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

Das übergeordnete Ziel dieser Analysetechnik besteht darin, Einblicke in die Einlagerung von Nanopartikeln in Polymatrixen zu erhalten. Die direkte Abbildung der Partikel ermöglicht eine Abschätzung lokaler Konzentrationen sowie der Gesamtaufnahmeraten. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen in der Materialchemie, einschließlich der Nanochemie, der Konzeptentwicklung für Materialien und der Katalyse, zu beantworten.

Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass die Einlagerung von nanopartikulären Materialien direkt abgebildet wird, sodass die gewonnenen Informationen mit keiner anderen einfachen Methode erzielt werden können. Die Durchführung des Verfahrens wird Dr. Sacha Noimark, Dr. Joe Bear und Dr. William Peveler zeigen. Post-Doc aus dem Labor von Professor Parkin am UCL.

Beginnen Sie dieses Verfahren mit der Herstellung der Cadmiumselenid-Kerne, wie im Textprotokoll beschrieben. Geben Sie in einen 100-Milliliter-Rundkolben mit braunem Boden Zinkdiethyldithiocarbamat, 1-Octadecen, Oleylamin, Trioctylphosphin und die Kerne in Hexan. Fügen Sie einen Rührstab hinzu und tauschen Sie die Reaktionsatmosphäre gegen Stickstoff aus.

Erhitzen Sie die Reaktion auf einem Heiz- und Rührgerät mit 3,3 Grad Celsius pro Minute unter Teilvakuum bis auf 70 Grad Celsius, wobei das Hexan über die Schlenk-Leitung entfernt wird. Wechseln Sie die Atmosphäre auf Stickstoff und setzen Sie das Erhitzen mit dieser Rate bis auf 120 Grad Celsius fort. Rühren Sie zwei Stunden lang bei 120 Grad Celsius.

Lassen Sie die Reaktion abkühlen und verteilen Sie das Gemisch auf zwei Zentrifugenröhrchen mit je 15 Milliliter. Injizieren Sie Chloroform in die Probe, bevor Sie die Lösung in die Röhrchen gießen. Stellen Sie sicher, dass die Röhrchen mit Ethanol auf 50 Milliliter aufgefüllt werden, um die Partikel auszufällen, und zentrifugieren Sie 10 Minuten bei 3600 × g.

Entfernen Sie den Überstand und resuspendieren Sie die Pellets insgesamt in 10 Milliliter n-Hexan. Zentrifugieren Sie die Lösung erneut, um unlösliche Verunreinigungen zu entfernen, bevor Sie sie in ein Probenröhrchen abgießen. Lagern Sie bei vier Grad Celsius unter einer Stickstoffatmosphäre bis zu drei Monate lang.

Zur Herstellung der Quelllösung bereiten Sie eine Stammlösung aus Cadmiumselenid-Quantenpunkten zu, indem Sie 36 Milliliter n-Hexan mit vier Millilitern der synthetisierten Cadmiumselenid-Quantenpunkt-Dispersion mischen. Rühren Sie die Lösung magnetisch um. Stellen Sie zwei Vials beiseite, die jeweils neun Milliliter der Stammlösung als vorgesehene Quelllösungen enthalten.

Verwenden Sie den Rest der Stammlösung zur Herstellung weiterer Quelllösungen mit variierenden Quantenpunkt-Konzentrationen. Bereiten Sie drei Quelllösungen abnehmender Quantenpunkt-Konzentration vor, indem Sie die Stammlösung verdünnen, um eine 66%-ige Lösung, eine 50%-ige Lösung und eine 33%-ige Lösung zu erhalten, wie im textbasierten Protokoll beschrieben. Lagern Sie alle Quantenpunkt-Lösungen lichtgeschützt bei Raumtemperatur.

Schneiden Sie anschließend vier Quadrate aus medizinischem Silikon mit einer frischen Skalpellklinge aus. Tauchen Sie jeweils ein Silikonquadrat aus medizinischem Silikon in die vier Quelllösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen an Quantenpunkten: Stammlösung, 66 %, 50 % und 33 %. Nachdem die Polymerproben 24 Stunden bei Raumtemperatur unter Dunkelbedingungen gequollen sind, nehmen Sie die gequollenen Polymerproben aus den jeweiligen Quelllösungen heraus. Lassen Sie die Proben 48 Stunden lang unter Dunkelbedingungen an der Luft trocknen, wobei das restliche Lösungsmittel verdunstet und die Polymere auf ihre ursprünglichen Abmessungen schrumpfen.

