发表
联系我们

登录

需要订阅 JoVE 才能查看此. 登录或开始免费试用。

本文内容

  • 摘要
  • 摘要
  • 引言
  • 研究方案
  • 结果
  • 讨论
  • 披露声明
  • 致谢
  • 材料
  • 参考文献
  • 转载和许可

摘要

该协议详细说明了锰氧化物（MnO）纳米粒子的一个简单、单锅合成，在甲胺和二苯醚存在的情况下，对锰（II）乙酰乙酰酸盐进行热分解。MnO 纳米粒子已用于各种应用，包括磁共振成像、生物感应、催化、电池和废水处理。

摘要

在生物医学应用中，金属氧化物纳米粒子，如氧化铁和氧化锰（MnO），已被用作磁共振成像（MRI）的生物传感器和对比剂。虽然氧化铁纳米粒子在典型的实验时间范围内为 MRI 提供恒定的负面对比度，但 MnO 通过将 MnO 溶解到 Mn2° 在细胞内膜内的低 pH 值来"打开"MRI 对比度，在 MRI 上生成可切换的正对比度。该协议描述了由乙酰胺和二苯醚中锰（II）乙酰酸盐的热分解形成的MnO纳米粒子的一罐合成。虽然运行 MnO 纳米粒子的合成很简单，但如果没有提供详细说明，则初始实验设置可能难以重现。因此，首先对玻璃器皿和管组件进行了彻底描述，以便其他调查人员能够轻松重现设置。合成方法集成了温度控制器，以实现对所需温度剖面的自动化和精确操作，这将影响由此产生的纳米粒子尺寸和化学成分。热分解协议可以很容易地适应产生其他金属氧化物纳米粒子（如氧化铁），并包括替代有机溶剂和稳定剂（如油酸）。此外，有机溶剂与稳定剂的比例可以改变，以进一步影响纳米粒子的特性，如此所示。合成MnO纳米粒子分别通过透射电子显微镜、X射线衍射和四强变换红外光谱，分别具有形态、尺寸、体积组成和表面组成的特点。此方法合成的 MnO 纳米粒子具有疏水性，必须通过配体交换、聚合物封装或脂质封顶进一步操作，以结合亲水性组与生物流体和组织进行相互作用。

引言

,金属氧化物纳米粒子具有磁性、电能和催化性，已应用于,,,生物成像1、2、3、,2传感器技术4、5、催化36、7、8、储能9、净水10。578在生物医学领域，氧化铁纳米粒子和氧化锰（MnO）纳米粒子已被证明作为磁共振成像（MRI）1，2,中的对比剂具有实用价值。氧化铁纳米粒子在T2* MRI上产生强大的负对比度，其功能足以在体内11、12、13,12中显示单个标记细胞;然而，负MRI信号不能调制，在整个典型实验期间保持"ON"。由于肝脏、骨髓、血液和脾脏中存在内源性铁，氧化铁纳米粒子产生的负对比度可能难以解释。另一方面，MnO纳米粒子对pH的下降有反应。一旦纳米粒子在目标细胞的低pH内分体和细胞体内化，,如,癌细胞14、15、16、17、18、19,15,16等细胞内化，MnO纳米粒子的MRI信号就可以从"OFF"17,过渡到"ON"。在低pH值下从MnO溶解到Mn2+对T1 MRI产生的正对比是无可置疑的，只需在恶性肿瘤内的目标位点照明，就可以提高癌症检测特异性。控制纳米粒子的大小、形态和成分对于实现来自MnO纳米粒子的最大MRI信号至关重要。本文介绍了如何使用热分解法合成和描述MnO纳米粒子，并注意通过改变合成过程中变量来微调纳米粒子特性的不同策略。该协议可以很容易地修改，以产生其他磁性纳米粒子，如氧化铁纳米粒子。

