직접 형광 이미징을 사용하여 나노 입자 - 고분자 복합 재료의 고급 성분 분석

요약

여기에서는 스웰 캡슐화를 통해 나노 입자가 고분자 호스트 매트릭스에 혼입되는 것을 모니터링하는 신뢰할 수 있는 방법을 제시합니다. 우리는 카드뮴 셀레나이드 양자점의 표면 농도가 단면 형광 이미징을 통해 정확하게 시각화될 수 있음을 보여줍니다.

초록

고분자-나노 입자 복합체의 제조는 많은 기능성 재료의 개발에서 매우 중요합니다. 이러한 물질의 정확한 조성을 식별하는 것은 특히 활성 성분의 표면 농도가 물질의 활성을 결정하는 표면 촉매의 설계에서 필수적입니다. 나노 입자를 활용하는 항균 재료는 이 기술의 특별한 초점입니다. 최근에는 항균 나노 입자를 숙주 고분자 매트릭스에 삽입하는 기술로 팽창 캡슐화가 부상했습니다. 스웰 캡슐화(Swell encapsulation)는 이러한 물질의 활성 부위 역할을 하는 물질의 외부 표면에 혼입을 국지화할 수 있는 이점을 제공합니다. 그러나 이러한 나노 입자 흡수를 정량화하는 것은 어렵습니다. 이전 연구에서는 항균 활성과 활성 성분의 표면 농도 사이의 연관성을 조사했지만 이를 직접 시각화하지는 않았습니다. 여기에서는 스웰 캡슐화(swell encapsulation)를 통해 나노 입자가 고분자 호스트 매트릭스에 혼입되는 것을 모니터링하는 신뢰할 수 있는 방법을 보여줍니다. 우리는 CdSe/ZnS 나노 입자의 표면 농도가 단면 형광 이미징을 통해 정확하게 시각화될 수 있음을 보여줍니다. 이 방법을 사용하면 팽창 캡슐화를 통한 나노 입자의 흡수를 정량화하고 캡슐화된 입자의 표면 농도를 측정할 수 있으며, 이는 기능성 물질의 활성을 최적화하는 데 중요합니다.

서론

나노 물질의 응용 프로그램이 긴 새로운 기술에 대한 관심을 증가의 영역을 역임했다. ^1-3이 화장품, 의류, 포장 및 전자 제품을 포함한 일상 항목에서 나노 입자의 성장 사용을 포함하고있다. ^4-6 나노 입자를 사용하는 방향으로 주요 드라이브 기능성 물질의 입자 크기의 변화에 의해 튜닝 특성 능력 이외에 재료 그들의 높은 반응성 상대로부터 유래한다. ⁷ 한 다른 이점은 같은 호스트 매트릭스에 중요한 특성을 도입하기 쉽게 복합 재료를 형성 할 수있는 능력이다 촉매 기능, 재료 강화 및 전기적 특성의 조정. ^8-12

나노 입자 고분자 복합 재료 기술의 범위를 통해 달성 될 수 있고, 간단한있는 호스트 매트릭스의 제조 동안에 원하는 나노 직접 통합이다. ^{(13, 14)이} R나노 입자에 걸쳐 재료의 균일 한 간격이 균일 한 재료 esults. 그러나 대부분의 응용 프로그램은 나노 복합 재료의 외부 인터페이스에 존재하는 활성 물질을 필요로한다. 재료의 벌크를 통해 많은 나노 폐기물이있는 한 결과, 직접 혼입 때때로 값 비싼 나노 물질의 효율적인 이용을 초래하지 않는다. ^{(15, 16)를} 직접 결합을 달성하기 위해, 나노 입자는 호스트 매트릭스의 형성과 호환되어야한다. 이는 특히 통상적으로 고 활성 인 나노 입자에 의해 영향을받을 수있는 금속 착체 촉매 메커니즘에 의해 촉진되는 열경화성 플라스틱의 경우와 같이 다면적 반응을 필요로 합성에 도전 할 수있다. ⁽¹⁴⁾

