Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Au@Ag Core@Shell nanodeeltjes gesynthetiseerd met Rumex hymenosepalus als antimicrobieel middel

Abstract

In dit werk hebben we een sequentiële synthesemethode gebruikt voor goud-zilver bimetaal nanodeeltjes met core@shell-structuur (Au@AgNP's). Rumex hymenosepalus wortelextract (Rh), dat een hoog gehalte aan catechinen en stilbenen bevat, werd gebruikt als reductiemiddel bij de synthese van nanodeeltjes. Grootteverdeling verkregen door transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) geeft een gemiddelde diameter van 36 ± 11 nm voor Au@AgNP's, 24 ± 4 nm voor gouden nanodeeltjes (AuNP's) en 13 ± 3 nm voor zilveren nanodeeltjes (AgNP's). De geometrische vormen van NP's waren voornamelijk quasi-bolvormig. De dikte van de zilveren schil over AuNP's is ongeveer 6 nm en wordt bedekt door actieve biomoleculen op het oppervlak. De karakterisering van nanodeeltjes omvatte hoge-hoek ringvormige donkerveldbeelden (HAADF) opgenomen met een scanning transmissie-elektronenmicroscoop (STEM), energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS), röntgendiffractie (XRD), UV-vis spectroscopie, zeta-potentiaal, en dynamische lichtverstrooiing (DLS). Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR) en X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS) laten zien dat nanodeeltjes worden gestabiliseerd door extractmoleculen. Er is een groeikinetisch onderzoek uitgevoerd met behulp van het Gompertz-model voor micro-organismen die zijn blootgesteld aan nanomaterialen. De resultaten geven aan dat AgNP's en Au@AgNP's de lag-fase en groeisnelheid van Escherichia coli beïnvloeden en Candida albicans op een dosisafhankelijke manier, met een betere respons voor Au@AgNP's

Inleiding

In de afgelopen 25 jaar zijn verschillende chemische methoden bestudeerd voor de synthese van nanomaterialen; de meeste van deze methoden gebruiken echter stoffen die onvriendelijk zijn voor het milieu en maken gebruik van hoge temperaturen of dure apparatuur. In dit werk hebben we de synthese van goud-zilver nanostructuren uitgevoerd met behulp van de groene synthesemethode. Deze methode minimaliseert de vervuiling vanaf het begin. Het gebruik van "schone" processen, het vermijden van het grootste deel van het afval en het gebruik van gevaarlijke verontreinigende stoffen bij het ontwikkelen van "schone" nanomaterialen die geen bedreiging vormen voor de gezondheid of het milieu.

Groene synthese van metalen nanodeeltjes streeft naar een positieve invloed van de interactie met biologische systemen, wat betekent dat nanodeeltjes en hun zelffunctionaliteit met polyfenolmoleculen biologische interacties genereren die compatibel zijn met systemen zoals cellen en macromoleculen. Over het algemeen worden deze biologische interacties gebruikt als nanogeneeskunde voor ziekten zoals kanker, diabetes en neurodegeneratieve ziekten. De synthese van zilver (schaal) en AuNps als een kern-schaalsysteem heeft toepassingen zoals optische diagnostische sensoren, moleculaire sensor [1, 2], fotothermische therapieën, antimicrobiële middelen en verbetert het katalytische proces [3,4,5,6] vergeleken met monometallische NP's.

Met name sequentiële of gelijktijdige methoden in verschillende reactoren, chemische en fysische methoden [7] worden gebruikt voor de bimetaalsynthese:ultrasone spraypyrolyse[8], een sonochemische methode[5], een microfluïdische chip [9], sequentiële nanofluïdische nanoprecipitatie [ 10, 11] micro-emulsies [12], liposomen [13], gebruikte reductiemiddelen zijn chemische of groene chemische typen.

Droge materialen worden gebruikt bij de synthese van nanodeeltjes als metaaloxiden [14], koolstofnanobuisjes [15, 16], andere toepassingen gedrukte zachte elektronische apparaten [17]. Natte, nanodeeltjes die worden gebruikt op biologische systemen [18,19,20] drugsdrager [21, 22], antimicrobieel [23, 24], detectietoepassing [25] en computationele nanotechnologie zijn een moderne classificatie [26] die wordt gebruikt om gebruik te definiëren.

Khatami et al., hebben de groene synthese beoordeeld met behulp van planten van core@shell-type nanodeeltjes, in het bijzonder werden gebruikt Antigonon leptopus , Diopyros kaki , Azadirachta indica , Potamogeton pectinatus , Anacadium oceidentale voor de synthese van Au@Ag-nanodeeltjes met een grootte tussen 5 en 500 nm (a), werden getest voor verschillende toepassingen (niet-antibacterieel) en Asparagus racemosus Wortelextract werd gebruikt voor de synthese van Au-Ag-legeringen nanodeeltjes met een MIC van 480 µg/ml, getest in Escherichia coli , Bacillus subtilis , Klebsiella-pneumonie , Pseudomonas aeruginosa , en Staphylococcus aureus [27]. Au@Ag NP's verkregen door chemische synthese hebben toepassingen als antibacterieel, en de gerapporteerde MIC is ongeveer 2,5 µg/ml voor zilvergehalte (schaal) [28], Lu et. al. meldden dat een chemische synthese van Au/AgNPs@Van werd bereid met behulp van NaBH4 en toevoeging Vancomycine en MIC was 60 nmol/ml voor nanodeeltjes bimetaal getest in gram-positieve en negatieve bacteriën [29].

Antibacteriële eigenschappen van bimetalen nanomaterialen [30,31,32,33,34] verbeteren als functie van de Ag-concentratie. Daarentegen vermindert een toename van de Au-concentratie de antibacteriële eigenschappen maar vermindert het cytotoxische effect, d.w.z. het bimetaalmateriaal wordt meer biocompatibel [35]. Door het effect van Au en Ag monometallische materialen te vergelijken met bimetalen materialen [36,37,38,39,40], is aangetoond dat er een synergetisch effect [41] optreedt tussen bimetalen materialen, wat bifunctionele effecten genereert [28, 42].

Functionalisatie van nanomaterialen is bijzonder interessant omdat de chemische omgeving [43,44,45] (pH, aanwezigheid van zwavel, biocompatibele moleculen, enz.) die het systeem omringt, effecten zal hebben op de interactie met cellen of micro-organismen; daarom ligt de nadruk op het genereren van biomaterialen met behulp van groene chemie [46,47,48,49,50,51,52,53,54,55].

De chemische samenstelling van de bimetaaldeeltjes [56,57,58] zal een bepalende factor zijn in hun optische eigenschappen [41, 59], dankzij het synergetische effect van monometallische nanostructuren [60].

In dit werk werden gouden en zilveren nanodeeltjes gesynthetiseerd met als reductiemiddel een Rumex hymenosepalus extract, een plant die stilbenen en catechines bevat die als krachtige antioxidanten werken bij het verminderen van metaalionen. Gouden nanodeeltjes werden gebruikt als kernen om bimetaal nanodeeltjes core@shell type Au@Ag te verkrijgen via een sequentiële synthesemethode. De karakterisering van nanomaterialen omvat de technieken van HAADF-STEM, TEM met EDS en HRTEM.

