直接蛍光イメージングを用いたナノ粒子 - ポリマー複合材料の高度な組成分析

サマリー

ここでは、膨潤カプセル化を介してナノ粒子がポリマーホストマトリックスに組み込まれることを監視する信頼性の高い方法を紹介します。我々は、セレン化カドミウム量子ドットの表面濃度を断面蛍光イメージングを通じて正確に可視化できることを示しています。

要約

ポリマー-ナノ粒子複合材料の製造は、多くの機能性材料の開発において非常に重要です。これらの材料の正確な組成を特定することは、特に活性成分の表面濃度が材料の活性を決定する表面触媒の設計において不可欠です。ナノ粒子を利用した抗菌材料は、この技術で特に注目されています。近年、スウェルカプセル化は、抗菌性ナノ粒子を宿主ポリマーマトリックスに挿入する技術として登場しています。膨潤カプセル化は、これらの材料の活性部位として機能する材料の外面に組み込みを局在化させるという利点を提供します。しかし、このナノ粒子の取り込みを定量化することは困難です。これまでの研究では、抗菌活性と活性成分の表面濃度との関連が調査されていますが、これは直接的には可視化されていません。ここでは、膨潤カプセル化を介してナノ粒子のポリマーホストマトリックスへの取り込みを監視する信頼性の高い方法を示します。我々は、CdSe/ZnSナノ粒子の表面濃度を断面蛍光イメージングを通じて正確に可視化できることを示しています。この手法を用いることで、スウェルカプセル化によるナノ粒子の取り込みを定量化し、機能性材料の活性を最適化するための鍵となるカプセル化粒子の表面濃度を測定することができます。

概要

ナノ材料の適用は、長い間、新規技術への関心の高まりの面積を務めています^。1-3。これは、化粧品、衣類、包装、エレクトロニクスなどの日用品、中のナノ粒子の成長の使用を含んでいた^。4-6ナノ粒子を用い向けて主要なドライブ機能材料に^、7つ別の利点は、ホストマトリックスに重要な特性を導入する、容易に複合材料を形成する能力である。粒径の変動によって調整プロパティする能力に加えて、材料への高い反応性の相対由来など触媒機能、材料の強化および電気的特性のチューニング^。8-12

ナノ粒子-高分子複合材料は、ホストマトリックスの製造中に所望のナノ粒子の直接積分である最も単純なそれらの技術の範囲を介して達成することができる^。13,14これR全体にナノ粒子材料の均等間隔で均質な材料でesults。しかし、多くのアプリケーションでは、ナノ複合材料の外部インタフェースに存在する活性物質を必要とします。材料のバルクを通じて多くのナノ粒子の廃棄物が存在する結果として、直接の取り込みは、時には高価なナノ粒子材料の効率的な使用にはなりません^。15,16を直接取り込みを達成するために、ナノ粒子はまた、ホストマトリックスの形成と互換性がなければなりません。これは、特に、一般的に高活性なナノ粒子によって影響を受ける可能性がある金属錯体触媒機構によって促進される熱硬化性ポリマーの場合のように多面的な反応を必要とする合成に、挑戦することができる^。14

ポリマー合成中に直接ナノ粒子の取り込みに関連したかなりの欠点は、ナノ粒子incorporatiを制限することを目的とした技術の開発につながっています表面層に上^。17-21スウェルカプセル化は、ポリマーのバルク中の限られた無駄で、高い表面のナノ粒子の濃度を達成するために、文献で ​​報告された最も成功した戦略の一つである^。17-19技術は、ポリマーの溶剤駆動膨潤を利用します行列は、分子種とナノ粒子の侵入を可能にします。膨潤溶媒を除去すると、マトリックス内の種は表面に局在する種の最高濃度で、所定の位置に固定となります。現在までに、うねりカプセル化の報告用途のほとんどは、活性剤は、材料表面であることが鍵である抗菌ポリマーの製造、に向けられています。これらのレポートの多くが強化された抗菌活性を示しているが、正確な表面ナノ粒子組成物はほとんど詳細に精査されていません。クリックらは最近、重要なINSIを提供し、ナノ粒子の侵入の直接可視化するための方法を実証しましたうねりのカプセル化によって達成動態および表面のナノ粒子の濃度に^GHT。22

この作品は、セレン化カドミウム量子ドット（QD）、ポリジメチルシロキサン（PDMS）と蛍光イメージングを使用して、それらの組み込みの直接可視化へのそれらのうねりのカプセル化の合成を詳述します。膨潤溶液中で膨潤カプセル化時間及びナノ粒子の濃度を変化させることの効果が検討されています。蛍光可視化技術は、PDMS中にナノ粒子侵入の直接的なイメージングを可能にし、QDの最高濃度は、材料の表面であることを示しています。

