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In diesem Artikel

  • Zusammenfassung
  • Zusammenfassung
  • Einleitung
  • Protokoll
  • Ergebnisse
  • Diskussion
  • Offenlegungen
  • Danksagungen
  • Materialien
  • Referenzen
  • Nachdrucke und Genehmigungen

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt eine einfache, Ein-Topf-Synthese von Manganoxid (MnO) Nanopartikeln durch thermische Zersetzung von Mangan(II) Acetylaceton in Gegenwart von Oleylamin und Dibenzylether. MnO-Nanopartikel wurden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, darunter Magnetresonanztomographie, Biosensing, Katalyse, Batterien und Abwasserbehandlung.

Zusammenfassung

Für biomedizinische Anwendungen wurden Metalloxid-Nanopartikel wie Eisenoxid und Manganoxid (MnO) als Biosensoren und Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT) eingesetzt. Während Eisenoxid-Nanopartikel einen konstanten negativen Kontrast auf der MRT über typische experimentelle Zeitrahmen bieten, erzeugt MnO durch Auflösung von MnO zu Mn2+ bei niedrigem pH-Wert innerhalb von Zellendosomen einen schaltbaren positiven Kontrast auf MRT-Kontrast. Dieses Protokoll beschreibt eine One-Pot-Synthese von MnO-Nanopartikeln, die durch thermische Zersetzung von Mangan(II)-Acetylacetonat in Oleylamin und Dibenzyllether gebildet werden. Obwohl die Synthese von MnO-Nanopartikeln einfach ist, kann der anfängliche Versuchsaufbau schwierig zu reproduzieren sein, wenn keine detaillierten Anweisungen vorliegen. So wird die Glaswaren- und Schlauchbaugruppe zunächst gründlich beschrieben, damit andere Forscher das Setup problemlos reproduzieren können. Die Synthesemethode beinhaltet einen Temperaturregler, um eine automatisierte und präzise Manipulation des gewünschten Temperaturprofils zu erreichen, was sich auf die resultierende Nanopartikelgröße und -chemie auswirkt. Das thermische Zersetzungsprotokoll kann leicht angepasst werden, um andere Metalloxid-Nanopartikel (z. B. Eisenoxid) zu erzeugen und alternative organische Lösungsmittel und Stabilisatoren (z. B. Ölsäure) aufzunehmen. Darüber hinaus kann das Verhältnis von organischem Lösungsmittel zu Stabilisator in weitere Auswirkungen Nanopartikeleigenschaften geändert werden, die hierin dargestellt werden. Synthetisierte MnO-Nanopartikel zeichnen sich durch Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenbeugung bzw. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie durch Morphologie, Größe, Massenzusammensetzung und Oberflächenzusammensetzung aus. Die mit dieser Methode synthetisierten MnO-Nanopartikel sind hydrophob und müssen durch Ligandenaustausch, polymere Verkapselung oder Lipidverkapselung weiter manipuliert werden, um hydrophile Gruppen für die Interaktion mit biologischen Flüssigkeiten und Geweben zu integrieren.

Einleitung

Metalloxid-Nanopartikel besitzen magnetische, elektrische und katalytische Eigenschaften, die in bioimaging1,2,3, Sensortechnologien4,5, Katalyse6,7,8, Energiespeicherung9und Wasserreinigung10angewendet wurden. Im biomedizinischen Bereich haben sich Eisenoxid-Nanopartikel und Manganoxid (MnO)-Nanopartikel als Kontrastmittel in der Magnetresonanztomographie (MRT)1,2bewährt. Eisenoxid-Nanopartikel erzeugen einen robusten negativen Kontrast aufT2* MRT und sind leistungsstark genug, um einzelne markierte Zellen in vivo11,12,13zu visualisieren; Das negative MRT-Signal kann jedoch nicht moduliert werden und bleibt während der gesamten Dauer typischer Experimente "ON". Aufgrund von endogenem Eisen in Leber, Knochenmark, Blut und Milz kann der negative Kontrast, der durch Eisenoxid-Nanopartikel entsteht, schwer zu interpretieren sein. MnO-Nanopartikel hingegen reagieren auf einen rückgangen pH-Wert. MRT-Signal für MnO-Nanopartikel kann von "OFF" zu "ON" übergehen, sobald die Nanopartikel innerhalb der niedrigen pH-Endosomen und Lysosomen der Zielzelle wie einer Krebszelle14,15,16,17,18,19verinnerlicht sind. Der positive Kontrast aufT1 MRT, der von der Auflösung von MnO zu Mn2+ bei niedrigem pH-Wert entsteht, ist unverkennbar und kann die Spezifität der Krebserkennung verbessern, indem er nur an der Zielstelle innerhalb eines bösartigen Tumors aufleuchtet. Die Kontrolle über Nanopartikelgröße, Morphologie und Zusammensetzung ist entscheidend, um ein maximales MRT-Signal von MnO-Nanopartikeln zu erreichen. Hierin beschreiben wir, wie ManmnO-Nanopartikel mithilfe der thermischen Zersetzungsmethode synthetisiert und charakterisiert und beachten verschiedene Strategien zur Feinabstimmung der Nanopartikeleigenschaften, indem Variablen im Syntheseprozess verändert werden. Dieses Protokoll kann leicht geändert werden, um andere magnetische Nanopartikel wie Eisenoxid-Nanopartikel zu produzieren.

