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 CdSe/ZnS Core/Shell

1. Przygotowanie roztworu trioktylofosfiny (TOP)-Se
   1. Przygotować 0,5 M roztwór selenu w TOP, mieszając odpowiednią ilość Se z TOP w kolbie Schlenka pod azotem lub w komorze rękawicowej (wymagane 8 ml na reakcję, zwykle 0,4 g rozpuszczone w 10 ml TOP).
   2. Mieszać mieszaninę do rozpuszczenia Se przez 1 godzinę, dając uzyskanie szarego roztworu kompleksu TOP-Se.
   3. Upewnij się, że roztwór jest następnie odgazowany 5 razy. Powstały roztwór podstawowy 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), heksadecyloaminę (1,93 g, 8 mmol) i kwas 1-dodecylofosfonowy (0,22 g, 0,88 mmol) i połączyć w kolbę okrągłodenną o pojemności 250 ml z trzema szyjkami. Dodaj mieszadło.
   2. Zamknij dwie szyjki przegrodami i upewnij się, że trzecia jest podłączona do długiego skraplacza zwrotnego i przewodu Schlenka z azotem/próżnią. Wprowadzić sondę temperatury płaszcza grzewczego przez jedną przegrodę bezpośrednio do mieszaniny. Przepompować/napełnić kolbę azotem pięć razy.
   3. Podgrzać kolbę do temperatury 320 °C i mieszać stopiony materiał przez 1 godzinę w atmosferze azotu.
   4. Obniż temperaturę płaszcza do 270 °C, a następnie za pomocą dużej strzykawki i igły o szerokim otworze (20 ml, otwór 3 mm) odgazuj azotem 5 razy.
   5. Pobrać 8 ml roztworu TOP-Se (krok 1.1) i wstrzyknąć ostrożnie, ale szybko do kolby z trzema szyjkami, przez przegrodę.
   6. Mieszać reakcję w temperaturze 270 °C przez okres od 30 sekund do 10 minut, aby kontrolować wielkość wytwarzanych cząstek. Dla emisji czerwonej (~ 600 nm) odpowiednie jest 7-9 min.
   7. Przygotować miskę z wrzącą wodą (wystarczająco dużą, aby zanurzyć połowę naczynia reakcyjnego) i umieścić obok mieszaniny reakcyjnej. Po upływie czasu reakcji szybko schłodzić reakcję we wrzącej wodzie za pomocą wirowania.
      UWAGA: Chłodzenie może spowodować pęknięcie kolby. Zachowaj szczególną ostrożność i noś grube, nieprzepuszczalne rękawice.
   8. Po ostygnięciu wstrzyknąć 10 ml chloroformu do kolby w celu rozpuszczenia wszystkich produktów i podzielić mieszaninę między dwie probówki wirówkowe o pojemności 50 ml.
   9. Uzupełnić każdą probówkę do 50 ml EtOH i odwirować przy 3 600 × g przez 10 minut w celu wytrącenia cząstek. Odrzucić supernatant i ponownie rozproszyć granulki w sumie w 10 ml n-heksanu.
3. Ostrzał ZnS rdzenia CdSe:
   1. Dodać rdzenie w heksanie do 100 ml kolby okrągłodennej zawierającej dietyloditiokarbaminian (0,5 g, 1,4 mmol), oleiloaminę (3 ml, 9,12 mmol), trioktylofosfinę (3 ml, 6,73 mmol) i 1-oktadecen (10 ml). Dodaj mieszadło. Zamień atmosferę reakcji na azot.
   2. Podgrzać reakcję na mieszadle z płytą grzejną w temperaturze 3,3 °C/min w częściowej próżni do temperatury 70 °C i usunąć heksan za pomocą przewodu Schlenka.
   3. Zmień atmosferę na azot i kontynuuj ogrzewanie w tym tempie do 120 °C. Mieszaj w temperaturze 120 °C przez 2 godziny.
   4. Pozostawić reakcję do ostygnięcia i podzielić mieszaninę na 2 × 50 ml probówek wirówkowych. Upewnij się, że probówki są wypełnione do 50 ml EtOH w celu wytrącenia cząstek i odwirować przy 3,600 × g przez 10 minut.
   5. Odrzucić supernatant i ponownie rozproszyć granulki w sumie w 10 ml n-heksanu.
   6. Odwirować ten roztwór (3 600 x g, 10 min) jeszcze raz w celu usunięcia wszelkich nierozpuszczalnych zanieczyszczeń, zanim zostanie zdekantowany do probówki z próbką i przechowywać w lodówce (4 °C) w atmosferze azotu przez okres do trzech miesięcy.

