Name: production of metal nanoparticles by pulsed laser-ablation in liquids: a tool for studying the antibacterial properties of nanoparticles
Uploaded: 2017-06-02T13:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Production of Metal Nanoparticles by Pulsed Laser-ablation in Liquids: A Tool for Studying the Antibacterial Properties of Nanoparticles at JoVE.com

Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation (NSF Awards CMMI-0922946 an DB, CMMI-1300920 an DB und S.O&#39;M. Und CMMI-1531789 an S.O&#39;M., DB und EAK) und a Busch Biomedical Research Grant an EAK und S.O&#39;M.

1. Fokussierung der Nanosekunden-Laser- und Messflüssigkeit <ol><li> Montieren Sie die Ablationsvorrichtung, indem Sie einen Magnetrührstab und eine poröse Ablationsstufe in ein 50 ml Glasbecher legen. HINWEIS: Die Ablationsstufe besteht aus einer 3.81 cm großen, 1,6 mm dicken Edelstahlplattform mit zehn Löchern mit 0,6 cm Durchmesser und sechs Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,50 cm Durchmesser, die in dem in Abbildung 1 dargestellten Muster gebohrt wurde...

<ol>
	<li>Amendola, V., Meneghetti, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=What+controls+the+composition+and+the+structure+of+nanomaterials+generated+by+laser+ablation+in+liquid+solution?.">What controls the composition and the structure of nanomaterials generated by laser ablation in liquid solution?.</a> Phys Chem Chem Phys. 15 (9), 3027-3046 (2013).</li><li>Anastas, P., Eghbali, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Green+chemistry:+principles+and+practice.">Green chemistry: principles and practice.</a> Chem Soc Rev. 39 (1), 301-312 (2010).</li><li>Mafune, F., Kohno, J. 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H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size-dependent+cellular+toxicity+of+silver+nanoparticles.">Size-dependent cellular toxicity of silver nanoparticles.</a> J Biomed Mater Res A. 100 (4), 1033-1043 (2012).</li><li>Raghupathi, K. R., Koodali, R. T., Manna, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Size-dependent+bacterial+growth+inhibition+and+mechanism+of+antibacterial+activity+of+zinc+oxide+nanoparticles.">Size-dependent bacterial growth inhibition and mechanism of antibacterial activity of zinc oxide nanoparticles.</a> Langmuir. 27 (7), 4020-4028 (2011).</li><li>Plech, A., Kotaidis, V., Gresillon, S., Dahmen, C., von Plessen, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-induced+heating+and+melting+of+gold+nanoparticles+studied+by+time-resolved+x-ray+scattering.">Laser-induced heating and melting of gold nanoparticles studied by time-resolved x-ray scattering.</a> Phys Rev B. 70 (19), 195423 (2004).</li><li>Takami, A., Kurita, H., Koda, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Laser-Induced+Size+Reduction+of+Noble+Metal+Particles.">Laser-Induced Size Reduction of Noble Metal Particles.</a> J Phys Chem B. 103 (8), 1226-1232 (1999).</li><li>Kamat, P. V., Flumiani, M., Hartland, G. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Picosecond+Dynamics+of+Silver+Nanoclusters.+Photoejection+of+Electrons+and+Fragmentation.">Picosecond Dynamics of Silver Nanoclusters. Photoejection of Electrons and Fragmentation.</a> J Phys Chem B. 102 (17), 3123-3128 (1998).</li><li>Yamada, K., Tokumoto, Y., Nagata, T., Mafune, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanism+of+laser-induced+size-reduction+of+gold+nanoparticles+as+studied+by+nanosecond+transient+absorption+spectroscopy.">Mechanism of laser-induced size-reduction of gold nanoparticles as studied by nanosecond transient absorption spectroscopy.</a> J Phys Chem B. 110 (24), 11751-11756 (2006).</li><li>Pecora, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+Light+Scattering+Measurement+of+Nanometer+Particles+in+Liquids.">Dynamic Light Scattering Measurement of Nanometer Particles in Liquids.</a> J. Nanoparticle Res. 2 (2), 123-131 (2000).</li><li>Pyrz, W. D., Buttrey, D. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particle+size+determination+using+TEM:+a+discussion+of+image+acquisition+and+analysis+for+the+novice+microscopist.">Particle size determination using TEM: a discussion of image acquisition and analysis for the novice microscopist.</a> Langmuir. 24 (20), 11350-11360 (2008).</li><li>Ratti, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Irradiation+with+visible+light+enhances+the+antibacterial+toxicity+of+silver+nanoparticles+produced+by+laser+ablation.">Irradiation with visible light enhances the antibacterial toxicity of silver nanoparticles produced by laser ablation.</a> Appl Phys A. 122 (4), 1-7 (2016).</li><li>Sajti, C. L., Sattari, R., Chichkov, B. 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Reproduzierbare antimikrobielle Effekte von NPs erfordern eine konsistente Produktion von NPs mit ähnlichen Größen und Konzentrationen. Daher ist es entscheidend, Laserparameter wie Fluenz, Wellenlänge und Pulsdauer zu standardisieren. Während die dynamische Lichtstreuung eine einfache und schnelle Methode zur Schätzung der NP-Größe ist, erfordert eine genaue Quantifizierung der Größenverteilung eine direkte Messung durch TEM. Da jeder Laserstrahl hinsichtlich des Modusprofils und der Divergenz unterschiedlich...