Met de verschillende soorten gesynthetiseerde nanodeeltjes is een vergelijkend onderzoek gedaan naar de groeidynamiek van de bacteriën E. coli en S. aureus en de gist Candida albicans.

Experimentele sectie

Materialen

De wortels van Rumex hymenosepalus werden verworven in een commerciële vestiging van de plaats. Beide voorlopers HAuCl4 en AgNO3 voor de synthese van nanodeeltjes werden gekocht bij Sigma-Aldrich met een zuiverheid van 99%. Brain Heart Infusion (BHI) Bouillon en Potato Dextrose Bouillon (PDB) gebruikt voor het testen van micro-organismen werden verkregen van Sigma-Aldrich. Ethanol (99% puur) dat werd gebruikt in het proces van het reinigen van nanodeeltjes, werd verkregen van Fermont en ultrapuur water (milli-Q) werd gebruikt in experimenten.

Rumex hymenosepalus-extract

Voor extractbereiding werd 150 g wortel in plakjes gesneden en eerder gedehydrateerd geweekt in 1000 ml van een 70/30 V/V ethanol/watermengsel. De maceratie werd uitgevoerd bij kamertemperatuur in een glazen houder met een hermetische stop en beschermd tegen licht. De absorptie van de verkregen oplossing werd 21 dagen gevolgd totdat er geen veranderingen in de waarde waren. Op dat moment werd het maceratieproces als voltooid beschouwd. Het verkregen extract werd achtereenvolgens gefiltreerd met Whatman-papierfilters met poriegroottes van 8 µm en 2 µm en tenslotte met een acrodisc-filter van 0,22 µm. Ethanol werd verwijderd door middel van rotatieverdamping en het waterige extractconcentraat werd ingevroren bij -80°C voor lyofilisatie (Labconco, FreeZone 1L). De verkregen poeders werden tot gebruik bewaard in steriele containers beschermd tegen licht bij kamertemperatuur.

Synthese van AuNP's

Ten eerste, Rumex hymenosepalus waterige oplossing werd bereid met 10 mg/ml uit het gevriesdroogde extract. Later 16 ml Rumex oplossing werd gemengd met 32 ​​ml ultrapuur water, waarbij het roeren op 1000 tpm werd gehouden en langzaam werd 16 ml HAuCl4 toegevoegd (0,01 M). De reactie werd gedurende één uur onder laboratoriumverlichtingsomstandigheden en bij kamertemperatuur gehouden. De intensiteit van oppervlakteplasmonresonantie (λ SPR = 540 nm) werd in de loop van de tijd geëvalueerd met UV-Vis-spectroscopie; wanneer geen verandering werd waargenomen, werd de synthese als voltooid beschouwd. Het verkregen product werd gecentrifugeerd bij 12.000 tpm, het supernatant werd vervangen door ultrapuur water en een sonicatieproces werd gedurende 1 uur toegepast om nanodeeltjes opnieuw te dispergeren. De procedure werd nog drie keer herhaald. De eerste twee keer werd water als oplosmiddel gebruikt en de laatste twee keer ethanol. Ten slotte werd de ethanolische dispersie gecentrifugeerd en werden de precipitaten gedroogd in een convectieoven bij 40 °C om een ​​waterige dispersie van AuNPs te bereiden bij 2300 µg/ml.

Synthese van Au@AgNP's

Voor de synthese van Au@AgNPs:2 ml van de waterige dispersie van AuNPs (2300 µg/ml), 0,8 ml AgNO3 (0,1 M) en 0,8 ml Rumex hymenosepalus oplossing (10 mg / ml) werden in een steriele glazen kweekbuis gedeponeerd. Het mengsel werd 3 uur gesoniceerd in een ultrasoon reinigingsbad (Branson, Model 2510). Later werd de inhoud gedurende één uur bij 12.000 tpm gecentrifugeerd, de verkregen vaste stoffen werden opnieuw gedispergeerd in ultrapuur water door sonicatie om een ​​concentratie van 1000 µg/ml te verkrijgen.

Synthese van AgNP's

Om AgNP's te produceren, werd 16 ml extractoplossing (10 mg/ml) gemengd met 64 ml ultrapuur water en 8 ml AgNO3 0,1 M. De reactie werd gedurende één uur uitgevoerd onder laboratoriumlichtomstandigheden bij 25 °C en oppervlakteplasmonresonantie (\(\lambda_{{{\text{SPR}}}}^{{{\text{Ag}} }}\) = 440 nm) werd in de loop van de tijd gevolgd met UV-Vis-spectroscopie om de vorming te beoordelen. Het product werd gecentrifugeerd bij 12.000 tpm, het supernatant werd vervangen door ultrapuur water en sonicatie werd gedurende 1 uur toegepast. De procedure werd nog drie keer herhaald. De eerste twee keer werd water als oplosmiddel gebruikt en de laatste twee keer ethanol. Ethanolische dispersie werd gecentrifugeerd en de precipitaten werden gedroogd in een convectieoven bij 40°C. Ten slotte werd het verkregen AgNP-stof opnieuw gedispergeerd in ultrapuur water door sonicatie om een ​​colloïdale dispersie te genereren met een concentratie van 2000 µg/ml.

Karakteriseringen

UV-Vis-absorptiespectra werden verkregen op een PerkinElmer Lambda 45-spectrometer met dubbele bundel. Er werd een spleet van 0,5 nm gebruikt en spectra werden opgenomen met een snelheid van 480 nm/min in een bereik tussen 200 en 900 nm. Voor de nanodeeltjes werd 50 L monster en slechts 5 µL voor het extract gebruikt. Het uiteindelijke volume werd in de kwartscellen aangevuld tot 3 ml met ultrazuiver water als oplosmiddel.

Zeta-potentiaal (ζ ) van AuNP's, AgNP's en Au@AgNP's werden gemeten met behulp van een Zetasizer-Nano ZS (Malvern Instruments, VK). Elk monster werd in drievoud bij kamertemperatuur (25°C) gemeten en als functie van de concentratie bij 1, 10, 50 en 100 µg/ml voor elk monster.

DLS voor AuNP's, AgNP's en Au@AgNP's werden gemeten met behulp van een Zetasizer-Nano ZS (Malvern Instruments, VK) uitgerust met een 633 nm He-Ne-laser. Elk monster werd in drievoud bij kamertemperatuur (25°C) gemeten en als functie van de concentratie bij 1, 10, 50 en 100 µg/ml voor elk monster. Polydispersiteitsindex (PDI) werd bepaald uit DLS-experimenten met Malvern-software via de definitie \({\text{PDI}} =\left( {\frac{\sigma }{{\overline{D}}}} \right)^ {2}\), waarbij D is de gemiddelde Diameter en \(\sigma\) is de standaarddeviatie van \(D\). PDI-waarden met 0,10 of minder worden als zeer monodispers beschouwd [62].

