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

Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF adjudica CMMI-0922946 a DB, CMMI-1300920 a DB y S.O&#39;M., Y CMMI-1531789 a S.O&#39;M., DB y EAK) y un Busch Biomedical Research Grant para EAK y S.O&#39;M.

1. Enfocar el láser de nanosegundos y medir la fluencia <ol><li> Ensamble el aparato de ablación colocando una barra de agitación magnética y una etapa de ablación porosa dentro de un vaso de precipitados de vidrio de 50 ml. NOTA: La etapa de ablación consiste en una plataforma de acero inoxidable de 3,81 cm de diámetro y 1,6 mm de espesor con diez orificios de 0,65 cm de diámetro y seis orificios de 0,50 cm de diámetro taladrados en el patrón ilustrado en la Figu...

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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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K., Hamad, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+laser+ablation+in+liquids+for+nanomaterials+and+applications.">Ultrafast laser ablation in liquids for nanomaterials and applications.</a> J Nanosci Nanotechnol. 14 (2), 1364-1388 (2014).</li><li>Tsuji, T., 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=Preparation+of+silver+nanoparticles+by+laser+ablation+in+polyvinylpyrrolidone+solutions.">Preparation of silver nanoparticles by laser ablation in polyvinylpyrrolidone solutions.</a> Appl Surf Sci. 254 (16), 5224-5230 (2008).</li><li>Zeng, 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=Nanomaterials+via+laser+ablation/irradiation+in+liquid:+a+review.">Nanomaterials via laser ablation/irradiation in liquid: a review.</a> Adv Funct Mater. 22 (7), 1333-1353 (2012).</li><li>Naddeo, 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. 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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. 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Los efectos antimicrobianos reproducibles de los NPs requieren una producción consistente de NPs con tamaños y concentraciones similares. Por lo tanto, es crítico para estandarizar los parámetros del láser incluyendo fluencia, longitud de onda, y duración del pulso. Si bien la dispersión dinámica de la luz es un método fácil y rápido para estimar el tamaño NP, la cuantificación precisa de la distribución de tamaños requiere una medición directa por TEM. Como cada haz de láser tiene características dist...

Las nanopartículas (NPs) se definen generalmente como partículas que tienen al menos una dimensión que es menor de 100 nm de longitud. Los métodos químicos tradicionales de síntesis de NP típicamente requieren agentes reductores peligrosos, tales como borohidruros e hidracinas. Por el contrario, la ablación con láser de dianas metálicas sólidas sumergidas en un medio líquido (ablación por láser pulsado en líquidos - PLAL) proporciona una ruta respetuosa con el medio ambiente para la síntesis de NP que satisface los 12 Principios de Química Verde 1 , 2 . En PLAL, un objetivo metálico sumergido es irradiado por pulsos láser repetidos. A medida que el láser ablaza el objetivo, se libera un denso plumaje de racimos atómicos y vapor en el medio líquido en el que las NP se unen rápidamente. Los NP producidos por PLAL se dispersan finamente en un medio acuoso y el tamaño, la polidispersidad y la composición de los NPs pueden ser fácilmente controlados variando el líquido de ablación acuoso así como el par de láserAmperios 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 . Las características de las nanopartículas se pueden ajustar ajustando una serie de parámetros del láser, incluyendo: fluencia, longitud de onda y duración del pulso (revisado en la referencia 7 ). La fluencia del láser se calcula como la energía del pulso dividida por el área del punto del laser en la superficie del objetivo. Los efectos precisos de la fluencia sobre el tamaño y la polidispersidad de los PN son algo controvertidos. En general, se ha demostrado que para los sistemas de láser pulsado &#39;largo&#39; y &#39;ultra-corto&#39; existen regímenes de fluencia baja y alta que producen tendencias negativas y positivas de tamaño, respectivamente 8 , 9 , 10 , 11 . Tamaño NP distributiOns se pueden medir empíricamente utilizando técnicas tales como la dispersión dinámica de la luz y la microscopía electrónica de transmisión (TEM), como se describe a continuación. La elección de la longitud de onda del láser puede afectar a los mecanismos físicos por los que se forman los NPs. A menor longitud de onda (ultravioleta), los fotones de alta energía son capaces de romper enlaces interatómicos [ 12] . Este mecanismo de foto-ablación es un ejemplo de una síntesis de NP de arriba hacia abajo porque da como resultado la liberación de fragmentos ultra pequeños de material que tienden a producir muestras más polidispersas mayores al apagarse en el líquido de inmersión 12 , 13 , 14 . En contraste, la ablación del infrarrojo cercano (λ = 1.064 nm) produce un mecanismo de síntesis de abajo hacia arriba dominado por la ablación plasmática 12 . La absorción del láser por el blanco libera electrones que chocan con, y posteriormente liberan, los electrones unidos. Como cOllisions aumentan, el material se ioniza, encendiendo así un plasma. El líquido circundante confina el plasma, aumenta su estabilidad, y aumenta aún más la absorción 12 . A medida que el plasma en expansión se enfría por el líquido de confinamiento, los NPs se condensan con diversas geometrías 4 , 12 , 15 . La elección de la duración del impulso láser puede afectar aún más el proceso de formación NP. Los láseres de pulsos largos de uso frecuente, con duraciones de pulso superiores a unos cuantos picosecondos, incluyen todos los láseres pulsados ​​de mili, micro, nano y algunos picosecondos. En este régimen de anchura de impulso, la duración del impulso del láser es más larga que el tiempo de equilibrio electrón-phonon, que es típicamente del orden de unos cuantos picosegundos 4 , 16 , 17 , 18 , 19. Esto da lugar a la fuga de energía en el medio de ablación circundante ya la formación de NPs por mecanismos térmicos tales como emisión termiónica, vaporización, ebullición y fusión 1 , 20 . La actividad antibacteriana de NPs está fuertemente influenciada por el tamaño de partícula 21 , 22 , 23 , 24 . Con el fin de mejorar la reducción de tamaño y la monodispersidad, los NPs pueden ser irradiados una segunda vez usando un láser de una longitud de onda cerca de la resonancia de plasmón superficial (SPR) de la NP. La radiación láser incidente es absorbida por el NP a través de la excitación del SPR. La fragmentación del NP puede ocurrir por evaporación térmica 25 , 26 o explosión de Coulomb 27 , 28 . La fotoexcitación planteaLa temperatura del NP por encima del punto de fusión, dando como resultado el desprendimiento de la capa externa de la partícula. Se ha demostrado que la adición de agentes como la polivinilpirrolidona (PVP) o el dodecilsulfato de sodio (SDS) a la solución puede mejorar en gran medida los efectos post-irradiación [ 5] . El impacto de la adición de varios solutos se ha descrito en varios informes 1 , 4 , 6 . La facilidad de manipulación de las características NP por PLAL proporciona un nuevo método para desarrollar nuevos antimicrobianos basados ​​en NP.

