Introduction
L'applicazione di nanomateriali ha servito a lungo come un'area di crescente interesse per le nuove tecnologie. 1-3 Ciò ha incluso il crescente utilizzo di nanoparticelle in oggetti di uso quotidiano, tra cui i cosmetici, i vestiti, l'imballaggio e l'elettronica. 4-6 Un grande spinta verso usando nanoparticelle in materiali funzionali deriva dalla loro reattività superiore rispetto ai materiali, oltre alla capacità di proprietà sintonizzare tramite la variazione della dimensione delle particelle. 7 Un altro vantaggio è la capacità di formare facilmente materiali compositi, introducendo le proprietà cruciali per la matrice ospite, come ad esempio funzionalità catalitica, materiale di rinforzo e messa a punto delle proprietà elettriche. 8-12
Materiali compositi nanoparticelle polimerici possono essere ottenuti attraverso una serie di tecniche, il più semplice dei quali è l'integrazione diretta delle nanoparticelle desiderati durante la fabbricazione della matrice ospite. 13,14 Questo risultati in un materiale omogeneo, con una distanza anche di materiale nanoparticelle in tutto. Tuttavia, molte applicazioni richiedono solo il materiale attivo di essere presenti alle interfacce esterne dei nanocompositi. Come risultato, l'incorporazione diretta non comporta l'uso efficiente dei materiali nanoparticelle talvolta costose, c'è molto spreco nanoparticella attraverso la massa del materiale. 15,16 Per ottenere incorporazione diretta, le nanoparticelle devono essere compatibili con formazione matrice ospite. Questo può essere difficile, specialmente in sintesi che richiedono reazioni molteplici come nel caso dei polimeri termoindurenti che sono tipicamente agevolato da metallo meccanismi catalizzatori complessi che possono essere influenzate da nanoparticelle altamente attivi. 14
I notevoli svantaggi associati con l'incorporazione di nanoparticelle diretta durante la sintesi del polimero, ha portato allo sviluppo di tecniche volta a limitare incorporati nanoparticellesulla superficie del livello. 17-21 incapsulamento swell è una delle strategie di maggior successo riportati in letteratura, per ottenere concentrazioni di nanoparticelle superficiali elevate, con sprechi limitata nel bulk del polimero. 17-19 La tecnica utilizza il condotto solvente rigonfiamento del polimero matrici, consentendo l'incursione di specie molecolari e nanoparticelle. Alla rimozione del solvente gonfiore, specie all'interno della matrice si fissano in posizione, con la più alta concentrazione di specie localizzate in superficie. Ad oggi, la maggior parte degli usi segnalati di swell incapsulamento sono diretti verso la fabbricazione di polimeri antimicrobici, dove è fondamentale che gli agenti attivi sono alla superficie del materiale. Mentre molti di questi rapporti mostrano una maggiore attività antimicrobica, la composizione precisa della superficie delle nanoparticelle è raramente sondato in dettaglio. Crick et al. Recentemente dimostrato un metodo per la visualizzazione diretta della nanoparticella incursione, fornendo insi crucialeght in la cinetica e le concentrazioni di nanoparticelle di superficie ottenuti dal moto ondoso incapsulamento. 22
Dettagli Questo lavoro la sintesi di punti seleniuro di cadmio quantici (QD), il loro incapsulamento moto ondoso in polidimetilsilossano (PDMS) e la visualizzazione diretta della loro incorporazione mediante imaging di fluorescenza. L'effetto della variazione tempo swell incapsulamento e concentrazione nanoparticelle nella soluzione gonfiore è esplorata. La tecnica di visualizzazione a fluorescenza consente la ripresa diretta delle nanoparticelle incursione nelle PDMS e dimostra che la più alta concentrazione di QD è alla superficie del materiale.
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Protocol
1. Preparazione di CdSe / ZnS Nucleo / Shell Quantum Dots
- Preparazione del trioctylphosphine (TOP) Soluzione -Se
- Preparare una soluzione di selenio nel TOP 0,5 M mescolando la quantità appropriata di Se in TOP in un pallone Schlenk sotto azoto o in un vano portaoggetti (8 ml necessari per reazione, tipicamente 0,4 g sciolti in 10 ml di TOP).
- Mescolare la miscela per dissolvere il Se per 1 ora, per ottenere una soluzione grigia del complesso TOP-Se.
