Avanzate analisi composizionale di Compositi nanoparticelle-polimero Uso diretto imaging di fluorescenza

Sommario

Qui presentiamo un metodo affidabile per monitorare l'incorporazione di nanoparticelle in una matrice ospite polimerica tramite incapsulamento a rigonfiamento. Mostriamo che la concentrazione superficiale dei punti quantici di seleniuro di cadmio può essere visualizzata con precisione attraverso l'imaging a fluorescenza in sezione trasversale.

Abstract

La fabbricazione di compositi polimero-nanoparticelle è estremamente importante nello sviluppo di molti materiali funzionali. Identificare la composizione precisa di questi materiali è essenziale, soprattutto nella progettazione di catalizzatori di superficie, dove la concentrazione superficiale del componente attivo determina l'attività del materiale. I materiali antimicrobici che utilizzano nanoparticelle sono un obiettivo particolare di questa tecnologia. Recentemente l'incapsulamento del rigonfiamento è emerso come tecnica per l'inserimento di nanoparticelle antimicrobiche in una matrice polimerica ospite. L'incapsulamento del rigonfiamento offre il vantaggio di localizzare l'incorporazione sulle superfici esterne dei materiali, che fungono da siti attivi di questi materiali. Tuttavia, la quantificazione di questo assorbimento di nanoparticelle è impegnativa. Studi precedenti esplorano il legame tra l'attività antimicrobica e la concentrazione superficiale del componente attivo, ma questo non è direttamente visualizzato. Qui mostriamo un metodo affidabile per monitorare l'incorporazione di nanoparticelle in una matrice ospite polimerica tramite incapsulamento a rigonfiamento. Dimostriamo che la concentrazione superficiale delle nanoparticelle di CdSe/ZnS può essere visualizzata con precisione attraverso l'imaging a fluorescenza in sezione trasversale. Utilizzando questo metodo, possiamo quantificare l'assorbimento di nanoparticelle tramite incapsulamento del rigonfiamento e misurare la concentrazione superficiale delle particelle incapsulate, che è fondamentale per ottimizzare l'attività dei materiali funzionali.

Introduzione

L'applicazione di nanomateriali ha servito a lungo come un'area di crescente interesse per le nuove tecnologie. ^1-3 Ciò ha incluso il crescente utilizzo di nanoparticelle in oggetti di uso quotidiano, tra cui i cosmetici, i vestiti, l'imballaggio e l'elettronica. ^4-6 Un grande spinta verso usando nanoparticelle in materiali funzionali deriva dalla loro reattività superiore rispetto ai materiali, oltre alla capacità di proprietà sintonizzare tramite la variazione della dimensione delle particelle. ⁷ Un altro vantaggio è la capacità di formare facilmente materiali compositi, introducendo le proprietà cruciali per la matrice ospite, come ad esempio funzionalità catalitica, materiale di rinforzo e messa a punto delle proprietà elettriche. ^8-12

Materiali compositi nanoparticelle polimerici possono essere ottenuti attraverso una serie di tecniche, il più semplice dei quali è l'integrazione diretta delle nanoparticelle desiderati durante la fabbricazione della matrice ospite. ^13,14 Questo risultati in un materiale omogeneo, con una distanza anche di materiale nanoparticelle in tutto. Tuttavia, molte applicazioni richiedono solo il materiale attivo di essere presenti alle interfacce esterne dei nanocompositi. Come risultato, l'incorporazione diretta non comporta l'uso efficiente dei materiali nanoparticelle talvolta costose, c'è molto spreco nanoparticella attraverso la massa del materiale. ^15,16 Per ottenere incorporazione diretta, le nanoparticelle devono essere compatibili con formazione matrice ospite. Questo può essere difficile, specialmente in sintesi che richiedono reazioni molteplici come nel caso dei polimeri termoindurenti che sono tipicamente agevolato da metallo meccanismi catalizzatori complessi che possono essere influenzate da nanoparticelle altamente attivi. ¹⁴

I notevoli svantaggi associati con l'incorporazione di nanoparticelle diretta durante la sintesi del polimero, ha portato allo sviluppo di tecniche volta a limitare incorporati nanoparticellesulla superficie del livello. ^17-21 incapsulamento swell è una delle strategie di maggior successo riportati in letteratura, per ottenere concentrazioni di nanoparticelle superficiali elevate, con sprechi limitata nel bulk del polimero. ^17-19 La tecnica utilizza il condotto solvente rigonfiamento del polimero matrici, consentendo l'incursione di specie molecolari e nanoparticelle. Alla rimozione del solvente gonfiore, specie all'interno della matrice si fissano in posizione, con la più alta concentrazione di specie localizzate in superficie. Ad oggi, la maggior parte degli usi segnalati di swell incapsulamento sono diretti verso la fabbricazione di polimeri antimicrobici, dove è fondamentale che gli agenti attivi sono alla superficie del materiale. Mentre molti di questi rapporti mostrano una maggiore attività antimicrobica, la composizione precisa della superficie delle nanoparticelle è raramente sondato in dettaglio. Crick et al. Recentemente dimostrato un metodo per la visualizzazione diretta della nanoparticella incursione, fornendo insi crucialeght in la cinetica e le concentrazioni di nanoparticelle di superficie ottenuti dal moto ondoso incapsulamento. ²²

