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

L'obiettivo generale di questa tecnica di analisi è comprendere l'incorporazione di nanoparticelle in matrici polimeriche. L'imaging diretto delle particelle consente di stimare le concentrazioni locali e le velocità complessive di assimilazione. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande fondamentali in chimica dei materiali, inclusa la nanochimica, la progettazione di materiali concettuali e la catalisi.

Il vantaggio principale di questa tecnica è che l'incorporazione di materiali nanoparticellari viene visualizzata direttamente, fornendo informazioni che non potrebbero essere ottenute con alcun altro metodo semplice. A illustrare la procedura saranno il Dott. Sacha Noimark, il Dott. Joe Bear e il Dott. William Peveler, ricercatore post-dottorato del laboratorio del Professor Parkin presso l'UCL.

Iniziare questa procedura preparando i nuclei di seleniuro di cadmio, come descritto nel protocollo testuale. In un matraccio da 100 millilitri con fondo brunito, aggiungere il dietilditiocarbamato di zinco, l'1-ottadecene, l'oleilammina, il triottilefosfina e i nuclei in esano. Aggiungere una barretta magnetica e sostituire l'atmosfera reazionale con azoto.

Riscaldare la reazione su un agitatore a piastra riscaldante a 3,3 gradi Celsius al minuto sotto vuoto parziale fino a 70 gradi Celsius, rimuovendo l'esano mediante la linea di Schlenk. Passare l'atmosfera a azoto e continuare a riscaldare a questo regime fino a 120 gradi Celsius. Agitare a 120 gradi Celsius per due ore.

Lasciare raffreddare la reazione e dividere la miscela tra due provette centrifughe da 15 millilitri. Iniettare cloroformio nel campione prima di versare la soluzione nelle provette. Assicurarsi che le provette siano portate a 50 millilitri con etanolo per precipitare le particelle e centrifugare a 3600 ×g per 10 minuti.

Eliminare il soprannatante e ridisporre i pellet in un volume totale di 10 millilitri di n-Esano. Centrifugare nuovamente la soluzione per rimuovere eventuali impurezze insolubili, quindi decantare in un tubo campione. Conservare a quattro gradi Celsius sotto atmosfera di azoto per un periodo massimo di tre mesi.

Per la preparazione della soluzione di gonfiamento, preparare una soluzione madre di punti quantici di seleniuro di cadmio mescolando 36 millilitri di n-Esano con quattro millilitri della dispersione sintetizzata di punti quantici di seleniuro di cadmio. Agitare la soluzione magneticamente. Mettere da parte due vial, ciascuno contenente nove millilitri della soluzione madre, come soluzioni di gonfiamento designate.

Utilizzare il resto della soluzione madre per la preparazione di ulteriori soluzioni di rigonfiamento con diverse concentrazioni di punti quantici. Preparare tre soluzioni di rigonfiamento con concentrazione decrescente di punti quantici diluendo la soluzione madre per ottenere una soluzione al 66%, una al 50% e una al 33%, come specificato nel protocollo testuale. Conservare tutte le soluzioni di punti quantici al buio a temperatura ambiente.

Successivamente, ritagliare quattro quadrati di silicone di grado medico utilizzando una lama fresca di bisturi. Immergere un quadrato di silicone di grado medico in ciascuna delle quattro soluzioni di rigonfiamento con diverse concentrazioni percentuali di punti quantici: soluzione madre, 66%, 50% e 33%. Dopo che i campioni polimerici sono stati lasciati rigonfiare a temperatura ambiente per 24 ore in condizioni di buio, rimuovere i campioni polimerici rigonfiati dalle rispettive soluzioni di rigonfiamento. Lasciare essiccare i campioni all'aria in condizioni di buio per 48 ore, periodo durante il quale il solvente residuo evapora e i polimeri si riducono alle loro dimensioni iniziali.

Successivamente, lavare accuratamente i campioni contenenti punti quantici con acqua deionizzata per rimuovere eventuali materiali legati alla superficie. Quindi preparare altre quattro piastrine di silicone di grado medico. Immergerle nella soluzione stock per il rigonfiamento per periodi di tempo variabili: un'ora, tre ore, sei ore e 24 ore.

Dopo la rimozione dalla soluzione di rigonfiamento, lasciare asciugare all'aria i campioni di polimero rigonfiati in condizioni di oscurità per 48 ore, in modo che il campione si restringa fino alle sue dimensioni precedenti. Lavare accuratamente con acqua deionizzata i campioni contenenti punti quantici per rimuovere eventuali materiali legati alla superficie o solvente residuo. Ritagliare due quadrati di silicone rigonfiati e restringiti con una lama fresca di bisturi.

Assicurarsi che ciò esponga la superficie interna dei campioni di silicone. Posizionare i campioni di silicone su un vetrino per l'acquisizione delle immagini. Assicurarsi che il lato appena tagliato del polimero entri completamente a contatto con il vetrino di vetro.

Premere leggermente la parte in silicone per garantire un contatto uniforme con il vetrino del microscopio prima di completare le misurazioni della vita media della fluorescenza, come descritto nel protocollo testuale. Quindi posizionare il campione sul portacampione del microscopio. Per completare le misurazioni della vita media della fluorescenza, accoppiare direttamente l'uscita del laser a un sistema di filtro accordabile acusto-ottico per generare la linea laser a 488 nanometri.

Concentrare il fascio laser utilizzando un'unità personalizzata di scansione laser che viene riflesso da uno specchio dicromatico nell'apertura posteriore di un obiettivo 10X e quindi sul campione. Fare riferimento al protocollo testuale per le istruzioni su come eseguire le misurazioni ed elaborare i dati. I punti quantici refrigerati vengono caratterizzati mediante spettroscopia di fotoluminescenza per misurare gli spettri di emissione e di eccitazione, nonché il rendimento quantico complessivo.

I punti quantici incapsulati nel rigonfiamento sono altamente fotoluminescenti, quindi la luminosità indica un incapsulamento riuscito. Sezioni trasversali del polimero possono essere montate sul microscopio a fluorescenza per misurare il grado di incapsulamento nel rigonfiamento. Una volta padroneggiata, questa tecnica può essere eseguita in circa 15 minuti con campioni incapsulati nel rigonfiamento, se eseguita correttamente.

Nel tentativo di eseguire la procedura, è importante ricordare che la lama utilizzata per tagliare i campioni polimerici è priva di contaminazioni ed è relativamente affilata, poiché eventuali irregolarità in questa fase potrebbero introdurre artefatti nelle immagini di fluorescenza. Dopo aver seguito questa procedura, altri metodi come la spettroscopia dispersiva di energia a raggi X, oltre ai test funzionali, possono essere eseguiti per valutare ulteriormente la quantità di incapsulamento o la concentrazione superficiale. Dopo il suo sviluppo, questa tecnica ha aperto la strada ai ricercatori nel campo della scienza dei materiali per esplorare la progettazione di compositi nanoparticellati utilizzando una gamma di matrici ospiti.

Non dimenticare che lavorare con il seleniuro di cadmio può essere estremamente pericoloso, e precauzioni, come indossare dispositivi di protezione individuale adeguati e lavorare in una cappa aspirante, devono sempre essere adottate durante l'esecuzione di questa procedura.