Nanopartikel (NPs) sind allgemein als Partikel definiert, die mindestens eine Dimension haben, die weniger als 100 nm lang ist. Herkömmliche chemische NP-Syntheseverfahren erfordern typischerweise gefährliche Reduktionsmittel wie Borhydride und Hydrazine. Im Gegensatz dazu liefert die Laserablation von festen Metalltargets, die in ein flüssiges Medium eingetaucht sind (gepulste Laserablation in Flüssigkeiten - PLAL), einen umweltfreundlichen Weg für die NP-Synthese, der alle 12 der Grundlagen der Grünen Chemie 1 , 2 erfüllt. In PLAL wird ein untergetauchtes Metalltarget durch wiederholte Laserpulse bestrahlt. Wenn der Laser das Target abnimmt, wird eine dichte Feder von Atomclustern und Dampf in das flüssige Medium freigesetzt, wobei NPs schnell zusammenwachsen. NPs, die von PLAL hergestellt werden, werden in einem wässrigen Medium fein dispergiert, und die Grße, die Polydispersität und die Zusammensetzung der NPs können leicht durch Variieren der wßrigen Ablationsflüssigkeit sowie des Laserparameters gesteuert werdenAmeter 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 . Die Nanopartikelcharakteristiken können durch Einstellen einer Anzahl von Laserparametern abgestimmt werden, einschließlich: Fluenz, Wellenlänge und Pulsdauer (siehe Referenz 7 ). Die Laserfluenz wird als die Puls-Energie berechnet, die durch die Fläche des Laserspots auf der Zieloberfläche geteilt wird. Die präzisen Effekte von Fluenz auf die Größe und Polydispersität von NPs sind etwas umstritten. Im Allgemeinen hat sich gezeigt, dass bei &quot;langen&quot; und &quot;ultrakurzen&quot; gepulsten Lasersystemen niedrige und hohe Fluenzregelungen auftreten, die negative und positive Trends in der Größe bzw. 8 , 9 , 10 , 11 erzeugen. NP-GrößenverteilungOns können mit Hilfe von Techniken wie dynamischer Lichtstreuung und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) empirisch gemessen werden, wie nachfolgend beschrieben wird. Die Wahl der Laserwellenlänge kann die physikalischen Mechanismen beeinflussen, durch die die NPs gebildet werden. Bei kürzeren (ultravioletten) Wellenlängen sind hochenergetische Photonen in der Lage, interatomare Bindungen zu brechen 12 . Dieser Mechanismus der Photoablation ist ein Beispiel für eine Top-down-NP-Synthese, da es zur Freisetzung von ultra-kleinen Materialfragmenten führt, die bei der Abschreckung in der Eintauchflüssigkeit 12 , 13 , 14 dazu neigen, größere polydisperse Proben zu erzeugen. Im Gegensatz dazu ergibt die Nah-Infrarot-Ablation (λ = 1.064 nm) einen Bottom-up-Synthesemechanismus, der durch die Plasmaablation 12 dominiert wird. Die Laserabsorption durch das Ziel befreit Elektronen, die mit und anschließend freien, gebundenen Elektronen kollidieren. Als cOllionen steigen, das Material ionisiert wird, wodurch ein Plasma entzündet wird. Die umgebende Flüssigkeit begrenzt das Plasma, erhöht die Stabilität und erhöht die Absorption 12 weiter . Wenn das expandierende Plasma durch die Begrenzungsflüssigkeit abgeschreckt wird, werden NPs mit verschiedenen Geometrien 4 , 12 , 15 kondensiert. Die Wahl der Laserpulsdauer kann den NP-Bildungsprozess weiter beeinflussen. Häufig verwendete Langpulslaser mit Pulsdauern, die größer als einige Pikosekunden sind, umfassen alle Milli, Mikro-, Nano- und einige Pikosekunden-Pulslaser. Bei diesem Pulsbreitenregime ist die Laserpulsdauer länger als die Elektronenphonon-Äquilibrierungszeit, die typischerweise in der Größenordnung von einigen Pikosekunden 4 , 16 , 17 , 18 , 19 liegt. Dies führt zu einer Leckage von Energie in das umgebende Ablationsmedium und die Bildung von NPs durch thermische Mechanismen wie thermionische Emission, Verdampfung, Kochen und Schmelzen 1 , 20 . Die antibakterielle Aktivität von NPs wird stark durch die Partikelgröße 21 , 22 , 23 , 24 beeinflusst. Um die Größenverringerung und die Monodispersität zu verbessern, können die NPs ein zweites Mal mit einem Laser einer Wellenlänge nahe der Oberflächenplasmonresonanz (SPR) des NP bestrahlt werden. Die einfallende Laserstrahlung wird durch die NP durch Anregung des SPR absorbiert. Die Fragmentierung des NP kann entweder durch thermische Verdampfung 25 , 26 oder Coulomb Explosion 27 , 28 erfolgen . Die Fotoanregung hebt t anDie Temperatur des NP über dem Schmelzpunkt, was zu dem Ausscheiden der äußeren Schicht des Teilchens führt. Es wurde gezeigt, dass die Zugabe von Mitteln wie Polyvinylpyrrolidon (PVP) oder Natriumdodecylsulfat (SDS) zu der Lösung die Nachbestrahlungseffekte 5 stark verbessern kann. Die Auswirkungen der Addition von verschiedenen gelösten Stoffen wurden in mehreren Berichten 1 , 4 , 6 beschrieben. Die Leichtigkeit der Manipulation von NP-Eigenschaften durch PLAL bietet eine neuartige Methode, um neue NP-basierte Antibiotika zu entwickeln.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="851">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Nanosecond Nd:YAG laser</td>
			<td style="width:184px;">Ekspla</td>
			<td style="width:119px;">NL303</td>
			<td style="width:279px;"></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Motorized xy scanning stage</td>
			<td style="width:184px;">Standa</td>