MnO-Nanopartikel wurden durch eine Vielzahl von Techniken hergestellt, einschließlich thermischer Zersetzung20,21,22,23,24,25, hydro/solvothermal26,27,28,29, Peeling30,31,32,33,34, Permanganate Reduktion35,36,37,38und Adsorption-Oxidation39,40,41,42. Thermische Zersetzung ist die am häufigsten verwendete Technik, bei der Manganvorstufen, organische Lösungsmittel und Stabilisatoren bei hohen Temperaturen (180 – 360 °C) unter Vorhandensein einer inerten gasförmigen Atmosphäre gelöst werden, um MnO-Nanopartikel43zu bilden. Aus all diesen Techniken ist die thermische Zersetzung die überlegene Methode, um eine Vielzahl von MnO-Nanokristallen reiner Phase (MnO, Mn3O4 und Mn2O3) mit einer schmalen Größenverteilung zu erzeugen. Seine Vielseitigkeit wird durch die Fähigkeit, Nanopartikelgröße, Morphologie und Zusammensetzung durch Veränderung der Reaktionszeit44,45,46, Temperatur44,47,48,49, Typen / Verhältnisse von Reaktanten20,45,47,48,50 und Inertgas47,48,50 verwendet. Die Haupteinschränkungen dieser Methode sind die Anforderung an hohe Temperaturen, die sauerstofffreie Atmosphäre und die hydrophobe Beschichtung der synthetisierten Nanopartikel, die eine weitere Modifikation mit Polymeren, Lipiden oder anderen Liganden erfordert, um die Löslichkeit für biologische Anwendungen zu erhöhen14,51,52,53.

Neben der thermischen Zersetzung ist die hydro-solvothermale Methode die einzige andere Technik, die eine Vielzahl von MnO-Phasen einschließlich MnO, Mn3O4und MnO2erzeugen kann; alle anderen Strategien bilden2 nur MnO 2-Produkte. Während der hydro-solvothermalen Synthese werden Vorläuferstoffe wie Mn(II)-Stearat54,,55 und Mn(II)-Acetat27 über mehrere Stunden auf 120-200 °C erhitzt, um Nanopartikel mit einer engen Größenverteilung zu erreichen; jedoch sind spezielle Reaktionsgefäße erforderlich und Reaktionen werden bei hohem Druck durchgeführt. Im Gegensatz dazu beinhaltet die Peeling-Strategie die Behandlung eines geschichteten oder Schüttguts, um die Dissoziation in 2D-Einzelschichten zu fördern. Sein Hauptvorteil liegt in der Herstellung von MnO2 Nanosheets, aber der Syntheseprozess dauert mehrere Tage und die resultierende Größe der Blätter ist schwer zu kontrollieren. Alternativ können Permanganate wie KMnO4 mit Reduktionsmitteln wie Ölsäure56,57, Graphenoxid58 oder Poly(Allylaminhydrochlorid)59 reagieren, um MnO2-Nanopartikel zu erzeugen. Die Verwendung von KMnO4 erleichtert die Bildung von Nanopartikeln bei Raumtemperatur über wenige Minuten bis Stunden unter wässrigen Bedingungen43. Leider macht es die schnelle Synthese und das Wachstum von Nanopartikeln schwierig, die resultierende Nanopartikelgröße fein zu kontrollieren. MnO2-Nanopartikel können auch mittels Adsorptions-Oxidation synthetisiert werden, wobei Mn2+-Ionen unter Grundlegenden bedingungen adsorbiert und durch Sauerstoff zu MnO2 oxidiert werden. Diese Methode erzeugt kleine2 MnO 2-Nanopartikel mit einer engen Größenverteilung bei Raumtemperatur über mehrere Stunden in wässrigen Medien; jedoch die Anforderung für die Adsorption von Mn2+ Ionen und Alkalibedingungen begrenzt seine weit verbreitete Anwendung43.

Von den diskutierten MnO-Nanopartikelsynthesemethoden ist die thermische Zersetzung die vielseitigste, um verschiedene monodisperse reine Phasen-Nanokristalle mit Kontrolle über Nanopartikelgröße, -form und -zusammensetzung zu erzeugen, ohne dass spezielle Synthesegefäße erforderlich sind. In diesem Manuskript beschreiben wir, wie MnO-Nanopartikel durch thermische Zersetzung bei 280 °C mit Mangan(II)-Acetylacetonat (Mn(II) ACAC) als Quelle von Mn2+-Ionen, Oleylamin (OA) als Reduktionsmittel und Stabilisator und Dibenzylether (DE) als Lösungsmittel unter Stickstoffatmosphäre synthetisiert werden. Das Glas- und Schlauchaufbau für die Nanopartikelsynthese wird ausführlich erläutert. Ein Vorteil der Technik ist die Einbeziehung eines Temperaturreglers, einer Thermoelementsonde und eines Heizmantels, um eine präzise Steuerung der Heizrate, der Spitzentemperatur und der Reaktionszeiten bei jeder Temperatur zu ermöglichen, um die Größe und Zusammensetzung von Nanopartikeln zu optimieren. Hierin zeigen wir, wie nanopartikelgröße auch manipuliert werden kann, indem das Verhältnis von OA zu DE geändert wird. Darüber hinaus zeigen wir, wie Nanopartikelproben vorbereitet und Nanopartikelgröße, Massenzusammensetzung und Oberflächenzusammensetzung mittels Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Röntgenbeugung (XRD) bzw. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) gemessen werden. Weitere Anleitungen zur Analyse der gesammelten Bilder und Spektren von jedem Instrument sind enthalten. Um einheitlich geformte MnO-Nanopartikel zu erzeugen, müssen ein Stabilisator und ein ausreichender Stickstofffluss vorhanden sein; XRD- und TEM-Ergebnisse werden für unerwünschte Produkte angezeigt, die in Abwesenheit von OA und unter niedrigem Stickstofffluss entstehen. Im Abschnitt Diskussion werden wichtige Schritte im Protokoll, Metriken zur Bestimmung der erfolgreichen Nanopartikelsynthese, weitere Variationen des Zersetzungsprotokolls zur Änderung der Nanopartikeleigenschaften (Größe, Morphologie und Zusammensetzung), Fehlerbehebung und Einschränkungen der Methode sowie Anwendungen von MnO-Nanopartikeln als Kontrastmittel für die biomedizinische Bildgebung hervorgehoben.