MnO纳米粒子由多种技术产生，包括热分解20、21、22、23、24、25、,24,25水力/解热20,21,22,2326、27、28、29、去角质 第26,27,28,293030、31、32、33、34、31,32,33,34高甘酸盐,减少35、36、37、38、,36,37,38吸附氧化39、40、41、42。39,40,41,42热分解是最常用的技术，它涉及溶解锰前体，有机溶剂，和稳定剂在高温下（180-360°C）在惰性气态大气中形成MnO纳米粒子43。在所有这些技术中，热分解是产生各种纯相（MnO、Mn3O4和 Mn2O3）的纯相纳米晶体的优越方法，其大小分布较窄。通过改变反应时间44、45、46、温度,45,,,,,44、47、48、49、,47反应物类型48/比率44,494620、45、47、48、50和惰性气体,5047,48204547、48、50，可以严格控制纳米粒子的大小、形态和成分，从而突出了其多功能性。47,48该方法的主要局限性是要求高温、无氧大气和合成纳米粒子的疏水涂层，需要用聚合物、脂质或其他配体进一步改性，以提高生物应用的溶解度14、51、52、53。14,51,52,53

除了热分解，水力/解热法是唯一可以产生各种MnO相的其它技术，包括MnO、Mn3O4和MnO2;所有其他策略仅形成 MnO2产品。在水力/解热合成过程中，前体如Mn（II）石酸54、55和Mn（II）醋酸盐27在几个小时内被加热到120-200°C之间，以实现尺寸狭窄的纳米粒子;然而，需要专门的反应容器，反应是在高压下进行的。相比之下，去角质策略涉及处理分层或散装材料，以促进分离为二维单层。它的主要优点是生产MnO2纳米片，但合成过程需要几天时间，因此表的大小难以控制。或者，高锰酸盐（如KMnO4）可以与还原剂（如油酸56、57、,57氧化石墨烯58或聚（盐酸乙酰胺）59等反应，从而产生MnO2纳米粒子。使用KMnO4有助于在水性条件下几分钟到几小时在室温下形成纳米粒子。不幸的是，快速合成和纳米粒子的生长使得精细控制由此产生的纳米粒子尺寸变得具有挑战性。MnO2纳米粒子也可以使用吸附氧化合成，使 Mn2+离子在基本条件下通过氧气被吸附并氧化到 MnO2。该方法在水介质中，在室温下，在数小时内产生体积小、分布较窄的MnO2纳米粒子;然而，Mn2+离子和碱条件的要求限制了其广泛应用43。

在所讨论的MnO纳米粒子合成方法中，热分解是产生不同单分散的纯相纳米晶体的最通用方法，无需专门的合成容器即可控制纳米粒子的大小、形状和组成。在这份手稿中，我们描述了如何在280°C时用锰（II）乙酰乙酰酸酯（Mn（II）ACAC作为Mn2+ 离子的来源，以油胺（OA）作为还原剂和稳定剂，以及二苯醚（DE）作为氮气下的溶剂，在280°C下通过热分解合成MnO纳米粒子。详细介绍了纳米粒子合成的玻璃器皿和管材设置。该技术的一个优点是包括温度控制器、热电偶探头和加热层，以便精确控制每个温度下的加热速率、峰值温度和反应时间，以微调纳米粒子的大小和成分。在这里，我们展示如何通过改变OA与DE的比例来操纵纳米粒子尺寸。此外，我们演示了如何使用透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和四位一流变换红外光谱（FTIR）分别准备纳米粒子样品并测量纳米粒子尺寸、体积组成和表面成分。包括有关如何分析每个仪器收集的图像和光谱的进一步指导。要产生均匀形状的MnO纳米粒子，必须存在稳定剂和足够的氮流;XRD 和 TEM 结果显示为在没有 OA 和低氮流下形成的不需要的产品。在"讨论"部分，我们重点介绍协议中的关键步骤、确定成功纳米粒子合成的指标、用于修改纳米粒子特性的分解协议的进一步变化（大小、形态和组成）、方法的故障排除和局限性，以及 MnO 纳米粒子作为生物医学成像的对比剂的应用。

研究方案

1. 玻璃器皿和油管组件 – 仅首次执行

注 :图1 显示了带编号管连接的MnO纳米粒子合成的实验装置。 图 S1 显示了与标记的主玻璃器皿组件相同的设置。如果耐化学性管材与玻璃连接尺寸不匹配，则先用一小块小管盖住玻璃连接，然后添加耐化学性管材，使连接舒适。

