Zaawansowana analiza składu kompozytów nanocząstkowo-polimerowych z wykorzystaniem bezpośredniego obrazowania fluorescencyjnego

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy niezawodną metodę monitorowania inkorporacji nanocząstek do matrycy gospodarza polimeru poprzez enkapsulację pęcznienia. Pokazujemy, że stężenie powierzchniowe kropek kwantowych selenku kadmu można dokładnie zobrazować za pomocą przekrojowego obrazowania fluorescencyjnego.

Streszczenie

Wytwarzanie kompozytów polimerowo-nanocząsteczkowych jest niezwykle ważne w rozwoju wielu funkcjonalnych materiałów. Określenie dokładnego składu tych materiałów jest niezbędne, zwłaszcza w projektowaniu katalizatorów powierzchniowych, gdzie stężenie powierzchniowe składnika aktywnego determinuje aktywność materiału. Materiały przeciwdrobnoustrojowe, które wykorzystują nanocząsteczki, są szczególnym celem tej technologii. Ostatnio pojawiła się enkapsulacja pęcznienia jako technika wprowadzania nanocząstek przeciwdrobnoustrojowych do matrycy polimerowej gospodarza. Obudowa pęcznienia ma tę zaletę, że lokalizuje wbudowywanie się w zewnętrzne powierzchnie materiałów, które działają jako miejsca aktywne tych materiałów. Jednak kwantyfikacja wychwytu tych nanocząstek jest trudna. Wcześniejsze badania badały związek między aktywnością przeciwdrobnoustrojową a stężeniem powierzchniowym składnika aktywnego, ale nie jest to bezpośrednio wizualizowane. W tym miejscu przedstawiamy wiarygodną metodę monitorowania włączania nanocząstek do polimerowej matrycy gospodarza poprzez enkapsulację pęcznienia. Pokazujemy, że stężenie powierzchniowe nanocząstek CdSe/ZnS można dokładnie zobrazować za pomocą przekrojowego obrazowania fluorescencyjnego. Korzystając z tej metody, możemy określić ilościowo absorpcję nanocząstek poprzez enkapsulację pęcznienia i zmierzyć stężenie powierzchniowe zamkniętych cząstek, co ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji aktywności materiałów funkcjonalnych.

Wprowadzenie

Zastosowanie nanomateriałów od dawna stanowi obszar rosnącego zainteresowania dla nowych technologii.^1-3 Obejmuje to rosnące wykorzystanie nanocząsteczek w przedmiotach codziennego użytku, w tym w kosmetykach, ubraniach, opakowaniach i elektronice. ^4-6 Główny nacisk na stosowanie nanocząstek w materiałach funkcjonalnych wynika z ich wyższej reaktywności w stosunku do materiałów, a także ze zdolności do dostrajania właściwości poprzez zmianę wielkości cząstek. ⁷ Kolejną zaletą jest możliwość łatwego formowania materiałów kompozytowych, co wprowadza kluczowe właściwości do macierzy macierzystej, takie jak funkcjonalność katalityczna, wzmacnianie materiału i dostrajanie właściwości elektrycznych. ^8-12

Rozdział

Materiały kompozytowe nanocząstkowo-polimerowe można osiągnąć za pomocą szeregu technik, z których najprostszą jest bezpośrednia integracja pożądanych nanocząstek podczas wytwarzania matrycy gospodarza. ^13,14 W ten sposób uzyskuje się jednorodny materiał z równomiernymi odstępami między nanocząstkami w całym tekście. Jednak wiele zastosowań wymaga, aby materiał aktywny był obecny jedynie na zewnętrznych interfejsach nanokompozytów. W rezultacie, bezpośrednie włączenie nie skutkuje efektywnym wykorzystaniem czasami kosztownego materiału nanocząsteczkowego, ponieważ w większości materiału znajduje się dużo odpadów nanocząstek. ^15,16 Aby osiągnąć bezpośrednie włączenie, nanocząstki muszą być również kompatybilne z tworzeniem macierzy gospodarza. Może to być trudne, zwłaszcza w przypadku syntez, które wymagają wieloaspektowych reakcji, takich jak polimery termoutwardzalne, które są zwykle ułatwiane przez mechanizmy katalizatorów kompleksu metali, na które mogą wpływać wysoce aktywne nanocząstki. ¹⁴