Protokoll

1. Glaswaren- und Schlauchbaugruppe – nur zum ersten Mal durchzuführen

ANMERKUNG: Abbildung 1 zeigt den versuchsweisen Aufbau für die MnO-Nanopartikelsynthese mit nummerierten Rohrverbindungen. Abbildung S1 zeigt das gleiche Setup mit den hauptgekennzeichneten Glaskomponenten. Wenn es eine Diskrepanz zwischen den chemikalienbeständigen Schläuchen und der Glasanschlussgröße gibt, bedecken Sie die Glasverbindung zuerst mit einem kurzen Stück kleinerer Schläuche, bevor Sie die chemisch beständigen Schläuche hinzufügen, um die Verbindungen eng zu machen.

  1. Sichern Sie den luftfreien Stickstofftank mit zugelassenen Gurtstützen an der Wand in der Nähe einer chemischen Rauchhaube. Fügen Sie den entsprechenden Stickstoffregler in den Tank ein.
    VORSICHT: Gasflaschen müssen ordnungsgemäß gesichert werden, da sie sehr gefährlich sein können, wenn sie umgekippt werden.
  2. Füllen Sie die Gastrocknungssäule mit Trockenmittel. Befestigen Sie chemikalienbeständige Schläuche vom luftfreien Stickstoffregler am unteren Einlass der Gastrocknungssäule (#1 in Abbildung 1).
  3. Sichern Sie den Glaskrümmer mit mindestens 2 Auslass-Stoppcocks mit zwei Metallklauenanzen an der Oberseite der Dunstabzugshaube. Befestigen Sie chemisch beständige Schläuche aus dem Auslass der Gastrocknungssäule (#2 in Abbildung 1) an den Einlass des Verteilers (#3 in Abbildung 1).
  4. Legen Sie 3 Mineralölblasen in die Dunstabzugshaube mit Metallklauenklemmen gemäß Abbildung 1. Setzen Sie zwei Blasen auf der linken Seite und eine Blase nach rechts.
  5. Füllen Sie die linke Blase (nach #9 in Abbildung 1) mit der kleinsten Menge an Silikonöl (1 Zoll Öl von der Unterseite der Blase). Füllen Sie die mittlere Blase (um #7,8 in Abbildung 1) mit einer mittleren Menge an Silikonöl (1,5 Zoll Öl von der Unterseite der Blase). Füllen Sie die rechte Blase (durch #11 in Abbildung 1) mit der größten Menge an Silikonöl (2 Zoll Öl von der Unterseite der Blase).
    HINWEIS: Die relative Menge an Silikonöl zwischen den Mineralblasen ist sehr wichtig, um einen angemessenen Durchfluss des luftfreien Stickstoffgases durch das System zu erreichen. Fügen Sie nicht zu viel Öl (über 2,5 Zoll), wie das Öl während der Reaktion sprudeln und kann die Blasen verlassen, wenn übergefüllt.
  6. Schließen Sie den Auslass am rechten Hahn des Verteilers (#4 in Abbildung 1) mit chemikalienbeständigen Schläuchen an das Gewindeende eines Glasbogenadapters (#5 in Abbildung 1) an.
  7. Befestigen Sie das Gewindeende eines anderen Glasbogenadapters (#6 in Abbildung 1) mit chemikalienbeständigen Schläuchen am Einlass des mittleren Blasens (#7 in Abbildung 1). Schließen Sie den Auslass der mittleren Blase (#8 in Abbildung 1) mit chemikalienbeständigen Schläuchen an den Einlass des linken Blasens (#9 in Abbildung 1) an.
  8. Schließen Sie den Auslass am linken Hahn des Verteilers (#10 in Abbildung 1) an den Einlass des rechten Blasens an (#11 in Abbildung 1).
  9. Lassen Sie die vorläufige Einrichtung in der Dunstabzugshaube, wenn Platz unterkommt. Befestigen Sie die beiden Glas-Ellbogenadapter mit anbringenden Schläuchen (#5,6 in Abbildung 1) an der Metallgitterkonstruktion in der Dunstabzugshaube, wenn das Experiment nicht läuft.

2. Ausrüstung und Glaswaren-Setup – bei jedem Experiment durchzuführen

VORSICHT: Alle Schritte mit Lösungsmitteln erfordern die Verwendung einer chemischen Dunstabzugshaube sowie der richtigen persönlichen Schutzausrüstung (PSA) einschließlich Schutzbrille, Labormantel und Handschuhe. Die Nanopartikelfertigung sollte in der Dunstabzugshaube montiert werden.

