Uitgebreide analyse van de samenstelling van nanodeeltjes-polymeer Composites Met behulp van Direct Fluorescence Imaging

Samenvatting

Hier presenteren we een betrouwbare methode om de incorporatie van nanodeeltjes in een polymeer gastheermatrix te monitoren via zwellingscapsulering. We laten zien dat de oppervlakteconcentratie van cadmiumselenide kwantumdots nauwkeurig kan worden gevisualiseerd door middel van dwarsdoorsnede fluorescentiebeeldvorming.

Samenvatting

De fabricage van polymeer-nanodeeltje composieten is uiterst belangrijk in de ontwikkeling van veel functionele materialen. Het identificeren van de precieze samenstelling van deze materialen is essentieel, vooral bij het ontwerpen van oppervlaktekatalysatoren, waar de oppervlakteconcentratie van het actieve component de activiteit van het materiaal bepaalt. Antimicrobiële materialen die nanodeeltjes gebruiken, zijn een bijzonder focus van deze technologie. Recent is zwellingscapsulering opgekomen als een techniek om antimicrobiële nanodeeltjes in een gastheerpolymeermatrix te plaatsen. Zwellingscapsulering biedt het voordeel van het lokaliseren van de incorporatie naar de externe oppervlakken van materialen, die als actieve sites van deze materialen fungeren. Echter, het kwantificeren van deze nanodeeltje-opname is een uitdaging. Eerdere studies onderzoeken de link tussen antimicrobiële activiteit en oppervlakteconcentratie van het actieve component, maar dit wordt niet direct gevisualiseerd. Hier laten we een betrouwbare methode zien om de incorporatie van nanodeeltjes in een polymeergastheermatrix te monitoren via zwellingscapsulering. We tonen aan dat de oppervlakteconcentratie van CdSe/ZnS nanodeeltjes nauwkeurig gevisualiseerd kan worden door middel van dwarsdoorsnede fluorescentiebeeldvorming. Met behulp van deze methode kunnen we de opname van nanodeeltjes via zwellingscapsulering kwantificeren en de oppervlakteconcentratie van gecapsuleerde deeltjes meten, wat cruciaal is voor het optimaliseren van de activiteit van functionele materialen.

Inleiding

De toepassing van nanomaterialen is al lang gediend als een gebied van toenemende belangstelling voor nieuwe technologieën. ^03/01 Dit heeft het toenemende gebruik van nanodeeltjes in alledaagse voorwerpen, waaronder cosmetica, kleding, verpakkingen en elektronica inbegrepen. ^4-6 Een belangrijk station in de richting van het gebruik van nanodeeltjes in functionele materialen voort uit hun hogere reactiviteit ten opzichte van de materialen, naast de mogelijkheid om af te stemmen eigenschappen door het variëren van de deeltjesgrootte. ⁷ Een ander voordeel is de mogelijkheid om gemakkelijk vormen composietmaterialen introduceren cruciaal eigenschappen aan het hostmatrixmateriaal, zoals katalytische functionaliteit, materiaal en tuning van elektrische eigenschappen. ^12/08

Nanodeeltjes polymeer composietmaterialen kunnen worden bereikt door verschillende technieken, de eenvoudigste waarvan directe integratie van de gewenste nanodeeltjes tijdens de vervaardiging van het hostmatrixmateriaal. ^13,14 Deze resultaten in een homogeen materiaal met een gelijkmatige spreiding van nanodeeltjes materiaal overal. Veel toepassingen vereisen slechts het actieve materiaal aanwezig op de externe interfaces van de nanocomposieten zijn. Dientengevolge heeft rechtstreekse bijmenging niet tot efficiënt soms dure nanodeeltje materiaal er veel nanodeeltjes afval door de bulk van het materiaal. ^15,16 Om directe opname te realiseren, de nanodeeltjes moeten ook compatibel met hostmatrixmateriaal formatie. Dit kan problematisch zijn, vooral bij syntheses die veelzijdige reacties zoals in het geval van thermohardende polymeren die gewoonlijk worden vergemakkelijkt door metaalcomplexkatalysators mechanismen die beïnvloed kunnen worden door zeer actieve nanodeeltjes nodig. ¹⁴

