המשויכות ל-2918-2926 ס"מ -1, המסומנותבהן כוכביות קבוצות60, בנוסף לפסגות רטט כיפוף NH2 (1593 ס"מ-1 ו 3300 ס"מ-1,מסומן על ידי ריבועים) הקשורים קבוצותאמין 61. מאז חלקיקים MnO חולקים את אותן פסגות עבור קבוצות oleyl וקבוצות אמין נוכח ספקטרה FTIR של OA (איור S3),ניתן להסיק כי החלקיקים מצופים בשכבת פני השטח של OA. יתר על כן, כל ספקטרום FTIR ננו-חלקיקים מכילים Mn-O ו Mn-O-Mn תנודות אג"ח סביב 600 ס"מ-1 (מסומן על ידי משולשים), אשר מאשרים את הקומפוזיציה נמצא דרך XRD62.

figure-results-5960
איור 1: חנקן ומים זורמים דרך כיוונון סינתזת הננו-חלקיקים MnO.
חיבורי צינורות מסומנים כ- 1-15. חנקן ללא אוויר נכנס (1) ויוצא (2) את עמוד הייבש ומוזן לתוך המקום של הסעפת (3). במהלך התגובה, חנקן מטהר אוויר מהמערכת על ידי הזנת stopcock הנכון על הסעפת (4). חנקן זורם מהסתום למתאם מרפק הזכוכית (5), מלכודת רוטוואפ, בקבוקון תחתון עגול, מעבה, מתאם מרפק זכוכית (6) ודרך סדרה של שני בועת שמן מינרלי (7-9). בסעפת, עודף חנקן לא זורם דרך התגובה ישאיר את המערכת דרך stopcock השמאלי (10), אשר מחובר בועת שמן מינרלי עם הכמות הגדולה ביותר של שמן סיליקון (11). סתום #10 הוא תמיד להישאר פתוח. מים יזרמו מהברז (12) דרך זרם העייה (13) ושקע (14) ולתוך ניקוז מכסה המנוע אדים (15). הצינורות מאובטחים לעיב עם מהדקי מתכת. כל הצינורות צריכים להיות צינורות עמידים כימית למעט צינורות תואמי מים המשמשים עבור העיב. כלי הזכוכית והציוד העיקריים מסומנים באות S1. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

figure-results-7126
איור 2: תמונות TEM של חלקיקי MnO מסונתזים עם הפחתת יחסי OA:DE.
היחסים הבאים שימשו: (A) 60:0, (ב)50:10,(ג)40:20,(ד)30:30,(ה)20:40,(ו)10:50. חלקיקי MnO מופיעים כאוקטגונים נפרדים, מגולגלים עם חפיפה מינימלית כדי לאפשר קו ברור של גבולות ננו-חלקיקים. יחס המגיב נצפתה להשפיע על גודל הננו-חלקיקים הכולל, עם 50:10 סינתזה החלקיקים הגדולים ביותר ו 10:50 לייצר את החלקיקים הקטנים ביותר. הסורגים בקנה מידה הם 50 00 00 00 00: לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

figure-results-7947
איור 3: תמונות TEM תת-אופטימליות הנובעות מהכנה שגויה של רשת TEM.
אני לאיודע מה זה אומר. אם מתלה nanoparticle מרוכז מדי או אם טיפות עודפות של מתלה ננו חלקיקים לה נטען על רשת TEM, חלקיקים יצטברו לתוך גושים גדולים עם חפיפה משמעותית. חלקיקים בודדים לא ניתן לצפות ברוב האזורים של הרשת. אני לאיודע מה לעשות. לחלופין, ריכוז חלקיקים נמוך עלול לגרום רשתות TEM מאוכלס עם כמות נדירה של חלקיקים. חלקיקים בודדים מפוזרים רחוק זה מזה, אבל דורשים תמונות נוספות כדי ללכוד את התפלגות גודל האוכלוסייה של המדגם. הסורגים בקנה מידה הם 50 00 00 00 00: לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