- Assicurarsi che la soluzione viene quindi congelare-pompa-disgelo degassato 5 volte. Lo stock soluzione risultante può essere conservata sotto azoto per 3 mesi.
- Preparazione dei nuclei CdSe
- Pesare ossido di cadmio (51 mg, 0,4 mmoli), ossido TOP (3,7 g, 9,6 mmol), esadecilammina (1,93 g, 8 mmoli) e 1-dodecylphosphonic acido (0,22 g, 0,88 mmol) e combinare in un tre colli, 250 ml pallone a fondo tondo. Aggiungere un ancoretta.
- Chiudi due colli con setti e garantireil terzo è attaccato ad una lunga condensatore a riflusso e una linea Schlenk azoto / vuoto. Inserire una sonda di temperatura di riscaldamento del mantello attraverso un setto direttamente nella miscela. Pompa / riempire il pallone con azoto cinque volte.
- Riscaldare il pallone a 320 ° C e agitare la massa fusa per 1 ora sotto atmosfera di azoto.
- Abbassare la temperatura del mantello a 270 ° C e quindi utilizzare una grande siringa e l'ago vasta foro (20 ml, 3 mm foro) per degassare con azoto per 5 volte.
- Raccogliere 8 ml di soluzione TOP-Se (passo 1.1) e iniettare accuratamente ma rapidamente nel pallone a tre colli, attraverso il setto.
- Mescolare la reazione a 270 ° C per tra 30 sec e 10 min per controllare la dimensione delle particelle prodotte. Per emissione rossa (~ 600 nm), 7-9 min è adatto.
- Preparare una ciotola di acqua (grande abbastanza per immergere la metà del recipiente di reazione) e posto accanto alla miscela di reazione bollente. Dopo il tempo di reazione è completa, rapidamente raffreddare la reazione nel boiling acqua con vorticoso.
ATTENZIONE: Il raffreddamento può causare il fiasco di crack. Fare molta attenzione ed indossare guanti impermeabili di spessore. - Una volta fredda, iniettare 10 ml di cloroformio nel pallone per sciogliere tutti i prodotti, e dividere l'impasto tra due 50 ml provette da centrifuga.
- Top up ogni tubo fino a 50 ml con EtOH e centrifugare a 3600 g per 10 minuti per precipitare le particelle. Eliminare il supernatante e ri-disperdere i pellets in un totale di 10 ml di n-esano.
- ZnS bombardamento della CdSe Nucleo:
- Aggiungere i nuclei in esano a 100 ml a fondo tondo dietilditiocarbamato pallone contenente zinco (0,5 g, 1,4 mmol), oleilammina (3 ml, 9,12 mmoli), trioctylphosphine (3 ml, 6,73 mmoli) e 1-ottadecene (10 ml). Aggiungere un ancoretta. Scambiare l'atmosfera reazione di azoto.
- Riscaldare la reazione su una piastra-agitatore a 3,3 ° C / min sotto vuoto parziale sino a 70 ° C, e rimuovere l'esano utilizzando la linea Schlenk. Passare l'atmosfera di azoto e continuare riscaldamento di questo passo a 120 ° C. Mescolare a 120 ° C per 2 ore.
- Lasciare che la reazione si raffreddi, e dividere l'impasto tra le provette da centrifuga 2 × 50 ml. Assicurarsi che i tubi sono sormontate fino a 50 ml con EtOH far precipitare le particelle e centrifugare a 3.600 g per 10 min.
- Eliminare il supernatante e ri-disperdere i pellets in un totale di 10 ml di n-esano.
- Centrifuga questa soluzione (3.600 xg, 10 min) una volta di più per rimuovere eventuali impurità insolubili, prima di essere travasato in una provetta, e conservare in frigorifero (4 ° C), in atmosfera di azoto per un massimo di tre mesi.
2. Gonfiore incapsulamento di nanoparticelle in PDMS
- Gonfiore Soluzione Preparazione:
- Preparare una soluzione stock di CdSe QD mescolando 36 ml di n-esano con 4 ml di CdSe QD dispersione (come sintetizzato) e mescolare la soluzione magneticamente. </ Li>
- Mettere da parte due fiale ciascuna contenente 9 ml di soluzione madre come soluzioni gonfiore designati.
