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Methodenartikel

Erweiterte Analyse der Zusammensetzung von Nanopartikel-Polymer Composites mittels direkter Fluoreszenz-Imaging

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DOI:

10.3791/54178

⸱

19. Juli 2016

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Chemistry, Imperial College London, 2Department of Medical Physics and Biomedical Engineering, University College London, 3Department of Chemistry, University College London

* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Hier stellen wir eine zuverlässige Methode vor, um den Einbau von Nanopartikeln in eine Polymer-Wirtsmatrix durch Quellverkapselung zu überwachen. Wir zeigen, dass die Oberflächenkonzentration von Cadmiumselenid-Quantenpunkten durch Querschnitts-Fluoreszenzbildgebung genau sichtbar gemacht werden kann.

Zusammenfassung

Die Herstellung von Polymer-Nanopartikel-Kompositen ist bei der Entwicklung vieler Funktionsmaterialien äußerst wichtig. Die Identifizierung der genauen Zusammensetzung dieser Materialien ist von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei der Entwicklung von Oberflächenkatalysatoren, bei denen die Oberflächenkonzentration der aktiven Komponente die Aktivität des Materials bestimmt. Antimikrobielle Materialien, die Nanopartikel verwenden, sind ein besonderer Schwerpunkt dieser Technologie. In jüngster Zeit hat sich die Quellverkapselung als Technik zum Einbringen von antimikrobiellen Nanopartikeln in eine Polymermatrix des Wirts herausgestellt. Die Quellverkapselung bietet den Vorteil, dass der Einbau in die Außenflächen von Materialien, die als aktive Zentren dieser Materialien fungieren, lokalisiert werden kann. Die Quantifizierung dieser Nanopartikelaufnahme ist jedoch eine Herausforderung. Frühere Studien untersuchten den Zusammenhang zwischen antimikrobieller Aktivität und Oberflächenkonzentration des Wirkstoffs, dies ist jedoch nicht direkt sichtbar. Hier zeigen wir eine zuverlässige Methode, um den Einbau von Nanopartikeln in eine Polymer-Wirtsmatrix mittels Quellverkapselung zu überwachen. Wir zeigen, dass die Oberflächenkonzentration von CdSe/ZnS-Nanopartikeln durch Querschnitts-Fluoreszenzbildgebung genau sichtbar gemacht werden kann. Mit dieser Methode können wir die Aufnahme von Nanopartikeln über die Quellverkapselung quantifizieren und die Oberflächenkonzentration von verkapselten Partikeln messen, was für die Optimierung der Aktivität von Funktionsmaterialien von entscheidender Bedeutung ist.

Einleitung

Die Anwendung von Nanomaterialien ist seit langem als ein Gebiet von Interesse für neue Technologien zu erhöhen serviert. 1-3 Diese die wachsende Verwendung von Nanopartikeln in Artikel des täglichen Bedarfs enthalten ist, einschließlich Kosmetika, Kleidung, Verpackung und Elektronik. 4-6 Ein Hauptantrieb zu Nanopartikeln in funktionellen Materialien ergibt sich aus ihrer höheren Reaktivität gegenüber den Materialien zusätzlich zu der Fähigkeit, tune Eigenschaften durch Variation der Partikelgröße. 7 Ein weiterer Vorteil die Fähigkeit , leicht zu Verbundmaterialien bilden, entscheidenden Eigenschaften der Wirtsmatrix einzuführen, wie beispielsweise katalytische Funktionalität, Material Stärkung und Optimierung der elektrischen Eigenschaften. 8-12

Nanopartikel-Polymer - Verbundstoffe können durch eine Reihe von Techniken erreicht werden, die einfachste davon ist die direkte Integration der gewünschten Nanopartikel während der Herstellung der Wirtsmatrix. 13,14 Diese rrgebnisse in einem homogenen Material mit einer gleichmäßigen Abstand von nanopartikulären Material im gesamten Gebäude. Jedoch erfordern viele Anwendungen nur das aktive Material an den äußeren Grenzflächen der Nanokomposite vorliegen. Als Ergebnis Material direkte Einbindung führt nicht zu einer effizienten Nutzung der manchmal teuer Nanopartikel , da es viel Nanopartikel Abfall durch die Masse des Materials ist. 15,16 direkte Einbindung zu erreichen, auch die Nanopartikel mit dem Host - Matrixbildung kompatibel sein müssen. Dies kann schwierig sein, insbesondere in Synthesen , die vielseitige Reaktionen wie im Falle von duroplastischen Polymeren erfordern , die durch Metallkomplexkatalysatoren Mechanismen typischerweise erleichtert werden, die von hochaktiven Nanoteilchen beeinträchtigt werden kann. 14

