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Method Article
Ultrafiltración de flujo tangencial (TFU) es un método de recirculación para la separación basada en el peso de muestras biológicas. TFU fue adaptado al tamaño-select (1-20 nm de diámetro) y muy concentrar un gran volumen de polidispersos nanopartículas de plata (4 ml L de 15,2 g -1 Hasta 4 ml de 8,539.9 g ml -1) Con la agregación mínima.
Hoy en día, AGNPS son ampliamente utilizados en la fabricación de productos de consumo, 1 desinfectantes de agua, 2 terapéuticos, 1, 3 y dispositivos biomédicos 4 debido a sus propiedades antimicrobianas potentes. 3-6 Estas aplicaciones de nanopartículas están fuertemente influenciadas por el tamaño y estado de agregación AgNP . Muchos de los retos existentes en la fabricación controlada 7 y tamaño de aislamiento basado en 4,8 de AGNPS no funcionalizado, homogéneos que estén libres de recubrimiento químicamente agresivo / agentes estabilizadores o disolventes orgánicos. 7-13 Limitaciones emergen de la toxicidad de los reactivos, los altos costos o reducirse eficiencia de los métodos de síntesis de AgNP o aislamiento (por ejemplo, centrifugación, solubilidad dependiente del tamaño, cromatografía de exclusión molecular, etc.) 10,14-18 Para superar esto, se mostró recientemente que el ST permite un mayor control sobre el tamaño, concentración y agregación estado de Creighton AGNPS (300ml de 15,3 mg ml -1 a 10 ml de 198,7 mg ml -1) que los métodos convencionales de aislamiento tales como ultracentrifugación. 19
ST es un método de recirculación comúnmente utilizado para el aislamiento basado en el peso de proteínas, virus y células. 20,21 Brevemente, la muestra de líquido se hace pasar a través de una serie de membranas de fibra hueca con un tamaño de poro en el intervalo de 1.000 kD a 10 kD. Componentes más pequeños suspendido o disuelto en la muestra pasará a través de la barrera porosa junto con el disolvente (filtrado), mientras que los constituyentes mayores son retenidas (retenido). TFU puede ser considerado un "verde" método, ya que no daña la muestra ni requiere disolvente adicional para eliminar el exceso de reactivos tóxicos y subproductos. Además, AFT se puede aplicar a una gran variedad de nanopartículas como ambos filtros hidrófobos e hidrófilos están disponibles.
Los dos objetivos principales de este estudio fueron: 1) para ilustrarlos aspectos experimentales de la TFU enfoque a través de una experiencia de video invitado y 2) para demostrar la viabilidad del método de AFT para grandes volúmenes de nanopartículas coloidales y menores volúmenes de retenido. En primer lugar, AGNPS unfuctionalized (4 L, 15,2 mg ml -1) se sintetizaron usando el método bien establecido Creighton 22,23 por la reducción de AgNO 3 con NaBH 4. AgNP polidispersidad fue minimizado a continuación a través de una TFU 3-paso utilizando un filtro de 50-nm (460 cm 2) para eliminar AGNPS y AgNP agregados-mayor que 50 nm, seguido por dos 100-kD (200 cm 2 y 20 cm 2) filtros para concentrar los AGNPS. Las muestras representativas se caracterizaron mediante microscopía electrónica de transmisión, UV-Vis espectrofotometría de absorción, espectroscopia Raman, y plasma acoplado inductivamente espectroscopia de emisión óptica. El retenido final consistió altamente concentrado (4 ml, 8,539.9 mg ml -1) todavía humilde agregada y homogéneaAGNPS de 1-20 nm de diámetro. Esto corresponde a un rendimiento de concentración de plata de aproximadamente 62%.