  1. Legen Sie die Rührplatte in die Dunstabzugshaube und legen Sie den Heizmantel auf die Rührplatte.
    HINWEIS: Der Heizmantel muss Temperaturen über 300 °C standhalten können.
  2. Legen Sie den 4 Hals 500 ml runden Bodenkolben auf den Heizmantel und sichern Sie den Mittelhals mit einer Metallklauenklemme. Fügen Sie dem runden Bodenkolben einen magnetischen Rührbalken hinzu. Legen Sie den Glastrichter in den mittleren Hals des runden Bodenkolbens.
  3. Überprüfen Sie den Verteiler: Stellen Sie sicher, dass der Sicherheits-Hahn (#10 in Abbildung 1) und der Eingangs-Stopp (#4 in Abbildung 1) geöffnet sind.
    VORSICHT: Der Sicherheitshahn muss jederzeit geöffnet sein, um sicherzustellen, dass im System kein Druck aufgebaut wird. Wenn der Hahn geschlossen ist, kann es zu einer Explosion kommen.
  4. 1,51 g Mangan(II)-Acetylacetonat (Mn(II) ACAC) wiegen und mit dem Glastrichter in den runden Bodenkolben legen.
  5. 20 ml Oleylamin und 40 ml Dibenzylether mit einer Glaspipette und dem Glastrichter in den runden Bodenkolben geben. Entfernen Sie den Trichter und reinigen Sie ihn mit Hexan.
    VORSICHT: Das Experiment kann skaliert werden (z. B. 2 Mal), aber es wird empfohlen, bei der Verwendung größerer Mengen von Reaktanten konservativ zu sein. Größere Mengen an Reaktanten könnten dazu führen, dass die Reaktion weniger stabil und daher gefährlich wird.
  6. Befestigen Sie den Kondensator am linken Hals des runden Bodenkolbens und befestigen Sie den Kondensator mit einer Metallklauenklemme. Fügen Sie den Glasbogenadapter (#6 in Abbildung 1) auf den Kondensator.
    HINWEIS: Der Adapter sollte mit chemikalienbeständigen Schläuchen an den mittleren Mineralöl-Blasen angeschlossen werden (#7 in Abbildung 1).
  7. Verbinden Sie wasserverträgliche Schläuche aus dem Wasseraustrittin in der Dunstabzugshaube (#12 in Abbildung 1) an den Einlass des Kondensators (#13 in Abbildung 1). Verwenden Sie auch wasserkompatible Schläuche, um den Auslass des Kondensators (#14 in Abbildung 1) mit dem Abfluss in der Dunstabzugshaube zu verbinden (#15 in Abbildung 1). Sichern Sie die Schläuche an den Kondensatoranschlüssen (#13,14 in Abbildung 1) mit verriegelten Schneckengetriebe-Metallschlauchklemmen.
  8. Fügen Sie die Rotovap-Falle an den rechten Hals des runden Bodenkolbens. Legen Sie den Glas-Ellbogenadapter (#5 in Abbildung 1) auf die Rotovap-Falle.
    HINWEIS: Der Adapter sollte mit chemikalienbeständigen Schläuchen an den rechten Hahnenkrümmeranschluss angeschlossen werden (#4 in Abbildung 1).
  9. Befestigen Sie den Gummistopfen am Mittelhals des runden Bodenkolbens und falten Sie ihn darüber, damit die Seiten den Hals des Kolbens bedecken. Fügen Sie die kunststoffkonischen Gelenkclips (4 grüne Clips in Abbildung 1) hinzu, um die folgenden Glaswaren-Halsverbindungen zu sichern: Ellenbogenadapter und Rotovap-Falle, Rotovap-Falle und runder Bodenkolben, runder Bodenkolben und Kondensator sowie Kondensator- und Ellenbogenadapter.
  10. Legen Sie die Temperatursonde in den kleinsten Hals in den runden Bodenkolben, ziehen und sichern Sie die Sonde mit der Nackenkappe und dem O-Ring. Versiegeln Sie die Verbindung mit Paraffin-Kunststofffolie.
    HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass der Temperaturfühler in das Flüssigkeitsgemisch eingetaucht ist, berührt jedoch nicht den Boden des Glases. Wenn die Sonde in Kontakt mit der Glasoberfläche ist, ist die gemessene Temperatur ungenau im Vergleich zur tatsächlichen Flüssigkeitstemperatur, wodurch der Temperaturregler eine falsche Wärmemenge an der Reaktion liefert.
  11. Schließen Sie den Temperaturfühler an den Eingang des Temperaturreglers an. Schließen Sie den Heizmantel an den Ausgang des Temperaturreglers an.
  12. Schalten Sie die Rührplatte ein und rühren Sie kräftig.
  13. Öffnen Sie den luftfreien Stickstofftank und fließen Sie langsam Stickstoff in das System (dies wird die Luft entfernen). Passen Sie den Stickstofffluss mit dem Regler an, bis sich im mittleren Mineralölblasen ein stetig langsamer Blasenstrom bildet (#7 in Abbildung 1).
  14. Schalten Sie das kalte Wasser in der Dunstabzugshaube (#12 in Abbildung 1) zum Kondensator ein und überprüfen Sie, ob kein Wasser aus den Schläuchen austritt.
  15. Legen Sie die Schärpe der Dunstabzugshaube nach unten, bevor die Reaktion beginnt.