figure-results-8817
איור 4: קוטר ננו-חלקיקי MnO ממוצע הנמדד מתמונות TEM.
באופן כללי, כמות נמוכה יותר של מייצב (OA) עם כמות גבוהה יותר של ממס אורגני (DE) הביא קטן יותר, חלקיקי MnO אחיד יותר. בסך הכל 900 עד 1100 קטרים ננו-חלקיקים חושבו על תמונות TEM באמצעות כלי מעקב קו ב ImageJ עבור כל קבוצה. קווי שגיאה מציגים סטיית תקן. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

figure-results-9425
איור 5: ספקטרה XRD של חלקיקי MnO מסונתז עם הפחתת יחסי OA:DE.
היחסים הבאים שימשו: (A) 60:0, (ב)50:10,(ג)40:20,(ד)30:30,(ה)20:40,(ו)10:50. (G)פסגות ההתפלה הסטנדרטיות עבור MnO מוצגות ממסד הנתונים של תוכנית הניתוח XRD. כל החלקיקים המיוצרים מציגים את 5 פסגות XRD בעוצמה הגבוהה ביותר עבור MnO, המציין סינתזה מוצלחת של חלקיקי MnO. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

figure-results-10175
איור 6: ספקטרה XRD ותמונות TEM של חלקיקים לא רצויים.
ספקטרה XRD מוצגים עבור סינתזת ננו-חלקיקים MnO באמצעות (A) זרימת חנקן נמוכה ו -(ב)יחס 0:60 של OA:DE (אין מייצב קיים). פסגות ההתפלה הסטנדרטיות עבור (C) Mn3O4 ו- (D) MnO מוצגות ממסד הנתונים של תוכנית הניתוח XRD. דרך השוואה עם ספקטרה סטנדרטית, זרימת חנקן לקויה (A) יצרחלקיקים עם תערובת של Mn3O4 (51%) ו-MnO (49%). בהיעדר אולילאמין ( B ),ספקטרוםXRD רחב יותר מתקבל, אשר תואם את 3 הפסגות הגבוהות ביותר של Mn3O4. בהתבסס על הניתוח שבוצע על ידי מסד הנתונים של תוכנית XRD, חלקיקים מסונתזים אלה הם 67% Mn3O4 ו 33% MnO. תמונות TEM של (E) חלקיקים מסונתז עם זרימת חנקן נמוכה להראות חלקיקים גדולים מוקפים קטנים יותר. תמונות TEM של (F) חלקיקים מסונתז עם יחס 0:60 של OA:DE להציג חלקיקים צבורים קטנים מאוד עם צורה לא סדירה. הסורגים בקנה מידה הם 50 00 00 00 00: לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

figure-results-11501
איור 7: ספקטרה FTIR של חלקיקי MnO מסונתז עם הפחתת יחסים של OA:DE.
היחסים הבאים שימשו: (A) 60:0, (ב)50:10,(ג)40:20,(ד)30:30,(ה)20:40,(ו)10:50. כוכביות וריבועים מתאימים לקבוצות אולאיל וקבוצות אמין, בהתאמה, בעוד משולשים מצביעים על הרטט של אג"ח Mn-O ו-Mn-O-Mn. ההתבולטות הארובה מדגישות את שתי הפסגות הנפרדות של קבוצות אולאיל. ספקטרה FTIR עולה כי חלקיקי MnO מצופים oleylamine, כפי שאושר באמצעות השוואה עם ספקטרום oleylamine רק FTIR איור S3. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.