De aanzienlijke nadelen directe nanodeeltjes opname in de polymeersynthese, heeft geleid tot de ontwikkeling van technieken gericht nanodeeltjes incorporati beperkenop de oppervlaktelaag. ^17-21 Swell inkapseling is een van de meest succesvolle strategieën beschreven in de literatuur, hoge oppervlaktetemperaturen nanodeeltje concentraties te bereiken, met weinig verspilling in de bulk polymeer. ^17-19 De techniek maakt gebruik van het oplosmiddel aangedreven zwelling van polymeer matrices, waardoor voor de inval van de moleculaire soorten en nanodeeltjes. Na verwijdering van het oplosmiddel zwelling, de soorten van de matrix gefixeerd raken op zijn plaats met de hoogste concentratie van species gelokaliseerd op het oppervlak. Tot op heden zijn de meeste van de gemelde toepassingen deining inkapseling zijn gericht op de vervaardiging van antimicrobiële polymeren, waarbij het belangrijk dat de actieve middelen zijn op dit materiaaloppervlak. Hoewel veel van deze rapporten blijkt verhoogde antimicrobiële werking, is de precieze oppervlak nanodeeltje samenstelling zelden gesondeerd in detail. Crick et al. Recent een werkwijze voor de directe visualisatie van nanodeeltjes inval, verleend door cruciale insigevecht in de kinetiek en de oppervlakte nanodeeltje concentraties bereikt door deining inkapseling. ²²

Dit werk beschrijft de synthese van cadmium selenide quantum dots (QD), hun deining inkapseling in polydimethylsiloxaan (PDMS) en de directe visualisatie van de integratie ervan met behulp van fluorescentie beeldvorming. Het effect van het variëren deining inkapseling tijd en nanodeeltjes concentratie in de zwellende oplossing onderzocht. De fluorescentie visualisatie techniek maakt de directe beeldvorming van nanodeeltjes inval in het PDMS en toont aan dat de hoogste concentratie van QD is het materiaaloppervlak.