중합체 합성시에 직접 나노 혼입과 연관된 상당한 단점이 나노 incorporati을 제한 할 목적으로 기술 개발을 이끌었다표면에 층. ^17-21 스웰 캡슐화 중합체 벌크 제한 소모와 높은 표면 나노 입자의 농도를 달성하기 위해, 문헌에보고 된 가장 성공적인 전략이다. ^17-19 기술은 중합체의 용매 구동 팽창을 이용한다 매트릭스 분자 종의 나노 입자의 침입을 허용. 팽윤 용매를 제거하면, 매트릭스 내에서의 종이 표면에 국부적 종의 높은 농도와 함께 제자리에 고정된다. 현재까지 팽창 캡슐화의보고 사용의 대부분은 (는) 활성제는 재료 표면에 있는지 중요 항균 고분자의 제조,에 관한 것이다. 이러한 보고서 많은 향상된 항균 활성을 나타내는 반면, 정확한 표면 나노 입자 조성물의 거의 상세히 프로빙 않는다. 크릭 등 알. 최근에 중요한 INSI을 제공하는 나노 입자 침입의 직접 시각화하는 방법을 시연팽윤 밀봉함으로써 달성 동력학 표면 나노 입자의 농도에 GHT. ²²

이 작업은 카드뮴 셀레 나이드 양자점 (QD), 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)과 형광 이미징을 사용하여 혼입 직접적인 시각화에 자신 팽윤 밀봉 합성 세부. 팽윤 액에 팽윤 밀봉 시간 및 나노 입자의 농도를 변화시키는 효과를 탐구한다. 형광의 시각화 기법은 PDMS에 나노 입자 침입 직접 이미징을 허용하고 양자점의 가장 높은 농도는 재료 표면에있는 것을 보여준다.

프로토콜

의 CdSe /의 ZnS 코어 / 쉘 양자 점의 1. 준비

1. 트리 옥틸 포스 핀의 제조 (TOP) -se 솔루션
   1. (8 ㎖를 일반적으로 0.4 g이 TOP 10 ㎖에 용해, 반응에 따라 필요) 질소 하에서 또는 글러브 박스에서 쉬 렌크 플라스크에 TOP에 셀레늄의 적절한 양을 혼합하여 TOP에 셀레늄의 0.5 M 용액을 준비합니다.
   2. 상단 셀레늄 복잡 회색 용액 결과 1 시간 동안 선생을 용해 혼합물을 교반한다.
   3. 이 솔루션은 동결 펌프 - 해동 5 회 탈기 한 후되어 있는지 확인합니다. 얻어진 원액 3 개월 동안 질소하에 저장 될 수있다.
2. 의 CdSe 코어의 제조
   1. 카드뮴 산화물 (51 ㎎, 0.4 밀리몰), TOP 옥사이드 (3.7 g, 9.6 밀리몰)를 달아, 헥사 데실 (1.93 g, 8 mmol) 및 1- dodecylphosphonic 산 (0.22 g, 0.88 mmol) 및 세 경부에 결합 (250) ml의 둥근 바닥 플라스크. 교반 막대를 추가합니다.
   2. 격막 및 확인과 닫기를 두 목세 번째는 긴 환류 응축기 및 질소 / 진공 쉬 렌크 라인에 부착된다. 혼합물에 직접 하나 격막을 통해 가열 맨틀 온도 프로브를 삽입합니다. 다섯 번 / 펌프 질소 플라스크 리필.
   3. 320 ° C까지 플라스크를 가열하고, 질소 분위기 하에서 1 시간 동안 용융 교반한다.
   4. 질소로 큰 주사기와 넓은 구멍 바늘을 사용해서 5 회 탈기에 (20 ㎖, 3mm 구멍)를 270 ° C에 벽난로의 온도를 낮추고.
   5. 위로 TOP-셀레늄 용액 (1.1 단계)의 8 mL를 취하여 격막을 통해 세 목 플라스크에 신중하지만 빠른 속도로 주입.
   6. 생성 된 입자의 크기를 제어 할 분 30 초 내지 10 대 270 ℃에서 반응물을 교반한다. 적색 발광 (~ 600 ㎚)의 경우, 7-9 분에 적합하다.
   7. 다음, 반응 혼합물 및 장소 (반응 용기의 절반을 잠수함하기에 충분히 큰) 끓는 물 그릇을 준비합니다. 반응 시간이 끝나면 신속 boili으로 반응을 냉각소용돌이 치는 물을 ng를.
      주의 : 냉각은 플라스크 균열의 원인이 될 수 있습니다. 큰 관심을 가지고 두꺼운 불 침투성 장갑을 착용하십시오.
   8. 일단 차가운, 모든 제품을 용해 플라스크에 클로로포름 10 ㎖를 주입하고, 두 개의 50 ㎖ 원심 분리 튜브의 혼합물을 분할.
   9. 3,600 × g 10 분 각 튜브 최대의 EtOH 및 원심 분리기와 50 ㎖로 최고 최대 입자를 침전한다. 상층 액을 제거하고, n- 헥산 10 ㎖의 총 펠렛을 다시 분산.
3. 의 CdSe 코어의의 ZnS 포격 :
   1. 100 ml의 헥산으로 코어를 추가 둥근 바닥 플라스크에 포함 된 아연 디 에틸 (0.5 g, 1.4 밀리몰), 올레 일 아민 (3 ㎖, 9.12 밀리몰), 트리 옥틸 포스 핀 (3 ㎖, 6.73 밀리몰) 및 1- 옥타 데센 (10 ㎖). 교반 막대를 추가합니다. 질소 분위기 하에서 반응을 교환한다.
   2. 70 ° C까지 부분적인 진공 하에서 3.3 ° C / 분에서 핫 플레이트 - 교반기의 반응을 가열하고, 쉬 렌크 줄을 사용하여 헥산을 제거합니다.
   3. 질소로 분위기를 전환하고 120 ° C까지이 속도로 가열을 계속한다. 2 시간 동안 120 ℃에서 교반 하였다.
   4. 반응이 냉각 할 수 있도록 허용하고, 2 × 50 ML의 원심 분리기 튜브 사이의 혼합물을 분리. 튜브는 10 분 동안 3,600 × g에서 입자와 원심 분리기를 침전 EtOH로 50 ㎖까지 얹어되어 있는지 확인합니다.
   5. 상층 액을 제거하고, n- 헥산 10 ㎖의 총 펠렛을 다시 분산.
   6. 최대 3 개월 동안 질소 대기 하에서 냉장고 (4 ℃)에서 원심 분리 용액 (3,600 × g으로 10 분간) 샘플 튜브로 경사지기 전에, 임의의 불용성 불순물을 제거하기 위해 다시 한 번, 그리고 매장.