- Utilizzare il resto della soluzione di riserva per la preparazione di ulteriori soluzioni gonfiore delle concentrazioni variabili QD. Preparare tre soluzioni di rigonfiamento di concentrazione QD diminuendo diluendo la soluzione madre di dare una soluzione 66% (v / v), soluzione al 50% e la soluzione 33%.
- Preparare il 66% (v / v) mescolando 6 ml della soluzione madre CdSe QD con 3 ml di n-esano. Agitare la soluzione magneticamente per garantire la completa miscelazione.
- Preparare il 50% (v / v) miscelando 4,5 ml di soluzione stock CdSe QD con 4,5 ml di n-esano. Agitare la soluzione magneticamente per garantire la completa miscelazione.
- Preparare il 33% (v / v) mescolando 3 ml della soluzione madre CdSe QD con 6 ml di n-esano. Agitare la soluzione magneticamente per garantire la completa miscelazione.
- Conservare tutte le soluzioni QD sotto condizioni di buio, a temperatura ambiente. </ Li>
- Polymer Preparazione e QD incorporazione - variando la concentrazione QD nella soluzione Gonfiore:
- Tagliare quattro quadrati silicone di grado medico (11 mm x 11 mm) con una lama di bisturi fresca.
- Immergere un quadrato silicone medicale in ognuna delle quattro soluzioni gonfiore di diversa concentrazione% QD: soluzione madre, 66% (v / v), 50% (v / v) e 33% (v / v). Permettere ai campioni di polimero a gonfiarsi per 24 ore in condizioni di oscurità, ea temperatura ambiente.
- Rimuovere i campioni di polimero gonfi dalle soluzioni gonfiore e aria secca relativo in condizioni di oscurità per 48 ore, durante il quale il solvente evapora residue e polimeri si restringono alle loro dimensioni iniziali.
- Lavare i campioni QD-incorporato accuratamente con acqua deionizzata per rimuovere eventuali materiali di superficie vincolata.
- Polymer Preparazione e QD incorporazione - Variando il Polymer tempo di esposizione alla Soluzione Gonfiore:
- Preparare quattro maggiori piazze silicone di grado medico (11 mm x 11 mm), come indicato al punto 2.2.1.
- Immergere le piazze di grado medico di silicone nella soluzione di riserva gonfiore per vari periodi di tempo: 1 ora, 3 ore, 6 ore e 24 ore.
- Dopo rimozione dalla soluzione gonfiore, asciugare i campioni di polimero in condizioni gonfie scuri per 48 ore, in modo che il campione si ritrae alle sue dimensioni precedenti.
- Lavare i campioni QD-incorporato accuratamente con acqua deionizzata per rimuovere eventuali materiali di superficie vincolata o solvente residuo.
3. Visualizzazione delle nanoparticelle Swell incapsulamento in PDMS
- Preparazione del campione del silicone:
- Tagliare due quadrati di silicone con una lama di bisturi fresco (5,5 mm x 11 mm). Assicurarsi che espone la superficie interna dei campioni silicone.
- Imaging di fluorescenza:
- Mettere i campioni in silicone su un microscoscivolo PE per l'imaging, assicurando che il lato appena tagliata del polimero rende pieno contatto con il vetrino. Premere la parte in silicone leggermente verso il basso per assicurare un contatto regolare con il vetrino da microscopio. Posizionare il campione sul palco del microscopio.
- Misure complete durata fluorescenza utilizzando una linea laser spettralmente filtrata 488 nm comprendente su 5 impulsi PSEC ad una velocità di 20 MHz o simile. 23 utilizza un sistema di filtro sintonizzabile acusto-ottico, per direttamente coppia all'uscita del laser, in modo da generare il 488 linea laser nm. Focalizzare il fascio laser con una unità di scansione laser su misura (vedi informazioni supplementari), che viene riflesso da uno specchio dicroico (488 nm) nell'apertura posteriore di un obiettivo 10X e poi sul campione.