Protocol

1. Bereiding van CdSe / ZnS Core / Shell Quantum Dots

1. Bereiding van de trioctylfosfine (TOP) -Se oplossing
   1. Bereid een 0,5 M oplossing van seleen in TOP door mengen van de geschikte hoeveelheid Se in TOP in een Schlenk kolf onder stikstof of in een glovebox (8 ml nodig per reactie, kenmerkend 0,4 g opgelost in 10 ml TOP).
   2. Roer het mengsel om de Se ontbinden gedurende 1 uur, wat resulteert in een grijze oplossing van het TOP-Se complex.
   3. Zorg ervoor dat de oplossing wordt dan vries-pomp-ontdooi 5 keer ontgast. De resulterende stock oplossing kan onder stikstof worden bewaard gedurende 3 maanden.
2. Bereiding van CdSe Cores
   1. Weeg cadmiumoxide (51 mg, 0,4 mmol), TOP oxide (3,7 g, 9,6 mmol) hexadecylamine (1,93 g, 8 mmol) en 1-dodecylphosphonic zuur (0,22 g, 0,88 mmol) en te combineren in een driehals, 250 ml rondbodemkolf. Voeg een roerstaafje.
   2. Sluit twee halzen met septa en zorgende derde is om een ​​lange reflux condensor en een stikstof / vacuüm Schlenk lijn bevestigd. Plaats een verwarmingsmantel temperatuursensor via een septum direct in het mengsel. Pomp / vul de kolf met stikstof vijf keer.
   3. Verwarm de kolf tot 320 ° C en roer de smelt gedurende 1 uur onder een stikstofatmosfeer.
   4. Verlaag de temperatuur van de mantel tot 270 ° C en vervolgens met een grote spuit en wijde boring naald (20 ml, 3 mm boring) om te ontgassen met stikstof 5 keer.
   5. Neem 8 ml van de TOP-Se-oplossing (stap 1.1) en injecteer voorzichtig maar snel in de driehalskolf, door het septum.
   6. Roer de reactie bij 270 ° C gedurende tussen 30 seconden en 10 minuten om de grootte van deeltjes beheersen. Voor rode emissie (~ 600 nm), 7-9 min geschikt.
   7. Bereid een kom met kokend water (groot genoeg is om de helft van het reactievat onder water) en plaats naast het reactiemengsel. Nadat de reactie is verstreken, snel de reactie in de boili koelenng water met wervelende.
      LET OP: Het koelen kan de kolf te kraken. Wees extra voorzichtig en draag dikke ondoordringbare handschoenen.
   8. Eenmaal koele, injecteren 10 ml chloroform in de kolf om alle producten op te lossen en het mengsel tussen twee 50 ml centrifugebuisjes te verdelen.
   9. Vul elke buis tot 50 ml met EtOH en centrifugeer bij 3600 xg gedurende 10 min om de deeltjes te precipiteren. Verwijder het supernatant en opnieuw dispergeren de pellets in een totaal van 10 ml n-hexaan.
3. ZnS Schillen van de CdSe Core:
   1. Voeg de kernen in hexaan tot een 100 ml rondbodemkolf die zink diethyldithiocarbamaat (0,5 g, 1,4 mmol), oleylamine (3 ml, 9,12 mmol), trioctylfosfine (3 ml, 6,73 mmol) en 1-octadeceen (10 ml). Voeg een roerstaafje. Ruil de reactie sfeer stikstof.
   2. Verwarm de reactie op een kookplaat-roerder bij 3,3 ° C / min onder gedeeltelijk vacuüm tot 70 ° C, en verwijder de hexaan met behulp van de Schlenk lijn.
   3. Schakelt de atmosfeer van stikstof en verwarm in dit tempo tot 120 ° C. Roer bij 120 ° C gedurende 2 uur.
   4. Laat de reactie afkoelen en het mengsel verdeeld tussen 2 x 50 ml centrifugebuizen. Zorgen de buizen gestijfd met 50 ml EtOH met de deeltjes neerslaan en centrifugeer bij 3600 xg gedurende 10 min.
   5. Verwijder het supernatant en opnieuw dispergeren de pellets in een totaal van 10 ml n-hexaan.
   6. Centrifugeer deze oplossing (3600 x g, 10 min) nogmaals om onoplosbare onzuiverheden te verwijderen, alvorens te worden gedecanteerd in een monsterbuisje en bewaar in de koelkast (4 ° C) onder een stikstofatmosfeer tot drie maanden.