איור S1: כלי זכוכית וציוד עיקריים של התקנת סינתזת ננו-חלקיקים MnO. הסעפת מאובטחת לסריג המתכת על ידי מהדקי טופר מתכת ומפזרת חנקן לתוך התגובה. Mn(II) ACAC, dibenzyl אתר, אולילאמין ובר ערבוב מתווספים ל בקבוקון התחתון העגול עם ארבעה צווארים. הצוואר הימני של הבקבוק מחובר למלכודת הרוטוואפ ומתאם מרפק, בעוד הצוואר השמאלי מחובר לעיבה ומתאם מרפק. הצוואר האמצעי של הבקבוקון התחתון העגול מכוסה בעצור גומי. גשושית הטמפרטורה מוכנסת לפתיחה הקטנה ביותר של הבקבוקון התחתון העגול, ומוקף בסרט O-ring ופלסטי פרפין כדי ליצור חותם אטום לאוויר. הבקבוקון התחתון העגול יושב על גבי מעטה חימום וצלחת ערבוב כדי לעורר במרץ את התגובה תוך חימום. בדיקות הטמפרטורה ומנטל החימום מחוברות לבקר הטמפרטורה כדי לספק רגולציה אוטומטית בזמן אמת של פרופיל הטמפרטורה. הבקבוקון התחתון העגול והמעיב מאובטחים לסריג המתכת עם מהדקי טופר מתכת. ישנם שלושה בועות שמן מינרלי, שניים בצד שמאל ואחד בצד ימין, מלא בכמויות הולכות וגדלות של שמן סיליקון מהבועה השמאלית לבועה הימנית בתמונה. הבועות מחוברות גם לסריג המתכת עם מהדקי טופר. קליפים ירוקים מפרק פלסטיק חרס מחוברים חיבורי כלי זכוכית מאובטחים לפני תחילת התגובה. חיבורי הצינורות מפורטים באות 1. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור S2: היסטוגרמות המציגות התפלגות של גודל ננו-חלקיקים MnO ליחס פוחת של OA:DE. היחסים הבאים שימשו: (A) 60:0, (ב)50:10,(ג)40:20,(ד)30:30,(ה)20:40,(ו)10:50. בסך הכל ככל שהיחס מתקרב ל- 10:50, התפלגות גודל הננו-חלקיקים נעה שמאלה (המציינת קטרים קטנים יותר) והופכת קומפקטית יותר (מה שמצביע על גודל ננו-חלקיקים אחיד יותר). הקוטר הממוצע עבור כל התפלגות מוצג באות 4. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

איור S3: ספקטרום FTIR של אולילאמין. כוכביות וריבועים מייצגים את קבוצות אולאיל וקבוצות אמין של אולילאמין, בהתאמה. אנא לחץ כאן כדי להוריד דמות זו.

Discussion

הפרוטוקול בכאן מתאר סינתזה של סיר אחד של חלקיקי MnO באמצעות Mn(II) ACAC, DE ו- OA. Mn(II) ACAC מנוצל כחומר ההתחלתי כדי לספק מקור של Mn2+ עבור היווצרות ננו-חלקיקים MnO. החומר ההתחלתי ניתן להחליף בקלות כדי לאפשר ייצור של חלקיקי תחמוצת מתכת אחרים. לדוגמה, כאשר ACAC ברזל(III) מוחל, Fe3O4 חלקיקים ניתן ליצור באמצעות אותו ציוד סינתזה nanoparticle פרוטוקול המתואר63. DE משמש ממיס אורגני אידיאלי עבור תגובות ריקבון תרמי, כפי שיש לו נקודת רתיחה גבוהה של 295-298 °C. OA הוא מייצב זול נפוץ / סוכן הפחתת מתון, אשר מסייע בפקת ותיאום גרעינים ננו-חלקיקים מתכת תחמוצת מתכתוצמיחה 61,63. בדומה ל-DE, ל-OA יש נקודת רתיחה גבוהה של 350°C כדי לעמוד בטמפרטורות הגבוהות של ריקבון תרמי. שתי התצפיות הבאות יכולות לשמש כעדות לדור מוצלח של חלקיקים MnO במהלך סינתזה: 1) המראה של גוון ירוק לתערובת התגובה במהלך ריקבון תרמי ב 280 ° C ו 2) היווצרות של גלולה גדולה חום כהה בתחתית צינורות צנטריפוגה בעקבות צנטריפוגה הקסן ואתנול. חלקיקים וכתוצאה מכך צריך להיות מאופיין עוד יותר על ידי TEM, XRD ו FTIR כדי להעריך גודל / מורפולוגיה, הרכב בתפזורת הרכב פני השטח, בהתאמה.