3. Nanopartikelsynthese

  1. Schalten Sie den Temperaturregler (Strom- und Heizungsversorgung) ein, um die Reaktion zu starten. Beobachten und erfassen Sie die Farbe der Reaktionsmischung in jeder Stufe. Die Reaktion beginnt als dunkelbraune Farbe in den Stufen 1 bis 3 und wird während der Stufe 4 grün.
    HINWEIS: Jeder Temperaturregler funktioniert anders. Stellen Sie sicher, dass Sie das richtige Handbuch und Programm verwenden.
  2. Stufe 1: Beobachten Sie die Anzeige des Temperaturreglers, um den Temperaturanstieg von Raumtemperatur auf 60 °C über 30 min zu bestätigen.
  3. Stufe 2: Stellen Sie sicher, dass sich der Temperaturregler bei 60 °C für 1 min stabilisiert, während er sich auf eine schnellere Heizrate in Stufe 3 vorbereitet.
  4. Stufe 3: Überprüfen Sie die Anzeige des Temperaturreglers, wenn die Temperatur über 22 min auf 280 °C bei 10 °C pro Minute ansteigt. Stellen Sie sicher, dass der Wasserfluss durch den Kondensator ausreichend ist, da das Gemisch in dieser Phase zu verdampfen beginnt.
  5. Stufe 4: Bestätigen Sie, dass der Temperaturregler eine konstante Reaktionstemperatur von 280 °C für 30 min anzeigt. Beobachten Sie die Änderung der Reaktionsfarbe in einen grünen Ton, der auf die MnO-Bildung hinweist. Sobald die Reaktion 280 °C erreicht ist, schalten Sie den Stickstofftank aus und schließen Sie den rechten Hahn für den Einlass der Reaktion auf den Verteiler (#4 in Abbildung 1).
    VORSICHT: Halten Sie den Sicherheitshahn (#10 in Abbildung 1) offen.
  6. Stufe 5: Überprüfen Sie die Temperaturregleranzeige, um sicherzustellen, dass die Heizung automatisch stoppt. Halten Sie die Temperatursonde innen (öffnen Sie den runden Bodenkolben nicht) und warten Sie, bis die Temperatur die Raumtemperatur erreicht, um mit der Nanopartikelsammlung fortzufahren.
    VORSICHT: Der Kolben wird extrem heiß sein. Hitzebeständige Handschuhe sollten getragen werden, um den Heizmantel zu entfernen, wenn eine schnellere Abkühlrate gewünscht wird.
    HINWEIS: Das Protokoll kann hier angehalten werden.

4. Nanopartikel-Sammlung

  1. Schalten Sie den Temperaturregler, die Rührplatte und das kalte Wasser aus. Entfernen Sie die wasserkompatiblen Schläuche aus dem Kondensator, Wasserhahn in der Dunstabzugshaube und im Abfluss. Entfernen Sie alle kunststoffkonischen Verbindungsclips von Glaswarenanschlüssen.
  2. Entfernen Sie die Glasbogenadapter aus der Rotovap-Falle (#5 in Abbildung 1) und dem Kondensator (#6 in Abbildung 1). Befestigen Sie die Ellbogenadapter an der Metallgitterin der Haube, um sie für ein zukünftiges Experiment zu verwenden.
  3. Lösen Sie den Kondensator und die Rotovap-Falle aus dem runden Bodenkolben und spülen Sie die Innenseiten des Kondensators und die Rotovap-Falle mit Hexan.
  4. Entfernen Sie den Gummistopfen und temperaturfühler, und reinigen Sie ihn mit 70% Ethanol.
  5. Gießen Sie die MnO Nanopartikellösung aus dem runden Bodenkolben in einen sauberen 500 ml Becher. Verwenden Sie Hexan (ca. 5 ml), um den runden Bodenkolben zu spülen und das Hexan mit restlichen MnO-Nanopartikeln in den 500 ml Becher einzutragen.
    HINWEIS: Hexan wird die MnO-Nanopartikel wieder aussetzen, während 200 nachweisliches Ethanol als Niederschlagsmittel wirken.
  6. Beachten Sie das aktuelle Volumen der MnO-Nanopartikelmischung. Fügen Sie dem MnO-Nanopartikelgemisch 200 proof Ethanol mit einem Volumenverhältnis von 2:1 hinzu (z. B. 150 ml Ethanol hinzufügen, wenn das Nanopartikelgemisch 75 ml beträgt).
  7. Gießen Sie das Nanopartikelgemisch gleichmäßig in vier Zentrifugenröhren, etwa 3/4 voll. Schrauben Sie die entsprechenden Kappen an. Stellen Sie sicher, dass die Flüssigkeitsstände ausgeglichen sind.
    HINWEIS: Bei der nächsten Zentrifugationsrunde wird den Röhren ein zusätzliches Nanopartikelgemisch zugesetzt.
  8. Zentrifugen-Nanopartikel für 10 min bei 17.400 x g bei 10 °C.
    HINWEIS: Längere Zentrifugationszeiten und/oder höhere Zentrifugationsgeschwindigkeiten können verwendet werden, um die Sammlung kleinerer Nanopartikelfraktionen zu erhöhen, aber die Nanopartikelaggregation kann erhöht werden.
  9. Entsorgen Sie den Überstand in ein Abfallbecher, wobei Sie darauf achten, das Pellet nicht zu stören. Verwenden Sie bei Bedarf eine Transferpipette, um den Überstand zu sammeln.
    HINWEIS: Es ist normal, dass die frühen Zentrifugationsrunden einen braun gefärbten Überstand erzeugen. Der Überstand sollte braun und klar sein, aber nicht trüb. Jede Trübung deutet darauf hin, dass die Nanopartikel noch im Überstand vorhanden sind. Wenn der Überstand trüb ist, zentrieren Sie die Rohre erneut, bevor Sie den Überstand entsorgen; Die erneute Zentrifugierung reduziert den Verlust der synthetisierten Nanopartikel, kann aber zu mehr Agglomeration führen.
  10. Fügen Sie 5 ml Hexan und jede zusätzliche Nanopartikellösung, die jeder Zentrifugenröhre übrig bleibt, die die MnO-Nanopartikelpellets enthält. Setzen Sie die Nanopartikel mit einem Badschallgerät und/oder Wirbel wieder auf. Fahren Sie fort, bis die Lösung trüb wird und das Pellet verschwindet, was auf eine erfolgreiche Nanopartikelresuspension hinweist.
  11. Fügen Sie den Zentrifugenrohren bis 3/4 voll weitere 200 Proof-Ethanol hinzu.
  12. Wiederholen Sie die Schritte 4.8-4.10. Kombinieren Sie dann die resuspendierten Nanopartikel aus vier Zentrifugenröhrchen zu zwei Zentrifugenröhren. Wiederholen Sie als Nächstes Schritt 4.11.
  13. Wiederholen Sie die Schritte 4.8-4.10 noch einmal, wodurch insgesamt drei Wässen mit Hexan und 200 nachweislichem Ethanol entstehen. Fügen Sie den Zentrifugenrohren keine 200 proof Ethanol hinzu.
  14. Kombinieren und übertragen Sie die in Hexan resuspendierten MnO-Nanopartikel in eine vorgewogene 20 ml Glasszintillationsdurchstechflasche. Lassen Sie den Deckel der Durchstechflasche ab, damit das Hexan über Nacht in der Dunstabzugshaube verdunstet.
  15. Am nächsten Tag die ungedeckte Glasszintillationsflasche mit den Nanopartikeln in einen Vakuumofen geben. Bewahren Sie den Deckel für die Durchstechflasche an einem sicheren Ort außerhalb des Ofens auf. Die Nanopartikel bei 100 °C 24 Stunden austrocknen.
  16. Nachdem Nanopartikel getrocknet sind, verwenden Sie einen Spachtel, um das Pulver in der Durchstechflasche aufzubrechen. Wiegen Sie die Durchstechflasche mit getrockneten MnO-Nanopartikeln und subtrahieren Sie das bekannte Gewicht der Glasszintillationsdurchstechflasche, um die Nanopartikelausbeute zu bestimmen.
    VORSICHT: Getrocknete Nanopartikel können leicht in die Luft gelangen und sollten von Mitarbeitern mit einem Partikelbeatmungsgerät wie N95 oder P100 behandelt werden.
  17. Nanopartikel bei Raumtemperatur in der Glasszintillationsdurchstechflasche mit eingeschaltetem Deckel aufbewahren. Den Deckel mit Paraffin-Kunststofffolie umwickeln.

