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

Het algemene doel van deze analysetechniek is het verkrijgen van inzicht in de incorporatie van nanodeeltjes in polymeermatrices. Directe beeldvorming van deeltjes maakt een schatting mogelijk van lokale concentraties en algemene assimilatiesnelheden. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen in de materiaalkunde, waaronder nanochemie, conceptueel materiaalontwerp en katalyse.

Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat de incorporatie van nanopartikulaire materialen direct wordt afgebeeld, waardoor de verkregen informatie niet met enige andere eenvoudige methode kan worden behaald. De procedure wordt gedemonstreerd door Dr. Sacha Noimark, Dr. Joe Bear en Dr. William Peveler, postdocs uit het laboratorium van Professor Parkin aan de UCL.

Begin deze procedure met de preparatie van de cadmiumselenide-kernen, zoals beschreven in het tekstprotocol. Voeg zinkdiethyldithiocarbamaat, 1-octadeceen, oleylamine, trioctylfosfine en de kernen in hexaan toe aan een rondbodemkolf van 100 milliliter. Voeg een roerstaaf toe en vervang de reactieatmosfeer door stikstof.

Verhit de reactie op een warmteplaatroerder met een snelheid van 3,3 graden Celsius per minuut onder gedeeltig vacuüm tot 70 graden Celsius, terwijl het hexaan wordt verwijderd met de Schlenk-lijn. Schakel de atmosfeer over naar stikstof en blijf met deze snelheid verhitten tot 120 graden Celsius. Roer twee uur lang bij 120 graden Celsius.

Laat de reactie afkoelen en verdeel het mengsel over twee centrifugeerbuisjes van 15 milliliter. Injecteer chloroform in het monster voordat de oplossing in de buisjes wordt gegoten. Zorg ervoor dat de buisjes tot 50 milliliter worden aangevuld met ethanol om de deeltjes te laten neerslaan en centrifugeer gedurende 10 minuten bij 3600 ×g.

Verwijder het supernatant en resuspendeer de pellets in een totaal volume van 10 milliliters n-Hexaan. Centrifugeer de oplossing nogmaals om onoplosbare onzuiverheden te verwijderen voordat de vloeistof wordt overgegoten in een monsterbuis. Bewaar bij vier graden Celsius onder een stikstofatmosfeer voor maximaal drie maanden.

Bereid voor de bereiding van de zwellingsoplossing een voorraadoplossing van cadmiumselenide-quantumdots door 36 milliliters n-hexaan te mengen met vier milliliters van de gesynthetiseerde cadmiumselenide-quantumdotdispersie. Roer de oplossing magnetisch. Zet twee vials apart, elk met negen milliliters van de voorraadoplossing, om te gebruiken als zwellingsoplossingen.

Gebruik het restant van de stamoplossing voor de bereiding van verdere zwellingoplossingen met verschillende quantum dot-concentraties. Bereid drie zwellingoplossingen met een afnemende quantum dot-concentratie door de stamoplossing te verdunnen tot een 66%-oplossing, een 50%-oplossing en een 33%-oplossing, zoals gedetailleerd in het tekstprotocol. Bewaar alle quantum dot-oplossingen in het donker bij kamertemperatuur.

Snijd vervolgens vier vierkantjes van medische siliconen uit met een nieuw scalpellamaatje. Dompel een siliconen vierkantje onder in elk van de vier zwelling-oplossingen met variërende concentraties quantum dots: stamoplossing, 66%, 50% en 33%. Nadat de polymeermonsters gedurende 24 uur bij kamertemperatuur en in het donker zijn opgezwollen, worden de gezwollen polymeermonsters uit de respectieve zwelling-oplossingen gehaald. Laat de monsters 48 uur in het donker aan de lucht drogen, waarbij het resterende oplosmiddel verdampt en de polymeren terugkrimpen naar hun oorspronkelijke afmetingen.

Was vervolgens de monsters met geïncorporeerde quantum dots grondig met gedeïoniseerd water om alle aan het oppervlak gebonden materialen te verwijderen. Bereid daarna vier aanvullende vierkanten van medische siliconen voor. Dompel deze onder in de stock-zwellingoplossing voor verschillende tijdsperioden: één uur, drie uur, zes uur en 24 uur.

Na verwijdering uit de zwelling-oplossing worden de gezwollen polymeer-monsters 48 uur in het donker aan de lucht gedroogd, zodat het monster terugkrimpt naar zijn oorspronkelijke afmetingen. Was de monsters waarin quantum dots zijn geïntegreerd grondig met gedeïoniseerd water om eventuele aan het oppervlak gebonden materialen of resterend oplosmiddel te verwijderen. Snijd twee vierkantjes van zwel-krimp-silicone uit met een nieuw scalpelmesje.

Zorg ervoor dat hiermee het interne oppervlak van de siliconenmonsters wordt blootgesteld. Plaats de siliconenmonsters op een objectglas voor beeldvorming. Zorg ervoor dat de vers gesneden zijde van het polymeer volledig contact maakt met het objectglas.

Druk het siliconen gedeelte voorzichtig aan om een glad contact met het microscoopglasplaatje te garanderen voordat de levensduurfluorescentiemetingen worden voltooid, zoals beschreven in het tekstprotocol. Plaats vervolgens het monster op de tafel van de microscoop. Om de levensduurfluorescentiemetingen uit te voeren, koppelt u de laseroutput direct aan een akoestisch-optisch instelbaar filtersysteem om de 488 nanometer laserlijn te genereren.

Focus de laserstraal met behulp van een op maat gemaakte laser-scaneenheid, die via een dichroïsche spiegel wordt gereflecteerd naar de achteropening van een 10X objectief en vervolgens naar het monster. Raadpleeg het tekstprotocol voor instructies over het uitvoeren van metingen en het verwerken van gegevens. Gekoelde quantum dots worden gekarakteriseerd met photoluminescentie-spectroscopie om de emissie-, excitatiespectra en de totale quantumopbrengst te meten.

De zwelling-ingekapselde quantum dots zijn sterk fotoluminescent, waardoor de helderheid indicatief is voor een succesvolle zwelling-inkapseling. Dwarsdoorsneden van het polymeer kunnen in de fluorescentiemicroscoop worden geplaatst om de graad van zwelling-inkapseling te meten. Zodra deze techniek beheerst is, kan deze bij correcte uitvoering in ongeveer 15 minuten worden voltooid voor zwelling-ingekapselde monsters.

Bij het uitvoeren van de procedure is het belangrijk om erop te letten dat het mes dat wordt gebruikt voor het snijden van de polymeermonsters niet is verontreinigd en relatief scherp is, aangezien inconsistenties in deze fase artefacten in de fluorescentiebeelden kunnen introduceren. Na deze procedure kunnen andere methoden, zoals energiedispersieve röntgenspectroscopie in aanvulling op functionele tests, worden uitgevoerd om de inkapselingshoeveelheid of oppervlakteconcentratie verder te bepalen. Na de ontwikkeling heeft deze techniek de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in het veld van de materiaalkunde om het ontwerp van nanodeeltjescomposieten te verkennen met behulp van een scala aan gastmatrices.

Vergeet niet dat het werken met cadmiumselenide uiterst gevaarlijk kan zijn en dat er altijd voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen tijdens het uitvoeren van deze procedure, zoals het dragen van geschikte persoonlijke beschermingsmiddelen en het werken in een zuurkast.