ניתוח ההלחנה מתקדם של מרוכבים Nanoparticle-פולימר באמצעות דימות פלואורסצנטי ישיר

המטרה הכללית של טכניקת ניתוח זו היא להשיג הבנה לגבי שילוב של ננו-חלקיקים בתוך מטריצות פולימריות. הדמיה ישירה של החלקיקים מאפשרת להעריך ריכוזים מקומיים ושיעורי ספיגה כלליים. שיטה זו יכולה לסייע במתן תשובות לשאלות מפתח בכימיה של חומרים, כולל ננו-כימיה, תכנון חומרים קונספטואלי וקטליזה.

היתרון המרכזי של טכניקה זו הוא ששילובם של חומרים ננו-חלקיקיים מדויק ישירות בדימות, כך שהמידע המתקבל אינו בר השגה על ידי שום שיטה ישירה אחרת. את הפרוצדורה ידגימו ד"ר Sacha Noimark, ד"ר Joe Bear וד"ר William Peveler, פוסט-דוקטורנטים מהמעבדה של פרופסור Parkin ב-UCL.

התחילו את הפרוצדורה בהכנת ליבות הקדמיום סלניד, כפי שפורט בפרוטוקול הטקסט. לבקית עם תחתית חומה בנפח 100 מיליליטר, הוסיפו zinc diethyldithiocarbamate, 1-Octadecene, Oleylamine, Trioctylphosphine ואת הליבות ב-hexane. הוסיפו מגנט ערבוב, והחליפו את האטמוספירה של התגובה לחנקן.

חממו את התגובה על פלטת חימום עם בוחנ מגנטי בקצב של 3.3 degrees Celsius לדקה תחת ואקום חלקי עד להגעה ל-70 degrees Celsius, תוך써סרת ההקסאן באמצעות קו שלנק (Schlenk line). העבירו את האטמוספירה לחנקן, והמשיכו בחימום בקצב זה עד ל-120 degrees Celsius. ערבבו ב-120 degrees Celsius למשך שעתיים.

המתינו לקירור התגובה, וחלקו את התערובת בין שני מבחני צנטריפוגה של 15 milliliter. מזרוקו כלורופורם לתוך הדגימה לפני מזיגת התמיסה למבחנות. ודאו כי המבחנות מלאות עד לנפח של 50 milliliters באתנול כדי להשקיע את החלקיקים, וסובבו בצנטריפוגה ב-3600 ×g למשך 10 דקות.

שפכו את הנוזל העליון (supernatant) ופזרו מחדש את המשקעים בנפח כולל של 10 milliliters של n-Hexane. סבבו את התמיסה בצנטריפוז פעם נוספת כדי להסיר זיהומים בלתי מסיסים לפני המזיגה למבחנה. אחסנו בטמפרטורה של ארבע מעלות Celsius תחת אטמוספירה של חנקן למשך עד שלושה חודשים.

להכנת תמיסת הנפיחה, הכין תמיסת מלאי של נקודות קוונטיות של קדמיום סלניד על ידי ערבוב של 36 milliliters של n-Hexane עם ארבעה milliliters של תגמוג נקודות קוונטיות של קדמיום סלניד שסונתזו. ערבב את התמיסה באמצעות מערבל מגנטי. הקצב שני מבחנות, כל אחת מהן מכילה תשעה milliliters של תמיסת המלאי, כתמיסות נפיחה.

השתמש בשארית תמיסת המלאי להכנת תמיסות נפיחות נוספות בריכוזים שונים של נקודות קוונטיות. הכן שלוש תמיסות נפיחות עם ריכוז פוחת של נקודות קוונטיות על ידי דילול תמיסת המלאי לקבלת תמיסות של 66%, 50% ו-33%, כפי שמפורט בפרוטוקול הכתוב. אחסן את כל תמיסות הנקודות הקוונטיות בתנאי חשיכה בטמפרטורת החדר.

בשלב הבא, חתכו ארבעה ריבועים של סיליקון בדרגה רפואית באמצעות להב סקלפל חדש. טבלו ריבוע סיליקון בדרגה רפואית בכל אחד מארבעת תמיסות ההנפחה בעל ריכוזים שונים של נקודות קוונטום: תמיסת מקור, 66%, 50% ו-33%. לאחר שדגימות הפולימר התנפחו בטמפרטורת החדר במשך 24 שעות בתנאי חשיכה, הוציאו את דגימות הפולימר הנפוחות מתמיסות ההנפחה המתאימות. ייבשו את הדגימות באוויר בתנאי חשיכה למשך 48 שעות, במהלכן מתאדה הממס השארי והפולימרים מתכווצים חזרה לממדיהם הראשוניים.