De optische band gap E g werd berekend voor AgNP's, AuNP's, Ag@AuNP's, met behulp van de Tauc-vergelijking een bandgap in materialen bepalen door de volgende relatie:

$$\alpha =\frac{c}{h\upsilon }\left( {h\upsilon - E_{{\text{g}}} } \right)^{1/n}$$ (1)

waarbij \(\alpha\) de absorptiecoëfficiënt van het materiaal is (\(\alpha\) = 2.303 A /d waarbij A de absorptie is en d de breedte van de cel) en waarbij E g is de optische energieband gap en is de fotonenergie die wordt verkregen door een lijn te trekken tussen (αhʋ ) n en fotonenenergie . Het indexgetal n wordt genomen als 2 voor de toegestane directe band-naar-bandovergangen in steekproeven [63] en kan gemakkelijk worden geëvalueerd met een lineaire fit-plot [64]. Afhankelijk van het type overgang dat de waarden 1/2, 2, 3/2 en 3 kan hebben, corresponderen met respectievelijk de toegestane directe, toegestane indirecte, verboden directe en verboden indirecte overgangen [65].

Monsters AgNP's, AuNP's, Ag @ AuNP's en Rh werden geanalyseerd door middel van infraroodabsorptie met behulp van een FTIR (PerkinElmer, Inc., Waltham, Spectrum Two). De acquisitieparameters waren:4 cm −1 resolutie, 16 scans en tussen 4000 en 900 cm −1 golflengtebereik.

Röntgenfoto-elektronspectroscopie-assays werden uitgevoerd op een PerkinElmer-model PHI 5100, dat een dubbele bron van Mg/Al, 300 W, 15 kV bevat. De Mg Kα-emissielijn met de energie van 1253,6 eV werd gebruikt voor AgNP's, AuNP's, Ag@AuNP's en Rh. Alle experimenten werden uitgevoerd onder vacuümomstandigheden van 2 × 10 –9 Torr. [66]. Gegevens werden geanalyseerd met behulp van Multipak-software. Voor XPS-karakterisering, de verschillende nanodeeltjesdispersies en de Rumex hymenosepalus extractoplossing werden als volgt op schone dekglaasjes afgezet. 30 µL van het monster werd toegevoegd aan het dekglaasje, zodat het volledig kon drogen voor de volgende storting. Het proces werd minstens 5 keer herhaald totdat een dunne film werd gevormd en vervolgens werd gekenmerkt door XPS.

High-Angle Annular Dark Field-Scanning Transmission Electron Microscopy (HAADF-STEM) kan worden beschouwd als een krachtige werkingsmodus in elektronenmicroscopie, die een grote hoeveelheid complementaire informatie verschaft om de structuur van een nanomateriaal op te helderen. Aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM kan met atomaire resolutie de posities van atomen van verschillende chemische aard bepalen. Dit komt door aberratie-gecorrigeerde HAADF-STEM, bekend om zijn chemische gevoeligheid en hoge ruimtelijke resolutie [67]. In deze bedrijfsmodus is het onsamenhangende beeld dominant met een verwaarloosbare bijdrage van diffractiecontrast [68]. Zo stelt atoomnummercontrast (Z-contrast) in HAADF-STEM aberratie-gecorrigeerd ons in staat om de structurele details van nanostructuren met grote precisie te bepalen.

Voor STEM-analyse werden monsters geanalyseerd in een JEOL-JEMARM200-elektronenmicroscoop die werkte bij 200 kV, met een CEOS-corrector voor de condensorlens. STEM-beelden met Z-contrast werden gelijktijdig opgenomen in zowel de BF- als de HAADF-modus. Beelden werden opgenomen met een 40 micron condensorlensopening (32-36 mrad convergentiehoek) en een puntgrootte van 9 pA.

Voor elektronenmicroscopie-analyse werd een druppel (10 µL) Au@AgNPs-suspensie afgezet op een koolstofraster van 300 mesh, gedroogd tot kamertemperatuur en 24 uur in een vacuümkamer geplaatst.

Nanodeeltjes werden geanalyseerd door TEM in Jeol 2010F-apparaat (1,9 resolutie) bij 200 kV. EDS-analyse werd gerealiseerd met behulp van een QUANTAX 200-TEM röntgenspectrometer (Bruker) met XFlash 4010-detector. Voor HRTEM-analyse werden TEM-microfoto's opgenomen bij vergrotingen groter dan 100.000X. Interplanaire afstanden van kristalvlakken werden bepaald door middel van digitale microfoto-analyse (3.0 Gatan-versie). De monstervoorbereiding was vergelijkbaar met die hierboven beschreven voor STEM-analyse.

Gegevens werden verzameld met behulp van een Bruker D8 QUEST-diffractometersysteem uitgerust met een monochromator met meerlagige spiegels en een Cu Kα Microfocus-verzegelde buis (λ = 1.54178 ). Frames zijn verzameld op T = 300 K via ω /φ -scans en vervolgens verwerkt om diffractogrammen van intensiteit versus 2Theta te verkrijgen. High Score Plus-software werd gebruikt voor de behandeling van onbewerkte gegevens en de ICSD-poederdiffractiedatabase die aan software is gekoppeld, werd geïmplementeerd voor de analyses van de fase-identificatie van zoekovereenkomsten.

Antibacteriële activiteitstest

De geteste micro-organismen waren bacteriën Escherichia coli (ATCC 25922), Staphylococcus aureus (ATCC 5538P), en gist Candida albicans geïsoleerd uit geïnfecteerde urine verzameld van een volwassen mannelijke patiënt met urineweginfectie (onze studie volgt de principes van de Verklaring van Helsinki). Brain Heart Infusion (BHI) en Potato Dextrose Broth (PDB) werden gebruikt om respectievelijk inoculum van bacteriën en gist te bereiden. Culturen werden een nacht bij 37 ° C geïncubeerd. De concentratie in kolonievormende eenheden (CFU / ml) per milliliter suspensie werd bepaald door de optische dichtheid te meten met UV-Vis bij 540 nm voor bacteriën, 600 nm voor gist. Schorsingen met 4 × 10 8 , 7,8 × 10 8 , en 2,5 × 10 6 CFU/ml werden gebruikt voor E. coli , S. aureus , en C. albicans , respectievelijk. Antimicrobiële activiteit werd getest in platen met 96 putjes, met behulp van vloeibaar kweekmedium waaraan nanodeeltjes en micro-organismen waren toegevoegd bij 37 ºC. Alle tests werden in drievoud uitgevoerd. Absorptie werd gemeten in een multimode plaatlezer Synergy HTX Biotek, met behulp van Gen 5-software. Alle microbiële groeicurven werden uitgevoerd met behulp van de Origin Lab 8.0-software. Als eerste stap werd 70 µL vers bouillonmedium (BHI of PDB, volgens de bestudeerde micro-organismen) gemengd met nanodeeltjes in de vereiste concentratie aan de putjes toegevoegd. Later werd 30 µl suspensie van micro-organismen aan de putjes toegevoegd en met het medium gehomogeniseerd. Het eindvolume op elk putje was 100 µL. Na afgifte van het inoculum werden de platen met 96 putjes afgelezen in de hierboven beschreven spectrofotometer. Platen werden 24 uur op 37 ° C gehouden, met een cirkelvormige schudmodus vóór elke aflezing met een periode van elk 15 minuten. De groeisnelheid van micro-organismen werd bepaald door optische dichtheidsmeting (OD) bij de genoemde golflengte.