プロトコル

CdSe / ZnSのコア/シェル量子ドットの作製

1. トリオクチルホスフィンの調製（TOP）-Seソリューション
   1. 窒素下またはグローブボックス中のシュレンクフラスコにTOPへのSeの適切な量を混合することにより、TOP中のセレンの0.5M溶液（反応ごとに必要な8ミリリットル、TOPの10ミリリットルに溶かし、通常、0.4グラム）を準備します。
   2. TOP-Seの複合体の灰色溶液が得られ、1時間のSeを溶解するために混合物を撹拌しました。
   3. 溶液を凍結 - ポンプ - 解凍を5回脱気した後であることを確認します。得られたストック溶液は、3ヶ月間、窒素下で保存することができます。
2. CdSeコアの調製
   1. 酸化カドミウム（51ミリグラム、0.4ミリモル）、TOP酸化物（3.7グラム、9.6ミリモル）、ヘキサデシルアミン（1.93グラム、8ミリモル）及び1-ドデシル酸（0.22グラム、0.88ミリモル）を秤量し、3首に結合し、250 mlの丸底フラスコ。攪拌棒を追加します。
   2. 隔壁を2首を閉じ、確保第三は、長い還流冷却器および窒素/真空シュレンクラインに取り付けられています。混合物に直接1セプタムを通して加熱マントルの温度プローブを挿入します。ポンプ/窒素で5回フラスコを補充します。
   3. 320℃までフラスコを加熱し、窒素雰囲気下で1時間溶融物を攪拌します。
   4. 270°Cまでのマントルピースの温度を下げた後、窒素で脱気に5回大きな注射器と広い口径の針（20ミリリットル、3ミリメートルの穴）を使用します。
   5. アップTOP-Seの溶液（ステップ1.1）の8ミリリットルを取り、セプタムを通して、3口フラスコに慎重が、急速に注入します。
   6. secで製造された粒子のサイズを制御するために、10分間、30〜270℃で反応を撹拌しました。赤色発光（〜600 nm）のために、7~9分が好適です。
   7. （反応容器の半分水没するのに十分な大きさ）を加え、反応混合物を次に沸騰したお湯を入れたボウルを準備します。反応時間が完了した後、急速にboili反応を冷却かき混ぜながら水をngの。
      注意：冷却はフラスコに亀裂を引き起こす可能性があります。細心の注意を払って、厚い不浸透性の手袋を着用してください。
   8. 冷却したら、すべての製品を溶解し、2つの50ml遠心管の間の混合物を分割するためにフラスコに10mlのクロロホルムを注入。
   9. 3600×gで10分で各チューブアップエタノール、遠心分離で50mlにトップアップは、粒子を沈殿させました。上清を捨て、n-ヘキサン10ミリリットルの合計でペレットを再分散させます。
3. CdSeコアのZnSの砲撃：
   1. 100mlにヘキサン中のコアを追加ジエチルジチオカルバミン酸亜鉛（0.8 gであり、1.4ミリモル）を含有する丸底フラスコに、オレイルアミン（3 mlの9.12ミリモル）、トリオクチルホスフィン（3 mlの6.73ミリモル）及び1-オクタデセン（10ml）溶液。攪拌棒を追加します。窒素に反応雰囲気を交換します。
   2. 70°Cまで、部分真空下で3.3℃/分でホットプレート攪拌機上の反応を熱し、そしてシュレンクラインを使用してヘキサンを除去。
   3. 窒素に雰囲気を切り替えて、120℃にこのレートで加熱を続けます。 2時間120℃で撹拌します。
   4. 反応を冷却することを可能にし、2×50mlの遠心分離管の間の混合物を分割します。チューブを10分間3600×gで粒子と遠心分離を沈殿させEtOHで50ミリリットルまで突破していることを確認します。
   5. 上清を捨て、n-ヘキサン10ミリリットルの合計でペレットを再分散させます。
   6. 遠心分離機この溶​​液（3600×gで、10分）を1回以上までの3ヶ月間、サンプル管にデカントされる前に、任意の不溶性不純物を除去し、窒素雰囲気下、冷蔵庫（4℃）に格納します。