2. zwelling inkapselen van nanodeeltjes in PDMS

1. Zwelling Oplossing Voorbereiding:
   1. Bereid een voorraadoplossing van CdSe QDs door het mengen van 36 ml van n-hexaan met 4 ml QD CdSe dispersie (zoals gesynthetiseerd) en roer de oplossing magnetisch.
   2. Zet opzij twee flacons met elk 9 ml van de oplossing zoals aangewezen zwelling oplossingen.
   3. Met de rest van de voorraadoplossing voor de bereiding van verdere zwelling oplossingen van variërende concentraties QD. Bereid drie oplossingen zwelling van afnemende QD concentratie door verdunning van de stockoplossing aan een 66% (v / v) oplossing, 50% oplossing en 33% oplossing.
      1. Bereid de 66% (v / v) oplossing door het mengen van 6 ml van de voorraadoplossing QD CdSe met 3 ml n-hexaan. Roer de oplossing magnetisch om een ​​volledige menging te garanderen.
      2. Bereid de 50% (v / v) oplossing door het mengen van 4,5 ml van de QD CdSe voorraadoplossing met 4,5 ml n-hexaan. Roer de oplossing magnetisch om een ​​volledige menging te garanderen.
      3. Bereid de 33% (v / v) oplossing door het mengen van 3 ml van de voorraadoplossing QD CdSe met 6 ml n-hexaan. Roer de oplossing magnetisch om een ​​volledige menging te garanderen.
   4. Bewaar alle van de QD oplossingen onder donkere omstandigheden, bij kamertemperatuur.
2. Polymer Voorbereiding en QD Incorporation - Het variëren van de QD concentratie in de zwelling Oplossing:
   1. Knip vier medische siliconen pleinen (11 mm x 11 mm) met behulp van een nieuw scalpel.
   2. Dompel een medische siliconen plein in elk van de vier zwelling oplossingen van variërende% QD concentratie: voorraadoplossing, 66% (v / v), 50% (v / v) en 33% (v / v). Laat de polymeermonsters zwellen gedurende 24 uur onder donkere omstandigheden en bij kamertemperatuur.
   3. Verwijder het gezwollen polymeer monsters van de respectievelijke oplossingen zwelling en drogen onder donkere omstandigheden gedurende 48 uur, gedurende welke tijd de achtergebleven oplosmiddel verdampt en de polymeren krimpen terug naar hun oorspronkelijke afmetingen.
   4. Was de-QD opgenomen samples grondig met gedemineraliseerd water op elk oppervlak gebonden materialen te verwijderen.
3. Polymer Voorbereiding en QD Incorporation - Het variëren van de Polymer Blootstelling Tijd om de zwelling Oplossing:
   1. Bereid vier medische siliconen pleinen (11 mm x 11 mm), zoals in 2.2.1.
   2. Dompel de medische siliconen pleinen in de voorraad zwelling oplossing voor de verschillen in tijd: 1 uur, 3 uur, 6 uur en 24 uur.
   3. Na verwijdering van de zwellende oplossing lucht drogen gezwollen polymeer monsters onder donkere omstandigheden gedurende 48 uur, zodat het monster krimpt terug naar zijn vorige afmetingen.
   4. Was de-QD opgenomen samples grondig met gedemineraliseerd water op elk oppervlak gebonden materiaal of achtergebleven oplosmiddel te verwijderen.