  1. 使用经批准的表带约束，将无气氮罐固定到靠近化学烟气罩的墙壁上。向油箱中加入适当的氮气调节器。
    注意:气瓶必须正确固定，因为如果翻倒，它们可能非常危险。
  2. 用干燥剂填充气体干燥柱。将无气氮调节器的耐化学管连接到气体干燥柱的底部入口（#1 图 1 所示）。
  3. 使用两个金属爪夹将包含至少 2 个出口塞子的玻璃歧管固定到烟罩顶部。将耐化学管从气体干燥柱（图 1中的 #2）的入口连接到歧管的入口（#3 图 1中）。
  4. 根据图1，使用金属爪夹将3个矿物油气泡器放在烟 罩中并固定。将两个气泡器放在左侧，在右侧放一个气泡器。
  5. 用最小的硅油（#9 从气泡器底部的 ±1英寸油）填充最左边的气泡器（如图1所示）。用中等量的硅油（从气泡器底部填充 1.5 英寸的油），以图 1 中的 #7，8填充中间气泡器。用最右边的气泡#11 图1中的#11）填充最大的硅油量（从气泡器底部填充±2英寸的油）。
    注:矿物气泡器之间的硅油相对量对于实现无气氮气通过系统的适当流动非常重要。不要添加太多的油（超过 ±2.5 英寸），因为油在反应过程中会冒泡，如果注油过度，可能会退出气泡器。
  6. 使用耐化学性管将歧管右侧塞子（图 1 中的 #4）上的插座连接到玻璃弯头适配器 （#5）的螺纹端。
  7. 使用耐化学性管将另一个玻璃弯头适配器（图 1中的 #6）的螺纹端连接到中间气泡器 （#7）的入口。使用耐化学性管将中间气泡器（ 图 1中的 #8）的入口连接到最左侧气泡器 （#9）的入口。
  8. 将歧管左侧的插座（图 1中的 #10）连接到最右侧气泡器的入口（图 1 中#11（如图 1 所示）。
  9. 如果空间容纳，请将初步设置留在烟罩中。当实验未运行时，将两个玻璃弯头适配器与管状（图 1 中的 #5，6）固定到烟罩中的金属晶格上。