Dettagli Questo lavoro la sintesi di punti seleniuro di cadmio quantici (QD), il loro incapsulamento moto ondoso in polidimetilsilossano (PDMS) e la visualizzazione diretta della loro incorporazione mediante imaging di fluorescenza. L'effetto della variazione tempo swell incapsulamento e concentrazione nanoparticelle nella soluzione gonfiore è esplorata. La tecnica di visualizzazione a fluorescenza consente la ripresa diretta delle nanoparticelle incursione nelle PDMS e dimostra che la più alta concentrazione di QD è alla superficie del materiale.

Protocollo

1. Preparazione di CdSe / ZnS Nucleo / Shell Quantum Dots

1. Preparazione del trioctylphosphine (TOP) Soluzione -Se
   1. Preparare una soluzione di selenio nel TOP 0,5 M mescolando la quantità appropriata di Se in TOP in un pallone Schlenk sotto azoto o in un vano portaoggetti (8 ml necessari per reazione, tipicamente 0,4 g sciolti in 10 ml di TOP).
   2. Mescolare la miscela per dissolvere il Se per 1 ora, per ottenere una soluzione grigia del complesso TOP-Se.
   3. Assicurarsi che la soluzione viene quindi congelare-pompa-disgelo degassato 5 volte. Lo stock soluzione risultante può essere conservata sotto azoto per 3 mesi.
2. Preparazione dei nuclei CdSe
   1. Pesare ossido di cadmio (51 mg, 0,4 mmoli), ossido TOP (3,7 g, 9,6 mmol), esadecilammina (1,93 g, 8 mmoli) e 1-dodecylphosphonic acido (0,22 g, 0,88 mmol) e combinare in un tre colli, 250 ml pallone a fondo tondo. Aggiungere un ancoretta.
   2. Chiudi due colli con setti e garantireil terzo è attaccato ad una lunga condensatore a riflusso e una linea Schlenk azoto / vuoto. Inserire una sonda di temperatura di riscaldamento del mantello attraverso un setto direttamente nella miscela. Pompa / riempire il pallone con azoto cinque volte.
   3. Riscaldare il pallone a 320 ° C e agitare la massa fusa per 1 ora sotto atmosfera di azoto.
   4. Abbassare la temperatura del mantello a 270 ° C e quindi utilizzare una grande siringa e l'ago vasta foro (20 ml, 3 mm foro) per degassare con azoto per 5 volte.
   5. Raccogliere 8 ml di soluzione TOP-Se (passo 1.1) e iniettare accuratamente ma rapidamente nel pallone a tre colli, attraverso il setto.
   6. Mescolare la reazione a 270 ° C per tra 30 sec e 10 min per controllare la dimensione delle particelle prodotte. Per emissione rossa (~ 600 nm), 7-9 min è adatto.
   7. Preparare una ciotola di acqua (grande abbastanza per immergere la metà del recipiente di reazione) e posto accanto alla miscela di reazione bollente. Dopo il tempo di reazione è completa, rapidamente raffreddare la reazione nel boiling acqua con vorticoso.
      ATTENZIONE: Il raffreddamento può causare il fiasco di crack. Fare molta attenzione ed indossare guanti impermeabili di spessore.
   8. Una volta fredda, iniettare 10 ml di cloroformio nel pallone per sciogliere tutti i prodotti, e dividere l'impasto tra due 50 ml provette da centrifuga.
   9. Top up ogni tubo fino a 50 ml con EtOH e centrifugare a 3600 g per 10 minuti per precipitare le particelle. Eliminare il supernatante e ri-disperdere i pellets in un totale di 10 ml di n-esano.
3. ZnS bombardamento della CdSe Nucleo:
   1. Aggiungere i nuclei in esano a 100 ml a fondo tondo dietilditiocarbamato pallone contenente zinco (0,5 g, 1,4 mmol), oleilammina (3 ml, 9,12 mmoli), trioctylphosphine (3 ml, 6,73 mmoli) e 1-ottadecene (10 ml). Aggiungere un ancoretta. Scambiare l'atmosfera reazione di azoto.
   2. Riscaldare la reazione su una piastra-agitatore a 3,3 ° C / min sotto vuoto parziale sino a 70 ° C, e rimuovere l'esano utilizzando la linea Schlenk.
   3. Passare l'atmosfera di azoto e continuare riscaldamento di questo passo a 120 ° C. Mescolare a 120 ° C per 2 ore.
   4. Lasciare che la reazione si raffreddi, e dividere l'impasto tra le provette da centrifuga 2 × 50 ml. Assicurarsi che i tubi sono sormontate fino a 50 ml con EtOH far precipitare le particelle e centrifugare a 3.600 g per 10 min.
   5. Eliminare il supernatante e ri-disperdere i pellets in un totale di 10 ml di n-esano.
   6. Centrifuga questa soluzione (3.600 xg, 10 min) una volta di più per rimuovere eventuali impurità insolubili, prima di essere travasato in una provetta, e conservare in frigorifero (4 ° C), in atmosfera di azoto per un massimo di tre mesi.

