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

この研究は、国立科学財団（NSF賞DBのCMMI-0922946、DBおよびS.O&#39;M。のCMMI-1300920、S.O.M。、DBおよびEAKのCMMI-1531789）およびブッシュ・バイオメディカル・リサーチ・グラント（EAK and S.O&#39;M）

1.ナノ秒レーザーの集束とフルエンスの測定<ol><li> アブレーション装置を、50mLのガラスビーカー内に磁気攪拌棒および多孔質アブレーション段階を置くことによって組み立てる。 注：アブレーションステージは、直径0.65cmの穴10個と直径0.50cmの穴6個が図1に示すパターンでドリルされた直径3.81cm、厚さ1.6mmのステンレススチールのプラットフォームで?...

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	<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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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. 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N., Barcikowski, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gram+Scale+Synthesis+of+Pure+Ceramic+Nanoparticles+by+Laser+Ablation+in+Liquid.">Gram Scale Synthesis of Pure Ceramic Nanoparticles by Laser Ablation in Liquid.</a> J Phys Chem C. 114 (6), 2421-2427 (2010).</li><li>Streubel, R., Barcikowski, S., Gokce, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Continuous+multigram+nanoparticle+synthesis+by+high-power,+high-repetition-rate+ultrafast+laser+ablation+in+liquids.">Continuous multigram nanoparticle synthesis by high-power, high-repetition-rate ultrafast laser ablation in liquids.</a> Opt Lett. 41 (7), 1486-1489 (2016).</li><li>Streubel, R., Bendt, G., Gokce, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pilot-scale+synthesis+of+metal+nanoparticles+by+high-speed+pulsed+laser+ablation+in+liquids.">Pilot-scale synthesis of metal nanoparticles by high-speed pulsed laser ablation in liquids.</a> Nanotechnology. 27 (20), 205602 (2016).</li></ol>

NPの再現性のある抗菌効果は、同様の大きさおよび濃度のNPの一貫した生産を必要とする。したがって、フルエンス、波長、およびパルス持続時間を含むレーザパラメータを標準化することが重要です。動的光散乱は、NPサイズを推定するための簡単で迅速な方法であるが、サイズ分布の正確な定量は、TEMによる直接測定を必要とする。各レーザビームはモードプロファイルおよび発散の点で...