2. 设备和玻璃器皿设置 – 将在每次实验中执行

注意:所有涉及溶剂的步骤都需要使用化学烟罩以及适当的个人防护设备 （PPE），包括安全眼镜、实验室外套和手套。纳米粒子制造装置应组装在烟罩中。

  1. 将搅拌板放在烟罩中，将加热垫放在搅拌板的顶部。
    注:加热地衣必须能够承受超过300°C的温度。
  2. 将 4 颈 500 mL 圆形底部烧瓶放在加热地衣上，用金属爪夹固定中颈。在圆形底部烧瓶中添加磁性搅拌棒。将玻璃漏斗放在圆形底部烧瓶的中间颈部。
  3. 检查歧管:确保安全止#10（ 图 1中为）和输入#4（ 图 1中的输入停止）。
    注意:安全止损需要一直打开，以确保系统中没有压力。如果停止关闭，则可能发生爆炸。
  4. 重1.51克锰（II）乙酰乙酰酸（Mn（II）ACAC），使用玻璃漏斗放在圆底烧瓶内。
  5. 使用玻璃移液器和玻璃漏斗将 20 mL 的 oleylamine 和 40 mL 的二苯醚添加到圆形底部烧瓶中。拆下漏斗，用六烷清洁。
    注意:实验可以扩大（例如，2倍），但建议在使用任何数量较大的反应物时保持保守。反应剂量越大，反应就不那么稳定，因此很危险。
  6. 将冷凝器连接到圆形底部烧瓶的左颈部，用金属爪夹固定冷凝器。将玻璃弯头适配器 （#61所示）添加到冷凝器顶部。
    注:适配器应与耐化学性管连接到中间矿物油气泡器（#7 图 1 所示）。
  7. 将与水相容的油管从烟气罩中的出水口（图 1中的 #12）连接到冷凝器的入口（#13 图 1所示）。还要使用与水相容的管道将冷凝器的#14（ 图 1中）连接到烟气罩中的排放口（#15 图 1所示）。将油管固定到冷凝器连接（图 1中的 #13，14）上，使用联锁蠕虫齿轮金属软管夹。
  8. 将旋转陷阱添加到圆形底部烧瓶的右颈部。将玻璃肘适配器（#5 图 1）放在旋转陷阱的顶部。
    注:适配器应与耐化学性管连接到右侧的止损歧管出口（#4 图 1 所示）。
  9. 将橡胶塞连接到圆形底部烧瓶的中间颈部，并将其折叠起来，使两侧覆盖烧瓶的颈部。添加塑料锥形接头夹（图 1 中的 4 个绿色夹子），以确保以下玻璃器颈连接:肘部适配器和旋转陷阱、旋转陷阱和圆形底部烧瓶、圆形底部烧瓶和冷凝器以及冷凝器和弯头适配器。
  10. 将温度探头放在圆形底部烧瓶中最小的颈部，用颈盖和 O 环拧紧并固定探头。用石蜡塑料薄膜密封连接。
    注:确保温度探头浸入液体混合物中，但不会接触玻璃底部。如果探头与玻璃表面接触，与真实流体温度相比，所测量的温度将不准确，这将导致温度控制器为反应提供不正确的热量。
  11. 将温度探头连接到温度控制器的输入。将加热地衣连接到温度控制器的输出。
  12. 打开搅拌盘，开始大力搅拌。
  13. 打开无气氮气罐，然后慢慢开始将氮气流入系统（这将清除空气）。使用调节器调节氮气流量，直到中间矿物油气泡器（图 1中）中形成稳定的#7流。
  14. 将烟气罩中的冷水（#12 图1）打开冷凝器，检查油管中是否漏水。
  15. 在反应开始前，将烟罩的窗框放下。

3. 纳米粒子合成

  1. 打开温度控制器（电源和加热电源）以开始反应。观察并记录每个阶段的反应混合物的颜色。反应将在第 1 至 3 阶段以深棕色开始，并在第 4 阶段变绿。
    注:每个温度控制器的工作方式不同。确保使用正确的手册和程序。
  2. 阶段 1:观察温度控制器显示屏，确认温度在 30 分钟内从室温升高至 60°C。
  3. 阶段 2:确保温度控制器在 60°C 稳定 1 分钟，为第 3 阶段的加热速度做好准备。
  4. 第 3 阶段:在温度上升到 280 °C 时，检查温度控制器显示屏，温度在 22 分钟内以每分钟 10 °C的速度升高至 280 °C。确保流经冷凝器的水流足够，因为混合物将在此阶段开始蒸发。
  5. 第 4 阶段:确认温度控制器在 30 分钟内显示 280°C 的恒定反应温度。观察反应颜色更改为绿色色调，表示 MnO 形成。一旦反应达到 280°C，关闭氮气罐并关闭右塞孔，用于歧管上反应的入口（#4 图 1所示）。
    注意:保持安全止#10（图 1所示）。
  6. 阶段 5:检查温度控制器显示屏，确保加热自动停止。将温度探头留在内部（不要打开圆形底部烧瓶），并等待温度达到室温，以便继续进行纳米粒子收集。
    注意:烧瓶会非常热。如果需要更快的冷却速度，应佩戴耐热手套以去除加热地衣。
    注意:可以在这里暂停协议。