2. Gonfiore incapsulamento di nanoparticelle in PDMS

1. Gonfiore Soluzione Preparazione:
   1. Preparare una soluzione stock di CdSe QD mescolando 36 ml di n-esano con 4 ml di CdSe QD dispersione (come sintetizzato) e mescolare la soluzione magneticamente.
   2. Mettere da parte due fiale ciascuna contenente 9 ml di soluzione madre come soluzioni gonfiore designati.
   3. Utilizzare il resto della soluzione di riserva per la preparazione di ulteriori soluzioni gonfiore delle concentrazioni variabili QD. Preparare tre soluzioni di rigonfiamento di concentrazione QD diminuendo diluendo la soluzione madre di dare una soluzione 66% (v / v), soluzione al 50% e la soluzione 33%.
      1. Preparare il 66% (v / v) mescolando 6 ml della soluzione madre CdSe QD con 3 ml di n-esano. Agitare la soluzione magneticamente per garantire la completa miscelazione.
      2. Preparare il 50% (v / v) miscelando 4,5 ml di soluzione stock CdSe QD con 4,5 ml di n-esano. Agitare la soluzione magneticamente per garantire la completa miscelazione.
      3. Preparare il 33% (v / v) mescolando 3 ml della soluzione madre CdSe QD con 6 ml di n-esano. Agitare la soluzione magneticamente per garantire la completa miscelazione.
   4. Conservare tutte le soluzioni QD sotto condizioni di buio, a temperatura ambiente.
2. Polymer Preparazione e QD incorporazione - variando la concentrazione QD nella soluzione Gonfiore:
   1. Tagliare quattro quadrati silicone di grado medico (11 mm x 11 mm) con una lama di bisturi fresca.
   2. Immergere un quadrato silicone medicale in ognuna delle quattro soluzioni gonfiore di diversa concentrazione% QD: soluzione madre, 66% (v / v), 50% (v / v) e 33% (v / v). Permettere ai campioni di polimero a gonfiarsi per 24 ore in condizioni di oscurità, ea temperatura ambiente.
   3. Rimuovere i campioni di polimero gonfi dalle soluzioni gonfiore e aria secca relativo in condizioni di oscurità per 48 ore, durante il quale il solvente evapora residue e polimeri si restringono alle loro dimensioni iniziali.
   4. Lavare i campioni QD-incorporato accuratamente con acqua deionizzata per rimuovere eventuali materiali di superficie vincolata.
3. Polymer Preparazione e QD incorporazione - Variando il Polymer tempo di esposizione alla Soluzione Gonfiore:
   1. Preparare quattro maggiori piazze silicone di grado medico (11 mm x 11 mm), come indicato al punto 2.2.1.
   2. Immergere le piazze di grado medico di silicone nella soluzione di riserva gonfiore per vari periodi di tempo: 1 ora, 3 ore, 6 ore e 24 ore.
   3. Dopo rimozione dalla soluzione gonfiore, asciugare i campioni di polimero in condizioni gonfie scuri per 48 ore, in modo che il campione si ritrae alle sue dimensioni precedenti.
   4. Lavare i campioni QD-incorporato accuratamente con acqua deionizzata per rimuovere eventuali materiali di superficie vincolata o solvente residuo.