PDMS에 나노 입자의 2 붓기 캡슐화

1. 솔루션 준비 붓기 :
   1. 4 (합성 등)의 CdSe QD 분산액 ㎖의 n- 헥산 36 ml에 혼합 한 CdSe 양자점의 스톡 용액을 준비하고 자기 용액을 교반 하였다.
   2. 별도로 두 바이알 지정 팽윤 용액으로 원액 9 mL를 함유 각각 설정한다.
   3. QD의 농도를 변화시키는 상기 팽윤 용액의 제조 원액의 나머지 부분을 사용한다. 66 % (v / v) 용액, 50 % 용액, 33 % 용액을 수득 원액을 희석함으로써 감소 QD 농도 세 팽윤 용액을 준비한다.
      1. n- 헥산 3 mL로 한 CdSe QD 스톡 용액 6 ml를 혼합하여 66 % (v / v)의 용액을 제조 하였다. 완전한 혼합을 보장하기 위해 자기 용액을 교반한다.
      2. 4.5 ㎖의 n- 헥산으로 한 CdSe QD 원액 4.5 ml를 혼합하여 50 % (v / v)의 용액을 제조 하였다. 완전한 혼합을 보장하기 위해 자기 용액을 교반한다.
      3. n- 헥산 6 mL로 한 CdSe QD 스톡 용액 3 ㎖를 혼합하여 33 % (v / v)의 용액을 제조 하였다. 완전한 혼합을 보장하기 위해 자기 용액을 교반한다.
   4. 실온에서, 어두운 조건에서 QD 솔루션을 모두 저장합니다.
2. 고분자 제조 및 QD 법인은 - 붓기 솔루션의 QD 농도를 변화 :
   1. 신선한 메스 블레이드를 사용하여 네 개의 의료용 실리콘 사각형 (11mm X 11mm)을 잘라.
   2. %의 QD 농도 변화의 네 팽윤 용액 각각 의료용 실리콘 사각형 담가 : 스톡 용액, 66 % (V / V), 50 % (v / v)의 33 % (V / V). 중합체 샘플이 암 조건 하에서 24 시간 동안 팽창을 허용하고, 실온에서 첨가 하였다.
   3. 잔류 용매의 증발과 폴리머는 다시 초기 크기로 축소이 기간 동안 48 시간에 대한 어두운 조건에서 팽창 솔루션 및 공기 건조 각각의 부어 폴리머 샘플을 제거합니다.
   4. 어떤 표면 결합 물질을 제거하는 탈 이온수로 철저하게 QD-통합 샘플을 씻으십시오.
3. 중합체 제조 및 QD 혼입 - 팽윤 중합체 용액에 노출 시간을 변화 :
   1. 2.2.1에서 언급 한 바와 같이, 네 더 의료용 실리콘 사각형 (11mm X 11mm)를 준비합니다.
   2. 시간 기간을 변화시키는 재고 팽윤 액 중의 의료용 실리콘 사각형 담가 1 시간, 3 시간, 6 시간, 24 시간이.
   3. 팽윤 용액으로부터 제거 후, ​​공기는​​ 샘플이 다시 이전 크기로 축소하도록 48 시간 동안 어두운 조건에서 부어 폴리머 샘플을 건조.
   4. 어떤 표면 결합 물질이나 잔류 용매를 제거하는 탈 이온수로 철저하게 QD-통합 샘플을 씻으십시오.

