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

이 분석 기술의 전반적인 목표는 고분자 매트릭스 내 나노입자의 통합 과정에 대한 이해를 얻는 것입니다. 입자를 직접 이미징함으로써 국부 농도와 전체 동화율을 추정할 수 있습니다. 이 방법은 나노화학, 개념 재료 설계 및 촉매 작용을 포함한 재료 화학의 핵심 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 기술의 주요 장점은 나노 입자 물질의 통합 과정을 직접 이미지화할 수 있다는 점이며, 이를 통해 얻은 정보는 다른 단순한 방법으로는 얻을 수 없습니다. 시연은 UCL Parkin 교수 연구실의 박사후 연구원인 Sacha Noimark 박사, Joe Bear 박사, William Peveler 박사가 진행합니다.

텍스트 프로토콜에 상세히 설명된 대로 카드뮴 셀레나이드 코어 준비부터 이 절차를 시작하십시오. 100 milliliter 갈색 바닥 플라스크에 diethyldithiocarbamate 아연, 1-Octadecene, Oleylamine, Trioctylphosphine 및 헥산에 분산된 코어를 넣습니다. 마그네틱 바를 넣고 반응 분위기를 질소로 교체하십시오.

Schlenk line을 사용하여 헥산을 제거하면서, 핫플레이트 교반기에서 부분 진공 상태로 분당 3.3 °C의 속도로 70 °C까지 반응물을 가열합니다. 분위기를 질소로 전환하고, 동일한 속도로 120 °C까지 계속 가열합니다. 120 °C에서 2시간 동안 교반합니다.

반응액을 식힌 후, 혼합물을 두 개의 15 milliliter 원심분리 튜브에 나누어 담습니다. 용액을 튜브에 붓기 전 샘플에 클로로포름을 주입합니다. 입자를 침전시키기 위해 튜브의 부피가 에탄올로 50 milliliters가 되도록 채운 다음, 3600 times g에서 10분 동안 원심분리합니다.

상층액을 제거하고 펠렛을 총 10 milliliters의 n-Hexane에 다시 분산시킵니다. 용액을 한 번 더 원심 분리하여 불용성 불순물을 제거한 후, 샘플 튜브에 따라 붓습니다. 질소 분위기 하에 4°C에서 최대 3개월 동안 보관하십시오.

팽윤 용액 제조를 위해, n-Hexane 36 mL와 합성된 카드뮴 셀레나이드 양자점 분산액 4 mL를 혼합하여 카드뮴 셀레나이드 양자점 스톡 용액을 준비합니다. 용액을 마그네틱 스터러로 교반합니다. 이 스톡 용액을 각각 9 mL씩 담은 바이알 두 개를 팽윤 용액으로 따로 준비해 둡니다.

남은 스톡 용액을 사용하여 다양한 양자점 농도의 팽윤 용액을 추가로 조제합니다. 텍스트 프로토콜에 상세히 설명된 대로, 스톡 용액을 희석하여 66% 용액, 50% 용액, 33% 용액의 세 가지 농도가 되도록 양자점 농도가 감소하는 팽윤 용액들을 조제하십시오. 모든 양자점 용액은 실온의 암소에 보관하십시오.

다음으로, 새 메스 날을 사용하여 의료용 실리콘 사각형 4개를 잘라냅니다. 양자점 농도가 각각 다른 4가지 팽윤 용액(stock solution, 66%, 50%, 33%)에 의료용 실리콘 사각형을 하나씩 담급니다. 고분자 시료를 암조건의 실온에서 24시간 동안 팽윤시킨 후, 각 팽윤 용액에서 팽윤된 고분자 시료를 꺼냅니다. 잔류 용매가 증발하고 고분자가 초기 크기로 다시 수축하도록 암조건에서 48시간 동안 시료를 자연 건조합니다.

다음으로, 표면에 결합된 물질들을 제거하기 위해 퀀텀닷이 포함된 시료들을 탈이온수로 충분히 세척합니다. 그 후 의료용 실리콘 사각형 4개를 추가로 준비합니다. 이를 각각 1시간, 3시간, 6시간, 24시간 동안 서로 다른 시간 동안 스톡 팽윤 용액에 침지시킵니다.

팽창 용액에서 꺼낸 후, 팽창된 폴리머 샘플을 암조건에서 48시간 동안 공기 건조하여 샘플이 이전 크기로 다시 수축되도록 합니다. 표면에 결합된 물질이나 잔류 용매를 제거하기 위해 양자점이 포함된 샘플을 탈이온수로 충분히 세척합니다. 새 메스 날을 사용하여 팽창 및 수축된 실리콘 정사각형 두 개를 잘라냅니다.

실리콘 샘플의 내부 표면이 드러나도록 하십시오. 이미징을 위해 실리콘 샘플을 현미경 슬라이드 위에 놓으십시오. 폴리머의 갓 절단된 면이 유리 슬라이드에 완전히 밀착되도록 하십시오.

텍스트 프로토콜에 설명된 대로 수명 형광 측정을 완료하기 전에, 현미경 슬라이드와 부드럽게 접촉할 수 있도록 실리콘 부분을 가볍게 눌러주십시오. 그런 다음 샘플을 현미경 스테이지 위에 놓습니다. 수명 형광 측정을 완료하려면 레이저 출력을 음향 광학 가변 필터 시스템에 직접 연결하여 488 nanometer 레이저 라인을 생성하십시오.

다이크로익 미러(dichroic mirror)에 의해 10X 대물렌즈의 후방 조리개로 반사되어 시료로 향하는 사용자 정의 제작 레이저 스캐닝 유닛을 사용하여 레이저 빔의 초점을 맞춥니다. 측정 수행 및 데이터 처리 방법에 관한 지침은 텍스트 프로토콜을 참조하십시오. 냉각된 퀀텀닷은 광루미네선스 분광법(photoluminescence spectroscopy)을 사용하여 방출, 들뜸 스펙트럼 및 전체 양자 수율을 측정함으로써 특성을 분석합니다.

팽윤 캡슐화된 양자점은 광발광성이 매우 높으므로, 밝기는 팽윤 캡슐화의 성공 여부를 나타냅니다. 팽윤 캡슐화 정도를 측정하기 위해 폴리머의 단면을 형광 현미경에 장착할 수 있습니다. 숙달되면, 적절하게 수행할 경우 팽윤 캡슐화된 시료를 사용하여 약 15분 내에 이 기술을 완료할 수 있습니다.

실험 절차를 수행할 때, 고분자 샘플 절단에 사용하는 칼날이 오염되지 않았으며 충분히 날카로운지 확인하는 것이 중요합니다. 이 단계에서 일관성이 없으면 형광 이미지에 아티팩트(artifact)가 발생할 수 있기 때문입니다. 본 절차 이후에는 캡슐화 양이나 표면 농도를 추가로 측정하기 위해 기능 테스트와 더불어 에너지 분산형 X선 분광법(energy dispersive X-ray spectroscopy)과 같은 다른 분석 방법을 수행할 수 있습니다. 이 기술의 개발 이후, 재료 과학 분야의 연구자들은 다양한 호스트 매트릭스를 사용하여 나노입자 복합체 설계를 탐구할 수 있는 기반을 마련하게 되었습니다.

카드뮴 셀레나이드를 다루는 것은 매우 위험할 수 있으므로, 본 절차를 수행하는 동안에는 항상 적절한 개인 보호 장비를 착용하고 흄 후드 내에서 작업하는 등의 예방 조치를 취해야 함을 잊지 마십시오.