Znaczne niedogodności związane z bezpośrednim wprowadzaniem nanocząstek podczas syntezy polimeru, doprowadziły do opracowania technik mających na celu ograniczenie wprowadzania nanocząstek do warstwy powierzchniowej. ^17-21 Enkapsulacja pęcznienia jest jedną z najbardziej skutecznych strategii opisywanych w literaturze, mającą na celu osiągnięcie wysokich stężeń nanocząstek powierzchniowych przy ograniczonych stratach w masie polimeru. ^17-19 Technika wykorzystuje pęcznienie matryc polimerowych napędzane rozpuszczalnikiem, co pozwala na intruzowanie gatunków molekularnych i nanocząstek. Po usunięciu rozpuszczalnika pęczniejącego gatunki w matrycy zostają utrwalone na swoim miejscu, przy czym najwyższe stężenie gatunków jest zlokalizowane na powierzchni. Do tej pory większość zgłoszonych zastosowań enkapsulacji pęcznienia jest ukierunkowana na wytwarzanie polimerów przeciwdrobnoustrojowych, w których kluczowe jest, aby czynniki aktywne znajdowały się na powierzchni materiału. Podczas gdy wiele z tych doniesień wskazuje na zwiększoną aktywność przeciwdrobnoustrojową, dokładny skład nanocząstek na powierzchni rzadko jest szczegółowo badany. Crick i in. zademonstrowali niedawno metodę bezpośredniej wizualizacji wtargnięcia nanocząstek, dostarczając kluczowych informacji na temat kinetyki i stężeń nanocząstek na powierzchni osiąganych przez enkapsulację pęcznienia. ^{22 Rozdział 22}

Ta praca szczegółowo opisuje syntezę kropek kwantowych selenku kadmu (QD), ich enkapsulację pęcznienia do polidimetylosiloksanu (PDMS) oraz bezpośrednią wizualizację ich włączenia za pomocą obrazowania fluorescencyjnego. Badany jest wpływ zmieniającego się czasu enkapsulacji pęcznienia i stężenia nanocząstek w roztworze pęczniejącym. Technika wizualizacji fluorescencji pozwala na bezpośrednie obrazowanie wtargnięcia nanocząstek do PDMS i pokazuje, że najwyższe stężenie QD występuje na powierzchni materiału.