5. Nanopartikelgröße und Oberflächenmorphologie (TEM)

  1. Pulverisieren Sie die MnO-Nanopartikel mit einem Mörtel und Stößel in ein dünnes Pulver.
  2. Fügen Sie 5 mg MnO-Nanopartikel in ein 15 ml konisches Zentrifugenrohr. Fügen Sie 10 ml 200 proof Ethanol hinzu.
    HINWEIS: 200 nachweisfestes Ethanol verdampft schnell, um eine homogenere Ausbreitung von Nanopartikeln im TEM-Gitter zu erreichen. Ein anderes Lösungsmittel hätte eine bessere Nanopartikelsuspension haben können, würde aber länger brauchen, um zu verdampfen, und aufgrund der Oberflächenspannung würden sich die Nanopartikel an den Rändern der TEM-Gitter ansammeln.
  3. Baden beschallen Sie das Nanopartikelgemisch für 5 min oder bis zur vollständigen Resuspension der Nanopartikel.
  4. Unmittelbar nach der Resuspension drei 5-L-Tropfen des Nanopartikelgemischs auf einen 300-Mesh-Kupfergitter-Stützfilm des Kohlenstofftyps B geben. Die Luft trocknen lassen.
    1. Verwenden Sie eine umgekehrte Pinzette für eine einfachere Probenvorbereitung. Positionieren Sie das Gitter auf der Pinzette mit der dunkleren Seite nach oben, bevor Sie die Tropfen hinzufügen, die Nanopartikel enthalten.
      HINWEIS: Die Gitter sind zerbrechlich, also achten Sie darauf, die Gitter nicht zu biegen und zu beschädigen, um eine bessere Bildgebung zu erhalten. Nach dem Trocknen sollten die Gitter zum Schutz in handelsüblichen TEM-Gitterlagerboxen aufbewahrt werden.
  5. Bewerten Sie Nanopartikelform und -größe mithilfe der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM). Wenden Sie typische Parameter für TEM an, einschließlich einer Strahlstärke von 200 kV, einer Spotgröße von 1 und einer Vergrößerung von 300x.
  6. Sammeln Sie Bilder an Bereichen des Gitters, in denen genügend Nanopartikel (10 - 30 Nanopartikel) gleichmäßig verteilt sind. Vermeiden Sie Bereiche, die Nanopartikelaggregationen enthalten, da keine genaue Dimensionierung vorgenommen werden kann, wenn Nanopartikel nicht sichtbar getrennt sind.
    1. Bildbereiche aus verschiedenen Rasterquadraten, um eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten. Für eine optimale Größenverteilung nehmen Sie zwischen 25 - 30 Bilder aus jeder Probe, um eine ausreichende Stichprobengröße zu erhalten.

