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
2016年7月19日
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。
この分析手法の全体的な目標は、ポリマーマトリックスへのナノ粒子の取り込みを理解することです。粒子を直接イメージングすることで、局所的な濃度と全体的な同化率を推定することができます。この方法は、ナノケミストリー、コンセプト材料設計、触媒作用など、材料化学における重要な質問に答えるのに役立ちます。
この技術の主な利点は、ナノ特異的材料の組み込みが直接画像化されるため、得られる情報は他の単純な方法では達成できないことです。手順を実演するのは、Sacha Noimark博士、Joe Bear博士、およびWilliam Peveler博士です。UCLのパーキン教授の研究室のポスドク。
この手順は、テキストプロトコルに詳述されているように、セレン化カドミウムコアの準備から開始します。100ミリリットルの茶色の底のフラスコに、ジエチルジチオカルバミン酸亜鉛、1-オクタデセン、オレイラミン、トリオクチルホスフィン、およびヘキサンのコアを追加します。.攪拌子を加え、反応雰囲気を窒素と交換します。
ホットプレートスターラーで反応をパーシャルバキューム下で毎分3.3°Cで70°Cまで加熱し、シュレンクラインを使用してヘキサンを除去します。雰囲気を窒素に切り替え、この速度で摂氏120度まで加熱を続けます。摂氏120度で2時間攪拌します。
反応を冷まし、混合物を2本の15ミリリットル遠心分離管に分割します。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。チューブにエタノールを最大50ミリリットル充填して粒子を沈殿させ、3600 gで10分間遠心分離することを確認します。
上清を捨て、ペレットを合計10ミリリットルのn-ヘキサンに再分散させます。溶液をもう一度遠心分離して不溶性不純物を取り除き、サンプルチューブにデカントします。窒素雰囲気下で摂氏4度で最大3か月間保管してください。
膨潤溶液の調製には、36ミリリットルのn-ヘキサンと4ミリリットルの合成されたセレン化カドミウム量子ドット分散液を混合することにより、セレン化カドミウム量子ドットの原液を調製します。溶液を磁気的に攪拌します。指定された膨潤溶液として、それぞれ9ミリリットルのストック溶液を含む2つのバイアルを取っておきます。.
残りのストック溶液は、さまざまな量子ドット濃度の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ように、ストック溶液を希釈して66%溶液、50%溶液、および33%溶液を得ることにより、量子ドット濃度を低下させる3つの膨潤溶液を調製します。すべての量子ドット溶液は、室温の暗い条件下で保管してください。
次に、新しいメスの刃を使用して、4つの医療グレードのシリコン正方形を切り取ります。さまざまなパーセントの4つの膨潤溶液のそれぞれに医療グレードのシリコーン正方形を浸します 量子ドット濃度:ストック溶液、66%50%および33%ポリマーサンプルが暗所条件下で室温で24時間膨潤した後、膨潤したポリマーサンプルをそれぞれの膨潤溶液から除去します。暗所条件下でサンプルを48時間風乾し、その間に残留溶媒が蒸発し、ポリマーは収縮して初期寸法に戻ります。
次に、量子ドットに組み込まれたサンプルを脱イオン水で十分に洗浄し、表面結合した物質を取り除きます。次に、さらに4つの医療グレードのシリコンスクエアを準備します。それらをストック膨潤溶液にさまざまな時間(1時間、3時間、6時間、24時間)浸します。
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条件下で48時間風乾し、サンプルが収縮して元の寸法に戻ります。量子ドットに組み込まれたサンプルを脱イオン水で完全に洗浄し、表面結合物質や残留溶媒を除去します。2つの膨らんだ収縮シリコーンの正方形を新鮮なメスの刃で切り取ります。
これにより、シリコーンサンプルの内面が露出していることを確認してください。シリコーンサンプルを顕微鏡スライド上に置いてイメージングします。ポリマーの新しくカットされた面がスライドガラスと完全に接触していることを確認します。
テキストプロトコルに記載されているように、寿命蛍光測定を完了する前に、顕微鏡スライドとのスムーズな接触を確保するために、シリコン部分を軽く押し下げます。次に、サンプルを顕微鏡のステージに置きます。寿命蛍光測定を完了するには、レーザー出力を音響光学チューナブルフィルターシステムに直接結合して、488ナノメートルのレーザーラインを生成します。
特注のレーザースキャニングユニットを使用してレーザービームを集束させ、ダイクロイックミラーで反射して10倍対物レンズの背面開口部に照射し、次にサンプルに照射します。測定の実行とデータの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。チルド量子ドットは、フォトルミネッセンス分光法を使用して特性評価され、発光、励起スペクトル、および全体的な量子収率を測定します。
うねりカプセル化された量子ドットはフォトルミネッセンスが高いため、明るさはうねりカプセル化が成功したことを示しています。ポリマーの断面を蛍光顕微鏡に取り付けて、膨潤カプセル化の程度を測定できます。このテクニックを習得すると、適切に実行されれば、膨潤カプセル化されたサンプルを使用して約15分で実行できます。
この手順を試行する際、ポリマーサンプルの切断に使用されるブレードは汚染されておらず、比較的鋭利であることを覚えておくことが重要です。この段階での不整合は、蛍光画像にアーティファクトをもたらす可能性があります。この手順に続いて、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方法を実行して、カプセル化量または表面濃度をさらに測定することができます。その開発後、この技術は、材料科学の分野の研究者がさまざまなホストマトリックスを使用したナノ粒子複合材料設計を探求する道を開きました。
セレン化カドミウムの取り扱いは非常に危険である可能性があり、この手順を実行する際には、適切な個人用保護具を着用したり、ヒュームキャビネットで作業したりするなどの予防策を常に講じる必要があることを忘れないでください。
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概要
この研究は、膨潤封入によるナノ粒子のポリマーホストマトリックスへの組み込みを監視するための信頼性の高い方法を提示します。この技術は、カドミウムセレン化物量子ドットを直接イメージングすることを可能にし、局所濃度と吸収率に関する洞察を提供します。
主要な研究構成要素
科学分野
- 材料化学
- ナノ化学
- ポリマー科学
背景
- ナノ粒子の組み込みの理解は材料設計にとって重要です。
- 直接イメージング技術は他の方法では得られない情報を明らかにすることができます。
- この研究はナノ材料の進歩の文脈で行われています。
- 主要な研究者は、サシャ・ノイマーク博士、ジョー・ベア博士、ウィリアム・ピーブラー博士を含みます。
研究目的
- ポリマーにおけるナノ粒子の組み込みを可視化する手法を開発すること。
- マトリックス内のナノ粒子の局所濃度を推定すること。
- 材料化学と触媒に関する疑問に対処すること。
使用された方法
- 量子ドットの可視化のための蛍光イメージング。
- ナノ粒子の組み込みのための膨潤封入技術。
- 局所濃度と吸収率の分析。
- UCLの研究者との協力。
主要な結果
- カドミウムセレン化物量子ドットの成功した可視化。
- 表面濃度の正確な推定の達成。
- この方法の信頼性と有効性の実証。
- 得られた洞察が材料化学の分野に貢献。
結論
- この方法はナノ粒子の組み込みを研究するためのユニークなアプローチを提供します。
- 直接イメージングは従来の方法に比べて利点を提供します。