			<td style="width:119px;">8MTF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">UV-VIS spectrophotometer</td>
			<td style="width:184px;">Agilent</td>
			<td style="width:119px;">Cary 60</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Dynamic light scattering unit</td>
			<td style="width:184px;">Malvern</td>
			<td style="width:119px;">Zetasizer ZS 90</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Microbalance</td>
			<td style="width:184px;">Maktek</td>
			<td style="width:119px;">TM 400</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Transmission electron microscope</td>
			<td style="width:184px;">Zeiss</td>
			<td style="width:119px;">EM 902</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Silver foil target</td>
			<td style="width:184px;">Alfa Aesar</td>
			<td align="right" style="width:119px;">12127</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">250 mm focal length lens</td>
			<td style="width:184px;">Edmund Optics</td>
			<td style="width:119px;">69-624</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Copper TEM grids</td>
			<td style="width:184px;">Pacific Grid-Tech</td>
			<td style="width:119px;">Cu-400LD</td>
			<td>Lacey/thin film coated grid</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">E. coli MG1655</td>
			<td style="width:184px;">ATCC</td>
			<td align="right" style="width:119px;">47076</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Bacto-tryptone</td>
			<td style="width:184px;">BD Biosciences</td>
			<td align="right" style="width:119px;">211705</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Yeast extract</td>
			<td style="width:184px;">BD Biosciences</td>
			<td align="right" style="width:119px;">212750</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Sodium chloride</td>
			<td style="width:184px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP3581</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Bacto-agar</td>
			<td style="width:184px;">BD Biosciences</td>
			<td align="right" style="width:119px;">214010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Sodium dodecyl sulfate</td>
			<td style="width:184px;">Fisher Scientific</td>
			<td>BP166-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Polyvinylpyrrolidone</td>
			<td style="width:184px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">BP431-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Stainless steel disc (for ablation stage)</td>
			<td style="width:184px;">Metal Remnants, Inc.</td>
			<td style="width:119px;">N/A</td>
			<td>1.5 inch diameter, 16 gauge</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Beaker</td>
			<td style="width:184px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">02-540G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Magnetic stir bar</td>
			<td style="width:184px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">14-513-57</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Magnetic stir plate</td>
			<td style="width:184px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">11-100-49SH</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Laser energy and power meter</td>
			<td style="width:184px;">Coherent</td>
			<td style="width:119px;">1098579</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Carbon tape</td>
			<td style="width:184px;">Shinto Chemitron Co. Ltd.</td>
			<td style="width:119px;">STR Tape</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Sonicating water bath</td>
			<td style="width:184px;">Branson</td>
			<td align="right" style="width:119px;">1510</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Air compressor</td>
			<td style="width:184px;">GMC</td>
			<td style="width:119px;">Syclone 3010</td>
			<td>For drying ablation target</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">75 mm focal length lens</td>
			<td style="width:184px;">Edmund Optics</td>
			<td style="width:119px;">34-096</td>
			<td>Focusing lens for post-irradiation</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Quartz cuvette</td>
			<td style="width:184px;">Precision Cells Inc</td>
			<td style="width:119px;">21UV40</td>
			<td>50 mm light path (for post-irradiation)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Kanamycin</td>
			<td style="width:184px;">Fisher Scientific</td>
			<td>BP906-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="105">
			<td height="105" style="height:105px;width:269px;">Light microscope</td>
			<td style="width:184px;">Nikon</td>
			<td style="width:119px;">50i</td>
			<td style="width:279px;">This microscope is used to focus the laser on the ablation stage. This particular model is no longer available, but any light microscope with a 4X objective will work.</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">CCD camera</td>
			<td style="width:184px;">AmScope</td>
			<td style="width:119px;">MT5000-CCD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:269px;">Micrometer slide</td>
			<td style="width:184px;">Ted Pella</td>
			<td style="width:119px;">2280-70</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