4. 纳米粒子收集

  1. 关闭温度控制器、搅拌板和冷水。从冷凝器、烟罩和排水管中拆下与水兼容的油管。从玻璃器皿连接中拆下所有塑料锥形接头夹。
  2. 从旋转阀（图1中#5）和冷凝器（图1中#6玻璃弯头适配器）。将弯头适配器固定到发动机罩中的金属晶格上，以用于将来的实验。
  3. 从圆形底部烧瓶中分离冷凝器和旋转陷阱，用六烷冲洗冷凝器和旋转陷阱的内侧。
  4. 拆下橡胶塞和温度探针，用 70% 乙醇清洁。
  5. 将 MnO 纳米颗粒溶液从圆形底部烧瓶倒入干净的 500 mL 烧杯中。使用六烷 （±5 mL） 冲洗圆形底部烧瓶，并将带残余 MnO 纳米颗粒的六烷加入 500 mL 烧杯中。
    注:六烷将重新暂停MnO纳米粒子，而200证明乙醇将作为沉淀剂。
  6. 注意 MnO 纳米粒子混合物的当前体积。使用体积比为 2:1 的 MnO 纳米粒子混合物中加入 200 个证明乙醇（例如，如果纳米粒子混合物为 75 mL，则加入 150 mL 乙醇）。
  7. 将纳米粒子混合物均等地倒入四个离心管中，约3/4满。拧上适当的盖。检查以确保液位平衡。
    注:任何额外的纳米粒子混合物将被添加到管下一轮离心。
  8. 在10°C下，在17，400 x g下将纳米 粒子 离心10分钟。
    注:更长的离心时间/或更高的离心速度可用于增加较小纳米粒子分数的收集，但纳米粒子聚集可以增加。
  9. 将上流液放入废杯中，小心不要干扰颗粒。如果需要，使用转移移液器收集上流液。
    注:早期离心期产生棕色上一位是正常的。上清应应该是棕色和清晰的，但不是多云的。任何云量都表明纳米粒子仍然存在于上一液中。如果上流液是多云的，则在丢弃上流液之前再次离心管;再次离心将减少合成纳米粒子的损失，但会导致更多的聚集。
  10. 加入 5 mL 的六烷和任何额外的纳米颗粒溶液，留在每个含有 MnO 纳米颗粒的离心管中。使用沐浴声波和/或涡流重新暂停纳米粒子。继续，直到溶液变得多云，颗粒消失，这表明成功的纳米粒子再造。
  11. 在离心管中加入200种防震乙醇，直到3~4充满。
  12. 重复步骤 4.8-4.10。然后，将从四个离心管的重新浓缩的纳米粒子组合到两个离心管。接下来，重复步骤 4.11。
  13. 再次重复步骤4.8-4.10，这总共用六烷和200证明乙醇洗涤三次。请勿在离心管中添加任何 200 证明乙醇。
  14. 将重新在六烷中重新释放的 MnO 纳米颗粒组合并转移到预重的 20 mL 玻璃闪烁小瓶中。关闭小瓶盖，让十六烷在烟气罩中蒸发过夜。
  15. 第二天，将含有纳米粒子的未盖玻璃闪烁小瓶转移到真空烤箱中。将小瓶的盖子放在烤箱外的安全位置。在100°C下干燥纳米粒子24小时。
  16. 一旦纳米粒子干燥，用铲子将小瓶内的粉末分解。称重含有干MnO纳米颗粒的小瓶，减去玻璃闪烁小瓶的已知重量，以确定纳米颗粒产量。
    注意:干燥的纳米粒子很容易升空，应该由使用颗粒呼吸器（如N95或P100）的人员处理。
  17. 将纳米颗粒在室温下存放在玻璃闪烁小瓶内，盖上盖子。用石蜡塑料薄膜包裹盖子。

5. 纳米颗粒尺寸和表面形态（TEM）

  1. 使用砂浆和害虫将 Mno 纳米粒子粉粉粉粉粉粉碎。
  2. 将 5 mg 的 MnO 纳米颗粒加入 15 mL 锥形离心管。加入10 mL的200证明乙醇。
    注:200证明乙醇迅速蒸发，以获得更均匀的纳米粒子在TEM网格上的扩散。另一种溶剂可以有更好的纳米粒子悬浮液，但蒸发需要更长的时间，由于表面张力，纳米粒子会积聚在TEM网格的边界上。
  3. 沐浴对纳米粒子混合物进行5分钟的声波化，或直到纳米粒子完全重新燃烧。
  4. 重新吸收后，立即将三滴 5 μL 的纳米颗粒混合物添加到碳 B 型 300 网状铜栅格支持膜上。让空气干燥。
    1. 使用反向钳子，以便于样品制备。在添加含有纳米粒子的滴子之前，将网格放在带较暗面的钳子上。
      注:网格是脆弱的，所以要小心不要弯曲和损坏网格，以更好地成像。一旦干燥，网格应保存在市售的 TEM 电网存储箱中，以进行保护。
  5. 使用透射电子显微镜 （TEM） 评估纳米粒子的形状和大小。应用 TEM 的典型参数，包括 200 kV 的光束强度、1 的点位大小和 300 倍的放大倍率。
  6. 收集网格中足够纳米粒子（10- 30 个纳米粒子）均匀分布的区域的图像。避免使用含有纳米粒子聚集的区域，因为如果纳米粒子没有明显分离，则无法进行精确尺寸调整。
    1. 不同网格方块的图像区域，以确保均匀分布。为了获得最佳大小分布，请从每个样本中获取 25 - 30 个图像以获得足够的样本大小。