3. Visualisatie van nanodeeltjes Swell Inkapseling in PDMS

1. Silicone Monstervoorbereiding:
   1. Knip twee silicone pleinen met een frisse scalpel (5,5 mm x 11 mm). Zorg ervoor dat deze blootstelt het interne oppervlak van de silicone monsters.
2. Fluorescentie Imaging:
   1. Plaats de siliconen monsters op een Micrpe glijbaan voor imaging, ervoor te zorgen dat de vers gesneden kant van het polymeer maakt volledig contact met het glaasje. Druk op de siliconen gedeelte zachtjes tot een glad contact met de microscoop glijbaan garanderen. Het monster op het podium van de microscoop.
   2. Volledige levensduur fluorescentiemetingen met een 488 nm spectraal gefilterde laserlijn omvattende van 5 psec pulsen met een snelheid van 20 MHz of dergelijke. ²³ Met een akoestisch-optisch afstembaar filter systeem, rechtstreeks koppelen met de laseruitvoer, teneinde het 488 produceren nm laser lijn. De focus van de laserstraal met behulp van een op maat gemaakte laser-scanning-eenheid (zie aanvullende informatie), hetgeen tot uiting komt door een dichroïsche spiegel (488 nm) in de achterkant diafragma van een 10x objectief en vervolgens op het monster.
      1. Verzamel de fluorescentie-emissie met hetzelfde doel, dat dan door dezelfde dichroïsche spiegel. Richt dit licht in de richting van een lawine fotodiode, werkend in de single photon tellen mode. proces lifeti me metingen met behulp van een in de tijd gecorreleerd single photon tellen (TCSPC) board. ²³
   3. Noteer het instrument responsiefunctie (IRF) aan het begin en einde van elke experimentele sessie. ²³
      Opmerking: Het opgenomen signaal in de TCSPC experiment zou de tijdvertraging tussen de fotonen aankomst op de detector en de productie van de volgende laserpuls tonen. Deze tijdvertraging moet echter worden convolved met de IRF van de meetapparatuur. Derhalve wordt het IRF gemeten als de respons van het instrument op 100 nM Auramine O, dat een aanzienlijk kortere levensduur (~ 100 psec) vergeleken instrumentele respons heeft.
   4. Extraheer de levensduur van niet-lineaire montage van het exponentiële verval van de fluorescentie-intensiteit en deconvolute dit uit de IRF met een maximum likelihood schatter (MLE) algoritme ^25-27. De MLE (γ _j) wordt berekend als
      eq1.jpg "/>
      Waarbij n _i het aantal fotontellingen in kanaal i, k het aantal kanalen (of bakken) per fluorescentievervaltijd, p _i (j) de kans dat een groep van fotonen in kanaal vallen i als de deeltjes een leven j, en N het totaal aantal tellingen voor een bepaald verval.
   5. Neem elk monster fluorescentie-intensiteit en levensduur gegevens voor 5 minuten, waardoor een continu scannen bestaande uit 264 beelden met afmetingen 512 x 512 pixels. Combineer deze twee-dimensionale fluorescentie-intensiteit, de levensduur en de intensiteit gewogen levensduur kaarten te voorzien, met een berekende MLE met een limiet van 150 fotonen en verwerken deze met behulp van MATLAB.

Resultaten

De kwantumdots vertoonde rode fluorescentie met een lambda max van ongeveer 600 nm. ^22,28 De rode emissie veroorzaakt door de opsluiting van de exciton door het kwantum stang waarvan de afmetingen liggen binnen de volledige opsluiting regime. Li et al. Toonden aan dat quantum staven, de emissie verschuift naar lagere energie met een toename in zowel de breedte of lengte van de staaf. Zij toonden verder dat de emissie voornamelijk bepaald door de laterale begrenzing, d...

Discussie

Dwarsdoorsnede fluorescentiebeeldvorming maakt directe visualisatie van nanodeeltjes mogelijk tijdens het opzwellen van de omhulling. De kinetiek van de omhulling is getoond, met de trend naar een hoge oppervlakteconcentratie van nanodeeltjes aangetoond. De mate van incorporatie van nanodeeltjes blijkt te variëren met de tijd van opzwellen en omhulling (beschreven in sectie 2.3), waarbij de totale hoeveelheid geïncorporeerde nanodeeltjes toeneemt naarmate deze tijd wordt verlengd, met de deeltjesconcentratie gelokaliseer...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Polydimethylsiloxaan platen	NuSil	-	Medisch kwaliteitsniveau
Oleylamine	Sigma Aldrich	O7805	Technisch kwaliteitsniveau
Trioctylfosfine	Sigma Aldrich	117854	Technisch kwaliteitsniveau
Trioctylfosfineoxide	Sigma Aldrich	346187	Technisch kwaliteitsniveau
1-Octadeceen	Sigma Aldrich	O806	Technisch kwaliteitsniveau
Zinkdiethyldithiocarbamaat	Sigma Aldrich	329703	-
Oleaanzuur	Sigma Aldrich	364525	Technisch kwaliteitsniveau
Triethylamine	Sigma Aldrich	471283	-
Cadmiumoxide	Alfa Aesar	33235	-
Hexadecylamine	Alfa Aesar	B22459	Technisch kwaliteitsniveau
1-Dodecylfosfonzuur	Alfa Aesar	H26259	-
Selenpoeder	Acros	19807	-
Chloroform	Sigma Aldrich	366919	-
n-Hexaan	Sigma Aldrich	208752	-
Microscoopglazen	VWR	631-0137	Dikt No. 1