בשלב הבא, שטפו היטב את הדגימות המכילות נקודות קוונטיות במים דה-יוניים כדי להסיר חומרים הקשורים לפני השטח. לאחר מכן, הכינו ארבעה ריבועי סיליקון בדרגה רפואית נוספים. טבלו אותם בתמיסת הנפיחה (swelling solution) למשך פרקי זמן משתנים: שעה אחת, שלוש שעות, שש שעות ו-24 שעות.

לאחר ההוצאה מתמיסת הנפיחה, יש לייבש באוויר את דגימות הפולימר הנפוחות בתנאי חושך למשך 48 שעות, כך שהדגימה תתכווץ חזרה לממדיה הקודמים. שטפו ביסודיות את הדגימות המכילות נקודות קוונטום במים דה-יוניים כדי להסיר חומרים הקשורים לפני השטח או שאריות ממס. גזרו שני ריבועי סיליקון שעברו נפיחה והתכווצות באמצעות להב סכין חדש.

וודאו כי פעולה זו חושפת את פני השטח הפנימיים של דגימות הסיליקון. הניחו את דגימות הסיליקון על זכוכית מיקרוסקופ לצורך הדמיה. וודאו כי הצד שנתח freshly cut של הפולימר נמצא במגע מלא עם זכוכית המיקרוסקופ.

לחץ קלות על חלק הסיליקון כדי להבטיח מגע חלק עם זכוכית המיקרוסקופ לפני השלמת מדידות פלואורסנציית החייים (lifetime fluorescence), כפי שמתואר בפרוטוקול הכתוב. לאחר מכן, הנח את הדגימה על שולחן המיקרוסקופ. להשלמת מדידות פלואורסנציית החייים, חבר ישירות את פלט הלייזר למערכת מסננים אקוסטיים-אופטיים כווןים (acousto-optic tunable filter) כדי להפיק את קו הלייזר באורך גל של 488 nanometer.

מקדמים את קרן הלייזר באמצעות יחידת סריקה של לייזר שנבנתה באופן מותאם אישית, המוחזרת על ידי מראה דיכרואית אל המפתח האחורי של עדשה אובייקטיבית 10X ואז אל הדגימה. יש לעיין בפרוטוקול הכתוב להוראות ביצוע המדידות ועיבוד הנתונים. נקודות קוונטיות מקוררות מאופיינות באמצעות ספקטרוסקופיית פוטולומינצנציה למדידת פליטה, ספקטרי עירור והניב הקוונטי הכללי.

נקודות הקוונטום העטופות בנפיחות הן פוטולומניסנטיות מאוד, ולכן בהירותן מעידה על הצלחה של עטופי הנפיחות. ניתן להניח חתכים רוחביים של הפולימר במיקרוסקופ פלואורסצנציה כדי למדוד את מידת עטופי הנפיחות. לאחר רכישת מיומנות, ניתן לבצע טכניקה זו בכ-15 דקות עם דגימות עטופות בנפיחות, במידה והיא מבוצעת כראוי.

בעת ביצוע הפרוצדורה, חשוב לזכור כי הלהב המשמש לחיתוך דגימות הפולימר אינו מזוהם והוא חד יחסית, שכן חוסר עקביות בשלב זה עלולה להוביל להופעת ארטיפקטים בתמונות הפלואורסצנציה. בעקבות פרוצדורה זו, ניתן לבצע שיטות אחרות, כגון ספקטרוסקופיה של קרני X לפיפיזור אנרגיה (energy dispersive X-ray spectroscopy) בנוסף לבדיקות פונקציונליות, כדי להעריך באופן מדויק יותר את כמות הכמוסה או את הריכוז על פני השטח. לאחר פיתוחה, סללה טכניקה זו את הדרך עבור חוקרים בתחום מדעי החומרים לחקור תכנון של תרכובות ננו-חלקיקים תוך שימוש במגוון של מטריצות מאכסנות.

זכרו כי עבודה עם קדמיום סלניד עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות, כגון לבישת ציוד מגן אישי מתאים ועבודה במנדף כימיים, בעת ביצוע הליך זה.