Die erheblichen Nachteile, die mit direkten Nanoteilchen Inkorporation während der Polymersynthese, hat zur Entwicklung von Verfahren geführt, ausgerichtet Nanopartikel diedrei zu begrenzenauf der Oberflächenschicht. 17-21 Swell Kapselung ist eine der erfolgreichsten Strategien in der Literatur berichtet, hohe Oberflächennanopartikelkonzentrationen mit begrenztem Streuverluste in der Polymermasse zu erreichen. 17-19 Die Technik des Lösungsmittels angetrieben Quellung des Polymers verwendet Matrizen, so dass für das Eindringen von molekularen Spezies und Nanopartikel. Nach dem Entfernen des quellenden Lösungsmittels, die Spezies innerhalb der Matrix geworden in Position fixiert ist, mit der höchsten Konzentration der Spezies an der Oberfläche lokalisiert. Bis heute sind die meisten der berichteten Verwendungen von Dünung Verkapselung in Richtung der Herstellung von antimikrobiellen Polymeren gerichtet, wo es Schlüssel ist, dass die aktiven Mittel an der Materialoberfläche sind. Während viele dieser Berichte verbesserte antimikrobielle Aktivität zeigen, wird die genaue Oberfläche Nanopartikel Zusammensetzung selten im Detail untersucht. Crick et al. Haben kürzlich gezeigt , ein Verfahren für die direkte Visualisierung von Nanopartikel incursion, Bereitstellen entscheidend insight in der Kinetik und Oberflächennanopartikelkonzentrationen durch Seegang Verkapselung erreicht. 22

Diese Arbeit beschreibt die Synthese von Cadmiumselenid Quantenpunkten (QD), deren Quellung Einkapselung in Polydimethylsiloxan (PDMS) und die direkte Sichtbarmachung ihrer Inkorporation unter Verwendung von Fluoreszenz-Bildgebung. Die Wirkung von variierenden Dünung Einkapselung Zeit und Nanopartikelkonzentration in der Quell-Lösung wird untersucht. Die Fluoreszenz-Visualisierungstechnik ermöglicht die direkte Abbildung von Nanopartikel-Einfall in den PDMS und zeigt, dass die höchste Konzentration von QD an der Materialoberfläche ist.