6. 纳米粒子直径定量分析

  1. 要使用 ImageJ 分析 TEM 图像，首先通过单击"文件" 打开其中一个图像|打开。选择所需的图像，然后单击"打开"。
  2. 要校准 ImageJ 中从像素到纳米的距离测量，请先单击直线工具。按住 Shift 键并跟踪比例杆的长度。然后，单击 "分析 | " 设置比例。
  3. 在"设置比例"弹出窗口中，在"已知距离"框中键入真正的比例Known distance杆测量值（例如，如果比例杆为 50 nm，则键入 50）。将长度单位更改为相应的单位（例如，纳米的 nm 类型）。选中"全局"框以保持所有图像中的比例一致，然后单击"确定"。
  4. 设置刻度后，使用直线工具跟踪纳米粒子的直径。然后单击 "分析 " | 测量 或单击 Ctrl+M 键。
  5. 查找显示结果弹出窗口，以显示有关测量的不同信息。确认存在 "长度"列，因为它将提供纳米粒子的直径，并包含步骤 6.3 中指定的单位。
  6. 重复步骤 6.4，直到图像中的所有纳米粒子都大小。要移动到下一个图像，请单击" 文件 | " 打开"下一个"或 "Ctrl+Shift+O" 键。
  7. 在所有图像中所有纳米粒子都大小后，请转到"结果 "窗口 并单击 "文件 " | 另存为。重命名结果文件，然后单击"保存 "。导入结果文件后，查看和分析电子表格程序中的所有纳米粒子直径。

7. 纳米粒子体积组成（XRD）

  1. 如果在步骤 5.1 期间未完成，则使用砂浆和害虫将 Mno 纳米颗粒粉碎成薄粉末。用铲子将细纳米颗粒粉末放入样品架中。按照为要使用的 X 射线衍射机 （XRD） 机器指定的样品加载过程操作。
  2. 使用 XRD 确定 MnO 纳米粒子的体积组成。在 10° 到 110° 的 2° 范围内收集 XRD 光谱，查看 MnO （30° 到 90°） 和 Mn3O4 （15° 到 90°） 的峰值。
    注:建议用于 XRD 的其他设置参数是 0.05 s 的步长、10 mm 的光束掩码和 64.77 s 的扫描步长时间。
  3. 保存生成的 。XRD 文件并在 XRD 分析程序中打开它。

8. XRD光谱分析

  1. 在 XRD 分析程序中，通过单击软件中的 IdeAll 按钮，确定样本 测量的 XRD 频谱中的所有主峰。
  2. 若要保存数据， 请选择 工具栏上的"文件 "， 然后选择"保存为...
  3. 使用该程序来模式匹配已知化合物的 XRD 数据库，以找到与样品匹配的最佳组合物。要缩小搜索范围，请指定预期的化合物（例如锰和氧气）。
    1. 要模式匹配频谱，请选择" 分析 | " 搜索和匹配。在弹出窗口中，选择 "化学 "并单击所需的化学元素，以根据样本限制程序搜索。
    2. 选择所有元素后，选择"搜索 "。等待出现与 XRD 频谱匹配的化学成分列表。
      注:程序将提供已知 XRD 光谱与样品成分对应的可能性。如果选择两个或更多组合，则程序将给出每个组合的组成百分比（例如，MnO 与 Mn3O4）。
  4. 如果需要，单击"拟合背景"按钮 （） 从 XRD 频谱 中删除背景 figure-protocol-8441 。然后， 单击弹出窗口 中的"背景"，然后减去 。确认频谱以 y 轴上的 0 开始。
    1. 如果没有背景，请再次保存数据，如步骤 8.2 所示。
  5. 绘制 XRD 频谱时，显示每个匹配化合物的特征峰值（例如，MnO 和 Mn3O4）。
    1. 要从数据库中获取匹配化合物的特征峰值列表，请先右键单击图案匹配频谱，然后选择"显示 模式"。等待弹出窗口出现，并包含与所选模式对应的所有峰值信息。
    2. 选择、复制和粘贴该化合物中所需的信息，并在电子表格程序中使用测量的 XRD 频谱绘制特征峰值。