Protokół

1. Przygotowanie kropek kwantowych rdzeń/powłoka CdSe/ZnS

1. Przygotowanie roztworu trioktylofosfiny (TOP)-Se
   1. Przygotować 0,5 M roztwór selenu w TOP, mieszając odpowiednią ilość Se z TOP w kolbie Schlenka w atmosferze azotu lub w rękawicy laboratoryjnej (wymagane 8 ml na jedną reakcję, zazwyczaj 0,4 g rozpuszczone w 10 ml TOP).
   2. Mieszać mieszaninę przez 1 h do rozpuszczenia Se, aż powstanie szary roztwór kompleksu TOP-Se.
   3. Następnie poddać roztwór pięciokrotnemu odgazowaniu metodą zamrażania, pompowania i rozmrażania (freeze-pump-thaw). Otrzymany roztwór stokowy można przechowywać pod azotem przez 3 miesiące.
2. Przygotowanie rdzeni CdSe
   1. Odważyć tlenek kadmu (51 mg, 0,4 mmol), tlenek TOP (3,7 g, 9,6 mmol), heksadecylaminę (1,93 g, 8 mmol) oraz kwas 1-dodecylfosfonowy (0,22 g, 0,88 mmol) i umieścić w trójszyjnej kolbie okrągłodennej o pojemności 250 ml. Dodać mieszadło magnetyczne.
   2. Zamknąć dwie szyjki septami, a trzecią podłączyć do długiego chłodniczy zwrotnego i linii Schlenka z azotem/próżnią. Wprowadzić sondę temperatury płaszcza grzewczego przez jeden z septów bezpośrednio do mieszaniny. Pięciokrotnie opróżnić i napełnić kolbę azotem.
   3. Ogrzać kolbę do 320 °C i mieszać stop przez 1 h w atmosferze azotu.
   4. Obniżyć temperaturę płaszcza do 270 °C, a następnie za pomocą dużej strzykawki i igły o szerokim przekroju (20 ml, średnica 3 mm) pięciokrotnie odgazować układ azotem.
   5. Pobrać 8 ml roztworu TOP-Se (krok 1.1) i ostrożnie, lecz szybko wstrzyknąć do kolby trójszyjnej przez septum.
   6. Mieszać reakcję w temperaturze 270 °C od 30 s do 10 min w celu kontrolowania rozmiaru otrzymanych cząstek. Dla emisji czerwonej (~ 600 nm) odpowiedni czas to 7-9 min.
   7. Przygotować naczynie z wrzącą wodą (wystarczająco duże, aby zanurzyć połowę naczynia reakcyjnego) i postawić je obok mieszaniny reakcyjnej. Po upływie czasu reakcji szybko schłodzić mieszaninę w wrzącej wodzie, delikatnie nią potrząsając.
      OSTRZEŻENIE: Gwałtowne chłodzenie może spowodować pęknięcie kolby. Należy zachować szczególną ostrożność i używać grubych, nieprzepuszczalnych rękawic.
   8. Po ochłodzeniu wstrzyknąć do kolby 10 ml chloroformu, aby rozpuścić wszystkie produkty, a następnie podzielić mieszaninę pomiędzy dwie probówki wirówkowe o pojemności 50 ml.
   9. Uzupełnić każdą probówkę do 50 ml EtOH i wirować przy 3 600 × g przez 10 min, aby wytrącić cząstki. Odlać supernatat i ponownie zdyspergować osad w łącznie 10 ml n-heksanu.
3. Powlekanie rdzenia CdSe powłoką ZnS:
   1. Dodać rdzenie w heksanie do kolby okrągłodennej o pojemności 100 ml zawierającej dietyloditiokarbaminian cynku (0,5 g, 1,4 mmol), oleylaminę (3 ml, 9,12 mmol), trioktylofosfinę (3 ml, 6,73 mmol) i 1-oktadecen (10 ml). Dodać mieszadło magnetyczne. Zmienić atmosferę reakcji na azot.
   2. Ogrzewać mieszaninę na mieszalniku magnetycznym z grzaniem w temp. 3,3 °C/min pod częściową próżnią do osiągnięcia 70 °C, a następnie usunąć heksan za pomocą linii Schlenka.
   3. Zmienić atmosferę na azot i kontynuować ogrzewanie z tą samą prędkością do 120 °C. Mieszać w temperaturze 120 °C przez 2 h.
   4. Pozostawić mieszaninę do ostygnięcia, a następnie podzielić ją pomiędzy 2 probówki wirówkowe o pojemności 50 ml. Uzupełnić objętość w probówkach do 50 ml za pomocą EtOH, aby wytrącić cząstki, i wirować przy 3 600 × g przez 10 min.
   5. Odlać supernatat i ponownie zdyspergować osad w łącznie 10 ml n-heksanu.
   6. Zwirować ten roztwór (3 600 x g, 10 min) jeszcze raz, aby usunąć wszelkie nierozpuszczalne zanieczyszczenia, a następnie przelać do probówki z próbką i przechowywać w lodówce (4 °C) w atmosferze azotu do trzech miesięcy.