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Protokoll

1. Herstellung von CdSe / ZnS Kern / Schale Quantum Dots

  1. Vorbereitung der Trioktylphosphin (TOP) -Se Lösung
    1. Bereiten Sie eine 0,5 M-Lösung von Selen in TOP durch die entsprechende Menge an Se in TOP in einem Schlenk-Kolben unter Stickstoff Mischen oder in einer Glovebox (8 ml pro Reaktion erforderlich ist, in der Regel 0,4 g in 10 ml TOP) gelöst.
    2. Rühren Sie die Mischung die Se 1 Stunde auflösen, was zu einer grauen Lösung des TOP-Se-Komplex.
    3. Sicherzustellen, die Lösung wird dann gefrier Pump-Auftau-5-mal entgast. Die sich ergebende Stammlösung kann für 3 Monate unter Stickstoff aufbewahrt werden.
  2. Herstellung der CdSe - Kerne
    1. Abwiegen Cadmiumoxid (51 mg, 0,4 mmol), TOP oxid (3,7 g, 9,6 mmol), Hexadecylamin (1,93 g, 8 mmol) und 1-dodecylphosphonic säure (0,22 g, 0,88 mmol) und verbinden sich in einem Dreihals-250 ml-Rundkolben. Fügen Sie einen Rührstab.
    2. Schließen zwei Hälse mit Septen und sicherzustellen,die dritte ist mit einem langen Rückflußkühler und einem Stickstoff / Vakuum-Schlenk Leitung angeschlossen. Legen Sie eine Heizmantel Temperaturfühler durch ein Septum direkt in die Mischung. Pumpe / füllen Sie den Kolben mit Stickstoff fünfmal.
    3. Heizen Sie den Kolben auf 320 ° C und unter Rühren der Schmelze 1 Stunde unter einer Stickstoffatmosphäre.
    4. Senken Sie die Temperatur des Mantels bis 270 ° C und dann verwenden, um eine große Spritze und breite Bohrung Nadel (20 ml, 3 mm Bohrung) zum Entgasen mit Stickstoff 5 mal.
    5. Nehmen Sie bis 8 ml der TOP-Se-Lösung (Schritt 1.1) und injizieren vorsichtig, aber schnell in den Dreihalskolben, durch das Septum.
    6. Rühre das Reaktionsgemisch bei 270 ° C für 30 sec und 10 min, um die Größe der Teilchen zu steuern. Für rote Emission (~ 600 nm), 7-9 min geeignet.
    7. Bereiten Sie eine Schüssel Wasser (groß genug, um die Hälfte des Reaktionsgefäßes zu versenken) siedendes und Platz neben der Reaktionsmischung. Nach der Reaktionszeit beendet ist, kühlt schnell die Reaktion in der boiling Wasser mit wirbelnden.
      ACHTUNG: Die Kühlung kann der Kolben führen zu knacken. Achten Sie unbedingt auf und tragen dicke undurchlässige Handschuhe verwenden.
    8. Nach dem Abkühlen injizieren 10 ml Chloroform in den Kolben alle Produkte zu lösen, und teilen Sie die Mischung zwischen zwei 50 ml Zentrifugenröhrchen.
    9. Top up jedes Rohr bis zu 50 ml mit EtOH und Zentrifuge bei 3.600 × g für 10 min die Partikel auszufällen. Überstand verwerfen und neu zu verteilen, die Pellets in einer Gesamtmenge von 10 ml n-Hexan.
  3. ZnS Beschuss der CdSe Kern:
    1. Fügen Sie die Kerne in Hexan in einen 100 ml Rundkolben, der Zinkdiethyldithiocarbamat (0,5 g, 1,4 mmol), Oleylamin (3 ml, 9,12 mmol), Trioctylphosphin (3 ml, 6,73 mmol) und 1-Octadecen (10 ml). Fügen Sie einen Rührstab. Tauschen Sie die Reaktionsatmosphäre zu Stickstoff.
    2. Die Reaktion wird auf einer Heizplatte-Rührer bei 3,3 ° C / min unter einem Teilvakuum bis 70 ° C, und entfernen Sie das Hexan, um die Schlenk-Leitung.
    3. Schalten Sie die Atmosphäre in Stickstoff und weiterhin Erhitzen bei dieser Geschwindigkeit bis 120 ° C. Man rührt bei 120 ° C für 2 Stunden.
    4. Lassen Sie die Reaktion abkühlen, und teilen Sie die Mischung zwischen 2 x 50 ml Zentrifugenröhrchen. Sicherstellen, dass die Röhrchen werden auf 50 ml mit EtOH nachgefüllt, um die Teilchen und zentrifugieren bei 3.600 × g für 10 min ausgefällt.
    5. Überstand verwerfen und neu zu verteilen, die Pellets in einer Gesamtmenge von 10 ml n-Hexan.
    6. Zentrifuge Diese Lösung (3.600 xg, 10 min) einmal alle unlöslichen Verunreinigungen zu entfernen, bevor sie in ein Probenröhrchen dekantiert wird, und lagern in den Kühlschrank (4 ° C) unter einer Stickstoffatmosphäre für bis zu drei Monaten.