במהלך סינתזת ננו-חלקיקים, יש ל ציין ולשלוט במספר משתנים כדי להבטיח ייצור של חלקיקים אחידים עם שלב גבישי MnO. ראשית, היחס בין כל חומרי ההתחלה צריך להישאר זהה, כפי שהראתה כי הפחתת יחסי OA כדי DE להקטין את גודל ננו-חלקיקים (איור 4). שנית, התגובה צריכה להיות מעורבב במרץ כדי לאפשר פיזור נאותה של חלקיקים גרעין, חימום אחיד, וצמצום וריאציית גודל. שלישית, כמו הטמפרטורה ממלאת תפקיד גדול בשליטה על ננו-חלקיקים תחמוצת מתכת47,48,50 והרכב שלב 47,48,50, זה קריטי כדי לטבול כראוי את קצה גשושית הטמפרטורה לתוך תערובת התגובה תוך לא יצירת קשר עם הזכוכית של הבקבוקון התחתון העגול כי יקרא טמפרטורה לא מדויקת. רביעית, זרימת החנקן צריכה להיות גבוהה מספיק כדי לטהר את כל האוויר מהתגובה כדי לעודד היווצרות של שלב גבישי MnO מעל Mn3O4. כפי שהראה איור 6A, זרימת חנקן נמוכה תגרום חלקיקים עם הרכב MnO/Mn3O4 מעורב. מילוי נכון של מבעבע שמן מינרלי עם כמויות הולכות וגדלות של שמן סיליקון מהבועה השמאלית (1 אינץ' שמן) כדי bubbler האמצעי (1.5 אינץ' של שמן) כדי bubbler הימני (2 אינץ' של שמן) יהיה להגדיר את ההתנגדות עבור זרימת חנקן להיות הנמוך ביותר באמצעות התגובה (#4 בדמות 1). קצב מבעבע של בועת שמן מינרלים באמצע (על ידי #7,8 באות 1)יכול לשמש כדי למדוד את קצב החנקן זורם דרך התגובה. לבסוף, מייצב כגון OA יש להוסיף תערובת התגובה לתאם גרעין ננו-חלקיקים וצמיחה. כפי המוצג באות 6B, DE ללא OA יצר כמות קטנה של מוצר, בעיקר של Mn3O4 (67%) קומפוזיציה . מוצר זה נצפה גם יש צורה לא סדירה עם חלקיקים מצטברים על ידי TEM, אשר לא התרחש כאשר OA היה נוכח בתגובה (איור 6F).