<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

La aparición de bacterias resistentes a múltiples fármacos es una preocupación clínica global que lleva a algunos a especular sobre nuestro regreso a una era &quot;pre-antibióticos&quot; de la medicina. Además de los esfuerzos para identificar nuevos fármacos antimicrobianos de moléculas pequeñas, ha existido un gran interés en el uso de nanopartículas de metal como revestimientos para dispositivos médicos, vendajes de heridas y envases de consumo, debido a sus propiedades antimicrobianas. La gran variedad de métodos disponibles para la síntesis de nanopartículas da como resultado un amplio espectro de propiedades químicas y físicas que pueden afectar la eficacia antibacteriana. Este manuscrito describe el método pulsátil de ablación con láser en líquidos (PLAL) para crear nanopartículas. Este enfoque permite el ajuste fino del tamaño, la composición y la estabilidad de las nanopartículas utilizando métodos de post-irradiación, así como la adición de tensioactivos o excludentes de volumen. Mediante el control del tamaño de partícula y la composición, una amplia gama de propiedades físicas y químicas de nanopa de metalSe pueden explorar los ritos que pueden contribuir a su eficacia antimicrobiana abriendo así nuevas vías para el desarrollo antibacteriano.

Usando dianas de plata, se generan los parámetros láser descritos anteriormente y SDS 60 mM en el líquido de ablación, NPs de plata con la característica de absorbancia UV-VIS en el SPR ( Figura 2A ). Las mediciones TEM y DLS revelan un diámetro medio de NP de aproximadamente 25 nm antes de la irradiación posterior ( Figura 2B ). La ablación del blanco de plata durante 30 min produce típicamente una concentración de NP...

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

Las propiedades antimicrobianas de los metales como el cobre y la plata se han reconocido durante siglos. Este protocolo describe la ablación por láser pulsada en líquidos, un método de sintetizar nanopartículas de metal que proporciona la capacidad de afinar las propiedades de estas nanopartículas para optimizar sus efectos antimicrobianos.

Producción de nanopartículas metálicas por ablación por láser pulsado en líquidos: una herramienta para estudiar las propiedades antibacterianas de las nanopartículas

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

Las nanopartículas fluorescentes para la Medición de la concentración de iones en sistemas biológicos

Tightly regulated ion homeostasis throughout the body is necessary for the prevention of such debilitating states as dehydration.1 In contrast, rapid ion ...

Investigación

Bioingeniería

Viral Nanoparticles for In vivo Tumor Imaging

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Las nanopartículas virales para<em&gt; En vivo</em&gt; Imágenes de tumores

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Multimodal, molecular imaging allows the visualization of biological processes at cellular, subcellular, and molecular-level resolutions using multiple, ...

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