Introduction
A aplicação de nanomateriais serviu durante muito tempo como uma área de interesse crescente para novas tecnologias. 1-3 Isto incluiu o crescente uso de nanopartículas em produtos de uso diário, incluindo cosméticos, roupas, embalagens e produtos eletrônicos. 4-6 Um grande impulso para usando nanopartículas em materiais funcionais decorre da sua reactividade mais elevada em relação aos materiais, para além da capacidade de propriedades ajuste por variação da dimensão das partículas. 7 Uma outra vantagem é a capacidade de formar facilmente materiais compósitos, a introdução de propriedades cruciais para a matriz hospedeira, tal como funcionalidade catalítica, reforço de materiais e ajuste de propriedades elétricas. 8-12
Materiais compósitos nanopartícula-polímero pode ser conseguida através de uma variedade de técnicas, o mais simples dos quais é a integração directa das nanopartículas desejadas durante a fabricação da matriz hospedeira. 13,14 Este resultados em um material homogêneo com um espaçamento até de material de nanopartículas por toda parte. No entanto, muitas aplicações requerem apenas o material ativo para estar presente nas interfaces externas dos nanocompósitos. Como resultado, incorporação directa não resulta na utilização eficaz do material de nanopartículas vezes dispendioso, pois há muito resíduos de nanopartículas através da maior parte do material. Para alcançar 15,16 incorporação directa, as nanopartículas, também deve ser compatível com a formação da matriz hospedeira. Isto pode ser difícil, especialmente em sínteses que requerem reacções multifacetados, tais como no caso de polímeros de termocura que são normalmente facilitada por mecanismos de catalisadores de complexos de metal que podem ser afectados por nanopartículas altamente activos. 14
As consideráveis desvantagens associadas com a incorporação directa de nanopartículas durante a síntese de polímeros, levou ao desenvolvimento de técnicas destinadas a limitar incorpor nanopartículassobre a superfície da camada. 17-21 encapsulamento inchamento é uma das estratégias mais bem sucedidos relatados na literatura, para atingir concentrações de nanopartículas de superfície elevada, com o desperdício limitada na massa de polímero. 17-19 A técnica utiliza o inchaço conduzido solvente de polímero matrizes, permitindo a incursão de espécies moleculares e nanopartículas. Após a remoção do solvente o inchamento, as espécies dentro da matriz tornar-se fixa no lugar, com a concentração mais elevada de espécies localizadas na superfície. Até à data, a maior parte dos usos relatados de encapsulamento de inchamento são dirigidos para a fabricação de polímeros antimicrobianos, em que é fundamental que os agentes activos estão na superfície do material. Embora muitos desses relatórios mostram actividade antimicrobiana melhorada, a composição precisa de nanopartículas de superfície raramente é sondado em detalhe. Crick et ai. Demonstraram recentemente um método para a visualização directa de incursão de nanopartículas, proporcionando insi fundamentalluta para a cinética e concentrações de nanopartículas de superfície obtidos por encapsulamento swell. 22
Este trabalho detalha a síntese de pontos seleneto de cádmio quânticos (QD), o seu encapsulamento inchamento em polidimetilsiloxano (PDMS) e a visualização direta de sua incorporação usando imagens de fluorescência. O efeito de variar o tempo de encapsulação do inchamento e concentração de nanopartículas na solução inchaço é explorado. A técnica de visualização de fluorescência permite a imagiologia directa de incursão de nanopartículas em PDMS e demonstra que a maior concentração de QDs é na superfície do material.
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Protocol
1. Preparação de CdSe / ZnS Núcleo / Shell Quantum Dots
- Preparação da trioctilfosfina (TOPO) solução -Se
- Prepara-se uma solução 0,5 M de selênio em cima misturando a quantidade apropriada de Se para cima num balão de Schlenk sob atmosfera de azoto ou numa caixa de luvas (8 ml requerido por reacção, tipicamente, 0,4 g dissolvido em 10 mL de cima).