מספר משתנים של תגובת הריקבון תרמי ניתן לשנות כדי לייעל את גודל ננו-חלקיקים, מורפולוגיה, והרכב כולל סוג שלגז אינרטי 47,48,50,טמפרטורת תגובתשיא 44,47,48,49, זמן תגובה כולל44,45,46,וסוגים / יחסים של,תרכובות כימיות ראשוניות מנוצלות בתגובה 20,45,47,48,50. סלזר-אלוורז ואח '.50 ו Seo ואח '.48 הראו כי זרימת ארגון במהלך ריקבון תרמי של Mn(II) צורות Mn3O4 בטמפרטורות תגובת שיא נמוכות יותר הנעות בין 150 °C כדי 200 °C. בעת שימוש בחנקן או באוויר, Nolis et al.47 השיג תוצאות דומות עבור Mn(III) ACAC ריקבון שבו Mn3O4 חלקיקים יוצרו בטמפרטורות נמוכות יותר (150 oC או 200 oC) וחלקיקים MnO נוצרו רק בטמפרטורות גבוהות יותר (250 °C ו 300 °C)47. טמפרטורות תגובת שיא גבוהות יותר וזמנים ארוכים יותר שנערך בטמפרטורת התגובה שיא,המכונה גםזמן ההזדקנות, היו קשורים גם עם עלייה בגודלננו חלקיקים 44,45,46,47,48,49. יתר על כן, קצב החימום של התגובה יכול להשפיע על גודל ננו-חלקיקים. שלאדט ואח '44 מצא כי הגדלת קצב החימום מ 1.5 ° C / min עד 90 oC/min ירד גודל ננו חלקיקים מ 18.9 ננומטר ל 6.5 ננומטר, בהתאמה. לבסוף, כימיקלים שונים ניתן להוסיף כמו הפחתת סוכנים ומייצבים בתגובות ריקבון תרמי מנגן; עם זאת, OA20,47,48,50 וחומצה אולאית 20,45 נמצאים בשימוש הנפוץ ביותר. היחס של OA לחומצה אולאית הוכח להשפיע על הכימיה והצורה של חלקיקי MnO מסונתזים. על פי ג'אנג ואח '.20, OA רק הביא להיווצרות של Mn3O4 חלקיקים, שילוב של OA וחומצה אולאית הוביל תערובת של Mn3O4 וחלקיקים MnO, וחומצה אולאית רק הפיק חלקיקים MnO. מעניין, ניסיון מראה כי חלקיקי MnO יכול להיות מפוברק עם OA בלבד, כי חומצה אולאית אין צורך לקדם היווצרות של שלב גבישי MnO. יתר על כן, השימוש OA בפני עצמו חלקיקים כדוריים מפוברקים, בעוד חומצה אולאית לבדה יצרכוכב בצורת חלקיקים 20,64. ברור, יש גמישות רבה בשינוי פרמטרים סינתזה להשפיע על תכונות פיזיקליות וכימיות וכתוצאה מכך של חלקיקי MnO.

למרות הפרוטוקול המפורט, ייתכן צצו מופעים הדורשים פתרון בעיות. הפיסקה הבאה מפרטת מספר בעיות ופתרונות נפוצים. במהלך התגובה, אם הטמפרטורה נראית לייצב סביב 100 מעלות צלזיוס, ייתכן שחלק מהמים דלפו לתוך המעטפת חימום. בדוק באופן ניכר את האזור שמסביב לדליפת מים מהעיבוי. אל תיגע ישירות המעטפת או בקבוקון התחתון העגול ללא כפפות עמידות בחום, כפי שהם יהיו חמים מאוד. אם מים נצפו, מיד לכבות את בקר הטמפרטורה, לנתק את המעטפת חימום, ולתת לו להתייבש בן לילה. כדי למנוע דליפות עתידיות, השתמש במלחצי צינור ציוד תולעים שלוב כדי לאבטח את צינורות המים לעיך. במקרה כי המוצר הרצוי הוא MnO, אבל רק Mn3O4 מיוצר, חשוב לבדוק את זרימת החנקן במהלך התגובה. הבועה האמצעית צריכה להיות זרם קבוע של בועות (ראה את הווידאו עבור קצב מבעבע נכון), בעוד bubbler הנכון צריך להיות רק בועה אחת או שתיים יוצרים בו. זרימת חנקן שגויה יכולה להתרחש אם רמות שמן הסיליקון דיפרנציאלי בכל בועת שמן מינרלי אינן נשמרות. בדוק את רמות השמן לפני כל ניסוי ומלא את הבועות על פי שלב 1.5 במידת הצורך. במהלך איסוף ננו-חלקיקים, הפרוטוקול מציין לשפוך את supernatant מבלי להפריע גלולת ננו-חלקיקים. הדרך הטובה ביותר להיפטר מהסופרנט היא לשפוך אותו החוצה בתנועה רציפה אחת מהירה ולא בתנועה איטית. עם זאת, אם הכדור מקבל מנותק בקלות מצינור הצנטריפוגה, השימוש פיפטה העברה מומלץ להסיר את supernatant. במהלך איסוף ננו-חלקיקים והכנת רשת TEM, sonication אמבטיה היא צעד מפתח. אם החלקיקים אינם resspending כראוי, להזיז את הצינור סביב sonicator אמבט המים עד אזור ממוקם שבו sonication יכול להיות מורגש על ידי היד מחזיק את הצינור. גלולת ננו-חלקיקים ניתן גם לראות באופן ניכר מתפורר תחת sonication אמבטיה חזקה אם הצינור הוא במקום הנכון. לאחר התחדשות ננו-חלקיקים, חשוב כי רשת TEM מושעה באוויר עם פינצטה הפוכה במקום להציב על מגבון או ישירות על משטח ספסל סופג. משטח הספסל לנגב או סופג יהיה פתיל מתלה nanoparticle את רשת TEM לפני ייבוש, וכתוצאה מכך תצהיר ננו חלקיקים מספיק על הרשת להדמיה.