6. Quantitative Analyse des Nanopartikeldurchmessers

  1. Um TEM-Bilder mit ImageJ zu analysieren, öffnen Sie zuerst eines der Bilder, indem Sie auf Datei | Öffnen. Wählen Sie das gewünschte Bild aus und klicken Sie auf Öffnen.
  2. Um die Entfernungsmessung in ImageJ von Pixel zu Nanometer zu kalibrieren, klicken Sie zuerst auf das gerade Werkzeug. Halten Sie die Umschalttaste gedrückt, und verfolgen Sie die Länge der Skalenleiste. Klicken Sie dann auf Analysieren | Set Scale.
  3. Geben Sie im Popup-Fenster Maßstab festlegen die tatsächliche Maßstabsleistenmessung in das Feld "Bekannte Entfernung" ein (z. B. 50 eingeben, wenn die Maßstabsleiste 50 nm beträgt). Ändern Sie die Längeneinheit in die entsprechenden Einheiten (z. B. Typ nm für Nanometer). Aktivieren Sie das Kontrollkästchen Global, um die Skalierung in allen Bildern konsistent zu halten, und klicken Sie auf OK.
  4. Nachdem Sie die Skala gesetzt haben, verwenden Sie das geradlinige Werkzeug, um den Durchmesser eines Nanopartikels zu verfolgen. Klicken Sie dann auf Analysieren | Messen oder klicken Sie auf Strg+M-Tasten.
  5. Suchen Sie nach einem Ergebnis-Popup-Fenster, das mit unterschiedlichen Informationen zur Messung angezeigt wird. Bestätigen Sie, dass die Längensäule vorhanden ist, da sie den Durchmesser der Nanopartikel mit den in Schritt 6.3 angegebenen Einheiten liefert.
  6. Wiederholen Sie Schritt 6.4, bis alle Nanopartikel im Bild groß sind. Um zum nächsten Bild zu wechseln, klicken Sie entweder auf Datei | Öffnen Sie dieTasten Weiter oder Strg+Umschalt+O.
  7. Nachdem alle Nanopartikel in allen Bildern groß sind, gehen Sie zum Ergebnisfenster und klicken Sie auf Datei | Speichern als. Benennen Sie die Ergebnisdatei um, und klicken Sie auf Speichern. Nach dem Importieren der Ergebnisdatei können Sie alle Nanopartikeldurchmesser in einem Tabellenkalkulationsprogramm anzeigen und analysieren.

7. Nanopartikel-Massenzusammensetzung (XRD)

  1. Wenn dies in Schritt 5.1 nicht der Fall ist, pulverisieren Sie die MnO-Nanopartikel mit einem Mörtel und einem Stößel in ein dünnes Pulver. Legen Sie das feine Nanopartikelpulver mit einem Spachtel in den Probenhalter. Befolgen Sie das Fürladeverfahren für die Zuladung von Röntgenbeugung (XRD).
  2. Bestimmen Sie die Massenzusammensetzung von MnO-Nanopartikeln mit XRD. Sammeln Sie XRD-Spektren über einen 2-Bereich von 10° bis 110°, um Spitzen von MnO (30° bis 90°) und Mn3O4 (15° bis 90°) zu sehen.
    HINWEIS: Weitere für XRD empfohlene Einstellungsparameter sind eine Schrittgröße von 0,05 s, eine Balkenmaske von 10 mm und eine Scanschrittzeit von 64,77 s.
  3. Speichern Sie die generierte . XRD-Datei und öffnen Sie sie im XRD-Analyseprogramm.

8. Analyse von XRD-Spektren

  1. Identifizieren Sie im XRD-Analyseprogramm alle Hauptspitzen im gemessenen XRD-Spektrum der Stichprobe, indem Sie auf die IdeAll-Schaltfläche in der Software klicken.
  2. Um die Daten zu speichern, wählen Sie Datei auf der Symbolleiste, gefolgt von Speichern unter... um die Daten als ASC-Datei zu speichern, die mit einem Tabellenkalkulationsprogramm geöffnet werden kann.
  3. Verwenden Sie das Programm, um die XRD-Datenbank bekannter Verbindungen abzugleichen, um die beste Zusammensetzungsübereinstimmung mit der Probe zu finden. Um die Suche einzugrenzen, geben Sie erwartete Verbindungen (z. B. Mangan und Sauerstoff) an.
    1. Um dem Spektrum entspricht, wählen Sie Analyse | Suchen & Abgleich. Wählen Sie im Popup-Fenster Chemie aus, und klicken Sie auf die gewünschten chemischen Elemente, um die Programmsuche basierend auf der Probe einzuschränken.
    2. Nachdem alle Elemente ausgewählt wurden, wählen Sie Suchenaus. Warten Sie, bis eine Liste chemischer Zusammensetzungen angezeigt wird, die dem XRD-Spektrum entsprechen.
      HINWEIS: Das Programm liefert die Wahrscheinlichkeit, dass bekannte XRD-Spektren der Zusammensetzung der Probe entsprechen. Wenn zwei oder mehr Kompositionen ausgewählt werden, würde das Programm den Zusammensetzungsprozentsatz jeder von ihnen angeben (z. B. MnO versus Mn3O4).
  4. Entfernen Sie bei Bedarf den Hintergrund aus dem XRD-Spektrum, indem Sie auf die Schaltfläche Hintergrund anpassen ( ) klicken. figure-protocol-23321 Klicken Sie dann im Popupfenster auf Hintergrund, gefolgt von Subtrahieren. Vergewissern Sie sich, dass das Spektrum ab 0 auf der y-Achse angezeigt wird.
    1. Speichern Sie die Daten erneut ohne den Hintergrund, wie in Schritt 8.2 gezeigt.
  5. Zeigen Sie beim Plotten des XRD-Spektrums die charakteristischen Spitzen jeder übereinstimmenden Verbindung (z. B. MnO und Mn3O4) an.
    1. Um die Liste der charakteristischen Peaks für übereinstimmende Verbindungen aus der Datenbank zu erhalten, klicken Sie zuerst mit der rechten Maustaste auf das Musterübereinstimmungsspektrum, und wählen Sie dann Muster anzeigenaus. Warten Sie, bis ein Popupfenster mit allen Spitzeninformationen angezeigt wird, die dem ausgewählten Muster entsprechen.
    2. Wählen Sie die gewünschten Informationen aus dieser Verbindung aus, kopieren und einfügen und zeichnen Sie die charakteristischen Spitzen mit dem gemessenen XRD-Spektrum in einem Tabellenkalkulationsprogramm.

