Een techniek om functionaliseren en zelf-assembleren Macroscopisch Nanoparticle-ligand Monolayer Films op-Sjabloonloze Substrates
9 mei 2014
Een eenvoudige, robuuste en schaalbare techniek om functionaliseren en zelf te monteren macroscopische nanodeeltjes-ligand monolaag films op-template gratis substraten wordt beschreven in dit protocol.
Het algemene doel van deze procedure is om macroscopische, nanodeeltje-, ligand-, monolaagfilms te ontwikkelen. Dit wordt bereikt door een enkele one-pot zelfassemblagetechniek te gebruiken. Eerst worden metaalnanodeeltjes snel functioneel gemaakt met liganden in een water tetrahedran- of THF-oplosmiddel.
Vervolgens worden de liganden gehouden nanodeeltjes in de fase gescheiden naar de lucht-oplosmiddelinterface. Ten slotte worden de nanodeeltjes overgebracht naar sjabloonvrije substraten met behulp van oppervlaktespanningsgradiënten, zelf-assemblerend in macroscopische nanodeeltje-, ligand-, monolaagfilms. Uiteindelijk biedt deze procedure een eenvoudige, robuuste en schaalbare techniek om macroscopische nanodeeltje-, ligand-, monolaagfilms te functioneel maken en zelf-assembleren op sjabloonvrije substraten.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek boven andere interfasale assemblagemethoden is de snelle en efficiënte nanodeeltje-functioneelmaking en zelfassemblage in macroscopische monolaagfilms. Hoewel deze methode inzicht kan geven in de organische-inorganische interface op nanoschaalniveau, kan deze ook worden toegepast op een breed scala aan toepassingen zoals metamaterialen, fotovoltaïek en moleculaire sensoren. Om te beginnen concentreer commercieel verkrijgbare 15 nanometer gouden nanosferen door 15 milliliter van de verdunde watersuspensie van nanosferen in een ultra centrifugaalfilter te plaatsen.
Centrifugeer vervolgens de eenheid gedurende twee minuten bij 4.500 Gs of totdat er slechts een paar microliters in de filterkamer achterblijft. Suspensie de nanosferen opnieuw in 1,5 milliliter gedeïoniseerd of DI-water, zodanig dat de nanodeeltjeconcentratie ongeveer 10 tot de 13de deeltjes per milliliter is. De suspensie is enkele uren stabiel.
Na het opnieuw suspenderen in gedeïoniseerd water, pipet eerst 150 microliter van de suspensie in een vet om de aantaldichtheid te verifiëren en te bevestigen dat de nanodeeltjes niet zijn geaggregeerd. Verdun ook de geconcentreerde nanodeeltje-suspensie met 1,35 milliliter gedeïoniseerd water. Plaats vervolgens de vet in een ultraviolet zichtbaar spectrofotometer en meet het absorbentiespectrum van de bereide suspensie evenals dat van de oorspronkelijke suspensie.
Vergelijk de piekpositie in volledige breedte bij half maximum om er zeker van te zijn dat er geen aggregatie heeft plaatsgevonden. De grootte van de absorbantiepieken voor beide monsters moet ongeveer hetzelfde zijn. Dit zorgt ervoor dat het geconcentreerde monster een factor 10 dichter is. In een aparte schone 20 milliliter-silicaatglas-vial plaatst u één milliliter tetra hydro furine.
Voeg vervolgens thiol alkaan liganden toe aan de THF en schud. De oplossing moet uniform genoeg worden gemengd. Ligand moet worden toegevoegd om ten minste het volledige oppervlak van de gesuspendeerde nanodeeltjes te bedekken.
Overtollig ligand verhoogt de snelheid en deficiëntie van de reactie in een afzuigingskast. Plaats één milliliter uit de vial met de gouden nanosferen in de vial met THF liganden. Draai snel de dop erop en schud de vial krachtig gedurende 15 seconden.