למרות התגובה פירוק תרמי הוא פשוט למדי ופשוט לעקוב כדי לסנתז חלקיקים MnO, יש כמה מגבלות הקשורות לשיטה. אמנם ניתן לשלוט במאפיינים הפיזיקליים והכימיקלים של חלקיקים במידה מסוימת, משתנים מסוימים כגון טמפרטורה והזדקנות זמן השפעה הן גודל חלקיקים והרכב שלב בו זמנית. לכן, קשה תמיד יש שליטה עצמאית מדויקת של מאפייני nanoparticle באמצעות שיטה זו. בנוסף, שינוי קנה המידה של סינתזת ננו-חלקיקים על ידי שלשות או quadrupling כמויות של חומרי התחלה יכול לגרום לתגובה להיות לא יציב ואלים. גודל אצווה גדול יותר משויך גם לתפוקה מופחתת. יתר על כן, למרות אחסון של חלקיקי MnO בתוך בקבוקונים מבריקים כתרים עטופים בסרט פלסטיק פרפין, ראינו חמצון של פני השטח חלקיקים Mn3O4 כפי שהוערך על ידי ספקטרוסקופיה פוטואלקטרון רנטגן. לבסוף, חלקיקי MnO שנוצרו על ידי טכניקה זו יהיה הידרופובי כתרים עם OA (איור 7). שינוי פני השטח נוסף כדי מעבר חלקיקים למצב הידרופילי יצטרך להיות מיושם כדי לאפשר השעיית חלקיקים במדיה משענת. מספר שיטות הוקמו כדי לקדם את פיזור חלקיקים בפתרונות ביולוגיים כולל אנקלוסציה ננו חלקיקים בתוךפולימרים 14, ציפוי של פני השטח ננו חלקיקים עםשומנים 52, או חילופי ליגנד להחליף את OA על פני השטח ננו-חלקיקים עם ליגנדים הידרופיליים כגון פולי (חומצה אקרילית)20. כדי להשיג אנקפולציה של חלקיקי MnO בתוך פולי (חומצה לקטית-co-גליקולית) (PLGA) פולימר, בצע את פרוטוקול JoVE המפורט של מקול וSirianni 65; חלקיקי MnO ניתן להוסיף ישירות לפתרון פולימר PLGA כמתואר עבור תרופות הידרופוביות בשלב 8 של סעיף הכנת חלקיקים ננו. התפלגות ננו-קריסטל MnO בתוך חלקיקי PLGA ניתן להעריך באמצעות TEM וטעינה של Mn בתוך פולימר PLGA יכול להיקבע על ידי ניתוח תרמוגרבימטרי כפי שהוצג בבנוויץ ואח'.