PDMSへのナノ粒子の2膨潤カプセル化

1. 溶液の調製を膨潤：
   1. 4（合成される）のCdSe量子ドットの分散液mlのn-ヘキサン36ミリリットルを混合したCdSe量子ドットのストック溶液を調製し、磁気的に溶液を攪拌します。
   2. 別に指定腫れソリューションとして原液の9ミリリットルを含む2つのバイアルをそれぞれ設定します。
   3. QD濃度を変化させ、さらに膨潤溶液の調製のためのストック溶液の残りの部分を使用してください。 66％（v / v）の溶液を、50％溶液および33％の溶液を得たストック溶液を希釈することによって減少QD濃度の三膨潤溶液を調製します。
      1. n-ヘキサン3mlでのCdSe QDストック溶液を6mlを混合することにより、66％（v / v）の溶液を調製します。完全な混合を確実にするために、磁気的に溶液を攪拌します。
      2. 4.5 mlのn-ヘキサンでのCdSe QDストック溶液4.5mlを混合することによって、50％（v / v）の溶液を調製します。完全な混合を確実にするために、磁気的に溶液を攪拌します。
      3. n-ヘキサン6ミリリットルでのCdSe QDストック溶液3mlを混合することにより、33％（v / v）の溶液を調製します。完全な混合を確実にするために、磁気的に溶液を攪拌します。
   4. 室温で、暗条件下でQDソリューションのすべてを格納します。
2. ポリマーの調製およびQD取り込み-膨潤液にQDの濃度を変化させること：
   1. 新鮮な手術用メスの刃を使用して、4つの医療グレードのシリコーンの正方形（11ミリメートル×11 mm）を切り出します。
   2. 変化％のQD濃度の4膨潤溶液のそれぞれにおける医療グレードシリコーン正方形浸し：ストック溶液を、66％（v / v）で、50％（v / v）の33％（v / v）です。ポリマーサンプルは、暗条件下で、及び室温で24時間膨潤することを可能にします。
   3. 残留溶剤が蒸発し、ポリマーが戻って自分の初期の寸法に縮小された時間の間に、48時間暗条件下でそれぞれの腫れソリューション、空気乾燥から膨潤したポリマーサンプルを削除します。
   4. 任意の表面に結合した物質を除去するために脱イオン水で十分にQD-組み込まれたサンプルを洗ってください。
3. ポリマーの調製およびQD取り込み-膨潤液にポリマーの露出時間を変えます：
   1. 2.2.1で述べたように、4つの医療グレードのシリコーンの正方形（11ミリメートル×11 mm）を準備します。
   2. 期間を変化させるための解決策を膨れ入荷医療グレードのシリコーンの正方形を浸し：1時間、3時間、6時間および24時間。
   3. 膨潤液から取り出した後、空気はサンプルが戻ってその前の寸法を縮小するように、48時間暗条件下で膨潤したポリマー試料を乾燥させます。
   4. 任意の表面に結合した物質や残留溶媒を除去するために、脱イオン水で十分にQD-組み込まれたサンプルを洗ってください。

ナノ粒子の3可視化は、PDMSにカプセル化スウェル

1. シリコーンサンプル調製：
   1. 新鮮なメスの刃（5.5ミリメートル×11 mm）の2つのシリコーンの正方形を切り取ります。これはシリコーンサンプルの内部表面を露出させていることを確認してください。
2. 蛍光イメージング：
   1. microscoにシリコーンサンプルを置きますポリマーの新たにカット側はスライドガラスに完全に密着していることを保証するイメージングのためのPEのスライド、。顕微鏡スライドとの円滑な接触を確保するために軽くシリコーン部分を押し下げます。顕微鏡のステージ上にサンプルを置きます。
   2. 20 MHzまたは類似の速度で5ピコ秒のパルスからなる488nmの分光濾過レーザー線を使用して完全な寿命の蛍光測定値²³ 488 ​​を生成するために、レーザ出力の直接結合、音響光学可変フィルタシステムを使用してnmレーザーライン。 10X対物レンズの背面開口部にダイクロイックミラー（488 nm）ので反射してサンプルの上にされ、特注のレーザースキャニングユニットを（補足情報を参照してください）​​、使用したレーザー光の焦点を合わせます。
      1. その後、同じダイクロイックミラーを透過していることを、同じ目的を持つ蛍光発光を収集します。単一光子計数モードで動作するアバランシェフォトダイオードに向けて、この光を向けます。プロセスlifeti時間相関単一光子計数（TCSPC）ボードを使用して私の測定^。23
   3. 開始時の機器の応答関数（IRF）と各実験セッションの終了を記録します^。23
      注：TCSPC実験で記録された信号は、検出器における光子の到着とその後のレーザーパルスの生成との間の時間遅延を示すべきです。この時間遅延は、しかしながら、測定装置のIRFと畳み込みされるべきです。したがって、IRFは、楽器の応答と比較して有意に短い寿命（〜100ピコ秒）を持つ100 nMのオーラミンO、に機器の応答として測定されます。
   4. 蛍光強度の指数関数的減衰の非線形フィッティングにより寿命を抽出し、最尤推定量（MLE）アルゴリズム^25-27を使用して、IRFからこれをデコンボリューション。 _MLE（γjは ）のように計算されます
      eq1.jpg "/>
      N _iは 、チャネルIでの光子カウント数であり、kは各蛍光減衰のためのチャネル（またはビン）の数であり、pは_I（j）は 、光子のグループは、粒子が持っている私場合、チャネルに分類する確率であります生涯jは 、Nは与えられた減衰のためのカウントの総数です。
   5. サイズ512×512ピクセルと264の画像からなる連続スキャンを作成し、5分間、各サンプルの蛍光強度と寿命のデータを記録します。 150光子とプロセスのしきい​​値と計算されたMLEこの使用して、MATLABで、2次元の蛍光強度、寿命や強度加重寿命マップを提供するために、これらを組み合わせます。

