Uitgebreide analyse van de samenstelling van nanodeeltjes-polymeer Composites Met behulp van Direct Fluorescence Imaging
July 19th, 2016
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.
Het algemene doel van deze analysetechniek is om inzicht te krijgen in de incorporatie van nanodeeltjes in polymeermatrices. De directe beeldvorming van deeltjes maakt een schatting van lokale concentraties en algehele assimilatiesnelheden mogelijk. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van sleutelvragen in de materiaalchemie, inclusief nanochemie, conceptuele materiaalontwerp en katalyse.
Het grootste voordeel van deze techniek is dat de incorporatie van nanoparticuliere materialen direct wordt geïmageed, zodat de verkregen informatie niet kan worden verkregen door een andere eenvoudige methode. Het demonstreren van de procedure zal worden gedaan door Dr. Sacha Noimark, Dr. Joe Bear en Dr. William Peveler. Post-doc van Professor Parkin's laboratorium bij UCL.
Begin deze procedure met de voorbereiding van de cadmiumselenide kernen, zoals gedetailleerd in het tekstprotocol. Voeg in een bruin gevlekte 100 milliliter halsfles zinkdiethyldithiocarbamaat, 1-octadeceen, Oleylamine, Trioctylfosfine en de kernen in hexaan toe. Voeg een roerkogel toe en vervang de reactieatmosfeer door stikstof.
Verwarm de reactie op een heetplaat roertoestel met 3,3 graden Celsius per minuut onder gedeeltelijk vacuüm tot 70 graden Celsius terwijl het hexaan wordt verwijderd met behulp van de Schlenk-lijn. Schakel de atmosfeer om naar stikstof en blijf verwarmen met deze snelheid tot 120 graden Celsius. Roer gedurende twee uur bij 120 graden Celsius.
Laat de reactie afkoelen en verdeel het mengsel over twee 15 milliliter centrifugebuizen. Injecteer chloroform in het monster voordat de oplossing in de buizen wordt gegoten. Zorg ervoor dat de buizen worden aangevuld tot 50 milliliter met ethanol om de deeltjes te laten bezinken en centrifugeer gedurende 10 minuten bij 3600 keer g.
Gooi de supernatant weg en herverdeel de pellets in een totaal van 10 milliliter n-Hexaan. Centrifugeer de oplossing nogmaals om eventuele onoplosbare onzuiverheden te verwijderen voordat deze wordt afgeschonken in een monsterbuis. Bewaar tot drie maanden op vier graden Celsius onder een stikstofatmosfeer.
Voor de bereiding van de zweloplossing, bereid een stockoplossing van cadmiumselenide kwantumdots voor door 36 milliliter n-Hexaan te mengen met vier milliliter van de gesynthetiseerde cadmiumselenide kwantumdotdispersie. Roer de oplossing magnetisch. Leg twee flesjes opzij, elk met negen milliliter van de stockoplossing als aangewezen zweloplossingen.
Gebruik de rest van de stockoplossing voor de bereiding van verdere zweloplossingen met verschillende kwantumdotconcentraties. Bereid drie zweloplossingen met afnemende kwantumdotconcentratie door de stockoplossing te verdunnen tot een 66%-oplossing, een 50%-oplossing en een 33%-oplossing, zoals gedetailleerd in het tekstprotocol. Bewaar alle kwantumdotoplossingen onder donkere omstandigheden op kamertemperatuur.
Snijd vervolgens vier medische kwaliteit siliconen vierkanten uit met een nieuw mesje. Dompel een medisch kwaliteit siliconen vierkant onder in elk van de vier zweloplossingen met verschillende percentages kwantumdotconcentratie: stockoplossing, 66%50%en 33%Nadat de polymeermonsters gedurende 24 uur bij kamertemperatuur onder donkere omstandigheden zijn gezwollen, verwijdert u de gezwollen polymeermonsters uit de respectievelijke zweloplossingen. Laat de monsters gedurende 48 uur drogen onder donkere omstandigheden, waarbij het resterende oplosmiddel verdampt en de polymeren terugkrimpen tot hun oorspronkelijke afmetingen.
Was vervolgens de kwantumdot geïncorporeerde monsters grondig met gedeïoniseerd water om eventuele oppervlaktegebonden materialen te verwijderen. Bereid vervolgens nog eens vier medische kwaliteit siliconen vierkanten. Dompel ze onder in de stockzweloplossing voor verschillende tijdsperioden: een uur, drie uur, zes uur en 24 uur.