1. Síntesis de AGNPS coloidales
El mecanismo de reacción para el método Creighton (ligeramente modificada, de bajo costo) 22 se describe en gran detalle en la información de apoyo de referencia Pavel et.al junto con la hidrólisis no deseada reacción secundaria de NaBH 4 a temperatura ambiente o superior. 23
2. Caracterización de AGNPS coloidales
Un espectrofotómetro Cary 50 UV-VIS-NIR (Varian Inc.) y un sistema Raman LabRamHR 800 (Horiba Jobin Yvon, Inc.) equipado de una Olympus BX41 microscopio confocal Raman, se utilizaron para la caracterización AgNP. El Cary WinUV software, LabSpec v.5 y Origen 8,0 software se utilizaron para la recolección de datos y análisis.
Nota: Los parámetros de adquisición tendrá que ser optimizado foLos modelos r otros instrumentos.
Determinación de la resonancia de plasmón superficial de AGNPS coloidal mediante espectrofotometría UV-VIS
Purity Test de AGNPS coloidal mediante espectroscopia Raman
Debido a la limitación de tiempo de la demostración en video (10-15 min vídeo) y la limitación de espacio del texto del protocolo (máximo 3 páginas), esta sección experimental no será grabada en video.
3. Tamaño de selección y concentración de AGNPS coloidal mediante ultrafiltración de flujo tangencial (TFU)
Un KrosFlo II Investigación de filtrado del sistema (Spectrum Laboratories, Rancho Dominguez, CA) fue utilizado para limitar la polidispersidad AgNP y concentrar ellos (Figura 2). Los tres pasos del proceso de TFU fueron: (1) Tamaño de selección de AGNPS y AgNP-agregados de 50-nm de diámetro y más grandes usando un 50-nm MidiKros polisulfona módulo (460 cm 2), 2) la selección del tamaño y la concentración de AGNPS de 1-20 nm de diámetro usando un 100-kD MidiKros filtro (200 cm 2), y (3) la reducción de volumen adicionalmente usando un MicroKros 100 kD polisulfona de filtro (20 cm 2) (Figura 3).
Paso 1
Paso 2
Paso 3
4. La cuantificación de la cantidad de plata coloidal en AGNPS por plasma de acoplamiento inductivo espectroscopia de emisión óptica (ICP-OES)
Cada muestra fue digerida químicamente coloidal y la cantidad de plata se cuantificó mediante ICP-OES utilizando un espectrómetro A 710E (Varian Inc.). Una curva de regresión lineal para la calibración de plata (Figura 4) se construyó utilizando ocho normas de plata (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, y 100 mg L -1), que se preparó a partir de un estándar de plata 10.000 mg ml -1 para el análisis de trazas de metales (Ultra Scientific).
5. Distribución del Tamaño de AGNPS coloidal mediante Microscopía Electrónica de Transmisión (TEM)
A Phillips EM 208S TEM se utiliza para visualizar las AGNPS coloidales. Micrografías electrónicas fueron capturadas utilizando una cámara de alta resolución Gatan Bioscan y analizados con el software ImageJ. 24
6. Los resultados representativos
Síntesis y Caracterización de AGNPS coloidales
Cuatro litros de AGNPS Creighton coloidales se sintetizaron utilizando con éxito la configuración representada en la figura 1A. El final de coloide tenía un característico color amarillo dorado (Figura 1B). 22, 23 El espectro de absorción UV-VIS de este coloide tenía un típico agudo, simétrico pico de plasmón de superficie (SPR) a 394 nm (Figura 1C). El espectro Raman del original coloide Creighton y el final de retentado de 100 kD presenta sólo tres modos de vibración, a saber, la flexión (1640 cm -1) y los modos de tensión simétrica y asimétrica de H 2 O (3245 cm -1 y 3390 cm -1 , respectivamente) (Figura 1D).