Verwijder de dop en zet de vial neer. In de afzuigingskast vormen zich, afhankelijk van de gebruikte liganden, snel domeinen van gouden nanodeeltjes op het lucht-vloeistof-interface. De films beginnen vervolgens omhoog te lopen langs de zijkant van de vial.
Bijna alle nanodeeltjes zijn bedekt met tal-liganden, verwijderd uit de suspensie en naar de zijkant van de vials getransporteerd binnen een uur. Om de films over te brengen naar verwijderbare glazen substraten, snijd de substraten in een gebied van 12,5 bij 25,4 millimeter met behulp van een schraapstift of wiel voor glazen substraten schoon, met een aceton spoeling, gevolgd door een isopropylalcohol spoeling. En tenslotte, een gedeïoniseerd water spoeling.
Voordat u de substraten laat drogen, raadpleegt u het tekstprotocol voor de bereiding van siliciumwafels. Plaats vervolgens het substraat in de eerder bereide vial met nanosferen en liganden. Draai de dop erop en schud.
Na het schudden verwijdert u de dop met behulp van een pincet. Plaats het substraat bijna verticaal tegen de vialwand. Gebruik vervolgens een pipet om het reactiemengsel op het substraat aan te brengen.
De reactie stopt wanneer alle organische oplosmiddelen zijn verdampt of alle nanodeeltjes zijn verwijderd uit de suspensie. Schat de pakkingsefficiëntie van de nanosferen in de monolaag door de transmissie- en reflectie-eigenschappen van de film te observeren. Verlicht de monolaag op glazen substraten van achteren met een witte lichtbron.
Er moet een uniform gekleurde film worden waargenomen voor hoogwaardige nanodeeltje-, monolaagfilms in transmissie en een goudachtige reflectie waargenomen in reflectie. Gebruik vervolgens een spectrofotometer om het macroscopische absorbantiespectrum van de monolagen te kwantificeren. Normaliseer het absorbantiespectrum zoals eerder met een schone glazen plaat.
Monteer vervolgens de monolaagfilm op een glazen substraat in de straal van de spectrofotometer en verzamel het absorbantiespectrum. De absorbantiepieken moeten significant verschoven zijn met enkele honderden nanometer, afhankelijk van het gebruikte ligand. Als de absorbantiepieken erg breed zijn of niet goed gedefinieerd, zijn de monolaagfilms waarschijnlijk van slechte kwaliteit.
Gebruik de techniek als een efficiënte manier om de nanodeeltjes te functioneel maken met tal-liganden. Decanteer het resterende uit de bodem van de vial. Nadat de reactie voltooid is, droogt u het materiaal in de vial onder stikstof.
Voeg een organisch oplosmiddel toe om de nanodeeltjes opnieuw te suspenderen met bijna 100% overdracht van de deeltjesfase en herstel ervoor te zorgen dat de nanodeeltjes niet zijn geaggregeerd bij het opnieuw suspenderen in het organische oplosmiddel zoals eerder, als de absorbentiepieken breed zijn ten opzichte van de oorspronkelijke suspensie, soniceer het monster gedurende 15 minuten om de nanodeeltjes te helpen herdispergeren. Een thi alkaan bedekt 15 nanometer gouden nanodeeltje-monolaagfilm op een glazen substraat wordt waargenomen als gedeeltelijk reflecterend licht, wat duidt op de hoge volumefractie van nanodeeltjes en het doorlaten van licht,
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit protocol beschrijft een eenvoudige, robuuste en schaalbare techniek voor het functioneel maken en zelf-assembleren van macroscopische nanodeeltje-ligand monolaagfilms op sjabloon-vrije substraten. De methode maakt gebruik van een one-pot zelf-assembleringsbenadering om dit doel te bereiken.
Belangrijke Studie Componenten
Wetenschapsgebied
- Nanotechnologie
- Materiaalkunde
- Oppervlaktechemie
Achtergrond
- De ontwikkeling van macroscopische nanodeeltjefilms is cruciaal voor verschillende toepassingen.
- Zelf-assembleringstechnieken kunnen het fabricageproces vereenvoudigen.
- Functioneel maken van nanodeeltjes verbetert hun eigenschappen.