- Raccogliere l'emissione di fluorescenza con lo stesso obiettivo, che quindi passa attraverso lo stesso specchio dicroico. Dirigere questa luce verso un fotodiodo a valanga che opera in modalità single conteggio di fotoni. processo lifeti mi misurazioni con un time-correlato conteggio singolo fotone (TCSPC) bordo. 23
- Registrare la funzione di risposta dello strumento (IRF) all'inizio e alla fine di ogni sessione sperimentale. 23
Nota: Il segnale registrato nell'esperimento TCSPC dovrebbe mostrare il ritardo di tempo tra l'fotoni arrivo al rivelatore e la produzione del successivo impulso laser. Questo ritardo di tempo tuttavia, dovrebbe essere convoluta con la IRF dell'apparecchiatura di misura. Quindi, l'IRF è misurata come la risposta dello strumento a 100 nM auramina O, che ha una durata significativamente più breve (~ 100 psec) rispetto alla risposta strumentale. - Estrarre la durata dal raccordo non lineare del decadimento esponenziale dell'intensità fluorescenti e deconvolute questo dal IRF utilizzando un algoritmo 25-27 massima verosimiglianza (MLE). Il MLE (γ j) è calcolato come
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Dove n i è il numero di conteggi fotone a canale i, k è il numero di canali (o contenitori) per ogni decadimento di fluorescenza, p i (j) è la probabilità che un gruppo di fotoni cadrà nel canale i se le particelle hanno un j vita, e N è il numero totale di impulsi per un dato decadimento. - Registrare ogni intensità e durata dei dati campione di fluorescenza per 5 minuti, la creazione di una scansione continua costituito da 264 immagini con dimensioni di 512 × 512 pixel. Combinare questi per fornire intensità di fluorescenza a due dimensioni, durata e le mappe ponderate durata di intensità, con un MLE calcolato con soglia di 150 fotoni e di processo questo con MATLAB.
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Representative Results
I punti quantici esposti fluorescenza rossa, con un lambda max di circa 600 nm. 22,28 L'emissione rosso era dovuto al confinamento del eccitone dall'asta quantum cui dimensioni dimensioni sono all'interno del regime di confinamento forte. Li et al. Hanno mostrato che per aste quantistici, i turni di emissione per abbassare l'energia con un aumento della larghezza o lunghezza dell'asta. Essi inoltre dimostrato che l'emissione determinato principalmente dal confinamento laterale, che svolge un ruolo importante anche quando le barre sono molto lunghi, soprattutto quando la larghezza è inferiore al raggio Bohr del materiale in questione è in regime di confinamento forte. 29 microscopio elettronico a trasmissione (TEM) Imaging mostra la forma allungata dei QD (proporzioni ~ 2,5). La lunghezza media dei QD è rivelata 12,6 nm ± 2,1 nm (n = 200) (Figura 1). Le soluzioni QD sono rimasti stabili in frigorifero per un massimo di 3 mesi. immagini ingrandimento inferiore del QDs vengono fornite nei prospetti supplementari (SI - 1).
Durante il processo di incapsulamento, i campioni silicone visivamente gonfiato, espandendo ad una dimensione massima 15 mm × 15 mm × 2 mm dopo 1 ora soffiatura (dimensioni originarie, 11 millimetri × 11 mm x 1 mm). I campioni compattati al loro formato originale una volta che il solvente residuo evaporato (Figura 2). UV-Vis spettroscopia dimostrato che nanoparticelle incapsulamento non ha influenzato colorazione del polimero, quale spettri rimasto invariato per tutti i campioni incapsulati. Microscopio elettronico a scansione (SEM) di imaging del silicone successiva a gonfiarsi incapsulamento mostrato che arricciando in superficie, causato dal processo swell-ridursi. dispersivo Energy spettroscopia a raggi X (EDS) analisi ha mostrato evidenza delle QD CdSe, ed indicato vi è stato un aumento della presenza di questi elementi (Cd / SE) con gonfiore time. Il volume di rilevamento grande dell'analisi EDS non ha consentito per l'analisi quantitativa affidabile di copertura della superficie. immagini SEM e EDS dati sono fornite in informazioni supplementari (SI - 2/3).