AFT de AGNPS coloidales
La configuración de la TFU y esquemática del proceso de 3-paso TFU se representan en las figuras 2 y 3, respectivamente. En el paso 1, un filtro de 50-nm (460 cm 2) se utilizó para seleccionar por tamaño y de quitar AGNPS y AgNP agregados de diámetro-50-nm y más grandes de la original coloide (alrededor de 100 ml de 50-nm retenido). Este paso también fue acompañado por una reducción de volumen pequeño de 4 L de original coloide hasta 3,9 L de 50-nm filtrado. No etapa de ruptura lavado a contracorriente o flujo se utilizó. La mayor reducción de volumen (es decir, la eliminación de agua) se obtuvo en el paso 2, cuando el filtrado 50-nm se ejecuta posteriormente a través de un filtro de 100 kD (200 cm 2). La resultante de 100 kD retenido tenía un volumen total de 50 ml. La mayoría de los subproductos de síntesis y reactivos en exceso se elimina en este paso a través del disolvente agua (3.850 ml de 100-kD filtrado). Además, la concentración de AgNP se logró mediante la adicion de una tercera etapa de filtración para el procedimiento previamente descrito. 19 En este paso 3, un filtro de 100 kD de un área superficial más pequeña (20 cm 2) redujo el volumen retenido de 100-kDa a 4,0 ml. Las mediciones de TEM demostrará que esta final de 100 kD retenido consiste sobre todo en humildes AGNPS agregados de 1-20 nm de diámetro.
ICP-OES y TEM de AGNPS coloidales
Una curva de calibración lineal de regresión (Figura 4) para la plata fue construido a partir de ocho estándares (0, 3, 7, 10, 15, 25, 50, y 100 mg L -1). La cantidad de plata en cada una de las cuatro muestras representativas coloidales A continuación se determinó a partir de la curva de calibración ICP-OES mediante extrapolación: original coloide (15,2 ppm, Figura 3A), 50-nm filtrado (14,1 ppm, Figura 3B), primera 100 - kD retenido (683,1 ppm, Figura 3C) y final de 100 kD retenido (8,538.9 ppm, Figura 3D).El rendimiento real de 15,2 ppm es muy cercana a la teórica rendimiento típico de 15,4 ppm para la reacción de Creighton. La extrema concentración de AGNPS (4 ml de 8,538.9 ppm) se reflejó en un cambio dramático en el color desde el amarillo dorado para el original coloide al marrón oscuro para la final de 100 kD retenido (Figura 3, las inserciones de imágenes vial). La calidad de los filtros se encontró que era crítica para el proceso de AFT, en particular al paso 1. Las concentraciones retenido final varió de 3,390.1 a 9,333.3 ppm ppm dependiendo de la condición de los filtros (muy usado versus completamente nuevo). Si la membrana de poros se ve comprometida, AGNPS que tienen diámetros de menos de 50-nm también se mantendrá y, posteriormente, se reducirá la cantidad total de AGNPS que se recoge en el filtrado. Optimización del proceso de filtración para incluir el monitoreo de presión y limpieza adecuada puede aumentar la vida útil de los filtros.
Micrografías representativas de TEM de el original coloide Creighton y la final de 100 kD retenido (paso 3) se muestran en la Figura 5A y 5C, respectivamente. En su estado no agregado, AGNPS aparecen como zonas negras redondas sobre un fondo gris claro. Aproximadamente 800 AGNPS se identificaron en las micrografías de MET de cada una de las dos muestras y se analizaron usando el software Image J. Una partícula fue definida por un perímetro completo y cerrado. Un valor umbral de área se fijó en 1,0 nm 2 de acuerdo con la resolución de las micrografías TEM. Los recuentos AgNP y datos de área fueron exportados a Microsoft Excel y los diámetros AgNP se extrapolan. El diámetro promedio de AgNP en el original coloide y el final de retentado de 100 kD se determinó que 9,3 nm y 11,1, respectivamente. Las medidas del diámetro de las AGNPS fueron exportados a Origin 8,0 software y un histograma tamaño TEM se construyó para cada muestra (Figura 5B y 5D).
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Figura 1. A) Síntesis de configuración, B) características de color, C) UV-Vis espectro de absorción, y D) espectro Raman de AGNPS Creighton coloidales.