2. Geschwulst Verkapselung von Nanopartikeln in PDMS

  1. Anschwellen Herstellung der Lösung:
    1. Bereiten Sie eine Stammlösung von CdSe QD durch Mischen 36 ml n-Hexan mit 4 ml CdSe QD Dispersion (wie synthetisiert) und rühren die Lösung magnetisch.
    2. Nehmen Sie sich zwei Fläschchen mit je 9 ml der Stammlösung als Designated Quelllösungen.
    3. Verwenden Sie den Rest der Stammlösung zur Herstellung von weiteren Anschwellen Lösungen von QD-Konzentrationen variieren. Bereiten drei Quelllösungen abnehmender Konzentration QD von der Stammlösung Verdünnen einer 66% (v / v) Lösung, 50% ige Lösung und 33% Lösung zu ergeben.
      1. Bereiten Sie die 66% (v / v) Lösung, die durch Mischen von 6 ml der CdSe QD Stammlösung mit 3 ml n-Hexan. Rühren Sie die Lösung magnetisch vollständige Durchmischung zu gewährleisten.
      2. Bereiten Sie die 50% (v / v) Lösung von 4,5 ml der CdSe QD-Stammlösung mit 4,5 ml n-Hexan gemischt wurde. Rühren Sie die Lösung magnetisch vollständige Durchmischung zu gewährleisten.
      3. Bereiten Sie die 33% (v / v) Lösung, die durch Mischen von 3 ml der CdSe QD Stammlösung mit 6 ml n-Hexan. Rühren Sie die Lösung magnetisch vollständige Durchmischung zu gewährleisten.
    4. Speichern Sie alle der QD-Lösungen unter dunklen Bedingungen, bei Raumtemperatur.
  2. Polymerherstellung und QD Incorporation - Variieren der QD - Konzentration in der Quell - Lösung:
    1. Schneiden Sie vier medizinischem Silikon Quadrate (11 mm x 11 mm) mit einem frischen Skalpell verwendet wird.
    2. Tauchen Sie ein medizinisches Silikon Platz in jeder der vier Quellen Lösungen unterschiedlicher% QD-Konzentration: Stammlösung, 66% (v / v), 50% (v / v) und 33% (v / v). Lassen Sie die Polymerproben für 24 Stunden unter dunklen Bedingungen zu quellen, und bei Raumtemperatur.
    3. Entfernen Sie die gequollenen Polymerproben aus dem jeweiligen Schwellung Lösungen und der Luft trocknen unter dunklen Bedingungen für 48 Stunden, während welcher Zeit das restliche Lösungsmittel verdampft und die Polymere wieder auf ihre ursprünglichen Abmessungen schrumpfen.
    4. Waschen Sie die QD-integriert Proben mit entsalztem Wasser gründlich jegliche Oberfläche gebundenen Materialien zu entfernen.
  3. Polymerherstellung und QD Incorporation - Variation der Belichtungs Polymer Zeit zur Quellung Lösung:
    1. Bereiten Sie vier weitere medizinischem Silikon Quadrate (11 mm x 11 mm), wie in 2.2.1 angegeben.
    2. Tauchen Sie die medizinischem Silikon Quadrate in den Aktien Anschwellen Lösung für Zeiträume variiert: 1 Stunde, 3 Stunden, 6 Stunden und 24 Stunden.
    3. Nach der Entnahme aus der Quell-Lösung, trockene Luft die geschwollenen Polymerproben unter dunklen Bedingungen für 48 Stunden, so dass die Probe auf seine früheren Dimensionen schrumpft zurück.
    4. Waschen Sie die QD-integriert Proben mit entsalztem Wasser gründlich jegliche Oberfläche gebundenen Materialien oder das restliche Lösungsmittel zu entfernen.