Na verwijdering uit de zweloplossing, droge de gezwollen polymeermonsters gedurende 48 uur onder donkere omstandigheden, zodat het monster terugkrimpt tot zijn vorige afmetingen. Was de kwantumdot geïncorporeerde monsters grondig met gedeïoniseerd water om eventuele oppervlaktegebonden materialen of resterend oplosmiddel te verwijderen. Snijd twee zwelkrimp siliconen vierkanten uit met een nieuw mesje.
Zorg ervoor dat dit de interne oppervlakte van de siliconen monsters blootlegt. Plaats de siliconen monsters op een microscoopglasplaatje voor beeldvorming. Zorg ervoor dat de vers gesneden kant van het polymeer volledig contact maakt met de glazen plaat.
Druk de siliconenporion lichtjes naar beneden om een soepele contact met de microscoopglasplaat te garanderen voordat u de levensduur van de fluorescentiemetingen voltooit, zoals beschreven in het tekstprotocol. Plaats vervolgens het monster op de stage van de microscoop. Om de levensduur van de fluorescentiemetingen te voltooien, koppelt u de laseruitvoer rechtstreeks aan een akoesto-optisch instelbaar filtersysteem om de 488 nanometer laserlijn te genereren.
Focus de laserstraal met behulp van een op maat gemaakte laserscanningeenheid die wordt gereflecteerd door een dichroische spiegel in de achteropening van een 10X objectief en vervolgens op het monster. Raadpleeg het tekstprotocol voor instructies over het uitvoeren van metingen en het verwerken van gegevens. Gekoelde kwantumdots worden gekenmerkt door fotoluminescentiespectroscopie om emissie-, excitatiespectra en de algehele kwantumopbrengst te meten.
De zwel-ingekapselde kwantumdots zijn zeer fotoluminescent, daarom is helderheid indicatief voor succesvolle zwel-inkapsling. Dwarsdoorsneden van het polymeer kunnen in de fluorescentiemicroscoop worden gemonteerd om de mate van zwel-inkapsling te meten. Eenmaal onder de knie, kan deze techniek in ongeveer 15 minuten worden uitgevoerd met zwel-ingekapselde monsters, als het goed wordt uitgevoerd.
Tijdens het uitvoeren van de procedure is het belangrijk om te onthouden dat het mes dat wordt gebruikt om de polymeermonsters te snijden onbesmet en relatief scherp is, aangezien onregelmatigheden in dit stadium artefacten in
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Overzicht
Deze studie presenteert een betrouwbare methode voor het monitoren van de incorporatie van nanodeeltjes in een polymeergastheermatrix door middel van zwellingsencapsulatie. De techniek maakt directe beeldvorming van cadmiumselenide kwantumstippen mogelijk, wat inzichten biedt in lokale concentraties en assimilatiesnelheden.
Belangrijkste onderdelen van het onderzoek
Wetenschapsgebied
- Materiaalchemie
- Nanochemie
- Polymeerwetenschap
Achtergrond
- Het begrijpen van de incorporatie van nanodeeltjes is cruciaal voor materiaalontwerp.
- Directe beeldvormingstechnieken kunnen informatie onthullen die niet verkrijgbaar is via andere methoden.
- Dit onderzoek wordt uitgevoerd in de context van de vooruitgang van nanomaterialen.
- Belangrijke onderzoekers zijn Dr. Sacha Noimark, Dr. Joe Bear en Dr. William Peveler.
Doel van het onderzoek
- Om een methode te ontwikkelen voor het visualiseren van de incorporatie van nanodeeltjes in polymeren.
- Om lokale concentraties van nanodeeltjes binnen de matrix te schatten.
- Om vragen in de materiaalchemie en katalyse aan te pakken.
Gebruikte methoden
- Fluorescentiebeeldvorming voor de visualisatie van kwantumstippen.
- Zwellingsencapsulatietechniek voor nanodeeltjesincorporatie.
- Analyse van lokale concentraties en assimilatiesnelheden.
- Samenwerking met onderzoekers van UCL.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle visualisatie van cadmiumselenide kwantumstippen.
- Accurate schatting van de oppervlakteconcentratie bereikt.
- Demonstratie van de betrouwbaarheid en effectiviteit van de methode.
- Inzichten die bijdragen aan het veld van materiaalchemie.
Conclusies
- De methode biedt een unieke benadering voor het bestuderen van de incorporatie van nanodeeltjes.
- Directe beeldvorming biedt voordelen ten opzichte van traditionele methoden.
- Toekomstige toepassingen kunnen het materiaalontwerp en de katalyse verbeteren.
Veelgestelde vragen
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