ナノ粒子（NP）は、一般に、長さが100nm未満の少なくとも1つの寸法を有する粒子として定義される。従来の化学的NP合成法は、典型的には、水素化ホウ素およびヒドラジンのような有害な還元剤を必要とする。対照的に、液体媒体に浸漬された固体金属ターゲットのレーザーアブレーション（液体中のパルスレーザーアブレーション - PLAL）は、グリーン化学1,2の全12項目を満たすNP合成のための環境に優しいルートを提供する。 PLALでは、浸漬した金属ターゲットに繰り返しレーザーパルスを照射します。レーザーがターゲットをアブレーションすると、原子クラスターおよび蒸気の高密度プルームが液体媒体に放出され、そこでNPは急速に融合する。 PLALによって生成されたNPは、水性媒体中に微細に分散され、NPのサイズ、多分散性、および組成は、水性アブレーション液体ならびにレーザーパーツを変えることによって容易に制御することができる1、2、3、4、5、6。 ナノ粒子の特性は、フルエンス、波長、およびパルス持続時間を含む多くのレーザーパラメータを調整することによって調整することができる（参考文献7で概説）。レーザーフルエンスは、パルスエネルギーをターゲット表面上のレーザースポットの面積で割ったものとして計算されます。 NPのサイズおよび多分散性に対するフルエンスの正確な影響は、幾分議論の余地がある。一般的に、「ロング」および「超短パルス」レーザシステムでは、それぞれ8,9,10,11という負の傾向および正の傾向を生じる低フルエンスおよび高フルエンス領域が存在することが示されている。 NPサイズ配布以下に説明するように、動的光散乱および透過型電子顕微鏡（TEM）などの技法を用いて経験的に測定することができる。 レーザー波長の選択は、NPが形成される物理的メカニズムに影響を及ぼし得る。より短い（紫外線）波長では、高エネルギー光子は原子間結合を破壊することができる12 。この光アブレーションのメカニズムは、液浸液12,13,14 で急冷するとより大きな多分散サンプルを生成する傾向のある材料の超小型フラグメントの放出をもたらすので、トップダウンNP合成の一例である。対照的に、近赤外アブレーション（λ= 1064nm）は、プラズマアブレーション12を支配するボトムアップ合成メカニズムをもたらす。ターゲットによるレーザ吸収は、結合した電子と衝突し、その後自由な電子を解放する。 cとして物質がイオン化し、プラズマが点火する。周囲の液体はプラズマを閉じ込め、その安定性を高め、さらに吸収を増加させる12 。膨張するプラズマが閉じ込め液体によって急冷されると、NPは様々な形状4,12,15で凝縮される。 レーザパルス持続時間の選択は、NP形成プロセスにさらに影響を及ぼす可能性がある。数ピコ秒よりも長いパルス持続時間を有する一般的に使用される長パルスレーザは、ミリ、マイクロ、ナノおよびピコ秒パルスレーザのすべてを含む。このパルス幅領域では、レーザパルス持続時間は、典型的には数ピコ秒のオーダーである電子 - フォノン平衡時間よりも長い4,16,17,18,19。これは、周囲のアブレーション媒体へのエネルギーの漏れと、熱電子放出、気化、沸騰および融解などの熱機構によるNPの形成をもたらす。 NPの抗菌活性は、粒径21,22,23,24の影響を強く受ける。サイズ縮小および単分散性を高めるために、NPは、NPの表面プラズモン共鳴（SPR）に近い波長のレーザーを用いて2回目に照射することができる。入射レーザ放射は、SPRの励起によってNPによって吸収される。 NPの断片化は、熱蒸発25,26またはクーロン爆発27,28のいずれかによって起こり得る。光励起によってt融点より上のNPの温度であり、結果として粒子の外層が脱落する。ポリビニルピロリドン（PVP）またはドデシル硫酸ナトリウム（SDS）などの薬剤を溶液に添加すると、照射後効果が大幅に向上することが示されている5 。種々の溶質の添加の影響は、いくつかの報告書1,4,6に記載されている。 PLALによるNP特性の操作の容易さは、新規のNP系抗菌剤を開発するための新規な方法を提供する。

<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

多剤耐性菌の出現は、世界的な臨床的関心事であり、一部の者は、「抗生物質前」の医薬品の時代への復帰を推測している。新規な小分子抗菌薬を同定する努力に加えて、抗菌特性のために、医療器具、創傷被覆材、および消費者包装のためのコーティングとしての金属ナノ粒子の使用に大きな関心が寄せられている。ナノ粒子合成に利用可能な広範囲の方法は、抗菌効力に影響を及ぼすことができる広範囲の化学的および物理的特性をもたらす。この原稿では、ナノ粒子を作製するための液体中のパルスレーザアブレーション（PLAL）法について説明します。このアプローチは、照射後の方法ならびに界面活性剤または容量排除剤の添加を使用して、ナノ粒子のサイズ、組成および安定性の微調整を可能にする。粒径および組成を制御することにより、金属ナノ粒子の物理的および化学的特性の広い範囲それらの抗微生物効力に寄与することができ、それによって抗菌発達のための新しい道を開くことができる。

銀ターゲット、上述のレーザパラメータ、およびアブレーション液体中の60mM SDSを使用して、銀NPがSPRで特徴的なUV-VIS吸光度で生成される（ 図2A ）。 TEMおよびDLS測定は、照射後（ 図2B ）の前に約25nmの平均NP直径を示す 。銀ターゲットを30分間アブレーションすると、典型的に200μg/ mLのNP濃度が得られ...

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

銅および銀のような金属の抗菌特性は何世紀にもわたって認識されてきた。このプロトコルは、液体中でのパルスレーザーアブレーション、これらのナノ粒子の特性を微調整してその抗菌効果を最適化する能力を提供する金属ナノ粒子を合成する方法を記載している。

液体中のパルスレーザアブレーションによる金属ナノ粒子の生成：ナノ粒子の抗菌特性を調べるためのツール

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

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