9. 纳米粒子表面成分（FTIR）

  1. 将干燥的 MnO 纳米颗粒粉末添加到样品架中，用于 Fourier 变换红外光谱 （FTIR） 分析。
  2. 使用 FTIR 评估纳米粒子表面化学。收集4000至400厘米-1波长范围之间的FTIR光谱，分辨率为4厘米-1。
  3. 清洁 FTIR 样品架并添加液体油胺。重复步骤 9.2。

10. FTIR光谱分析

  1. 在 FTIR 分析程序中，通过在下拉菜单中选择"变换 "，然后 选择"基线正确"，从收集的 FTIR 频谱中删除背景。选择 线性 作为校正类型。
  2. 使用鼠标左键单击选择原始频谱上的基线点。完成后，通过选择"替换"，选择"添加"或"替换"，将频谱另一个名称保存为"替换"。
    注:背景校正可以提高关注性FTIR峰值较弱的流行率。
  3. 要导出 FTIR 频谱，请先从列表中选择特定频谱。然后，单击工具栏上的"文件"，然后单击"导出频谱"。
  4. 从"另存为"窗口中选择 csv 文件格式 ，然后单击"保存 "。使用电子表格程序打开并绘制 csv 文件。
  5. 比较获得的MnO纳米粒子与油胺FTIR光谱，详见"代表结果"部分，以评估纳米粒子与奥莱胺的封顶。

结果

为了确认合成成功，应测定MnO纳米粒子的大小和形态（TEM）、体积成分（XRD）和表面成分（FTIR）。 图2 显示了使用油胺（OA，稳定剂）与二苯醚（DE，有机溶剂）的减小比合成的MnO纳米粒子的代表性TEM图像:60:0、50:10、40:20、30:30、20:40、10:50。理想的TEM图像由单个纳米粒子组成（如图2所示为暗圆八 角形），具有最小的重叠。使用 ImageJ 中的线跟踪工具，?...

讨论

本文所述协议描述了使用Mn（II）ACAC、DE和OA的MnO纳米粒子的一罐简单合成。Mn（II） ACAC 用作起始材料，为 MnO 纳米粒子的形成提供 Mn2°的来源。起动材料可以很容易地替代，使生产其他金属氧化物纳米粒子。例如，当应用铁（III）ACAC时，可以使用描述的相同纳米粒子合成设备和协议63生成Fe3 O4纳米粒子。4DE是热分解反应的理想有机溶剂，因为它的高沸点?...

披露声明

作者没有什么可透露的。

致谢

这项工作得到了WVU化学和生物医学工程部启动基金（M.F.B.）的支持。作者感谢马塞拉·雷迪戈洛博士与TEM一起指导纳米粒子的网格制备和图像捕获，王强博士为评估XRD和FTIR光谱提供支持，约翰·宗德洛博士和亨特·斯诺德利博士为编程和将温度控制器集成到纳米粒子合成协议中，詹姆斯·霍尔协助组装纳米粒子合成装置，亚历山大·普舍尔和詹娜·维托帮助从TEM图像量化MnO纳米粒子直径，以及WVU共享研究设施，用于TEM、XRD和FTIR。

材料

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

参考文献

  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).

转载和许可

请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形

请求许可

探索更多文章

160 II X

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

政策

使用条款

隐私

联系我们

向图书馆推荐

JoVE 新闻简报

科研

教育

发表

图书馆员

关于 JoVE

版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有，本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。