2. Enkapsulacja nanocząsteczek w PDMS metodą pęcznienia

1. Przygotowanie roztworu pęczniejącego:
   1. Przygotować roztwór zapasowy kropiek kwantowych (QD) CdSe, mieszając 36 ml n-heksanu z 4 ml dyspersji QD CdSe (takiej, jaka została zsyntetyzowana), i mieszać roztwór magnetycznie.
   2. Odstawić dwie fiolki, z których każda zawiera 9 ml roztworu zapasowego, jako wyznaczone roztwory pęczniejące.
   3. Pozostałą część roztworu zapasowego wykorzystać do przygotowania kolejnych roztworów pęczniejących o różnych stężeniach QD. Przygotować trzy roztwory pęczniejące o malejącym stężeniu QD poprzez rozcieńczenie roztworu zapasowego w celu uzyskania roztworów 66% (v/v), 50% oraz 33%.
      1. Przygotować roztwór 66% (v/v), mieszając 6 ml roztworu zapasowego QD CdSe z 3 ml n-heksanu. Mieszać roztwór magnetycznie, aby zapewnić całkowite wymieszanie.
      2. Przygotować roztwór 50% (v/v), mieszając 4,5 ml roztworu zapasowego QD CdSe z 4,5 ml n-heksanu. Mieszać roztwór magnetycznie, aby zapewnić całkowite wymieszanie.
      3. Przygotować roztwór 33% (v/v), mieszając 3 ml roztworu zapasowego QD CdSe z 6 ml n-heksanu. Mieszać roztwór magnetycznie, aby zapewnić całkowite wymieszanie.
   4. Wszystkie roztwory QD przechowywać w ciemności, w temperaturze pokojowej.
2. Przygotowanie polimeru i inkorporacja QD – zmiana stężenia QD w roztworze pęczniejącym:
   1. Wyciąć cztery kwadraty z silikonu klasy medycznej (11 mm x 11 mm) za pomocą nowego ostrza skalpela.
   2. Zanurzyć kwadrat z silikonu klasy medycznej w każdym z czterech roztworów pęczniejących o różnym stężeniu % QD: roztworze zapasowym, 66% (v/v), 50% (v/v) i 33% (v/v). Pozostawić próbki polimeru do pęcznienia przez 24 hr w ciemności i w temperaturze pokojowej.
   3. Wyjąć spęczniałe próbki polimeru z odpowiednich roztworów pęczniejących i suszyć na powietrzu w ciemności przez 48 hr; w tym czasie pozostały rozpuszczalnik odparuje, a polimery skurczą się do swoich początkowych wymiarów.
   4. Próbki z inkorporowanymi QD dokładnie przemyć wodą dejonizowaną, aby usunąć wszelkie materiały związane z powierzchnią.
3. Przygotowanie polimeru i inkorporacja QD – zmiana czasu ekspozycji polimeru na roztwór pęczniejący:
   1. Przygotować cztery kolejne kwadraty z silikonu klasy medycznej (11 mm x 11 mm), zgodnie z opisem w punkcie 2.2.1.
   2. Zanurzyć kwadraty z silikonu klasy medycznej w zapasowym roztworze pęczniejącym na różne okresy czasu: 1 hr, 3 hr, 6 hr i 24 hr.
   3. Po wyjęciu z roztworu pęczniejącego suszyć spęczniałe próbki polimeru na powietrzu w ciemności przez 48 hr, aż próbka skurczy się do swoich poprzednich wymiarów.
   4. Próbki z inkorporowanymi QD dokładnie przemyć wodą dejonizowaną, aby usunąć wszelkie materiały związane z powierzchnią lub pozostałości rozpuszczalnika.

3. Wizualizacja pęcznienia i enkapsulacji nanocząsteczek w PDMS

1. Przygotowanie próbek silikonowych:
   1. Wytnij dwa kwadraty z silikonu za pomocą świeżego ostrza skalpela (5,5 mm x 11 mm). Upewnij się, że odsłania to wewnętrzną powierzchnię próbek silikonowych.
2. Obrazowanie fluorescencyjne:
   1. Umieść próbki silikonowe na szkiełku przedmiotowym w celu obrazowania, dbając o to, aby świeżo docięta strona polimeru miała pełny kontakt ze szkiełkiem szklanym. Lekko dociśnij silikon, aby zapewnić gładki kontakt ze szkiełkiem przedmiotowym. Umieść próbkę na stoliku mikroskopu.
   2. Przeprowadź pomiary czasu życia fluorescencji, wykorzystując spektralnie filtrowaną linię laserową 488 nm składającą się z impulsów o czasie trwania 5 psec przy częstotliwości 20 MHz lub podobnej.²³ Aby wygenerować linię laserową 488 nm, zastosuj system akusto-optycznego filtra strojonego, podłączony bezpośrednio do wyjścia lasera. Skupuj wiązkę laserową za pomocą specjalnie zbudowanej jednostki skanowania laserowego (patrz informacje uzupełniające), która jest odbijana przez lustro dichroiczne (488 nm) do tylnej apertury obiektywu 10X, a następnie na próbkę.
      1. Zbierz emisję fluorescencji za pomocą tego samego obiektywu, a następnie przeprowadź ją przez to samo lustro dichroiczne. Skieruj to światło do fotodiody lawinowej pracującej w trybie zliczania pojedynczych fotonów. Przetwarzaj pomiary czasu życia przy użyciu karty do czasowo-skorelowanego zliczania pojedynczych fotonów (TCSPC).²³
   3. Zarejestruj funkcję odpowiedzi przyrządu (IRF) na początku i na końcu każdej sesji eksperymentalnej.²³
      Uwaga: Sygnał zarejestrowany w eksperymencie TCSPC powinien wykazywać opóźnienie czasowe między dotarciem fotonów do detektora a wygenerowaniem kolejnego impulsu laserowego. Opóźnienie to musi jednak zostać splotowane z IRF aparatury pomiarowej. W związku z tym IRF jest mierzone jako odpowiedź przyrządu na 100 nM Auraminy O, która posiada znacznie krótszy czas życia (~100 psec) w porównaniu z odpowiedzią instrumentalną.
   4. Wyznacz czas życia poprzez nieliniowe dopasowanie wykładniczego zaniku intensywności fluorescencji i dokonaj dekonwolucji z IRF, stosując algorytm estymatora największej wiarygodności (MLE)^25-27. MLE (γ_j) oblicza się jako:
      