3. Visualisierung von Nanoparticle Swell Encapsulation in PDMS

  1. Silikon - Probenvorbereitung:
    1. Schneiden Sie zwei Silikon-Quadrate mit einem frischen Skalpellklinge (5,5 mm x 11 mm). Stellen Sie sicher, dass dies die innere Oberfläche der Siliconproben aussetzt.
  2. Fluoreszenz - Imaging:
    1. Legen Sie die Silikon Proben auf einem microscope Rutsche für die Bildgebung, um sicherzustellen, dass die frisch geschnittenen Seite des Polymer vollen Kontakt mit dem Glasträger macht. Drücken Sie die Silikon-Teil leicht nach unten einen glatten Kontakt mit dem Objektträger zu gewährleisten. Legen Sie die Probe auf der Bühne des Mikroskops.
    2. Komplette Lebensdauermessungen Fluoreszenz eine 488 nm spektral gefilterte Laserlinie , umfassend von 5 psec Impulse mit einer Rate von 20 MHz oder ähnliche. 23 Verwendung eines akustooptischen abstimmbaren Filtersystem, um direkt Paar an den Laserausgang, um unter Verwendung des 488 zu erzeugen , nm Laserlinie. Fokus des Laserstrahls mit einem maßgeschneiderten Laserscaneinheit (siehe Zusatzinformationen), die durch einen dichroitischen Spiegel (488 nm) in die hintere Öffnung eines 10X-Objektiv und dann auf die Probe reflektiert wird.
      1. Sammeln Sie die Fluoreszenzemission mit dem gleichen Ziel, dass dann der gleichen dichroitischen Spiegel durchläuft. Richten Sie dieses Licht in Richtung einer Lawinenphotodiode in Einzelphotonenzählung Modus arbeitet. Prozess lifeti mir Messungen eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC) Board verwendet wird . 23
    3. Nehmen Sie das Gerät Antwortfunktion (IRF) am Anfang und am Ende eines jeden experimentellen Sitzung. 23
      Hinweis: Das aufgezeichnete Signal in der TCSPC Experiment sollte zwischen der Photonen Ankunft am Detektor und die Herstellung der nachfolgenden Laserpulses die Zeitverzögerung zeigen. Diese Zeitverzögerung sollte jedoch mit der IRF der Meßvorrichtung gefaltet werden. Daher wird das IRF als Antwort des Instruments gemessen auf 100 nM Auramin O, die eine wesentlich kürzere Lebensdauer hat (~ 100 psec) im Vergleich zu der Instrumentenantwort.
    4. Extrahieren , die Lebensdauer durch nichtlineare Einpassen des exponentiellen Abfall der Fluoreszenzintensität und Dekonvolution dies aus der IRF unter Verwendung eines Maximum - Likelihood - Schätzer (MLE) -Algorithmus 25-27. Die MLE (γ j) wird wie folgt berechnet
      eq1.jpg "/>
      Wobei n i die Anzahl der Photonenzählereignisse in Kanal i, k die Anzahl der Kanäle (oder Behälter) für jede Fluoreszenzabklingzeit ist, p i (j) die Wahrscheinlichkeit , dass eine Gruppe von Photonen in Kanal fallen i , wenn die Partikel eine Lebensdauer j und N die Gesamtanzahl von Zählwerten für einen gegebenen Zerfall.
    5. Nehmen Sie jede Probe Fluoreszenzintensität und Lebensdauerdaten für 5 min, eine kontinuierliche Abtastung, bestehend aus 264 Bilder mit einer Größe von 512 × 512 Pixeln zu schaffen. Kombinieren Sie diese zweidimensionalen Fluoreszenzintensität zu liefern, Lebensdauer und Intensität gewichtete Lebensdauer Karten, mit einem berechneten MLE mit Schwelle von 150 Photonen und verarbeiten diese mit MATLAB.

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Ergebnisse

Die Quantenpunkte rote Fluoreszenz, mit einem Lambda - Max von etwa 600 nm aufwiesen. 22,28 Die rote Emission war wegen der Begrenzung der Exzitonen durch die Quantenstange , deren Größenmaße innerhalb der starken Confinement - Regime. Li et al. Zeigten , daß die Emissionsverschiebungen für Quantenstäbe, Energie mit einer Zunahme in entweder der Stabbreite oder -länge zu senken. Sie zeigten ferner , daß die Emission hauptsächlich durch die seitliche Begrenzung bestimm...

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Diskussion

Die Querschnitts-Fluoreszenzbildgebung ermöglicht die direkte Visualisierung von Nanopartikeln während der Quellverkapselung. Die Kinetik der Verkapselung wurde gezeigt, wobei das Streben nach einer hohen Oberflächenkonzentration der Nanopartikel demonstriert wurde. Es wird gezeigt, dass das Ausmaß des Einbaus von Nanopartikeln mit der Verkapselungszeit der Wellung (beschrieben in Abschnitt 2.3) variiert, wobei die Gesamtmenge der eingebauten Nanopartikel mit zunehmender Dauer dieser Zeit zunimmt, wobei die Partikelkonze...

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Offenlegungen

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

C.R.C. möchte dem Ramsay Memorial Trust für die Finanzierung danken.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Polydimethylsiloxan-PlattenNuSil-MedicalGrade
OleylaminSigma AldrichO7805Technical Grade
TrioctylphosphinSigma Aldrich117854Technical Grade
TrioctylphosphinoxidSigma Aldrich346187Technical Grade
1-OctadecenSigma AldrichO806Technische Qualität
ZinkdiethyldithiocarbamatSigma Aldrich329703-Ölsäure
Sigma Aldrich364525technische Qualität
TriethylaminSigma Aldrich471283-Cadmiumoxid
Alfa Aesar33235-Hexadecylamin
Alfa AesarB22459Technische Qualität
1- DodecylphosphonsäureAlfa AesarH26259-Selen
PulverAcros19807-Chloroform
Sigma Aldrich
366919-n-HexanSigma Aldrich
208752-ObjektträgerVWR631-0137Dicke Nr. 1

Referenzen

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QuellverkapselungQuerschnittsfluoreszenzFluoreszenzmikroskopieQuantenpunkt-QuantifizierungPolymermatrizenanalyseOberflächenkonzentrationsmessungLebenszeit-FluoreszenzmessungenPhotolumineszenzspektroskopie
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