Il profilo della penetrazione nanoparticella attraverso il polimero è stato mostrato con il taglio trasversale dei campioni silicone, in combinazione con eccitazione laser (setup microscopio mostrato in informazioni supplementari SI - 4). Le nanoparticelle fluorescenti QD risposto alla scansione laser incidente 488 nm ad emissione nella porzione rossa dello spettro visibile. I dati campione indicate che CdSe QD sono concentrate in corrispondenza delle superfici esterne del silicone, con un segnale sostanzialmente ridotta proveniente dal centro del campione. L'incursione dei QD nel polimero di silicone è stato ripreso con intensità bidimensionale vita ponderato (τw) mappe (numero di fotoni × vita). L'esposizione della croce-sectioprofilo nal lungo la metà dei campioni silicone garantire che il grado pieno di movimento nanoparticella attraverso il polimero può essere visualizzato (Figura 3). Longer volte swell incapsulamento (48 ore) forniti campioni sia con la più alta concentrazione superficiale di particelle, e la più alta quantità di permeazione particelle attraverso la massa del polimero, fino al centro del campione. Tempi più brevi tempi di incapsulamento (1, 4 e 24 ore) mostrano ancora un maggior numero di particelle in superficie, tuttavia il numero di particelle viene ridotta (figura 3). diluizioni seriali dalla soluzione madre (100%) sono stati usati per studiare gli effetti della variazione della concentrazione di nanoparticelle, sul successivo assorbimento di nanoparticelle nel polimero. La soluzione madre è stata diluita per ottenere la seguente concentrazione relativa gonfiore soluzioni al 66%, 50% e 33% v: v. Non ci sono differenze distinguibili nella imaging di fluorescenza è stata osservata quando la concentrazione è stata variata, quando swell incapsulato per 48 ore, indicando che il gonfiore concentrazione della soluzione di nanoparticelle non influisce l'assorbimento di nanoparticelle nel polimero.
La massima concentrazione superficiale delle nanoparticelle è stato osservato per campioni gonfiano incapsulati per 48 ore. L'intensità di fluorescenza di questi campioni è paragonabile a quella della soluzione gonfiore [~ 0,7 mM] (informazioni supplementari - SI - 5). La penetrazione massima delle particelle è dimostrato essere ~ 163 micron dal bordo esterno, con la concentrazione raggiunge metà massimo dopo 100 micron. Il tasso di penetrazione massima delle particelle è dimostrato di rallentare il tempo incapsulamento è aumento, passando da un tasso medio di penetrazione di 3,4 micron / ora per 48 ore i campioni, ad un tasso di campioni di 28 micron / ora gonfiarsi incapsulato per 4 ore (Informazioni supplementari - SI - 5).
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Figura 1. Quantum Dot Images. CdSe / immagini ZnS QD TEM mostrano asta come nanoparticelle. barra della scala mostra 10 nm. Lineamenti di singole particelle sono sovrapposti. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2. Polimero gonfiore. Foto illustra i campioni di silicone (a) prima, (b) durante e (c) dopo il solvente indotta gonfiore. L'aumento delle dimensioni (da 11 mm a 15 mm), si inverte dopo la piena essiccamento del silicone. Barra di scala mostra 10 mm. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. 
Figura 3. fluorescenza Lifetime immagini. Immagini che mostrano mappe 2D intensità calibrati a vita (fotone conteggio corso della vita). Le immagini mostrano i profili trasversali del centro delle porzioni polimeriche dopo: (A) 0 ore, (B) 1 ora (C) 4 ore, (D) 24 ore e (E) 48 ore di swell-incapsulamento . (F) di avanzamento Encapsulation è mostrato analizzando l'intensità normalizzata pesato vita per ciascuna immagine. Barre di scala mostrano 100 micron. Le barre di errore sono mostrare una deviazione standard della variazione dei risultati ottenuti. Questo dato è stato modificato da [22], riprodotto con il permesso della Royal Society of Chemistry. Clicca qui a view una versione più grande di questa figura.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Polydimethylsiloxane sheets | NuSil | - | Medical Grade |
| Oleylamine | Sigma Aldrich | O7805 | Technical Grade |
| Trioctylphosphine | Sigma Aldrich | 117854 | Technical Grade |
| Trioctylphosphine oxide | Sigma Aldrich | 346187 | Technical Grade |
| 1-Octadecene | Sigma Aldrich | O806 | Technical Grade |
| Zinc diethyldithiocarbamate | Sigma Aldrich | 329703 | - |
| Oleic acid | Sigma Aldrich | 364525 | Technical Grade |
| Triethylamine | Sigma Aldrich | 471283 | - |
| Cadmium oxide | Alfa Aesar | 33235 | - |
| Hexadecylamine | Alfa Aesar | B22459 | Technical Grade |
| 1-Dodecylphosphonic acid | Alfa Aesar | H26259 | - |
| Selenium powder | Acros | 19807 | - |
| Chloroform | Sigma Aldrich | 366919 | - |
| n-Hexane | Sigma Aldrich | 208752 | - |
| Microscope slides | VWR | 631-0137 | Thickness No. 1 |
References
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