Als Nächstes spülen Sie die Proben mit eingebauten Quantenpunkten gründlich mit entionisiertem Wasser, um eventuell an der Oberfläche gebundene Materialien zu entfernen. Bereiten Sie anschließend vier weitere medizinische Silikonquadrate vor. Tauchen Sie diese für unterschiedliche Zeiträume in die Stammlösung zum Quellen ein: eine Stunde, drei Stunden, sechs Stunden und 24 Stunden.

Nach der Entnahme aus der Quelllösung die geschwollenen Polymerproben 48 Stunden lang unter Dunkelbedingungen lufttrocknen, sodass die Probe auf ihre ursprünglichen Abmessungen schrumpft. Die mit Quantenpunkten beladenen Proben gründlich mit entionisiertem Wasser waschen, um gebundene Oberflächenmaterialien oder restliche Lösungsmittel zu entfernen. Mit einer frischen Skalpellklinge zwei Quell-Schrumpf-Silikonquadrate ausschneiden.

Stellen Sie sicher, dass dadurch die innere Oberfläche der Silikonproben freigelegt wird. Legen Sie die Silikonproben zur Bildgebung auf einen Objektträger. Achten Sie darauf, dass die frisch geschnittene Seite des Polymers vollständigen Kontakt mit dem Glasobjektträger hat.

Drücken Sie den Silikonanteil leicht nach unten, um einen glatten Kontakt mit dem Objektträger sicherzustellen, bevor Sie die Fluoreszenzlebensdauermessungen gemäß dem Textprotokoll abschließen. Anschließend platzieren Sie die Probe auf dem Mikroskoptisch. Um die Fluoreszenzlebensdauermessungen durchzuführen, koppeln Sie den Laserausgang direkt an ein akkusto-optisches abstimmbares Filtersystem, um die 488 Nanometer Laserlinie zu erzeugen.

Fokussieren Sie den Laserstrahl mithilfe einer eigens gebauten Laserscaneinheit, der über einen dichroitischen Spiegel in die hintere Öffnung eines 10X-Objektivs und anschließend auf die Probe gelenkt wird. Weitere Anweisungen zum Durchführen von Messungen und zur Datenverarbeitung finden Sie im Textprotokoll. Gekühlte Quantenpunkte werden mittels Photolumineszenzspektroskopie charakterisiert, um Emission, Anregungsspektren und die gesamte Quantenausbeute zu messen.

Die in das Gel eingeschlossenen Quantenpunkte weisen eine hohe Photolumineszenz auf, daher ist die Helligkeit ein Hinweis auf eine erfolgreiche Gel-Einschließung. Querschnitte des Polymers können im Fluoreszenzmikroskop montiert werden, um den Grad der Gel-Einschließung zu messen. Wenn die Technik einmal beherrscht ist, kann sie bei korrekter Durchführung innerhalb von etwa 15 Minuten mit in das Gel eingeschlossenen Proben durchgeführt werden.

Während des Verfahrens ist es wichtig, daran zu denken, dass die zum Schneiden der Polymere verwendetete Klinge unverunreinigt und relativ scharf ist, da Unregelmäßigkeiten in diesem Stadium Artefakte in den Fluoreszenzbildern verursachen können. Nach diesem Verfahren können weitere Methoden wie die energiedispersive Röntgenspektroskopie sowie funktionelle Tests durchgeführt werden, um die Einbettungsmenge oder Oberflächenkonzentration weiter zu bewerten. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Forschern auf dem Gebiet der Werkstoffkunde den Weg, das Design von Nanopartikel-Composits unter Verwendung einer Vielzahl von Matrixmaterialien zu erforschen.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Cadmiumselenid äußerst gefährlich sein kann, und Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen geeigneter persönlicher Schutzausrüstung sowie die Arbeit in einer Abzugshaube stets zu beachten sind, wenn dieses Verfahren durchgeführt wird.