production of metal nanoparticles by pulsed laser-ablation in liquids: a tool for studying the antibacterial properties of nanoparticles

Die Entstehung von multidrugresistenten Bakterien ist eine globale klinische Sorge, die einige dazu veranlasst, über unsere Rückkehr zu einer &quot;Antibiotika-Ära&quot; der Medizin zu spekulieren. Zusätzlich zu den Bemühungen, neuartige antimikrobielle Mittelmoleküle zu identifizieren, hat es großes Interesse an der Verwendung von Metallnanopartikeln als Beschichtungen für medizinische Geräte, Wundverbände und Verbraucherverpackungen aufgrund ihrer antimikrobiellen Eigenschaften gegeben. Die vielfältigen Methoden der Nanopartikel-Synthese ergeben ein breites Spektrum an chemischen und physikalischen Eigenschaften, die die antibakterielle Wirksamkeit beeinträchtigen können. Dieses Manuskript beschreibt die gepulste Laser-Ablation in Flüssigkeiten (PLAL) -Methode, um Nanopartikel zu erzeugen. Dieser Ansatz ermöglicht die Feinabstimmung von Nanopartikelgröße, Zusammensetzung und Stabilität unter Verwendung von Nachbestrahlungsmethoden sowie die Zugabe von Tensiden oder Volumenausschlüssen. Durch die Kontrolle der Partikelgröße und Zusammensetzung, eine große Palette von physikalischen und chemischen Eigenschaften von Metall NanopaRtikel können erforscht werden, die zu ihrer antimikrobiellen Wirksamkeit beitragen können, wodurch neue Wege für die antibakterielle Entwicklung entstehen.

Unter Verwendung von Silber-Targets werden die oben beschriebenen Laserparameter und 60 mM SDS in der Ablationsflüssigkeit Silber-NPs mit der charakteristischen UV-VIS-Extinktion am SPR erzeugt ( 2A ). TEM- und DLS-Messungen zeigen einen mittleren NP-Durchmesser von ca. 25 nm vor der Nachbestrahlung (Abbildung 2B ). Die Ablation des Silber-Targets für 30 min ergibt typischerweise eine NP-Konzentration von 200 &amp; mgr; g / ml...

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Production of Metal Nanoparticles by Pulsed Laser-ablation in Liquids: A Tool for Studying the Antibacterial Properties of Nanoparticles

Die antimikrobiellen Eigenschaften von Metallen wie Kupfer und Silber wurden seit Jahrhunderten erkannt. Dieses Protokoll beschreibt die gepulste Laserablation in Flüssigkeiten, ein Verfahren zur Synthese von Metallnanopartikeln, das die Fähigkeit zur Feinabstimmung der Eigenschaften dieser Nanopartikel zur Optimierung ihrer antimikrobiellen Effekte bietet.

Herstellung von Metallnanopartikeln durch gepulste Laserablation in Flüssigkeiten: Ein Werkzeug zum Studium der antibakteriellen Eigenschaften von Nanopartikeln

The emergence of multidrug-resistant bacteria is a global clinical concern leading some to speculate about our return to a "pre-antibiotics" era of ...

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Fluorescent Nanoparticles for the Measurement of Ion Concentration in Biological Systems

Fluoreszierende Nanopartikel für die Messung von Ionen-Konzentration in biologischen Systemen

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In-situ-Mapping der mechanischen Eigenschaften von Biofilmen durch Partikel-Tracking Mikrorheologie

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Feste Lipidnanopartikel (SLN) für die intrazelluläre Targeting-Anwendungen

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Einkapseln Cytochrome<em&gt; c</em&gt; In Silica Aerogel-Nanoarchitekturen ohne Metallnanopartikel unter Beibehaltung der Gasphase Bioaktivität

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Synthese von Multi-walled Carbonnanotubes mit Silber-Nanopartikeln und Bewertung ihrer antibakteriellen Aktivitäten und zytotoxische Eigenschaften modifiziert

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