2. Pęcznienie kapsułkowane nanocząstek do PDMS

1. Przygotowanie roztworu pęczniejącego:
   1. Przygotować roztwór podstawowy CdSe QD, mieszając 36 ml n-heksanu z 4 ml dyspersji CdSe QD (w postaci, w jakiej jest zsyntetyzowany) i wymieszać roztwór magnetycznie.
   2. Odłożyć na bok dwie fiolki, z których każda zawiera 9 ml roztworu podstawowego, jako wyznaczone roztwory do pęcznienia.
   3. Pozostałą część roztworu podstawowego wykorzystać do przygotowania dalszych roztworów pęczniejących o różnych stężeniach QD. Przygotować trzy roztwory pęczniejące o zmniejszającym się stężeniu QD, rozcieńczając roztwór podstawowy, aby uzyskać 66% (v/v) roztwór, 50% roztwór i 33% roztwór.
      1. Przygotować 66% (v/v) roztwór, mieszając 6 ml roztworu podstawowego CdSe QD z 3 ml n-heksanu. Wymieszaj roztwór magnetycznie, aby zapewnić całkowite wymieszanie.
      2. Przygotować 50% (v/v) roztwór, mieszając 4,5 ml roztworu podstawowego CdSe QD z 4,5 ml n-heksanu. Wymieszaj roztwór magnetycznie, aby zapewnić całkowite wymieszanie.
      3. Przygotować 33% (v/v) roztwór, mieszając 3 ml roztworu podstawowego CdSe QD z 6 ml n-heksanu. Wymieszaj roztwór magnetycznie, aby zapewnić całkowite wymieszanie.
   4. Przechowuj wszystkie roztwory QD w ciemnych warunkach, w temperaturze pokojowej.
2. Przygotowanie polimeru i włączenie QD - zmiana stężenia QD w roztworze pęczniejącym:
   1. Wytnij cztery kwadraty z silikonu medycznego (11 mm x 11 mm) za pomocą świeżego ostrza skalpela.
   2. Zanurz kwadrat silikonowy klasy medycznej w każdym z czterech roztworów pęczniejących o różnym stężeniu % QD: roztwór podstawowy, 66% (v/v), 50% (v/v) i 33% (v/v). Pozostawić próbki polimeru do pęcznienia przez 24 godziny w ciemnych warunkach i w temperaturze pokojowej.
   3. Usunąć spęczniałe próbki polimeru z odpowiednich roztworów pęczniejących i wysuszyć na powietrzu w ciemnych warunkach przez 48 godzin, w tym czasie pozostały rozpuszczalnik odparowuje, a polimery kurczą się z powrotem do swoich początkowych wymiarów.
   4. Dokładnie umyj próbki z QD wodą dejonizowaną, aby usunąć wszelkie materiały związane z powierzchnią.
3. Przygotowanie polimeru i włączenie QD - Różnicowanie czasu ekspozycji polimeru na roztwór pęczniejący:
   1. Przygotować jeszcze cztery kwadraty z silikonu medycznego (11 mm x 11 mm), jak zaznaczono w ppkt 2.2.1.
   2. Zanurz kwadraty silikonowe klasy medycznej w roztworze pęczniejącym na różne okresy czasu: 1 godzina, 3 godziny, 6 godzin i 24 godziny.
   3. Po wyjęciu z roztworu pęczniejącego spęczniejące próbki polimeru należy wysuszyć na powietrzu w ciemnych warunkach przez 48 godzin, tak aby próbka skurczyła się z powrotem do poprzednich wymiarów.
   4. Dokładnie umyj próbki z QD wodą dejonizowaną, aby usunąć wszelkie materiały związane z powierzchnią lub pozostałości rozpuszczalnika.