나노 입자의 3 시각화 PDMS로 캡슐화 스웰

1. 실리콘 샘플 준비 :
   1. 신선한 메스 블레이드 (5.5 mm X 11mm) 두 개의 실리콘 사각형을 잘라. 이 실리콘 샘플의 내부 표면을 노출 있는지 확인합니다.
2. 형광 이미징 :
   1. microsco에 실리콘 샘플을 배치폴리머의 갓 잘라면이 유리 슬라이드 전체 접촉을 보장 이미징을위한 체육 슬라이드. 현미경 슬라이드와 부드러운 접촉을 보장하기 위해 가볍게 실리콘 부분을 아래로 누릅니다. 현미경의 무대에서 샘플을 놓습니다.
   2. 20 MHz 또는 유사한 속도로 5 PSEC 펄스로 이루어지는 488 nm의 스펙트럼을 여과 레이저 라인을 사용하여 전체 수명 형광 측정. ^(23)를 사용하여 음향 광학 가변 필터에있어서, 상기 레이저 출력에 직접 커플 488을 생성하기 위해서 nm의 레이저 라인. 샘플에 다음 10X 대물 렌즈의 배면 개구로 익 미러 (488 ㎚)에 의해 반사되는 맞춤형 레이저 스캐닝 유닛 (부가 정보를 참조)를 사용하여 레이저 빔을 초점.
      1. 다음 동일한 다이크로 익 미러를 통과 동일한 목적으로 형광 방출을 수집한다. 단일 광자 계수 모드에서 작동 눈사태 포토 다이오드를 향해이 빛을 직접. 프로세스 lifeti 시간 상관 단일 광자 계산 (TCSPC) 보드를 사용하여 나 측정. ⁽²³⁾
   3. 처음에 장비 응답 함수 (IRF) 각 실험 세션 종료를 기록한다. ⁽²³⁾
      주 : TCSPC 실험에서 기록 된 신호는 상기 검출기에서의 광자의 도착 이후의 레이저 펄스의 제조 사이의 시간 지연을 표시한다. 이 시간 지연 그러나, 측정 장치의 IRF와 컨벌루션한다. 따라서, IRF는 쓸모 응답에 비해 매우 짧은 수명 (~ 100 PSEC)이 100 nm의 오라 민 O, 악기의 응답으로서 측정된다.
   4. 형광 강도의 감쇠 지수의 비선형 피팅에 의해 수명을 추출하여 최대 우도 추정기 (MLE) ^{알고리즘을} 사용하여 ^25-27 IRF 에서이 deconvolute. MLE (γ의 _{J)는 다음과} 같이 계산된다
      eq1.jpg "/>
      N _(I)이 채널 I의 광자 카운트 수이고, k는 각 형광 감쇠 용 채널 (또는 빈들)의 수이고, p는 _I (j)는 광자의 그룹 입자가 나는 경우 채널 내에 속하는 확률은 수명은 J 및 N은 소정의 감쇠에 대한 계수의 총 수이다.
   5. 크기가 512 × 512 픽셀 (264)의 이미지로 구성된 연속 스캔을 만드는 5 분간 각 시료의 형광 강도 및 수명 데이터를 기록한다. 이러한 150 광자 임계 공정이 사용 MATLAB으로 계산 MLE와 이차원 형광 강도, 수명 및 강도 가중 수명지도를 제공하기 위해 결합한다.