- Agita-se a mistura para dissolver o Se, durante 1 h, resultando numa solução cinzenta do complexo TOP-Se.
- Garantir que a solução é, então, congelar-bomba-descongelamento desgaseificado 5 vezes. A solução-mãe resultante pode ser armazenada sob azoto, durante 3 meses.
- Preparação dos núcleos de CdSe
- Pesar o óxido de cádmio (51 mg, 0,4 mmol), óxido de cima (3,7 g, 9,6 mmol), hexadecilamina (1,93 g, 8 mmol) e 1-dodecylphosphonic ácido (0,22 g, 0,88 mmol) e combinam-se um com três tubuladuras, de 250 ml balão de fundo redondo. Adicionar uma barra de agitação.
- Fechar duas pescoços com septos e garantirO terceiro é ligado a um condensador de refluxo e uma longa linha de Schlenk de azoto / vácuo. Insira uma sonda de temperatura manta de aquecimento através de um septo directamente para dentro da mistura. Bombear / encher o balão com azoto cinco vezes.
- Aquece-se o balão a 320 ° C e agita-se a massa fundida durante 1 h sob uma atmosfera de azoto.
- Abaixe a temperatura do manto a 270 ° C e, em seguida, usar uma grande seringa e agulha de furo larga (20 ml, 3 mm Furo) para degas com nitrogênio 5 vezes.
- Tome-se 8 ml da solução TOP-Se (passo 1.1) e injectar cuidadosamente mas rapidamente para o balão de três tubuladuras, através do septo.
- Agita-se a reacção a 270 ° C durante entre 30 segundos e 10 minutos para controlar o tamanho das partículas produzidas. Para emissão vermelha (~ 600 nm), 7-9 min é adequado.
- Prepara-se uma bacia de água (grande o suficiente para submergir metade do recipiente de reacção) e o local ao lado de ebulição da mistura reaccional. Após o tempo de reacção está completa, arrefecer rapidamente a reacção na boiling água com roda.
CUIDADO: O arrefecimento pode causar o frasco de crack. Tome muito cuidado e usar luvas impermeáveis de espessura. - Uma vez frio, injectar 10 ml de clorofórmio para o frasco para dissolver todos os produtos, e dividir a mistura entre dois tubos de centrífuga de 50 ml.
- Topo-se cada tubo até 50 ml com EtOH e centrifugar a 3600 x g durante 10 min para precipitar as partículas. Descartar o sobrenadante e re-dispersar os peletes num total de 10 ml de n-hexano.
- ZnS descasque do CdSe Núcleo:
- Adicionar os núcleos em hexano de 100 ml de fundo redondo de dietilditiocarbamato balão contendo zinco (0,5 g, 1,4 mmol), oleilamina (3 ml, 9,12 mmol), trioctilfosfina (3 ml, 6,73 mmol) e 1-octadeceno (10 ml). Adicionar uma barra de agitação. Trocar a atmosfera reação ao nitrogênio.
- Aquece-se a reacção numa placa de aquecimento, agitador a 3,3 ° C / min sob vácuo parcial até 70 ° C, e remover o hexano utilizando a linha de Schlenk. Mudar a atmosfera de azoto e continuar a aquecer a este ritmo até 120 ° C. Agita-se a 120 ° C durante 2 h.
- Permitir que a mistura de reacção arrefecer e dividir a mistura entre 2 × 50 ml de tubos de centrífuga. Assegurar os tubos são cobertos até 50 ml com EtOH para precipitar as partículas e centrifugar a 3600 x g durante 10 min.
- Descartar o sobrenadante e re-dispersar os peletes num total de 10 ml de n-hexano.
- Centrifugar esta solução (3600 xg, 10 min), mais uma vez para remover quaisquer impurezas insolúveis, antes de ser decantadas para um tubo de ensaio, e são armazenadas no frigorífico (4 ° C) sob uma atmosfera de azoto durante até três meses.
2. Inchaço encapsulamento de nanopartículas em PDMS
- Inchaço Preparação de Solução:
- Prepara-se uma solução estoque de CdSe QDs por mistura de 36 ml de n-hexano com 4 ml de dispersão CdSe QD (como sintetizado) e agita-se a solução magneticamente. </ Li>
- Separe dois frascos, cada um contendo 9 ml de solução de estoque de inchamento como soluções designadas.
- Use o restante da solução de estoque para a preparação de novas soluções de inchamento de concentrações variáveis QD. Preparar soluções de inchamento de três concentração QD diminuindo por diluição da solução para dar uma solução 66% (v / v), solução a 50% e solução a 33%.
- Prepara-se o (v / v) solução de 66% por mistura de 6 ml de solução de estoque CdSe QD com 3 ml de n-hexano. Agita-se a solução magneticamente para assegurar a mistura completa.
- Prepara-se o (v / v) de solução a 50% por mistura de 4,5 ml da solução de estoque CdSe QD com 4,5 ml de n-hexano. Agita-se a solução magneticamente para assegurar a mistura completa.
- Prepara-se o (v / v) de solução a 33% por mistura de 3 ml da solução de estoque CdSe QD com 6 ml de n-hexano. Agita-se a solução magneticamente para assegurar a mistura completa.
- Armazenar todas as soluções QD sob condições de pouca luz, à temperatura ambiente. </ Li>
- Polymer Preparação e QD Incorporação - variação da concentração QD na Solução Inchaço:
- Cortar quatro quadrados de silicone grau médico (11 mm x 11 mm) usando uma lâmina de bisturi fresco.
- Imergir um quadrado de silicone de qualidade médica em cada uma das quatro soluções de inchamento de concentração variando% QD: Solução Stock, 66% (v / v), 50% (v / v) e 33% (v / v). Permitir que as amostras de polímero a inchar durante 24 h sob condições de escuridão, e à temperatura ambiente.
- Retire as amostras de polímeros inchados do soluções inchaço e ar seco respectiva sob condições escuras durante 48 horas, tempo durante o qual o solvente evapora residuais e os polímeros encolher de volta às suas dimensões iniciais.
- Lavam-se as amostras incorporou-QD abundantemente com água desionizada para remover qualquer material ligado à superfície.
- Polymer Preparação e QD Incorporação - Variar o polímero Tempo de Exposição à Solução Inchaço:
- Prepare mais quatro quadrados de silicone grau médico (11 mm x 11 mm), como observado no 2.2.1.
- Mergulhe os quadrados de silicone grau médico na solução estoque inchaço por diferentes intervalos de tempo: 1 hora, 3 horas, 6 horas e 24 horas.
- Após a remoção a partir da solução inchaço, secar as amostras de polímeros inchados em condições escuras, durante 48 h, de tal forma que a amostra diminui de volta para as suas dimensões anteriores.
- Lavam-se as amostras incorporou-QD abundantemente com água desionizada para remover qualquer material ligado à superfície ou solvente residual.
3. Visualização de nanopartículas Swell Encapsulation em PDMS
- Preparação de silicone Amostra:
- Corte dois quadrados de silicone com uma lâmina de bisturi fresco (5,5 mm x 11 mm). Certifique-se de que esta expõe a superfície interna das amostras de silicone.
- Imagens de fluorescência:
- Coloque as amostras de silicone em um microscoslides pe para geração de imagens, garantindo que o lado recém-cortada do polímero faz contato total com a lâmina de vidro. Pressione a parte de silicone levemente para baixo para garantir um contato suave com a lâmina de microscópio. Colocar a amostra no palco de microscópio.
- Medições completas tempo de vida de fluorescência usando uma linha de laser espectralmente filtrada 488 nm, compreendendo de 5 impulsos PSEC a uma taxa de 20 MHz ou semelhante. 23 utilizar um sistema de filtro sintonizável acústico-óptico, para acoplar directamente para a saída do laser, a fim de gerar a 488 linha de laser nm. Concentrar o feixe de laser, utilizando uma unidade de varredura a laser custom-built (veja informações suplementares), que é refletida por um espelho dicróico (488 nm) na abertura traseira de uma objetiva de 10X e depois para a amostra.
