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

Resumen

Aquí presentamos un método confiable para monitorear la incorporación de nanopartículas en una matriz huésped de polímero a través de la encapsulación por hinchamiento. Demostramos que la concentración superficial de puntos cuánticos de seleniuro de cadmio se puede visualizar con precisión a través de imágenes de fluorescencia transversales.

Resumen

La fabricación de compuestos poliméricos-nanopartículas es extremadamente importante en el desarrollo de muchos materiales funcionales. La identificación de la composición precisa de estos materiales es esencial, especialmente en el diseño de catalizadores de superficie, donde la concentración superficial del componente activo determina la actividad del material. Los materiales antimicrobianos que utilizan nanopartículas son un foco particular de esta tecnología. Recientemente, la encapsulación por hinchamiento ha surgido como una técnica para insertar nanopartículas antimicrobianas en una matriz polimérica huésped. La encapsulación por oleaje proporciona la ventaja de localizar la incorporación a las superficies externas de los materiales, que actúan como sitios activos de estos materiales. Sin embargo, la cuantificación de esta absorción de nanopartículas es un desafío. Estudios previos exploran la relación entre la actividad antimicrobiana y la concentración superficial del componente activo, pero esto no se visualiza directamente. Aquí mostramos un método confiable para monitorear la incorporación de nanopartículas en una matriz huésped de polímero a través de la encapsulación por hinchamiento. Demostramos que la concentración superficial de nanopartículas de CdSe/ZnS se puede visualizar con precisión a través de imágenes de fluorescencia transversales. Con este método, podemos cuantificar la absorción de nanopartículas a través de la encapsulación por hinchamiento y medir la concentración superficial de partículas encapsuladas, lo cual es clave para optimizar la actividad de los materiales funcionales.

Introducción

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.

Protocolo

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.
   3. Cambiar la atmósfera de nitrógeno y se continúa calentando a esta velocidad a 120 ° C. Se agita a 120 ° C durante 2 hr.
   4. 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.
   5. Eliminar el sobrenadante y volver a dispersar los gránulos en un total de 10 ml de n-hexano.
   6. 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.
   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.
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:
   1. Preparar cuatro más plazas de silicona de grado médico (11 mm x 11 mm), como se ha señalado en el punto 2.2.1.
   2. 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.
   3. 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.
   4. 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.

Resultados

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 e...

Discusión

Las imágenes de fluorescencia transversales permiten la visualización directa de nanopartículas durante la encapsulación de hinchamiento. Se ha demostrado la cinética de encapsulación, con el impulso hacia una alta concentración superficial de nanopartículas. Se muestra que el grado de incorporación de nanopartículas varía con el tiempo de encapsulación por hinchamiento (descrito en la sección 2.3), y la cantidad total de nanopartículas incorporadas aumenta a medida que se extiende este tiempo, con la concentración de pa...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Láminas de polidimetilsiloxano			grado médico
	NuSil Sigma Aldrich	O7805
Trioctilfosfina	Sigma Aldrich	117854
Óxido de trioctilfosfina de	Sigma Aldrich	346187	Grado técnico
1-octadeceno	Sigma Aldrich	O806	Grado técnico
Dietilditiocarbamato	de zinc Sigma Aldrich Ácido	329703-oleico
	Sigma Aldrich	364525
Trietilamina	Sigma Aldrich	Óxido	de 471283-cadmio
	Alfa Aesar	33235-Hexadecilamina
	Alfa Aesar	B22459	Grado técnico
1- Ácido dodecililfosfónico	Alfa Aesar	H26259-Selenio
en polvo	Acros	19807-Cloroformo
	Sigma Aldrich
366919-n-Hexano	Sigma Aldrich 208752
portaobjetos de microscopio	VWR	631-0137	Espesor n.º 1