למרות חלקיקים MnO ניתן לנצל עבור מגוון רחב של יישומים בשל המאפיינים המגנטיים שלהם, אלקטרוניים וקטאליטיים, אנו מעוניינים להחיל חלקיקי MnO כניתנים להחלפה, T1 סוכני ניגוד MRI. בעבר, הקבוצה שלנו ואחרים הראו כי חלקיקי MnO שלמים יש ניגודיות T 1 MRIזניח (אות MRI הוא "כבוי") ב pH פיזיולוגי 7.4 מחקה אתהדם 14, 15,,15,16,,17,,18,,19. עם זאת, MnO מתמוסס כדי ליצור משמעותי Mn2+ יונים ב pH נמוך 5 מחקה אנדוזומים סלולריים; שוחרר Mn2+ יתאם עם מולקולות המים שמסביב כדי להפעיל "On" אות MRI ב pHנמוך 14,15,16,17,18,19. חלקיקי MnO ניתן למצוא לתאים שונים של עניין, כגון תאים סרטניים, באמצעות תוספת של פפטידים מיקוד או נוגדנים לפני השטחננו חלקיקים 51,66. כאן, אנו מתארים את הסינתזה של חלקיקי MnO בקוטר ממוצע הנע בין 18.6 ננומטר ל 38.8 ננומטר. שליטה על גודל ננו-חלקיקים יכולה להיות שימושית לשיפור יעילות סוכן הניגודיות של ה-MRI. באופן ספציפי, הוא צפוי כי חלקיקים גדולים יותר יהיה שטח פני השטח יותר עבור קובץ מצורף של ליגנדים מיקוד כדי לשפר את הצטברות ננו חלקיקים באתר של עניין כגון גידולים. עם זאת, גודל הננו-חלקיקים הכולל עם קבוצות פני השטח נוספות צריך להיות מוגבל 50-100 ננומטר כדי למקסם את הצטברות הגידול67,68. חלקיקים קטנים יותר, מצד שני, יש יחס שטח-לנפח משטח גבוה יותר כדי להקל על שחרור מהיר יותר של Mn2+ תחת סביבות חומציות ואמור לאפשר נפחי אריזה משופרים של חלקיקים בתוך מערכות משלוח פולימריות. סינתזה של MnO על Mn3O4 צריך גם לשפר את ניגודיות MRI, כמו MnO כבר הראה להתמוסס מהר יותר מאשר Mn3O4 בפתרונות חומציים מרוכזים כדי ליצור יותר Mn2+ יונים69. לסיכום, תיארנו פרוטוקול ריקבון תרמי עבור ייצור של חלקיקי MnO כי הוא פשוט יחסית להתאמה אישית כדי לאפשר אופטימיזציה עיצוב nanoparticle לשימוש עתידי ביישומים כגון סוכני ניגוד MRI חכמים, חיישנים ביולוגיים, זרזים, סוללות וטיהור מים.

Disclosures

לסופרים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי WVU כימית וביו-רפואי ההנדסה המחלקה קרנות סטארט-אפ (M.F.B.). המחברים רוצים להודות ד"ר מרסלה Redigolo על הדרכה על הכנת רשת ולכידת תמונה של חלקיקים עם TEM, ד"ר Qiang וואנג לתמיכה בהערכת XRD ו ספקטרה FTIR, ד"ר ג'ון Zondlo והאנטר סנודרלי לתכנות ושילוב בקר הטמפרטורה לתוך פרוטוקול סינתזה nanoparticle, ג'יימס הול על עזרתו בהרכבה של ההתקנה סינתזה ננו-חלקיקים אלכסנדר פושל וג'נה ויטו לסיוע לכמת של קוטרים ננו-חלקיקים MnO מתמונות TEM, ומתקן המחקר המשותף WVU לשימוש TEM, XRD, ו FTIR.,