Curvegroei geanalyseerd door het Gompertz-model

Het is in de literatuur algemeen bekend dat het Gompertz-groeimodel de groei van populaties van micro-organismen goed beschrijft. Dit model stelt ons in staat om twee kritische parameters te begrijpen in de beschrijving van de groei van de populatie van micro-organismen:de adaptieve fase (Lag-fase) en de populatiegroeisnelheid. Met name het bestuderen van het gedrag van de Lag-fase bij remmende behandelingen van micro-organismen is relevant omdat het informatie geeft over de adaptieve reacties van het micro-organisme op de behandeling en zelfs aanwijzingen kan geven over de ontwikkeling van resistentie van het micro-organisme tegen de geëvalueerde behandeling [69] ].

Het gemodificeerde Gompertz-model is beschreven door Zwietering et al. [70] en aangepast door Li et al. [69] en andere auteurs [71,72,73,74,75,76,77,78] als een model dat de groeicurven en

$$y =A\exp \left\{ { - \exp \left[ {\frac{\mu e}{A}\left( {\lambda - t} \right) + 1} \right]} \right \}$$ (2)

waar A is het celnummer uitgedrukt als OD540 (S. aureus en E. coli ) en OD600 (C. albicans ), μ is de groeisnelheid in de exponentiële fase en e is de exponentiële e 1 , \(\lambda\) is de lag-fase. We hebben onze groeikinetiek aangepast met behulp van een software-oorsprong 9.1 om de effecten over S te analyseren. aureus , E. coli, en C. albicans van de drie agenten AuNP's, AgNP's en Au@AgNP's.

Effect van nanodeeltjes op E. coli, , S. aureus , en C. albicans Groei

Escherichia coli en Staphylococcus aureus werden geënt in BHI-medium, en C. albicans werd geënt in PD-bouillon. Alle kweken werden overnacht bij 36°C geïncubeerd. Na incubatie werden de drie kweken aangepast tot een absorptie van respectievelijk 1, 0,7 en 1, (λ = 540 nm). AuNP's, AgNP's en Au@AgNP's werden aangepast tot een concentratie van 50 µg/ml. In een plaat met 96 microwells werden aangepaste culturen blootgesteld aan nanodeeltjes in een verhouding van 7:3, waarbij een eindvolume van 200 µL per microwell werd bereikt. Ook werden aangepaste kweken blootgesteld aan gesteriliseerd water als controleconditie onder dezelfde eerder beschreven omstandigheden. Anderen gebruikten controles voor dit experiment waren verse media en elke oplossing van nanodeeltjes zonder micro-organismen. Escherichia coli, Staphylococcus aureus , en Candida albicans werden respectievelijk blootgesteld aan AuNP's, AgNP's en Au@AgNP's. Microwell-plaat werd bij 36 ° C geïncubeerd en een monster van elk micro-organisme in behandelings- en controleomstandigheden werd na 1, 7, 13 en 19 uur verkregen. Verzamelde monsters werden verdund in seriële 1:10 zoutoplossing en uitgespreid over het oppervlak van Müeller-Hinton-platen. Geënte platen werden 24 uur bij 36 ° C geïncubeerd. Na incubatie werden CFU/ml berekend met behulp van directe telling.

Bepaling van minimale bacteriedodende concentratie (MBC)

Staphylococcus aureus , Escherichia coli , en Candida albicans werden elk geïnoculeerd in Müeller-Hinton-bouillon, een nacht geïncubeerd bij 36 ° C en aangepast tot 0, 5 McFarland Nephelometer. Nadat de inoculums waren aangepast voor de bepaling van de minimale remmende concentratie (MIC), werd een microverdunningstest uitgevoerd. Hiervoor werd in het kort een plaat met 96 putjes gebruikt. 160 µL van een aangepaste kweek van elk micro-organisme werd in 5 putjes gegoten. Oplossingen van AuNP's, AgNP's en Au@AgNP's van 1000 g / ml werden bereid. Eerdere oplossingen werden gebruikt voor het bereiden van oplossingen van 750, 500 en 250 µg/ml. Zuiver gesteriliseerd water werd gebruikt als een 0 µg/ml nanodeeltjes, en 40 µL van elke vorige oplossing werd toegevoegd aan 160 µL aangepaste culturen. Op deze manier werd elke kweek blootgesteld aan een eindconcentratie van 200, 150, 100, 50 en 0 µg/ml van elk getest nanodeeltje. De microtiterplaat werd 24 uur bij 36°C geïncubeerd. Daarna werd een monster van elk putje geïnoculeerd op een oppervlak van Müeller-Hinton en geïncubeerd in dezelfde eerder beschreven omstandigheden. Na incubatie werden Müeller-Hinton-platen waargenomen op zoek naar een groeisignaal. De concentratie waarbij geen groeisignalen werden waargenomen, werd geregistreerd als MBC-waarde.

Resultaten en discussies

Karakterisering

Figuur 1a toont de UV-vis-absorptiespectra van de gesynthetiseerde nanomaterialen. De absorpties zijn genormaliseerd voor de maximale gelokaliseerde oppervlakteplasmonresonantie (LSPR) die overeenkomt met elk nanodeeltjessysteem.

Nanodeeltjes UV–Vis-spectra (a ), Z-Potentieel (b ), DLS (c ), en PDI (d ) van Au, Ag en Au@AgNP's

Au@AgNps-absorptiespectrum in figuur 1a heeft een enkele band gecentreerd op 474 nm, die zich tussen de AgNP's LSPR (445 nm) en de AuNP's LSPR (544 nm) bevindt. De afwezigheid van een goudachtige absorptiepiek op Au@AgNP's suggereert dat verkregen nanomaterialen door sequentiële synthese core@shell-structuren zijn. Het is niet mogelijk om een ​​absorptieband te detecteren die geassocieerd is met Au behoort tot de kern. Sommige auteurs nemen aan dat voor core@shell-systemen de absorptiespectra zijn samengesteld uit twee banden die bij elk van de metalen horen voor schaaldiktes tussen 3 en 4 nm. De absorptie geassocieerd met metalcore verdwijnt voor hogere diktes, waardoor een enkele absorptieband wordt verkregen waar de maximale locatie afhangt van de dikte/kerngrootteverhouding van het bimetaaldeeltje [79, 80].