- Sjabloon-vrije methoden bieden flexibiliteit in ontwerp.
Doel van Studie
- Macroscopische nanodeeltje-ligand monolaagfilms creëren.
- Een schaalbare zelf-assembleringstechniek demonstreren.
- Een eenvoudig protocol voor onderzoekers verstrekken.
Gebruikte Methoden
- Metaalnanodeeltjes worden snel functioneel gemaakt met liganden.
- Ligand-gecoate nanodeeltjes worden gescheiden in fase aan het lucht-oplosmiddel grensvlak.
- Oppervlaktespanningsgradienten worden gebruikt om nanodeeltjes naar substraten te transporteren.
- Zelf-assemblering vindt plaats om monolaagfilms te vormen.
Hoofdresultaten
- Succesvolle creatie van macroscopische nanodeeltje-ligand films.
- Demonstratie van de robuustheid van de zelf-assembleringstechniek.
- Schaalbaarheid van de methode voor potentiële industriële toepassingen.
- Effectieve functioneel maken van nanodeeltjes bereikt.
Conclusies
- Het protocol biedt een betrouwbare methode voor de fabricage van nanodeeltjefilms.
- Zelf-assembleringstechnieken kunnen worden aangepast voor verschillende materialen.
- Deze aanpak kan leiden tot vooruitgang in nanotechnologie toepassingen.
Veelgestelde Vragen
Executive Industry Relevance
This self-assembly technique enables rapid functionalization and scalable production of macroscopic nanoparticle-ligand films on template-free substrates, supporting early-stage discovery workflows. It provides a robust method for generating high-density monolayers with preserved plasmonic properties, useful for assay development and biosensor platforms. The approach reduces complexity in nanoparticle film fabrication, accelerating translational evaluation of nanomaterial-based detection systems.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of ligand-nanoparticle interactions at the biointerface for target validation studies.
- Operational Value: Supports rapid screening of thiol-based ligands for nanoparticle surface functionalization in discovery pipelines.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Produces quantifiable optical readouts from monolayer films to enable ligand-binding assays.
- Operational Value: Generates reproducible, high-density films suitable for standardized biosensor surface preparation.
- Strategic Value: Facilitates scalable production of sensing interfaces for high-throughput screening applications.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Maintains plasmonic resonance properties critical for label-free detection in translational biomarker studies.
- Operational Value: Enables transfer of functionalized nanoparticles to diverse substrates for preclinical device integration.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within early discovery to assay development stages, providing functionalized nanomaterials for biosensor construction and screening platforms.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of ligand-target interactions via engineered nanoparticle interfaces.
- Screening: Delivers standardized, quantifiable surfaces for reliable compound or biomarker interaction measurements.
- Analytics: Enables optical spectroscopy readouts to monitor film formation and ligand binding events.
- Translational Research: Preserves nanoparticle optical properties for continuity from discovery to preclinical validation.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform for generating consistent nanoparticle films across multiple projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in nanomaterial-based detection systems through controlled surface functionalization.
- Operational Value: Ensures reproducibility and scalability in monolayer film production for assay standardization.
- Strategic Value: Reduces biological risk in sensor development by enabling early physicochemical characterization.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted advancement of nanodiagnostic candidates through reliable interface engineering.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nanoparticle handling and surface chemistry protocols.
- Needs access to centrifugation, UV-Vis spectroscopy, and solvent handling under fume hood conditions.
- Demands standardization of ligand concentration and nanoparticle density for film uniformity.
- Involves adaptation considerations when changing nanoparticle size, shape, or core material.
- Limited by ligand solubility and solvent miscibility requirements for effective phase separation.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:28
Self-assembled Ligand-nanoparticle Monolayers
3:50
Transferring the Monolayers onto Removable Substrates
5:47
Efficient Phase Transfer Technique for Organic Soluble Nanoparticles
6:27
Results: Analysis of Functionalized and Self-assembled Macroscopic Nanoparticle-ligand Monolayer Films
7:36
Conclusion
4:48
Monolayer Analysis