Figura 2 Configuración TFU experimental para A dos pasos) 1 y 2:. I) depósito que contiene AGNPS Creighton coloidales. II) recipiente para la recogida de filtrado. III) Y-unión en la tubería. IV) la cabeza de la bomba peristáltica. . V) O 50-nm o 100-kD Mediodía Kros filtro B) Paso 3: I) que contiene Reservoir AGNPS Creighton coloidales. II) recipiente para la recogida de filtrado. III) 100-kD Micro Kros filtro.
Diagrama de flujo de la Figura 3. Representa el proceso de AFT. Las cajas sombreadas azul-marcar las suspensiones coloidales de AGNPS recogidos para análisis posteriores. Vial photographs mostrar A) original coloide lote, B) 50-nm filtrado recogido después de procesar el original coloide a través del filtro 50-nm (460 cm 2), C) retenido primera 100-kD obtenido después de la reducción de volumen con el 100-kD Mediodía Kros filtro (200 cm 2), y D) retenido final de 100 kD resultante de la reducción de volumen con el 100-kD Micro Kros filtro (20 cm 2). El 100-kD filtrado parece agua.
Figura 4 ICP-OES calibración lineal construido con ocho estandartes de plata:. 0, 3, 7, 10, 15, 25, 50 y 100 mg L -1.
Micrografías de la figura 5. TEM de una AGNPS) original Creighton y C) 100 final-kD retenido (barra de escala es100 nm). Histogramas TEM tamaño, construidos mediante el análisis de aproximadamente 800 AGNPS para B) originales AGNPS Creighton, y D) retenido final de 100 kD. El recuadro en la Figura 5B muestra el amplio rango de tamaño de 41-75 nm para fines de comparación. Haga clic aquí para ampliar la cifra .
UV-Vis Espectrofotometría de absorción y espectroscopia Raman de AGNPS coloidales
Es bien sabido que el número de picos de resonancia de plasmones superficiales en el espectro de absorción de un coloide disminuye a medida que la simetría de los aumentos AGNPS. Además, AgNP agregación conduce a la aparición de picos más amplios o rojo cambió-. 25,26 La presencia de un único pico agudo y simétrico SPR a 394 nm es indicativo de AGNPS pequeñas, esféricas de agregación mode...
No hay conflictos de interés declarado.
Los fondos de la Fundación Nacional de Ciencia a través de la NUE en Ingeniería y los Programas LEADER Consorcio se agradece.
Nitrato de plata (AgNO 3) | Acros Organics Inc. | CAS: 7761-88-8 | |
Se añadió borohidruro sódico (NaBH 4) | Acros Organics Inc. | CAS: 16940-66-2 | |
El ácido nítrico (HNO 3, Optima) | Fisher Scientific Inc. | A467-1 | Traza grado de metal para análisis ICP |
10.000 mg ml -1 plata estándar, EnviroConcentrate | Ultra Scientific | US-IAA-047 | |
KrosFlo Investigación II i Sistema de Filtración de Flujo Tangencial | Spectrum Laboratories Inc. | SYR2-U20-01N | |
0,05 m PS (0,5 mm) 460 cm 2 | Spectrum Laboratories Inc. | X30S-900-02N | |
Mediodía-100 kD PS 200 cm 2 | Spectrum Laboratories Inc. | X3-100S-901-02N | |
Micro100 kD PS 20 cm 2 | Spectrum Laboratories Inc. | X1AB-300-10N | |
MasterFlex C-Flex tubería L / S Tamaño 17 | Cole-Palmer Instrument Co. | 06424-17 | |
MasterFlex C-Flex tubería L / S Talla 14 | Cole-Palmer Instrument Co. | 06424-14 | |
Cary 50 UV-VIS-NIR espectrofotómetro | Varian Inc. | ||
LabRam sistema HR 800 | Horiba Jobin Yvon Inc. | ||
Varian ICP-OES 710ES | Varian Inc. |
Tabla 1. Reactivos y equipos específicos.
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