Samal et al. [81] heeft core@shell-nanodeeltjes (Au@Ag) gesynthetiseerd door de kerngroottes te regelen en schillen met verschillende diktes toe te voegen. In het bijzonder valt ons UV-vis-resultaat voor Au@AgNP's samen met dat gerapporteerd door Samal et al. voor 32 nm gouden kernen en een zilverdikte groter dan 15 nm, waarbij spectra worden gekenmerkt door een enkele absorptieband (~  450 nm), en de onderdrukking van Au-oppervlakteplasmonen wordt waargenomen.

Bovendien kan in Fig. 1a absorptie gecentreerd op 280 nm (gebied gemarkeerd in blauw) worden waargenomen, overeenkomend met moleculen van de Rumex hymenosepalus extract gebruikt als reductiemiddel in onze synthese van nanodeeltjes. Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1 komt overeen met Rumex hymenosepalus absorptiespectrum van waterige oplossingen. Een karakteristieke band gecentreerd op 278 nm wordt waargenomen, geassocieerd met de elektronische overgangen van de aromatische ringen geconjugeerd met de carbonylgroepen van polyfenolische verbindingen [82]. Deze absorptieband in de UV-Vis-spectra van nanodeeltjes geeft aan dat eindproducten extractmoleculen bevatten die erin achterblijven, Rivero-Cruz et. al. hebben vier stilbenoïden, twee flavan-3-olen en drie antrachinonen geïsoleerd uit R. hymenosepalus [83] en Rodríguez-León et. al. hebben een onderzoek naar nucleaire magnetische resonantie uitgevoerd om vast te stellen dat Rumex hymenosepalus bevatten belangrijke moleculen als stilbeenglycoside en epicatechinegallaat en epigallocatechinegallaat [61]. Deze moleculen nemen als reductiemiddelen deel aan de synthese van nanodeeltjes. Het proces omvat de deprotonering van enkele -OH-groepen van fenolische ringen om  = CO-groepen te vormen. Polyfenolische moleculen worden geoxideerd en de vrijgekomen elektronen worden overgebracht naar Ag + en Ag 3+ ionen om Au 0 . te vormen en Ag 0 .

Figuur 1b toont de Zeta-potentialen die overeenkomen met AuNP's, AgNP's en Au@AgNP's bij concentraties van 1, 10, 50 en 100 µg/ml. Nanodeeltjes worden gedispergeerd in ultrapuur water en de meting werd in drievoud bij 25 ℃ uitgevoerd. Over het algemeen vertonen nanodeeltjes over het hele concentratiebereik zeta-potentiaalwaarden die negatiever zijn dan -30 mV, en bereiken ze waarden van -40 mV bij een concentratie van 100 µg/ml voor AuNP's en Au@AgNP's en -38 mV voor AgNP's. Deze zeer negatieve Zeta-potentiaalwaarden geven aan dat nanodeeltjes afstotende interacties tussen hen ervaren die hun aggregatie voorkomen en de stabiliteit van metaalcolloïden op lange termijn mogelijk maken [84,85,86]. Door de UV-Vis-spectroscopieresultaten te correleren met de verkregen Zeta-potentiaalwaarden, kunnen we vaststellen dat de zeer negatieve waarden te wijten kunnen zijn aan de complexvorming van polyfenolische moleculen van het extract op het oppervlak van de nanodeeltjes [87].

Voor biologische toepassingen is het waardevol om een ​​populatie van nanodeeltjes met monodisperse afmetingen [88] te verkrijgen, dus Fig. 1c en d tonen de DLS-waarden die overeenkomen met de gemiddelde diameter en polydispersiteitsindex (PDI) voor AuNP's, AgNP's en Au@AgNP's bij concentraties van 1, 10, 50 en 100 µg/ml. De gemiddelde diameter van Au@AgNP's is ongeveer 250 nm en wordt constant gehouden als een functie van de concentratie, op een vergelijkbare manier voor monometallische nanodeeltjes met een gemiddelde diameter van respectievelijk 122 en 135 nm voor AuNP's en AgNP's. Merk in hetzelfde geval op dat de PDI-waarden rond de 0,3 liggen voor monometallische nanodeeltjes en 0,2 voor Au@AgNP's. Deze resultaten, waarbij de grootte niet varieert met de concentratie, geven aan dat de verschillende nanodeeltjessystemen een goede stabiliteit hebben met een matige polydispersiteit van groottes (0,3 ≥ PDI ≥ 0,2).

De optische band gap van Tauc-plot werd berekend (aanvullend bestand 1:figuur S2). Geleidingsband door halfgeleidermaterialen hebben waarden E g < 3 eV, als referentie heeft germanium E g < 0.7 eV en silicium is E g = 1.1 eV [89]. In ons geval is de band gap voor Au@AgNP's, AuNP's en AgNP's respectievelijk 1,93 eV, 2,03 eV en 2,33 eV. Dit betekent dat deze materialen worden beschouwd als halfgeleiders, en deze functie is verkregen voor de kwantumopsluitingseffecten die een grotere energiekloof veroorzaken, zodat nanomaterialen kunnen worden gebruikt als sensoren, batterijen en opto-elektronische apparaten [64].

Om vast te stellen of organische verbindingen aanwezig zijn in nanodeeltjes, werden deze nanomaterialen gekarakteriseerd door XPS en FTIR. Figuur 2a toont de onderzoeksspectra van het plantenextract en de nanodeeltjes. Zoals te zien is, presenteren alle nanodeeltjessystemen de karakteristieke signalen die horen bij de elementen koolstof (C 1 s, 284,6 eV) en zuurstof (O 1 s, 532,2 eV) van de Rumex hymenosepalus extract. Dit resultaat bevestigt dat organische moleculen uit extract aanwezig zijn in verkregen nanomaterialen. Bovendien werden XPS-spectra met hoge resolutie verkregen om de oxidatietoestanden van zilver en goud in de nanodeeltjes te analyseren (aanvullend bestand 1:figuur S3). Voor AgNP's (aanvullend bestand 1:figuur S3A) kunnen de signalen bij bindingsenergieën van 373,76 eV en 367,76 eV (∆BE = 6,0 eV) overeenkomend met de 3d3/2 en 3d5/2 spectraallijn worden geassocieerd met Ag 0 (Metallisch zilver). Voor AuNP's (aanvullend bestand 1:figuur S3B) bevindt de piek geassocieerd met 4f5/2 spin-orbitale koppeling zich op bindingsenergie 87,65 eV. Voor 4f7/2 bevindt de piek van de spin-orbitale koppeling zich op 83,98 eV. De verhouding van intensiteiten (I4f7/2 > I4f5/2), locatie en scheiding tussen pieken (ΔBE = 3.67 eV) bevestigen dat goudionen (Au 3+ ) worden volledig gereduceerd tot metallic goud Au 0 [90]. Voor Au@AgNP's worden XPS-spectra met hoge resolutie die overeenkomen met zilver en goud weergegeven in respectievelijk aanvullend bestand 1:figuur S3C en figuur S3-D. Deze spectra vertonen hetzelfde gedrag als hun monometallische tegenhangers. Dit geeft aan dat zowel zilver als goud nulwaardig zijn in de core@shell-presentatie.