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Chemicals and Gases
Benzyl ether (DE)Acros OrganicsAC14840-0010Concentration: 99%, 1 L
DrieriteW. A. Hammond Drierite Co. LTD23001Drierite 8 mesh, 1 lb
EthanolDecon Laboratories 2701200 proof, 4 x 3.7 L
HexaneMacron Fine Chemicals5189-08Concentration:  ≥98.5%, 4 L
Hydrochloric acidVWRBDH3030-2.5LPCConcentration: 36.5 - 38.0 % ACS, 2.5 L
Manganese (II) acetyl acetonate (Mn(II)ACAC)Sigma Aldrich245763-100G100 g
Nitrogen gas tankAirgasNI R300Research 5.7 grade nitrogen, size 300 cylinder
Nitrogen regulatorAirgasY11244D580-AGSingle stage brass 0-100 psi analytical cylinder regulator CGA-580 with needle outlet
Oleylamine (OA)Sigma AldrichO7805-500GConcentration: 70%, technical grade, 500 g
Silicone oilBeantown Chemical221590-100G100 g
Equipment
CentrifugeBeckman-CoulterAvanti J-EJA-20 fixed-angle aluminum rotor, 8 x 50 mL, 48,400 x g
Hemisphere mantleAce Glass Inc.12035-17115 V, 270 W, 500 mL, temperature up to 450 °C
Hot plate stirrerVWR97042-642120 V, 1000 W, 8.3 A, ceramic top
Temperature controllerYokogawa Electric CorporationUP351
Temperature probeOmegaKMQXL-040G-12Immersion probe, temperature up to 1335 °C
Vacuum ovenFisher Scientific282A120 V, 1800 W, temperature up to 280 °C
Vortex mixerFisher Scientific02-215-365120 V, 50/60 Hz, 150 W
Water bath sonicatorFisher ScientificFS30HUltrasonic power 130 W, 3.7 L tank
Tools and Materials
Dumont tweezerElectron Microscopy Sciences72703DStyle 5/45, Dumoxel, 109 mm, for picking up TEM grids
Dumont reverse tweezerTed Pella5748Style N2a, 118 mm, NM-SS, self-closing, holding TEM grids in place for sample preparation
Mortar and pestleAmazonBS0007BIPEE agate mortar and pestle, 70 X 60 X 15 mm labware
Nalgene™ Oak Ridge tubesThermoFisher Scientific3139-0050Polypropylene copolymer, 50,000 x g, 50 mL, pack of 10
Scintillation vialsFisher Scientific03-337-420 mL vials with white caps, case of 500
TEM gridsTed Pella01813-FCarbon Type-B, 300 mesh, copper, pack of 50
Glassware Setup
4-neck round bottom flaskChemglass Life SciencesCG-1534-0124/40 joint, 500 mL, #7 chem thread for thermometers
6-port vacuum manifoldChemglass Life SciencesCG-4430-02480 nm, 6 ports, 4 mm PTFE stopcocks
AdapterChemglass Life SciencesCG-1014-0124/40 inner joint, 90°
CondenserChemglass Life SciencesCG-1216-0324/40 joint, 365 mm, 250 mm jacket length
Drierite 26800 drying columnCole-Parmer EW-07193-00200 L/hr, 90 psi
FunnelChemglass Life SciencesCG-1720-L-0224/40 joint, 100 powder funnel, 195 mm OAL
Interlocked worm gear hose clampGrainger16P2921/2" wide stainless steel clamp, 3/8" to 7/8" diameter, to secure condenser tubing, 10 pack 
Keck clipsKemtech America IncCS00244024/40 joint
Metal claw clampFisher Scientific05-769-7Q22cm, three-prong extension clamps
Metal claw clamp holderFisher Scientific05-754QClamp regular holder
Mineral oil bubblerKemtech America IncB257040185 mm
Rotovap trapChemglass Life SciencesCG-1319-0224/40 joints, 100 mL, self washing rotary evaporator
Rubber stopperChemglass Life SciencesCG-3022-9824/40 joints, red rubber
Tubing for air/water McMaster-Carr6516T21Clear Tygon PVC for air/water, B-44-3, 1/4" ID, 1/16" wall, 25 ft
Tubing for air/water McMaster-Carr6516T26Clear Tygon PVC for air/water, B-44-3, 3/8" ID, 1/16" wall, 25 ft
Tubing for chemicalsMcMaster-Carr5155T34Clear Tygon PVC for chemicals, E-3603, 3/8" ID, 1/16" wall, 50 ft
Analysis Programs
XRD analysis programMalvern PanalyticalN/AX'Pert HighScore Plus
FTIR analysis programVarian, Inc.N/AVarian Resolutions Pro

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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

160

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved