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Engineering

Análisis de la composición avanzada de compuestos de nanopartículas poliméricas Uso de la imagen de fluorescencia directa

Published: July 19, 2016 doi: 10.3791/54178
* These authors contributed equally

Introduction

La aplicación de nanomateriales ha servido durante mucho tiempo como un área de creciente interés para las nuevas tecnologías. 1-3 Esto ha incluido el creciente uso de nanopartículas en artículos de uso diario, incluyendo los cosméticos, la ropa, el envasado y la electrónica. 4-6 Una unidad importante hacia el uso de nanopartículas en materiales funcionales se debe a su mayor reactividad con respecto a los materiales, además de la capacidad de propiedades ajustar por variación de tamaño de partícula. 7 Una ventaja adicional es la capacidad de formar fácilmente materiales compuestos, la introducción de propiedades cruciales a la matriz huésped, tal como funcionalidad catalítica, material de refuerzo y puesta a punto de las propiedades eléctricas. 8-12

Materiales compuestos de nanopartículas poliméricas se pueden lograr a través de una serie de técnicas, la más simple de las cuales es la integración directa de las nanopartículas deseadas durante la fabricación de la matriz de acogida. 13,14 Esta resultados en un material homogéneo con una separación incluso de material de nanopartículas en todas partes. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren solamente el material activo a estar presentes en las interfaces externas de los nanocompuestos. Como resultado, la incorporación directa no resulta en un uso eficiente de material de nanopartículas a veces costosa ya que hay mucho desperdicio de nanopartículas a través de la mayor parte del material. 15,16 Para lograr la incorporación directa, las nanopartículas también deben ser compatibles con la formación de matriz anfitrión. Esto puede ser un reto, especialmente en las síntesis que requieren reacciones multifacéticos, tales como en el caso de los polímeros termoestables que son típicamente facilitada por metales mecanismos catalizadores de complejo que pueden ser afectados por las nanopartículas altamente activos. 14

Las desventajas considerables asociados con la incorporación de nanopartículas directa durante la síntesis del polímero, ha llevado al desarrollo de técnicas destinadas a limitar de plástic nanopartículassobre la superficie de la capa. 17-21 encapsulación Swell es una de las estrategias más exitosas en la literatura, para alcanzar concentraciones de nanopartículas de superficie de altura, con el desperdicio limitada en el grueso del polímero. 17-19 La técnica utiliza el disolvente impulsado hinchazón de polímero matrices, lo que permite la incursión de especies moleculares y nanopartículas. Tras la eliminación del disolvente de hinchamiento, las especies dentro de la matriz quedan fijados en su lugar, con la mayor concentración de especies localizadas en la superficie. Hasta la fecha, la mayoría de los usos notificados de encapsulación oleaje se dirigen hacia la fabricación de polímeros antimicrobianos, donde es fundamental que los agentes activos están en la superficie del material. Si bien muchos de estos informes muestran actividad antimicrobiana mejorada, la composición de nanopartículas precisa superficie rara vez se sondeó con detalle. Crick et al. Demostrado recientemente un método para la visualización directa de la incursión de nanopartículas, proporcionando insi fundamentallucha en la cinética y las concentraciones de nanopartículas de superficie obtenidos mediante encapsulación oleaje. 22

Este trabajo detalla la síntesis de los puntos cuánticos de seleniuro de cadmio (QD), su encapsulación oleaje en polidimetilsiloxano (PDMS) y la visualización directa de su incorporación utilizando imágenes de fluorescencia. El efecto de la variación de tiempo de hinchamiento de encapsulación y la concentración de nanopartículas en la solución de hinchamiento es explorado. La técnica de visualización de fluorescencia permite la formación de imágenes directa de incursión de nanopartículas en los PDMS y demuestra que la mayor concentración de puntos cuánticos está en la superficie del material.

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Protocol

1. Preparación de CdSe / ZnS Core / Shell Quantum Dots

  1. Preparación de la trioctilfosfina (TOP) solución -Se
    1. Preparar una solución 0,5 M de selenio en TOP mezclando la cantidad apropiada de Se en TOP en un matraz Schlenk en atmósfera de nitrógeno o en una caja de guantes (8 ml requeridos por reacción, típicamente 0,4 g disueltos en 10 ml de TOP).
    2. Se agita la mezcla para disolver el Se para 1 hr, dando como resultado una solución de color gris del complejo de TOP-Se.
    3. Asegúrese de que la solución se congele-bombeo-descongelación desgasificado 5 veces. La solución madre resultante se puede almacenar en atmósfera de nitrógeno durante 3 meses.
  2. Preparación de los núcleos de CdSe
    1. Pesar el óxido de cadmio (51 mg, 0,4 mmol), óxido de TOP (3,7 g, 9,6 mmol), hexadecilamina (1,93 g, 8 mmol) y 1-dodecylphosphonic ácido (0,22 g, 0,88 mmol) y se combinan en una de tres bocas, 250 matraz de fondo redondo ml. Añadir una barra de agitación.
    2. Cerrar dos cuellos con septos y garantizarla tercera está unido a un condensador de reflujo larga y una línea Schlenk de nitrógeno / vacío. Inserte una sonda de temperatura de calentamiento del manto a través de uno septum directamente en la mezcla. Bombear / rellenar el matraz con nitrógeno cinco veces.
    3. Calentar el matraz a 320 ° C y se agita la masa fundida para 1 h bajo una atmósfera de nitrógeno.
    4. Bajar la temperatura de la repisa de la chimenea a 270 ° C y luego utilizar una gran jeringa y una aguja de calibre ancho (20 ml, 3 mm de diámetro) para desgasificar con nitrógeno 5 veces.
    5. Toma 8 ml de la solución de TOP-Se (paso 1.1) y se inyecta cuidadosamente pero rápidamente en el matraz de tres bocas, a través del septo.
    6. Agitar la reacción a 270 ° C durante entre 30 segundos y 10 min para controlar el tamaño de las partículas producidas. Para emisión roja (~ 600 nm), 7-9 min es adecuado.
    7. Preparar un recipiente con agua (lo suficientemente grande para sumergir la mitad del recipiente de reacción) y el lugar junto a la mezcla de reacción hirviendo. Después de que se completa el tiempo de reacción, enfriar rápidamente la reacción en el boiling de agua con agitación.
      PRECAUCIÓN: El enfriamiento puede causar el matraz de roer. Tenga mucho cuidado y el desgaste gruesos guantes impermeables.
    8. Una vez frío, se inyectan 10 ml de cloroformo en el matraz para disolver todos los productos, y dividir la mezcla entre dos tubos de centrífuga de 50 ml.
    9. Llenar cada tubo hasta 50 ml con EtOH y se centrifuga a 3600 × g durante 10 minutos para precipitar las partículas. Eliminar el sobrenadante y volver a dispersar los gránulos en un total de 10 ml de n-hexano.
  3. ZnS bombardeo de la CdSe Core:
    1. Añadir los núcleos en hexano a 100 ml de dietilditiocarbamato matraz que contiene zinc de fondo redondo (0,5 g, 1,4 mmol), oleilamina (3 ml, 9,12 mmol), trioctilfosfina (3 ml, 6,73 mmol) y 1-octadeceno (10 ml). Añadir una barra de agitación. Intercambiar la atmósfera de reacción de nitrógeno.
    2. La reacción se calienta sobre una placa calefactora-agitador a 3,3 ° C / min bajo vacío parcial hasta los 70 ° C, y retirar el hexano mediante la línea de Schlenk. Cambiar la atmósfera de nitrógeno y se continúa calentando a esta velocidad a 120 ° C. Se agita a 120 ° C durante 2 hr.
    3. Deje enfriar la reacción, y la mezcla se dividió entre los tubos de centrífuga de 2 x 50 ml. Asegúrese de que los tubos están rematadas hasta 50 ml con EtOH para precipitar las partículas y se centrifuga a 3600 × g durante 10 minutos.
    4. Eliminar el sobrenadante y volver a dispersar los gránulos en un total de 10 ml de n-hexano.
    5. Centrífuga de esta solución (3.600 xg, 10 min) una vez más para eliminar cualquier impureza insoluble, antes de ser decanta en un tubo de muestra, y guardar en el refrigerador (4 ° C) bajo una atmósfera de nitrógeno durante un máximo de tres meses.

2. Inflamación La encapsulación de nanopartículas en PDMS

  1. Hinchazón Preparación de la solución:
    1. Preparar una solución madre de CdSe puntos cuánticos mediante la mezcla de 36 ml de n-hexano con 4 ml de la dispersión CdSe QD (como se sintetizó) y se agita la solución magnéticamente. </ Li>
    2. Ponga a un lado dos viales que contienen cada uno 9 ml de la solución madre como soluciones hinchazón designados.
    3. Utilice el resto de la solución madre para la preparación de nuevas soluciones hinchazón de concentraciones variables QD. Preparar tres soluciones de hinchamiento de disminuir la concentración de QD por dilución de la solución madre para dar una solución 66% (v / v), solución al 50% y la solución de 33%.
      1. Preparar el 66% (v / v) de solución mediante la mezcla de 6 ml de la solución madre CdSe QD con 3 ml de n-hexano. Se agita la solución magnéticamente para asegurar una mezcla completa.
      2. Preparar el 50% (v / v) de solución mediante la mezcla de 4,5 ml de la solución madre CdSe QD con 4,5 ml de n-hexano. Se agita la solución magnéticamente para asegurar una mezcla completa.
      3. Preparar el 33% (v / v) de solución mediante la mezcla de 3 ml de la solución madre CdSe QD con 6 ml de n-hexano. Se agita la solución magnéticamente para asegurar una mezcla completa.
    4. Almacenar todas las soluciones QD en condiciones de oscuridad, a temperatura ambiente. </ Li>
  2. Preparación de polímero y QD Incorporación - La variación de la concentración QD en la solución de hinchamiento:
    1. Cortar cuatro cuadrados de silicona de grado médico (11 mm x 11 mm) utilizando una hoja de bisturí fresco.
    2. Sumergir un cuadrado de silicona de grado médico en cada una de las cuatro soluciones de hinchamiento de concentración variable% QD: Solución Stock, 66% (v / v), 50% (v / v) y 33% (v / v). Permitir que las muestras de polímero se hinchen durante 24 horas en condiciones de oscuridad, y a temperatura ambiente.
    3. Retire las muestras poliméricas hinchadas de las soluciones de la hinchazón y secar al aire respectiva en condiciones de oscuridad durante 48 horas, tiempo durante el cual se evapora el disolvente residual y los polímeros se contraen de nuevo a sus dimensiones iniciales.
    4. Se lavan las muestras QD-incorporados a fondo con agua desionizada para eliminar cualquier material unidos a la superficie.
  3. Preparación de polímero y QD Incorporación - variando el tiempo de exposición del polímero a la solución de hinchamiento:
  4. Preparar cuatro más plazas de silicona de grado médico (11 mm x 11 mm), como se ha señalado en el punto 2.2.1.
  5. Sumergir las plazas de silicona de grado médico en la solución de la hinchazón durante períodos variables de tiempo: 1 hora, 3 horas, 6 horas y 24 horas.
  6. Después de la eliminación de la solución de hinchamiento, el aire seco las muestras de polímero hinchadas en condiciones de oscuridad durante 48 horas, de manera que la muestra se contrae de nuevo a sus dimensiones anteriores.
  7. Se lavan las muestras QD-incorporados a fondo con agua desionizada para eliminar cualquier material unidos a la superficie o disolvente residual.

3. Visualización de nanopartículas de oleaje encapsulación en PDMS

  1. Preparación de silicona de la muestra:
    1. Cortar dos cuadrados de silicona con una hoja de bisturí fresco (5,5 mm x 11 mm). Asegúrese de que esto expone la superficie interna de las muestras de silicona.
  2. Fluorescencia de Imagen:
    1. Colocar las muestras de silicona en un microscodiapositiva pe para formación de imágenes, asegurando que el lado recién cortado del polímero hace contacto total con el portaobjetos de vidrio. Presione la porción de silicona ligeramente hacia abajo para asegurar un contacto suave con el portaobjetos de un microscopio. Coloque la muestra en la platina del microscopio.
    2. Mediciones completas de fluorescencia de por vida utilizando una línea láser espectralmente filtrada de 488 nm que comprende de 5 pulsos PSEC a una velocidad de 20 MHz o similar. 23 Utilizar un sistema de filtro sintonizable óptico-acústico, para acoplar directamente a la salida del láser, a fin de generar el 488 línea láser nm. Enfocar el haz de láser utilizando una unidad de escaneo láser a la medida (véase la información complementaria), que es reflejada por un espejo dicroico (488 nm) en la abertura trasera de un objetivo de 10X y luego a la muestra.
      1. Recoger la emisión de fluorescencia con el mismo objetivo, que luego pasa a través del mismo espejo dicroico. Dirigir esta luz hacia un fotodiodo de avalancha que opera en el modo de recuento de fotones individuales. lifeti proceso me mediciones utilizando una tabla de recuento de fotones individuales correlacionado con el tiempo (TCSPC). 23
    3. Registre la función de respuesta del instrumento (IRF) al principio y al final de cada sesión experimental. 23
      Nota: La señal grabada en el experimento TCSPC debe mostrar el retardo de tiempo entre la llegada de fotones en el detector y la producción del pulso láser subsiguiente. Sin embargo, este tiempo de retardo, debe ser convolucionada con el IRF del aparato de medición. Por lo tanto, la IRF se mide como la respuesta del instrumento a 100 nM auramina O, que tiene un tiempo de vida significativamente más corta (~ 100 PSEC) en comparación con la respuesta instrumental.
    4. Extraer el curso de la vida por ajuste no lineal de la disminución exponencial de la intensidad de fluorescencia y deconvolute esto desde el IRF utilizando un estimador de máxima verosimilitud (MLE) algoritmo 25-27. El MLE (γ j) se calcula como
      eq1.jpg "/>
      Donde n i es el número de recuentos de fotones en el canal i, k es el número de canales (o contenedores) para cada disminución de la fluorescencia, p i (j) es la probabilidad de que un grupo de fotones caerá en el canal i, si las partículas tienen una vida j, y N es el número total de recuentos por un decaimiento dado.
    5. Registrar cada muestra de datos de intensidad de fluorescencia y de por vida para los 5 min, la creación de una exploración continua que consta de 264 imágenes con un tamaño de 512 x 512 píxeles. Combinan esos recursos a proporcionar la intensidad de fluorescencia de dos dimensiones, la vida útil y mapas de por vida ponderados de intensidad, con un MLE calculado con el umbral de 150 fotones y procesar este utilizando MATLAB.

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Representative Results

Los puntos cuánticos mostraron fluorescencia roja, con una lambda max de aproximadamente 600 nm. 22,28 La emisión roja era debido al confinamiento del excitón por la varilla cuántica cuyas dimensiones están dentro del tamaño fuerte régimen de confinamiento. Li et al. Mostró que para las barras cuántica, los cambios de emisión para reducir la energía con un aumento en el ancho o la longitud de la varilla. Se mostró además que la emisión determinada principalmente por el confinamiento lateral, que desempeña un papel importante, incluso cuando las barras son muy largos, especialmente cuando la anchura es menor que el radio de Bohr del material en cuestión, ya que es en el fuerte régimen de confinamiento. 29 microscopio electrónico de transmisión (TEM) de formación de imágenes muestra la forma alargada de los puntos cuánticos (relación de aspecto ~ 2,5). La longitud media de los puntos cuánticos se demostró que era 12,6 nm ± 2,1 nm (n = 200) (Figura 1). Las soluciones QD se mantuvieron estables en condiciones de refrigeración durante un máximo de 3 meses. imágenes de aumento más bajo de los puntos cuánticos se proporcionan en la información complementaria (SI - 1).

Durante el proceso de encapsulación, las muestras de silicona se hincharon visualmente, expandiendo a un tamaño máximo de 15 mm × 15 mm × 2 mm después de 1 hora en la inflamación (dimensiones originales, 11 mm × 11 mm × 1 mm). Las muestras reducido a su tamaño original una vez que el disolvente residual se evapora (Figura 2). UV-Vis mostró que la encapsulación de nanopartículas no afectó a la coloración del polímero, en el que los espectros se mantuvo sin cambios para todas las muestras encapsuladas. Microscopio electrónico de barrido (SEM) de imágenes de la silicona posterior a hincharse encapsulación mostró que arrugando en la superficie, causada por el proceso de hinchamiento de contracción. espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDS) análisis mostró evidencia de los puntos cuánticos de CdSe, e indicó que había un aumento de la presencia de estos elementos (cd / SE) con hinchazón tyo me. El gran volumen de detección del análisis EDS no permitió que para el análisis cuantitativo fiable de cobertura de la superficie. imagen SEM y EDS datos se proporcionan en la información complementaria (SI - 2/3).

El perfil de la penetración de nanopartículas a través del polímero se muestra a través de corte en sección transversal de las muestras de silicona, en combinación con excitación láser (configuración de microscopio se muestra en la información complementaria SI - 4). Las nanopartículas fluorescentes QD respondieron al barrido láser incidente 488 nm, emisión de luz en la parte roja del espectro visible. Los datos de la muestra indicados que CdSe puntos cuánticos se concentraron en las superficies externas de la silicona, con una señal sustancialmente reducida se origina desde el centro de la muestra. La incursión de los puntos cuánticos en el polímero de silicona se imágenes utilizando la intensidad de dos dimensiones vida útil ponderada (τw) mapas (recuento de fotones × toda la vida). La exposición de la cruz-seccióperfil nal a lo largo de la mitad de las muestras de silicona se aseguró de que el grado completo de movimiento de nanopartículas a través del polímero puede ser visualizado (Figura 3). Longer veces encapsulación oleaje (48 horas) proporcionaron muestras tanto con la concentración en la superficie más alta de las partículas, y la más alta cantidad de infiltración de partículas a través de la mayor parte del polímero, la derecha a través del centro de la muestra. Tiempos más cortos tiempos de encapsulación (1, 4 y 24 horas) todavía muestran un mayor número de partículas en la superficie, sin embargo, el número de partículas se reduce (Figura 3). Las diluciones en serie a partir de la solución madre (100%) se utilizaron para investigar los efectos de la variación de la concentración de nanopartículas, en la posterior captación de las nanopartículas en el polímero. La solución madre se diluyó hasta alcanzar la siguiente concentración relativa hinchazón soluciones a 66%, 50% y 33% v: v. No se observaron diferencias discernibles en la imagen de fluorescencia cuando se varió la concentración, cuando oleaje encapsulado durante 48 horas, lo que indica que la concentración de la solución de nanopartículas inflamación no afecta a la absorción de nanopartículas en el polímero.

Se observó que la concentración más alta de superficie de las nanopartículas para muestras hinchan encapsulados durante 48 horas. La intensidad de fluorescencia de estas muestras es comparable a la de la solución de hinchamiento [~ 0,7 M] (información complementaria - SI - 5). La penetración máxima de las partículas se demuestra que es ~ 163 m desde el borde exterior, con la concentración de llegar a la mitad del máximo después de 100 m. La velocidad de penetración máximo de partícula se muestra para reducir el tiempo de encapsulación es aumento, pasando de una tasa de penetración media de 3,4 m / hora durante 48 horas las muestras, a una tasa de muestras / hora 28 micras se hinchan encapsulado durante 4 horas (información complementaria - SI - 5).

s / ftp_upload / 54178 / 54178fig1.jpg "/>
Figura 1. Imágenes Quantum Dot. CdSe / ZnS imágenes QD TEM muestran barra como nanopartículas. La barra de escala muestra de 10 nm. Contornos de las partículas individuales se superponen. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. hinchamiento del polímero. La fotografía muestra las muestras de silicona (a) anterior, (b) durante y (c) después de la inflamación inducida por el disolvente. El aumento de tamaño (de 11 mm a 15 mm), se invierte en el pleno de secado de la silicona. La barra de escala muestra de 10 mm. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. figura 3
Figura 3. Imágenes de fluorescencia de por vida. Imágenes que muestran los mapas 2D intensidad ponderados por vida (fotones recuento de toda la vida). Las imágenes muestran los perfiles de la sección transversal del centro de las porciones de polímero después de: (A) 0 horas, (B) 1 hora, (C) 4 horas, (D) 24 horas y (E) 48 horas de oleaje-encapsulación . (F) el progreso de encapsulación se muestra mediante el análisis de la intensidad normalizada pesó de por vida para cada imagen. Las barras de escala muestran 100 micras. Las barras de error son mostrar una desviación estándar de la variación en los resultados obtenidos. Esta cifra ha sido modificado a partir de [22], reproducido con autorización de la Royal Society of Chemistry. Por favor, haga clic aquí para VIew una versión más grande de esta 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

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References

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