XPS-onderzoeksspectra (a ), en FTIR (b ) voor Rh, Ag, Au en Au@AgNP's

FTIR in Afb. 2e toont op 3296 cm −1 hydroxylgroepen, 2974 cm −1 (C–H) binding van de aromatische ring, 1689 cm −1 geassocieerd met uitrekking van carbonylgroepen (C=O) en 1689–1400 cm −1 vanwege carboxylaatbinding (C–O) en strekkende koolstof-koolstofbinding en 1212 cm −1 geassocieerd met fenol C–O stretching geconjugeerd met AuNP's, 1049 cm −1 C–O-rekmodus van de catechine-estergroepmoleculen [88,89,90] en 799 cm −1 de buiging uit het vlak in het fenol, C–H-buiging gerapporteerd bij 964,4 en 829,39 cm −1 kenmerk van resveratrol [91] verschoven in Rh-extract naar 1031 en 867 cm −1 , en AuNP's, AgNP's en Au@AgNP's zijn ook verschoven, wat indicatief is voor de complexering van moleculen polyfenolen van Rh-extract met nanodeeltjes.

Figuur 3a komt overeen met een representatieve helderveld-STEM-microfoto van het Au@AgNPs-systeem bij lage vergroting (schaalbalk van 100 nm). Een reeks nanodeeltjes zonder agglomeratie en met voornamelijk quasi-sferische geometrie is te zien. The same region is shown in dark field (HAADF) in Fig. 3b, and the core@shell structure can be observed, where can we distinguish Au-core looks more intense than Ag-shell, due to the difference in atomic number. Figure 3c and d corresponds to STEM higher magnification micrograph (scale bare 20 nm) of a nanoparticles group of system core@shell in a bright and dark field, respectively. Can be appreciated with clarity brilliant Au core and Ag shell lightly contrasted. These images show that the thickness of the Ag-shell varies between 3 and 5 nm. Additional file 1:Figure S4 corresponds to an individual images gallery where can be observed uniformity of Ag-shell.

Scanning Transmission Electron Microscopy at low magnification (scale bar 100 nm) of Au@AgNPs in Bright Field (a ) and HAADF (b ). A Small group of Au@AgNPs at higher magnification (scale bar 20 nm) in Bright Field (c ) and HAADF (d )

Figure 4a, c, and e corresponds to micrograph TEM of representative nanoparticles systems AuNPs, AgNPs, and Au@AgNPs, respectively. In all cases, nanoparticles have sphere-like morphology and are shown well separated from each other. This can be explained by the extract molecules onto nanoparticle surfaces, acting as spacers between them. Figure 4b, d, and f shows histograms corresponding to size distribution obtained by TEM and performed with 500 nanoparticles collected from 15 to 20 micrographs for each nanomaterial. The histogram presents Gaussian distribution with a mean size of 24 ± 4 nm (AuNPs), 13 ± 3 nm (AgNPs), and 36 ± 11 nm (Au@AgNPs). The discrepancy in values between DLS and TEM measurements with size distribution graph is due to conditions micro-environmental around the nanoparticles, while DLS shows a diameter for a system that includes metal, hydrated coating, and solvent by comparison in TEM measurements is a dry system where measurement is over metal only, in particular, in DLS the molecules used for complexation of nanoparticles (reducing agents and stabilizers) are dispersants that induce errors in sizing measurement and shifts it results to higher values [91].

TEM and size distribution of AuNPs in (a ) en (b ), AgNPs in (c ) en (d ), and Au@AgNPs in (e ) en (f )

Figure 5 corresponds to the Au@AgNPs HAADF-STEM micrographics. A single nanoparticle is shown in Fig. 5a with a gold nucleus and silver cover perfectly delimited, the atomic number (Z) changes through the interface Au@Ag, intensity variations can be quantified by HAADF-STEM [67].

Au@AgNPs HRTEM (a ). Magnification from (a ) of interface core–shell (b ). FFT plot with Miller index (c ) and integrated image from FFT (Inverse) with interplanar distance (d )

The red square region is amplified to obtain an HRTEM micrography of the shell portion (Fig. 5b), and then to verify the crystalline shell structure, the nanoparticle periphery region was analyzed (discontinued square) with the Digital Micrograph 3.0 software (Gatan). Fast Fourier Transform (FFT) image of the selected area was obtained (Fig. 5c). Using the Inverse Fast Fourier Transform was possible to estimate interplanar distances of 2.3 Å, 2.0 Å, and 1.4 Å in Fig. 5d. These distances can be assigned, respectively, to the crystalline planes (111), (200), and (220) of face-centered cubic (fcc) silver according to Inorganic Crystal Structure Database (ICSD) at the FIZ Karlsruhe–Leibniz Institute for Information Infrastructure, Germany or the electron crystallography software Jems (V 4-5430, JEMS-SAAS, Switzerland) [92]. A similar analysis of crystal structure by HRTEM was carried out for monometallic nanoparticles as illustrated in Additional file 1:Figures S5 (for AuNPs) and S6 (AgNPs). In both cases, crystal structure corresponds to face-centered cubic (fcc).

EDS chemical analysis shows the presence of both metals for a group of bimetallic Au@AgNPs observed by TEM (Fig. 6a) in proportions of the atomic weight percent 77% of Ag (shell) and 23% of Au (cores) (Fig. 6b). In comparison, a single bimetallic (Fig. 6c) Au@AgNPs has proportions around 80% of Ag (shell) and 20% of Au (core) (Fig. 6d). To estimate the gold and silver atomic percentage on core@shell nanoparticles (Au@Ag), a quasi-spherical geometry approximation of nanoparticles morphology was considered. The AuNPs average diameter obtained from TEM size distribution (\(\overline{D}_{{{\text{Au}}}} =24\;{\text{nm}}\)) was used for core volume estimation (V Au ), and Au@AgNPs average diameter \(\left( {\overline{D}_{{{\text{Au}}@{\text{Ag}}}} =36\,{\text{nm}}} \right)\) for core@shell volume estimation \((V_{{{\text{Au}}@{\text{Ag}}}} )\). So, shell volume is determined as \(V_{{{\text{Ag}}}} =V_{{{\text{Au}}@{\text{Ag}}}} - V_{{{\text{Au}}}}\). Total atomic content of Au and Ag was calculated considering an fcc crystalline structure (4 atoms per unit cell) for booth metals where the Au and Ag lattice parameters are 4.0783 Å and 4.0862 Å, respectively [93]. Atomic content estimation by this procedure is 70% for Ag (Shell) and 30% Au (Core), which differs by 10% concerning the measurement obtained by EDS. Figure 7 shows a theoretical estimation of silver and gold content and how varies as the thickness of the shell increases and the size of the core is kept constant (\(\overline{D}_{{{\text{Au}}}} =24\;{\text{nm}}\)). It is observed that for Au@AgNPs with a diameter greater than 30.2 nm, the atomic content of silver exceeds the content of gold. In Supplementary Material, a detailed description of calculation is carried out to obtain atomic contents percentage. Similar estimations of atomic percentages were carried out considering other Au-core diameters and varying Au@AgNPs diameter (Additional file 1:Figure S7A-B).