      Gdzie n_i to liczba zliczeń fotonów w kanale i, k to liczba kanałów (lub przedziałów) dla każdego zaniku fluorescencji, p_i(j) to prawdopodobieństwo, że grupa fotonów wpadnie do kanału i, jeśli cząstki mają czas życia j, a N to całkowita liczba zliczeń dla danego zaniku.
   5. Rejestruj dane dotyczące intensywności fluorescencji i czasu życia dla każdej próbki przez 5 min, tworząc ciągły skan składający się z 264 obrazów o rozmiarze 512 × 512 pikseli. Połącz je, aby uzyskać dwuwymiarowe mapy intensywności fluorescencji, czasu życia oraz czasu życia ważonego intensywnością, z obliczonym MLE przy progu 150 fotonów, a następnie przetwórz dane za pomocą oprogramowania MATLAB.

Wyniki

Kropki kwantowe wykazywały czerwoną fluorescencję z lambda max wynoszącą około 600 nm.^22,28 Czerwona emisja wynikała z uwięzienia ekscytonu w pręcie kwantowym, którego wymiary mieszczą się w reżimie silnego uwięzienia. Li et al. wykazali, że w przypadku prętów kwantowych emisja przesuwa się w stronę niższej energii wraz ze wzrostem szerokości lub długości pręta. Wykazali ponadto, że emisja jest determinowana głównie przez uwięzienie boczne, które odgrywa istotną rolę n...

Dyskusja

Obrazowanie fluorescencji przekrojowej pozwala na bezpośrednią wizualizację nanocząstek podczas enkapsulacji pęcznienia. Wykazano kinetykę enkapsulacji, z zademonstrowanym dążeniem do wysokiego stężenia powierzchniowego nanocząstek. Wykazano, że zakres włączenia nanocząstek zmienia się wraz z czasem enkapsulacji pęcznienia (opisanym w sekcji 2.3), przy czym całkowita ilość włączonych nanocząstek wzrasta wraz z wydłużaniem się tego czasu, przy czym stężenie cząstek jest zlokalizowane na powierzchni, jeśli stosuje się prób...

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Arkusze polidimetylosiloksanu		NuSil-Medical	Grade
Oleylamine	Sigma Aldrich	O7805	Klasa techniczna
Trioktylofosfina	Sigma Aldrich	117854	Techniczny
tlenek trioktylofosfiny	Sigma Aldrich	346187	Klasa techniczna
1-oktadecenowa	Sigma Aldrich	O806	Klasa techniczna
Dityloditiokarbaminian	Sigma Aldrich		329703-kwas
oleinowy	Sigma Aldrich	364525	Klasa techniczna
Trietyloamina	Sigma Aldrich		471283-tlenek
kadmu	Alfa Aesar	33235-heksadecyloamina
	Alfa Aesar	B22459	klasa techniczna
1- Kwas dodecylofosfonowy	Alfa Aesar	H26259-Selen
w proszku	Acros	19807-Chloroform
	Sigma Aldrich
366919-n-Hexane	Sigma Aldrich
208752-Szkiełka mikroskopowe	VWR	631-0137	Grubość nr 1