- Recolha a emissão de fluorescência com o mesmo objetivo, que, em seguida, passa pelo mesmo espelho dicróico. Direcionar essa luz para um fotodiodo avalanche operando em modo de contagem de fótons individuais. lifeti processo me medições usando uma placa correlacionados em tempo único fóton contagem (TCSPC). 23
- Grave a função de resposta do instrumento (IRF) no início e no final de cada sessão experimental. 23
Nota: O sinal gravado no experimento TCSPC deve mostrar o atraso de tempo entre a chegada fótons no detector e a produção do impulso de laser subsequente. Este atraso de tempo no entanto, deve ser convolvido com o IRF do aparelho de medição. Assim, o IRF é calculada como a resposta do instrumento para 100 nM de Auramina O, que tem uma vida útil significativamente mais curto (~ 100 PSEC) em comparação com a resposta instrumental. - Extrai-se a tempo de vida por encaixe não-linear do decaimento exponencial da intensidade fluorescente e este deconvolute do IRF utilizando um algoritmo de probabilidade máxima estimador (MLE) 25-27. A MLE (γ j) é calculada como
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Onde n i é o número de contagens de fotões no canal de i, k é o número de canais (ou caixas) para cada um decaimento da fluorescência, p i (j) é a probabilidade de que um grupo de fotões irá cair no canal de i Se as partículas têm um tempo de vida J, e N é o número total de contagens para uma determinada deterioração. - Grave cada amostra de fluorescência dados de intensidade e duração de 5 min, criando uma varredura contínua que consiste de 264 imagens com tamanho de 512 × 512 pixels. Combiná-las para fornecer intensidade de fluorescência de duas dimensões, vitalícia e mapas de vida ponderada de intensidade, com um MLE calculado com limite de 150 fótons e do processo isso usando MATLAB.
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Representative Results
Os pontos quânticos exibiu fluorescência vermelha, com um lambda max de cerca de 600 nm. A emissão 22,28 vermelho era devido ao confinamento do éxciton pela haste quântica, cujas dimensões são de tamanho dentro do regime de confinamento forte. Li et al., Mostraram que para as hastes quântica, as mudanças de emissão de energia mais baixo com um aumento da largura ou comprimento da haste. Mostraram ainda que a emissão determinada principalmente pelo confinamento lateral, que desempenha um papel importante, mesmo quando as hastes são muito tempo, especialmente quando a largura é menor do que o raio de Bohr do material em questão, uma vez que está no regime de confinamento forte. 29 microscópio electrónico de transmissão (TEM) de imagem mostra a forma alongada dos QDs (relação de aspecto ~ 2,5). O comprimento médio das QDs foi mostrado ser 12,6 ± 2,1 nm nm (n = 200) (Figura 1). As soluções QD eram estáveis sob refrigeração por até 3 meses. imagens de menor ampliação dos QDs são fornecidos nas informações complementares (SI - 1).
Durante o processo de encapsulação, as amostras de silicone visualmente inchou, expandindo-se para um tamanho máximo de 15 mm x 15 milímetros x 2 mm após 1 hora no inchaço (dimensões originais, 11 milímetros x 11 milímetros x 1 mm). As amostras encolhido para o tamanho original uma vez que o solvente residual evaporado (Figura 2). UV-Vis mostrou que nanopartículas de encapsulamento não afectou coloração de polímero, em que os espectros permaneceu inalterado para todas as amostras encapsuladas. Scanning microscópio electrónico (SEM) de imagem do silicone subsequente encapsulamento inche mostrou que enrugamento na superfície, causada pelo processo de inchamento-encolher. energia dispersiva de espectroscopia de raios X (EDS) mostraram evidência dos QDs CdSe, e indicaram que não havia um aumento da presença destes elementos (CD / Se) com inchaço time. O volume de detecção grande da análise EDS não permitiu a análise quantitativa confiável de cobertura de superfície. imagem SEM e os dados EDS é fornecido em informações suplementares (SI - 2/3).