- 将来の応用は材料設計と触媒を強化する可能性があります。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Accurate quantification of nanoparticle surface concentration is critical for optimizing functional materials, particularly in antimicrobial and catalytic applications where surface activity dictates performance. This method enables direct visualization and measurement of nanoparticle uptake via swell encapsulation, providing a reliable metric for formulation optimization. By linking nanoscale distribution to functional output, it supports early-stage de-risking of composite materials in discovery pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of nanoparticle-polymer interactions to clarify surface localization mechanisms.
- Operational Value: Provides a direct readout of encapsulation efficiency for hypothesis testing in material design.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative fluorescence data to standardize nanoparticle incorporation across formulations.
- Operational Value: Supports assay readiness by establishing reproducible swelling and imaging protocols.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates correlation between surface nanoparticle concentration and antimicrobial or catalytic activity.
- Operational Value: Enables scalable evaluation of composite stability and performance under defined conditions.
Pipeline & Workflow Integration
This technique fits within the discovery workflow by providing quantitative nanoscale characterization after material synthesis and before functional screening, informing go/no-go decisions based on surface composition.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding nanoparticle distribution and localization in polymer matrices.
- Screening: Delivers standardized, quantitative outputs for comparing encapsulation efficiency across formulations.
- Analytics: Provides fluorescence intensity measurements that correlate with local nanoparticle concentration and assimilation rates.
- Translational Research: Connects material synthesis to functional performance by enabling surface concentration-activity relationships.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable imaging protocol for evaluating nanoparticle-polymer composites across multiple projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in nanoparticle-polymer interactions through direct visualization.
- Operational Value: Ensures standardization and reproducibility in quantifying nanoparticle uptake via swell encapsulation.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by linking surface concentration to predicted functional performance.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of formulations based on verified surface activity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fluorescence microscopy and nanoparticle handling.
- Dependent on access to laser scanning fluorescence systems and appropriate optical filters.
- Necessitates standardized swelling and drying protocols to ensure dimensional consistency.
- Involves adaptation considerations for different polymer matrices and nanoparticle types.
- Involves practical limitations related to photostability and potential toxicity of cadmium-based quantum dots.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:47
Zinc Sulfide (ZnS) Shelling of the Cadmium Selenide (CdSe) Core
2:28
Swelling Encapsulation of Nanoparticles into Polydimethylsiloxane (PDMS)
4:58
Visualization of Nanoparticle Swell Encapsulation into PDMS
6:04
Results: Analysis of Nanoparticle-polymer Composites
6:37
Conclusion