3. Wizualizacja enkapsulacji pęcznienia nanocząstek w PDMS

1. Przygotowanie próbki silikonu:
   1. Wytnij dwa silikonowe kwadraty świeżym ostrzem skalpela (5,5 mm x 11 mm). Upewnij się, że odsłania to wewnętrzną powierzchnię próbek silikonu.
2. Obrazowanie fluorescencyjne:
   1. Umieść próbki silikonowe na szkiełku mikroskopowym w celu obrazowania, upewniając się, że świeżo odcięta strona polimeru w pełni styka się ze szkiełkiem. Lekko dociśnij silikonową część, aby zapewnić płynny kontakt ze szkiełkiem mikroskopu. Umieść próbkę na stoliku mikroskopu.
   2. Pełne pomiary fluorescencji w całym okresie życia przy użyciu spektralnie filtrowanej linii laserowej 488 nm składającej się z 5 impulsów psec o częstotliwości 20 MHz lub podobnej. ²³ Użyj akustyczno-optycznego przestrajalnego systemu filtrów, aby bezpośrednio sprzęgnąć się z wyjściem lasera, aby wygenerować linię lasera o długości fali 488 nm. Skoncentruj wiązkę laserową za pomocą specjalnie skonstruowanego modułu skanowania laserowego (patrz informacje dodatkowe), który jest odbijany przez zwierciadło dichroiczne (488 nm) do tylnej apertury obiektywu 10X, a następnie na próbkę.
      1. Zbierz emisję fluorescencji za pomocą tego samego obiektywu, która następnie przechodzi przez to samo zwierciadło dichroiczne. Skieruj to światło w stronę fotodiody lawinowej działającej w trybie zliczania pojedynczych fotonów. Pomiary żywotności procesu przy użyciu skorelowanej w czasie płytki do zliczania pojedynczych fotonów (TCSPC). ²³
   3. Zapisuj funkcję odpowiedzi przyrządu (IRF) na początku i na końcu każdej sesji doświadczalnej. ²³
      Uwaga: Sygnał zarejestrowany w eksperymencie TCSPC powinien pokazywać opóźnienie czasowe pomiędzy przybyciem fotonów do detektora a wytworzeniem kolejnego impulsu laserowego. To opóźnienie czasowe powinno być jednak uwzględnione w IRF aparatury pomiarowej. W związku z tym IRF jest mierzony jako odpowiedź instrumentu na 100 nM Auraminy O, która ma znacznie krótszy czas życia (~100 psec) w porównaniu z odpowiedzią instrumentalną.
   4. Wyodrębnij czas życia przez nieliniowe dopasowanie wykładniczego zaniku intensywności fluorescencji i zdekonwolucjonizuj go z IRF za pomocą algorytmu estymatora maksymalnego prawdopodobieństwa (MLE)^25-27. MLE (γ_j) oblicza się jako
      
      Gdzie n_i jest liczbą zliczeń fotonów w kanale i, k jest liczbą kanałów (lub pojemników) dla każdego rozpadu fluorescencji, p_i(j) jest prawdopodobieństwem, że grupa fotonów wpadnie do kanału i, jeśli cząstki mają czas życia j, a N jest całkowitą liczbą zliczeń dla danego rozpadu.
   5. Rejestruj dane dotyczące intensywności fluorescencji i czasu życia każdej próbki przez 5 minut, tworząc ciągły skan składający się z 264 obrazów o rozmiarze 512 × 512 pikseli. Połącz je, aby uzyskać dwuwymiarowe mapy intensywności fluorescencji, czasu życia i ważone intensywnością, z obliczonym MLE z progiem 150 fotonów i przetworzyć to za pomocą MATLAB.

Wyniki

Kropki kwantowe wykazywały czerwoną fluorescencję, z maksimum lambda około 600 nm. ^22,28 Czerwona emisja była spowodowana uwięzieniem ekscytonu przez pręt kwantowy, którego wymiary mieszczą się w reżimie silnego zamknięcia. Li i in. wykazali, że w przypadku prętów kwantowych emisja przesuwa się w kierunku niższej energii wraz ze wzrostem szerokości lub długości pręta. Wykazali ponadto, że emisja zależy głównie od bocznego zamknięcia, które odgrywa ważną rolę nawet wted...

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