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

この分析手法の全体的な目的は、ポリマーマトリックスへのナノ粒子の組み込みについて理解を深めることです。粒子のダイレクトイメージングにより、局所的な濃度および全体の同化率の推定が可能になります。この手法は、ナノ化学、コンセプト材料設計、触媒作用を含む材料化学における重要な問いへの回答に役立ちます。

この手法の主な利点は、ナノ粒子材料の取り込みを直接的にイメージングできることであり、これにより、他の単純な方法では得られない情報を得ることが可能です。本手順の実演は、UCLのParkin教授の研究室のポストドクターであるSacha Noimark博士、Joe Bear博士、およびWilliam Peveler博士が行います。

テキストプロトコルに詳述されている通り、セレン化カドミウムコアの調製から本手順を開始してください。100 mLの茶色底フラスコに、ジエチルジチオカルバミン酸亜鉛、1-オクタデセン、オレイルアミン、トリオクチルホスフィン、およびヘキサンに分散させたコアを加えてください。スターバーを入れ、反応雰囲気を窒素に置換します。

シュレンクラインを用いてヘキサンを除去しながら、ホットプレートスターラーを用いて部分真空下、毎分3.3 °Cの速度で70 °Cまで加熱します。雰囲気を窒素に切り替え、同じ速度で120 °Cまで加熱を続けます。120 °Cで2時間攪拌します。

反応液を冷却させ、混合物を2本の15 milliliter遠心チューブに等分します。溶液をチューブに注ぐ前に、サンプルにクロロホルムを注入します。粒子を沈殿させるため、エタノールを加えてチューブの液量を50 millilitersまで満たし、3600 times gで10分間遠心分離します。

上澄み液を除去し、ペレットを合計10 millilitersのn-Hexaneで再分散させます。溶液を再度遠心分離して不溶性不純物を除去した後、サンプルチューブにデカンテーションします。窒素雰囲気下、4 degrees Celsiusで最大3ヶ月間保存してください。

膨潤液の調製として、36 mLのn-ヘキサンと、合成したセレン化カドミウム量子ドット分散液4 mLを混合し、セレン化カドミウム量子ドットのストック溶液を調製します。この溶液をマグネティックスターラーで撹拌します。このストック溶液を9 mLずつ2本のバイアルに分注し、これを膨潤液として使用します。

ストック溶液の残りを、量子ドット濃度の異なるさらなる膨潤溶液の調製に使用します。テキストプロトコルに詳述されている通り、ストック溶液を希釈して66%溶液、50%溶液、および33%溶液となるようにし、量子ドット濃度の減少させた3種類の膨潤溶液を調製します。すべての量子ドット溶液は、室温の暗所で保存してください。

次に、新しいメス刃を用いて、医療グレードのシリコン正方形を4枚切り出します。量子ドット濃度の異なる4種類の膨潤液（ストック溶液、66%、50%、33%）に、医療グレードのシリコン正方形をそれぞれ1枚ずつ浸します。室温・遮光条件下でポリマー試料を24時間膨潤させた後、各膨潤液から膨潤したポリマー試料を取り出します。遮光条件下で48時間、試料を風乾させます。この間に残留溶媒が蒸発し、ポリマーは元の寸法まで収縮します。

次に、表面に結合した物質を除去するため、量子ドットを組み込んだサンプルを脱イオン水で十分に洗浄します。その後、医療グレードのシリコン正方形をさらに4枚用意します。これらをストック膨潤溶液に浸し、1時間、3時間、6時間、24時間と、それぞれ異なる時間で処理します。

膨潤溶液から取り出した後、膨潤したポリマーサンプルを暗所で48時間風乾させ、サンプルを元の寸法まで収縮させます。量子ドットを組み込んだサンプルを脱イオン水で十分に洗浄し、表面に結合した物質や残留溶媒を取り除きます。新しいメス刃を用いて、膨潤・収縮させたシリコン正方形を2つ切り出します。

これにより、シリコンサンプルの内表面が露出するようにしてください。イメージングのため、シリコンサンプルを顕微鏡スライドガラスの上に配置します。ポリマーの切断したばかりの面が、ガラススライドに完全に接触していることを確認してください。

テキストのプロトコルに記載されている通り、寿命蛍光測定を完了する前に、シリコン部分を軽く押し下げて顕微鏡スライドとの接触を確実にしてください。その後、サンプルを顕微鏡のステージに設置します。寿命蛍光測定を行うには、レーザー出力を音響光学可変フィルターシステムに直接結合させ、488 nanometerのレーザーラインを生成します。

カスタムメイドのレーザースキャニングユニットを用いてレーザービームを絞り、ダイクロイックミラーで反射させて10X対物レンズの背面開口部から試料へと導きます。測定の実施およびデータ処理の手順については、テキストプロトコルを参照してください。冷却した量子ドットは、フォトルミネッセンス分光法を用いて特性評価を行い、発光スペクトル、励起スペクトル、および全量子収率を測定します。

スウェル封入された量子ドットは非常に高い光ルミネセンスを示すため、輝度はスウェル封入が成功したかどうかの指標となります。ポリマーの断面を蛍光顕微鏡にセットすることで、スウェル封入の程度を測定できます。この手法に習熟し、適切に実施すれば、スウェル封入サンプルを用いて約15分で完了させることが可能です。

本手順を行う際は、ポリマー試料の切断に使用するブレードが汚染されておらず、十分に鋭利であることを確認することが重要です。この段階での不備は、蛍光画像にアーティファクトを混入させる可能性があります。本手順に続き、機能試験に加えてエネルギー分散型X線分光法などの他の手法を用いることで、封入量や表面濃度をさらに詳細に評価することができます。本技術の開発により、材料科学分野の研究者がさまざまなホストマトリックスを用いたナノ粒子複合設計を探索する道が開かれました。

セレン化カドミウムの取り扱いは非常に危険であるため、本手順を実施する際は、適切な個人用保護具の着用やドラフトチャンバー内での作業など、常に十分な予防措置を講じてください。