TEM and EDS of an Au@AgNPs group (a , b ) with Au 23 and Ag 77% at. and single Au@AgNPs (c , d ) with Au 20 and Ag 80% at

Variations of atomic content percentage versus increase thickness shell, where diameter AuNPs (24 nm) was kept constant

Figure 8 corresponds to XRD patterns for AuNPs and AgNPs as well as bimetallic Au@AgNPs. All the synthesized products have fcc crystalline structure as previously reported in the characterization by electron microscopy. Peaks for Au@AgNPs are located at 2θ diffraction angles of 38.25°, 44.4°, 64.9°, 77.85°, and 81.25°. As can be appreciated in the figure, the AgNPs and AuNPs diffraction peaks are found in the same positions mentioned with a difference of ± 0.5°. This is because Au and Ag have very similar lattice constants, so their diffraction patterns for fcc crystal structure are almost identical [94,95,96]. In this way, the diffraction peaks in Fig. 8 are assigned, respectively, to the crystalline planes (111), (200), (220), (311), and (222) of the gold and silver fcc structure by JCPDS:4-0783 and 4-0784 [97].

X-ray Diffraction AuNPs (pink), AgNPs (brown), and Au@AgNPs (red)

Antimicrobial Activity

Monometallic (AgNPs, AuNPs) and bimetallic (Au@AgNPs) materials were tested at four different concentrations:1, 10, 50, and 100 μg/mL. Selected microorganisms to evaluate antimicrobial activity were yeast Candida albicans , Gram-positive bacteria S.aureus , and Gram-negative bacteria E. coli . Growth kinetics curves in a time-lapse of 24 h are shown in Fig. 9.

The growth curves using AuNPs, AgNPs, and Au@AgNPs like inhibitory treatments on Candida albicans (eenc ), Escherichia coli (df ), and Staphylococcus aureus (gik )

Candida albicans

AuNPs show no effect on growth kinetics until 10 h (Fig. 9a), varying in a dose-dependent manner the absorbance reached at 24 h. Interestingly, with 50 µg/mL or more, the growth kinetic shows a steep negative slope from 10 h until reaching a 45% reduction at 24 h, which suggests an antifungal effect of these materials. This can be attributed to the ability of gold nanoparticles to interact with relevant proteins present in fungus such as H + -ATPase, affecting proton pump activity. This atrophying the ability of yeast to incorporate nutrients causing its death [61]. In Fig. 9b and c was observed that AgNPs and Au@AgNPs inhibit the growth of the yeast Candida albicans from 10 µg/mL. The determination of the MIC50 concentration for both materials was estimated from the dose–response curve shown in Additional file 1:Figure S8. MIC50 is defined as the concentration of nanoparticles that produces a 50% decrease in absorbance concerning the control (yeast without treatment). For AgNPs and Au@AgNPs, MIC50 were 2.21 µg/mL and 2.37 µg/mL, respectively.

However, according to the EDS results (Fig. 9b), the silver content in Au@AgNPs is 64.85% mass. Thus, the concentration of silver in Au@AgNPs for MIC50 is 1.53 µg/mL, 30% lower than in the case of AgNPs. Padmos et. al. have demonstrated that silver nanoparticles possess important antibacterial features, but are cytotoxic by mammalian cells this effect has reduced using bimetallic nanoparticles especially using gold in the core of bimetallic nanoparticles [35].

Escherichia coli

In Fig. 9d, AuNPs do not show significant inhibition (< 15%) or affect the growth kinetics of E. coli . For AgNPs (Fig. 9e) at low concentrations, the Lag phase remains unchanged, but there is a marked decrease in growth ratio indicated by the slope decrement. At 50 µg/mL Lag phase lasts up to 16 h and viability reaches a maximum of 20% at 24 h. For 100 µg/mL, an apparent detachment of the growth phase of the microorganism is not observed. In Au@AgNPs (Fig. 9f), the first two concentrations do not show changes in their growth phase, but a phase delay of up to 2 h is observed compared to the control. It is interesting to note that the lag phase lasts up to 21 h for the 50 µg/mL concentration, finally there is no explicit growth behavior for the 100 µg/mL concentration.

Staphylococcus aureus

A comparative analysis of lag phase regrowth occurred after 12 h for Au (Fig. 9g), Ag (Fig. 9h), and Au@AgNPs (Fig. 9i) in the case of S. aureus at 50 µg/mL. For the highest concentration at 100 µg/mL, there is no growth of the bacteria. Additionally, we observe changes in the slope of respect control for Au, Ag, and Au@AgNPs at 1 and 10 µg/mL.

AuNPs interaction with these Gram-positive bacteria could be due to the charged surface that causes an electrostatic interaction, destabilizing membrane structure. Similar results, but with higher NPs concentrations, are reported for AuNPs synthesized using Ananas comosus fruit extract as reducing agent [98] and blue-green alga Spirulina platensis protein [99]. Yang et al. show MIC > 500 µg/mL for S. aureus (CMCC(B)26003), our AuNPs has shown inhibition with 10 times less concentration; in this case, a critical synergy exists with polyphenols molecules on coating and stabilizing the surface of nanoparticle [100]. ROS is generated of less to higher intensity [101] by AuNPs, polyphenols (plant extracts), and AgNPs, so AuNPs in synergy with resveratrol and epigallocatechin gallate (EGCG) promote antibacterial response over S. aureus [102] had the most feasible mechanism in this case. Penders et al. reported 250 and 500 µg/mL of AuNPs-like antibacterial agents over S. aureus increases in bacterial growth lag time and antibacterial effect [61, 98, 99].

We believe that inhibition is caused by AgNPs [103] accumulation and diffusion on bacteria related to NPs surface charges that promote electrostatic interactions [104] with the bacteria's membrane leading to higher penetration and damage. We think this is a similar mechanism described for interactions between E. coli biofilms and AgNps [105].

For Au@AgNPs, the obtained results are comparable to those reported by other workgroups [100, 101]; however, different authors suggest that the inhibition of the growth of the microorganisms is directly related to the thickness of the shell [100, 101]. Core–shell NPs showed low cytotoxicity when tested in NIH-3T3 fibroblasts cells (normal mammalian cells) [35]. A lower proportion of silver in the shell of the Au@AgNPs shows similar results to AgNPs [100], and Au core potentializes antibacterial effect, and minimizes the cytotoxicity.

Curves Growth Analyzed by the Modified Gompertz Model

To know how the growth ratios (µ ) and Lag phase (λ ) are quantitatively modified, the growth curves of microorganisms exposed to different concentrations of nanomaterials (Fig. 10) were adjusted by the Gompertz model (Eq. 2).