결과

양자점은 약 600 nm의 람다 최대로 적색의 형광을 나타냈다. ^22,28 적색 발광 크기 치수 강한 한정 체제 내에 양자로드하여 여기자의 제한 때문이었다. 리 등이. 양자 봉 들면 발광 변화의 폭 또는로드의 길이 중 하나의 증가와 에너지를 낮추는 것으로 나타났다. 그들은 상기 발광은 주로로드의 폭이 강한 한정 체제에서와 같이 해당 소재의 보어 반지름보다 작은, 특히, 매우 긴 경우에도 중요한 역할을하는 측면 협착에 의해 결정된 것으로 나타났다. ²⁹ 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지가 양자점의 긴 형상 (종횡비 ~ 2.5)을 나타낸다. 양자점의 평균 길이는 2.1 나노 미터 (N = 200) (그림 1) ± nm의 12.6 것으로 나타났다. 양자점 솔루션은 최대 3m 위해 냉장에서 안정onths. 양자점의 저배율 이미지가 부가 정보로 제공된다 (SI - 1).

토론

단면 형광 이미징을 통해 팽창 캡슐화 중에 나노입자를 직접 시각화할 수 있습니다. 캡슐화의 동역학이 나타났으며, 높은 나노입자 표면 농도를 향한 추진력이 입증되었습니다. 나노입자 혼입 정도는 팽창 캡슐화 시간(섹션 2.3에 설명됨)에 따라 달라지는 것으로 나타났으며, 이 시간이 연장됨에 따라 혼입된 나노입자의 총량이 증가하며, 폴리머 샘플을 사용하는 경우 입자 농도가 표면에 국한됩니다. 나노입자 용액의 농도 변화(섹션 2.2에 설명된 최대 3× 희석)는 캡슐화된 입자의 양에 거의 변화가 없음을 나타냅니다. 사용된 입자(CdSe QD, Ø - 12.6 ± 2.1 nm)의 팽창 캡슐화 거동은 또한 유사한 크기의 입자(이산화티타늄, Ø - 13.1 ± 5.6 nm)와 유사한 것으로 나타났으며,²² 이는 팽창 캡슐화 동역학을 추가로 조사하기 위한 귀중한 도구로서 이 기술의 잠재적 사용을 보여줍니다. 이러한 실험에서 관찰된 팽창 캡슐화 속도는 나노 입자 크기에 민감한 것으로 상상되므로 크기 변화로 인해 캡슐화 속도가 ...

재료

이 논문에 사용된 재료 목록

이름	회사	카탈로그 번호	댓글
폴리디메틸실록산 시트	NuSil-Medical		Grade
Oleylamine	Sigma Aldrich	O7805	Technical Grade
Trioctylphosphine	Sigma Aldrich	117854	Technical Grade
Trioctylphosphine Oxide	Sigma Aldrich	346187	Technical Grade
1-Octadecene	Sigma Aldrich Ø806		기술 등급
디 에틸 디티 오 카르 바 메이트	시그마 알드리치	329703	-
올레산	시그마 알드리치	364525	기술 등급
트리 에틸 아	민 시그마 알드리치	471283	-
카드뮴 산화물	알파 아이사르	33235	-
헥사데실아민	알파 아이사르	B22459	기술 등급
1- Dodecylphosphonic acid	Alfa Aesar	H26259-Selenium
powder	Acros	19807	-
클로로포름	시그마 Aldrich
366919-n-Hexane	시그마 Aldrich	208752	-
현미경 슬라이드	VWR	631-0137	두께 번호 1