9. Nanopartikel-Oberflächenzusammensetzung (FTIR)

  1. Fügen Sie dem Probenhalter trockenes MnO-Nanopartikelpulver für die Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie-Analyse (FTIR) hinzu.
  2. Bewerten Sie die Nanopartikeloberflächenchemie mit FTIR. Sammeln Sie FTIR-Spektren zwischen einem Wellenlängenbereich von 4000 und 400 cm-1 mit einer Auflösung von 4 cm-1.
  3. Reinigen Sie den FTIR-Probenhalter und fügen Sie flüssiges Oleylamin hinzu. Wiederholen Sie Schritt 9.2.

10. Analyse von FTIR-Spektren

  1. Entfernen Sie im FTIR-Analyseprogramm den Hintergrund aus dem gesammelten FTIR-Spektrum, indem Sie im Dropdown-Menü Transformen auswählen, gefolgt von Baseline Correct. Wählen Sie Linear als Korrekturtyp aus.
  2. Verwenden Sie den linken Mausklick, um die Basispunkte im ursprünglichen Spektrum auszuwählen. Speichern Sie das Spektrum nach dem Ende unter einem anderen Namen, indem Sie Hinzufügen oder Ersetzen des alten Spektrums auswählen, indem Sie Ersetzenauswählen.
    HINWEIS: Hintergrundkorrektur kann die Prävalenz schwächerer FTIR-Zinssätze erhöhen.
  3. Um das FTIR-Spektrum zu exportieren, wählen Sie zunächst das spezifische Spektrum aus der Liste aus. Klicken Sie dann auf der Symbolleiste auf Datei, gefolgt von Exportspektrum.
  4. Wählen Sie csv-Dateiformat aus dem Fenster Speichern unter aus, und klicken Sie auf Speichern. Öffnen und grafisch die csv-Datei mit einem Tabellenkalkulationsprogramm.
  5. Vergleichen Sie erworbenes MnO-Nanopartikel mit Oleylamin-FTIR-Spektren, wie im Abschnitt Repräsentative Ergebnisse beschrieben, um die Nanopartikelverkappung mit Oleylamin zu bewerten.

Ergebnisse

Um eine erfolgreiche Synthese zu bestätigen, sollten MnO-Nanopartikel auf Größe und Morphologie (TEM), Massenzusammensetzung (XRD) und Oberflächenzusammensetzung (FTIR) geprüft werden. Abbildung 2 zeigt repräsentative TEM-Bilder von MnO-Nanopartikeln, die mit abnehmenden Verhältnissen von Oleylamin (OA, dem Stabilisator) zum Dibenzyllether (DE, das organische Lösungsmittel) synthetisiert wurden: 60:0, 50:10, 40:20, 30:30, 20:40, 10:50. Ideale TEM-Bilder bestehen aus einzelnen Nanopar...

Diskussion

Das hierin enthaltene Protokoll beschreibt eine einfache, einTopfsynthese von MnO-Nanopartikeln mit Mn(II) ACAC, DE und OA. Mn(II) ACAC wird als Ausgangsmaterial verwendet, um eine Quelle von Mn2+ für die MnO-Nanopartikelbildung zu liefern. Das Ausgangsmaterial kann einfach ersetzt werden, um die Produktion anderer Metalloxid-Nanopartikel zu ermöglichen. Wenn beispielsweise Eisen(III) ACAC aufgebracht wird, können Fe3O4-Nanopartikel mit denselben Nanopartikelsynthesegeräten und dem be...

Offenlegungen

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

Diese Arbeit wurde von den Startup-Fonds der WVU Chemical and Biomedical Engineering Department (M.F.B.) unterstützt. Die Autoren danken Dr. Marcela Redigolo für die Anleitung zur Netzvorbereitung und Bildaufnahme von Nanopartikeln mit TEM, Dr. Qiang Wang für die Unterstützung bei der Bewertung von XRD- und FTIR-Spektren, Dr. John Zondlo und Hunter Snoderly für die Programmierung und Integration des Temperaturreglers in das Nanopartikelsyntheseprotokoll, James Hall für seine Unterstützung bei der Montage des Nanopartikelsynthese-Setups , Alexander Pueschel und Jenna Vito für die Unterstützung bei der Quantifizierung von MnO-Nanopartikeldurchmessern aus TEM-Bildern und der WVU Shared Research Facility für den Einsatz von TEM, XRD und FTIR.

Materialien

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

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