結果

600nm程度のラムダ最大で、赤色蛍光を示した^。22,28赤色発光量子ドットはサイズ寸法強い閉じ込め政権内にある量子ロッドによって励起子の閉じ込めによるものでした。 Li らは、量子ロッドのため、発光シフト幅またはロッドの長さのいずれかの増加に伴ってエネルギーを低下させることを示しました。彼らはさらに、放出は、主ロッドの幅は、それが強い閉じ込め領域であるように、問題の材料のボーア半径より小さい場合は特に、非常に長い場合であっても重要な役割を果たしている横方向の閉じ込めによって決まることを示した^。29透過型電子顕微鏡（TEM）画像は、量子ドットの細長い形状（アスペクト比〜2.5）を示しています。 QDの平均長さは2.1ナノメートル（N = 200）（ 図1）±NM 12.6であることが示されました。 QDソリューションは、最大3メートルのための冷蔵安定していましたonths。 QDの低倍率画像を補足情報（ - 1 SI）に設けられています。

ディスカッション

断面蛍光イメージングにより、膨潤カプセル化中のナノ粒子を直接視覚化できます。カプセル化の速度論が示されており、ナノ粒子表面濃度が高いことへの推進力が実証されています。ナノ粒子の取り込みの程度は、膨潤カプセル化時間(セクション2.3で説明)によって変化することが示されており、この時間が延長されるにつれて組み込まれたナノ粒子の総量が増加し、ポリマーサンプルを使用する場合、粒子濃度は表面に局在します。ナノ粒子溶液の濃度の変化(セクション2.2で説明した3×希釈まで)は、カプセル化された粒子の量にほとんど変化がないことを示しています。使用された粒子(CdSe量子ドット、Ø-12.6±2.1 nm)の膨潤カプセル化挙動は、同様のサイズの粒子(二酸化チタン、Ø-13.1 ± 5.6 nm)に匹敵することも示^{されており22} 、これは、膨潤カプセル化速度論をさらに研究するための貴重なツールとしてこの技術が使用できる可能性があることを示しています。これらの実験で観察された膨潤カプセル化速度は、ナノ粒子サイズに敏感であると想定されているため、サイズの変動によりカプセル化速度が変化する可能性があります。

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
ポリジメチルシロキサンシート	NuSil	-	医療グレード
オレイルアミン	Sigma Aldrich	O7805	テクニカルグレード
トリオクチルホスフィン	Sigma Aldrich	117854	テクニカルグレード
トリオクチルホスフィンオキシド	Sigma Aldrich	346187	テクニカルグレード
1-オクタデセン	Sigma Aldrich	O806	テクニカルグレード
亜鉛ジエチルジチオカルバメート	シグマアルドリッチ	329703	-
オレイン酸	シグマアルドリッチ	364525	テクニカルグレード
トリエチルアミン	シグマ アルドリッチ	471283	-
酸化カドミウム	アルファ エーザー	33235	-
ヘキサデシルアミン	アルファ エーザー	B22459	テクニカル グレード
1-ドデシルホスホン酸	Alfa Aesar	H26259	-
セレン粉末	Acros	19807
-クロロホルム	Sigma Aldrich	366919-n-Hexane
	Sigma Aldrich	208752	-
顕微鏡スライド	VWR	631-0137	厚さ No. 1