O perfil da penetração através da nanopartícula de polímero foi demonstrada por meio de corte transversal das amostras de silicone, em combinação com excitação por laser (configuração microscópio mostrado na informação complementar SI - 4). As nanopartículas QD fluorescentes responderam ao 488 nm de varrimento laser incidente, emitem luz na parte vermelha do espectro visível. Os dados das amostras indicadas que CdSe QDs foram concentradas nas superfícies externas do silicone, com um sinal substancialmente reduzida originando a partir do centro da amostra. A incursão dos QDs no polímero de silicone foi fotografada usando mapas intensidade bidimensional vida ponderada (τw) (contagem de fótons × vida). A exposição do cross-sectional perfil ao longo do meio de amostras de silicone assegurado que toda a extensão do movimento de nanopartículas através do polímero poderia ser visualizado (Figura 3). Prolongamento do tempo de inchamento de encapsulação (48 horas) fornecida com as amostras tanto a concentração de superfície mais elevada de partículas, e maior quantidade de partículas de permeação através da massa do polímero, para a direita através do centro da amostra. Tempos mais curtos tempos de encapsulamento (1, 4 e 24 horas) mostram ainda um maior número de partículas na superfície, no entanto, o número de partículas é reduzida (Figura 3). As diluições em série a partir desta solução (100%) foram utilizados para investigar os efeitos da variação da concentração de nanopartículas, sobre a absorção subsequente de nanopartículas no polímero. A solução-mãe foi diluída para alcançar a seguinte concentração relativa inchaço soluções a 66%, 50% e 33% v: v. Não houve diferenças perceptíveis na imagem de fluorescência foi observada quando a concentração foi variada, quando inchamento encapsulado durante 48 horas, o que indica que a concentração da solução de nanopartículas de inchaço não afecta a absorção de nanopartículas no polímero.
A concentração superficial de nanopartículas mais elevada foi observada para as amostras de inchamento encapsulado durante 48 horas. A intensidade de fluorescência destas amostras é comparável ao que na solução inchaço [~ 0,7 ^ M] (Informação suplementar - SI - 5). A penetração máxima de partículas é mostrado para ser ~ 163 uM a partir do bordo exterior, com a concentração máxima atingindo meia depois de 100 um. A taxa de penetração máxima das partículas é mostrado para diminuir o tempo de encapsulamento é aumento, passando de uma taxa média de penetração de 3,4 mm / hora por 48 horas as amostras, a uma taxa de amostras de 28 ^ m / hora incham encapsulado por 4 horas (Informações complementares - SI - 5).
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Figura 1. ponto quântico Images. CdSe / ZnS imagens QD TEM mostrando haste como nanopartículas. Barra de escala mostra 10 nm. Esboços de partículas individuais são sobrepostas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Polímero inchaço. A fotografia mostra as amostras de silicone (a) antes, (b) durante e (c) após o solvente induziu inchaço. O aumento de tamanho (de 11 mm a 15 mm), é revertido após a completa secagem do silicone. Barra de escala mostra 10 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 
Figura 3. Fluorescência Lifetime imagens. Imagens que mostram mapas 2D intensidade ponderadas durante a vida (photon contagem de tempo de vida). As imagens mostram os perfis de secção transversal do centro das porções de polímero após a: (a) 0 horas, (B) 1 hora, (C) 4 horas, (D) 24 horas e (E) de 48 horas de inchamento-encapsulação . (F) o progresso encapsulamento é mostrado por análise da intensidade normalizada pesava vida para cada imagem. As barras de escala mostram 100 um. As barras de erro são mostram um desvio padrão da variação nos resultados obtidos. Esta figura foi modificado a partir de [22], reproduzido com permissão da The Royal Society of Chemistry. Por favor clique aqui para view uma versão maior desta 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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