Kinetic parameters were obtained by the Gompertz model. Growth Rate µ and Time Lag Phase \(\lambda\) for S. aureus (een , b ) and E. coli (c , d )

In Fig. 10a, it can be seen that all nanomaterials produce a decrease in the replication rate of S. aureus populations when the concentration of nanoparticles increases. This effect results in slightly higher sensitivity for AuNPs. At a concentration of 50 µg/mL, the growth ratio is only 30% concerning control (Additional file 1:Tables S1-S24); at a concentration of 100 µg/mL, all materials inhibit the growth of the S. aureus population. The behavior of the adaptive phase for S. aureus with the different treatments is shown in Fig. 10b. It is observed that there are no significant differences in the material used, and at 50 µg/mL, the Lag phase has increased by almost 5 times compared to the adaptive phase of S. aureus (Additional file 1:Tables S1-S24). In general, we can establish that the different nanomaterials evaluated in S. aureus reduce the replication rate and postpone the adaptive phase in a dose-dependent manner until its inhibition at 100 µg/mL.

Figure 10c clearly shows that AuNPs do not affect the growth ratio µ of E. coli bacteriën. Meanwhile, AgNPs produce a decrease over µ , reaching a minimum value corresponding to 19% to the control (µ for E.coli without treatment) for 50 µg/mL (see Additional file 1:Table S52). In contrast, Au@AgNPs completely inhibit the E. coli growth at 100 µg/mL. Analysis of the behavior of E. coli Lag phase exposed to different materials is shown in Fig. 10d. In this case, unlike Fig. 10b, each material has a characteristic response. Thus, AuNPs do not generate any modification in the adaptive phase of E. coli , while AgNPs and Au@AgNPs have a dose-dependent effect on the Lag phase, the latter material standing out. Thus, we can establish that AuNPs have no appreciable effect on E. coli bacteria, and Au@AgNPs can inhibit replication and, therefore, indefinitely postpone the Lag phase of E. coli . Interestingly, this effect is not achieved for AgNPs even though the net silver content is higher than in Au@AgNPs. This suggests that the core@shell presentation of both metals produces a synergy that favors antimicrobial activity. Feng et. al. have reported an electron compensation phenomena from Au to Ag in core–shell and alloy structures, which derive in enhance the cytotoxicity of nanoparticles but kept it the antibacterial properties, that means, a synergy between Au and Ag are assumed, due to observed differences between the monometallic and bimetallic materials [106], but more research is necessary.

Figure 11 shows the results of the direct count study of colonies of microorganisms exposed to nanomaterials. In general, the behavior of the microorganism populations reproduces the results obtained from the growth kinetics study (Fig. 7a, e, i). For example, in Fig. 11a, the population of microorganisms (represented logarithmically) decreases significantly only at 19 h where AuNPs have killed 92% of C. albicans . Interestingly, for nanoparticles containing silver (Fig. 11b, c) a more pronounced population decline is observed. Au@AgNPs system at 50 µg/mL, almost entirely inhibits S. aureus at 7 h (99.5% of bacteria killed) although microorganism reactivates its growth for later times. MBC determination was not possible to obtain for tested concentrations (Additional file 1:Figure S9-11), according to experimental observation higher concentrations are required to show this effect. However, for C. albicans , AgNPs showed an MBC value of 50 µg/mL (Additional file 1:Table S55).

Effect of nanoparticles over microorganisms growth C. albicans exposed to AuNPs (a ), E. coli exposed to AgNPs (b ), and S. aureus exposed to Au@AgNPs (c ). All microorganisms were exposed at 50 µg/mL nanoparticles concentration

Conclusions

For the first time, the production of gold nanoparticles and core@shell (Au@Ag) is reported using a Rumex hymenosepalus root extract as a reducing agent. To obtain Au@AgNPs is proposed a two-step sequential method that produces particles with moderate polydispersity and homogeneous silver shell. Determination of the growth curves and their parameters obtained through the Gompertz model indicate different effects of the nanomaterials on evaluated microorganisms. Inhibitory effects of AuNPs over S. aureus are reached at a concentration of 5 times less to report for other AuNPs synthesized by different processes. This reveals the importance of the synthesis process followed and the environment on the surface of the nanoparticles. On the other hand, AgNPs and Au@AgNPs produce a great growth of the lag phase (> 12 h). However, bacteria can adapt and initiate their growth at these sub-inhibitory concentrations with the consequent risk of generating resistance to these nanomaterials. This highlights the importance of conducting growth kinetic studies that cover an appropriate period to discard a delayed growth. Interestingly, Gompertz's analysis indicates that Au@AgNPs present a higher effect on the growth kinetic of microorganisms than shown by monometallic nanoparticles, which can be attributed to a synergistic effect of both metals on the core@shell structure. Bactericidal effects are only achieved in C. albicans exposed to AgNPs. More experiments must be carried out on higher concentration ranges of these nanomaterials (> 200 µg/mL) to determine their MBC on the studied microorganisms.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

All data generated or analyzed during this study are included in this article and its supplementary information file.

Afkortingen

AuNP's:

Gouden nanodeeltjes

AgNPs:

Zilveren nanodeeltjes

Au@AgNPs:

Gold–silver bimetallic nanoparticles with core@shell structure

DLS:

Dynamische lichtverstrooiing

EDS:

Energie-dispersieve röntgenspectroscopie

EGCG:

Epigallocatechin gallate

FTIR:

Fourier-transformatie infraroodspectrometer

HAADF:

High angle annular dark field images

MBC:

Minimal bactericidal concentration

MIC:

Minimale remmende concentratie

Rh:

Rumex hymenosepalus Root extract

TEM:

Transmissie-elektronenmicroscopie

STEM:

Scanning transmission electron microscope

UV-Vis:

Spectroscopy ultraviolet–visible spectroscopy

XPS:

Röntgenfoto-elektronenspectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie


Nanomaterialen

  1. Biogene synthese, karakterisering en antibacteriële potentiële evaluatie van koperoxide-nanodeeltjes tegen Escherichia coli
  2. Eenvoudige synthese en optische eigenschappen van kleine selenium nanokristallen en nanostaafjes
  3. Elektrospun polymeer nanovezels versierd met edele metalen nanodeeltjes voor chemische detectie
  4. Eenvoudige synthese van gekleurd en geleidend CuSCN-composiet gecoat met CuS-nanodeeltjes
  5. Endotheelcellen targeten met multifunctionele GaN/Fe-nanodeeltjes
  6. Nabehandelingsmethode voor de synthese van monodisperse binaire FePt-Fe3O4-nanodeeltjes
  7. synergetische effecten van Ag-nanodeeltjes/BiV1-xMoxO4 met verbeterde fotokatalytische activiteit
  8. Effect van de synthesemethode van La1 − xSr x MnO3 manganite nanodeeltjes op hun eigenschappen
  9. Toxiciteit van PEG-gecoate CoFe2O4-nanodeeltjes met behandelingseffect van curcumine
  10. Op grafeenoxide gebaseerde nanocomposieten versierd met zilveren nanodeeltjes als antibacterieel middel
  11. Met ligand gedoteerde koperen oxo-hydroxide nanodeeltjes zijn effectieve antimicrobiële middelen