3. Visualizzazione delle nanoparticelle Swell incapsulamento in PDMS

1. Preparazione del campione del silicone:
   1. Tagliare due quadrati di silicone con una lama di bisturi fresco (5,5 mm x 11 mm). Assicurarsi che espone la superficie interna dei campioni silicone.
2. Imaging di fluorescenza:
   1. Mettere i campioni in silicone su un microscoscivolo PE per l'imaging, assicurando che il lato appena tagliata del polimero rende pieno contatto con il vetrino. Premere la parte in silicone leggermente verso il basso per assicurare un contatto regolare con il vetrino da microscopio. Posizionare il campione sul palco del microscopio.
   2. Misure complete durata fluorescenza utilizzando una linea laser spettralmente filtrata 488 nm comprendente su 5 impulsi PSEC ad una velocità di 20 MHz o simile. ²³ utilizza un sistema di filtro sintonizzabile acusto-ottico, per direttamente coppia all'uscita del laser, in modo da generare il 488 linea laser nm. Focalizzare il fascio laser con una unità di scansione laser su misura (vedi informazioni supplementari), che viene riflesso da uno specchio dicroico (488 nm) nell'apertura posteriore di un obiettivo 10X e poi sul campione.
      1. Raccogliere l'emissione di fluorescenza con lo stesso obiettivo, che quindi passa attraverso lo stesso specchio dicroico. Dirigere questa luce verso un fotodiodo a valanga che opera in modalità single conteggio di fotoni. processo lifeti mi misurazioni con un time-correlato conteggio singolo fotone (TCSPC) bordo. ²³
   3. Registrare la funzione di risposta dello strumento (IRF) all'inizio e alla fine di ogni sessione sperimentale. ²³
      Nota: Il segnale registrato nell'esperimento TCSPC dovrebbe mostrare il ritardo di tempo tra l'fotoni arrivo al rivelatore e la produzione del successivo impulso laser. Questo ritardo di tempo tuttavia, dovrebbe essere convoluta con la IRF dell'apparecchiatura di misura. Quindi, l'IRF è misurata come la risposta dello strumento a 100 nM auramina O, che ha una durata significativamente più breve (~ 100 psec) rispetto alla risposta strumentale.
   4. Estrarre la durata dal raccordo non lineare del decadimento esponenziale dell'intensità fluorescenti e deconvolute questo dal IRF utilizzando un algoritmo ^25-27 massima verosimiglianza (MLE). Il MLE (γ _j) è calcolato come
      eq1.jpg "/>
      Dove n _i è il numero di conteggi fotone a canale i, k è il numero di canali (o contenitori) per ogni decadimento di fluorescenza, p _i (j) è la probabilità che un gruppo di fotoni cadrà nel canale i se le particelle hanno un j vita, e N è il numero totale di impulsi per un dato decadimento.
   5. Registrare ogni intensità e durata dei dati campione di fluorescenza per 5 minuti, la creazione di una scansione continua costituito da 264 immagini con dimensioni di 512 × 512 pixel. Combinare questi per fornire intensità di fluorescenza a due dimensioni, durata e le mappe ponderate durata di intensità, con un MLE calcolato con soglia di 150 fotoni e di processo questo con MATLAB.

Risultati

I punti quantici esposti fluorescenza rossa, con un lambda max di circa 600 nm. ^22,28 L'emissione rosso era dovuto al confinamento del eccitone dall'asta quantum cui dimensioni dimensioni sono all'interno del regime di confinamento forte. Li et al. Hanno mostrato che per aste quantistici, i turni di emissione per abbassare l'energia con un aumento della larghezza o lunghezza dell'asta. Essi inoltre dimostrato che l'emissione determinato principalmente dal confinamento...

Discussione

L'imaging a fluorescenza in sezione trasversale consente la visualizzazione diretta delle nanoparticelle durante l'incapsulamento del rigonfiamento. La cinetica dell'incapsulamento è stata dimostrata, con la spinta verso un'elevata concentrazione superficiale di nanoparticelle. È dimostrato che l'entità dell'incorporazione delle nanoparticelle varia con il tempo di incapsulamento del rigonfiamento (descritto nella sezione 2.3), con la quantità totale di nanoparticelle incorporate che aumenta man mano che questo tempo vie...

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo

Nome	Azienda	Numero di catalogo	Commenti
Fogli di polidimetilsilossano		NuSil-Medical	Grade
Oleylamine	Sigma Aldrich	O7805	Grado tecnico
Triottilfosfina	Sigma Aldrich	117854	Grado tecnico
Ossido di triottilfosfina	Sigma Aldrich	346187	Grado tecnico
1-Octadecene	Sigma Aldrich	O806	Zinco
dietilditiocarbammato	Sigma Aldrich	329703-oleico
	Sigma	Aldrich 364525	Grado tecnico
Trietilammina	Sigma Aldrich	471283-Ossido
cadmio	Alfa Aesar	33235-Esadecilammina
	Alfa Aesar	B22459	Grado tecnico
1- Acido dodecilfosfonico	Alfa Aesar	H26259-Polvere
selenio	Acros	19807-Cloroformio
	Sigma Aldrich
366919-n-Hexane	Sigma Aldrich		208752-Microscopio
vetrini	VWR	631-0137	Spessore n. 1