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

Ogólnym celem tej techniki analitycznej jest zrozumienie procesu wbudowywania nanocząstek w matryce polimerowe. Bezpośrednie obrazowanie cząstek pozwala na oszacowanie lokalnych stężeń oraz całkowitych szybkości asymilacji. Metoda ta może pomóc w udzieleniu odpowiedzi na kluczowe pytania z zakresu chemii materiałowej, w tym nanochemii, projektowania koncepcyjnego materiałów oraz katalizy.

Główną zaletą tej techniki jest to, że inkorporacja materiałów nanopartykularnych jest obrazowana bezpośrednio, dzięki czemu uzyskiwane informacje nie mogą być osiągnięte żadną inną prostą metodą. Procedurę zaprezentują dr Sacha Noimark, dr Joe Bear oraz dr William Peveler, stażyści podoktorscy z laboratorium profesora Parkina na UCL.

Zacznij tę procedurę od przygotowania rdzeni selenku kadmu, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Do kolby o pojemności 100 mililitrów z brązowym dnem dodaj dietyloditiokarbaminian cynku, 1-oktadecen, oleilaminę, trioktylofosfinę oraz rdzenie w heksanie. Włóż mieszadło magnetyczne i wymień atmosferę reakcyjną na azot.

Podgrzewaj mieszaninę reakcyjną na mieszadle magnetycznym z podgrzewaniem w tempie 3,3 stopnia Celsjusza na minutę pod próżnią częściową do osiągnięcia 70 stopni Celsjusza, usuwając heksan za pomocą linii Schlenka. Zmień atmosferę na azot i kontynuuj podgrzewanie w tym samym tempie do 120 stopni Celsjusza. Mieszaj w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez dwie godziny.

Pozostawić reakcję do ochłodzenia, a następnie podzielić mieszaninę pomiędzy dwie probówki wirówkowe o pojemności 15 ml. Przed przelaniem roztworu do probówek wstrzyknąć do próbki chloroform. Uzupełnić objętość w probówkach do 50 ml za pomocą etanolu w celu wytrącenia cząsteczek, a następnie wirować z prędkością 3600 ×g przez 10 minut.

Odciąć supernatant i ponownie zdyspergować osady w łącznie 10 mililitrach n-heksanu. Odwirować roztwór raz jeszcze, aby usunąć wszelkie nierozpuszczalne zanieczyszczenia, a następnie przelać go do probówki z próbką. Przechowywać w temperaturze czterech stopni Celsjusza w atmosferze azotu przez okres do trzech miesięcy.

W celu przygotowania roztworu powodującego pęcznienie należy sporządzić roztwór zapasowy kropek kwantowych selenku kadmu poprzez zmieszanie 36 mililitrów n-heksanu z czterema mililitrami syntetyzowanej dyspersji kropek kwantowych selenku kadmu. Roztwór należy mieszać magnetycznie. Odstaw dwie probówki, z których każda zawiera dziewięć mililitrów roztworu zapasowego, jako wyznaczone roztwory powodujące pęcznienie.

Pozostałą część roztworu zapasowego należy wykorzystać do przygotowania kolejnych roztworów pęczniejących o różnych stężeniach kropek kwantowych. Przygotuj trzy roztwory pęczniejące o malejącym stężeniu kropek kwantowych poprzez rozcieńczenie roztworu zapasowego w celu uzyskania roztworów o stężeniach 66%, 50% oraz 33%, zgodnie ze szczegółami opisanymi w protokole tekstowym. Wszystkie roztwory kropek kwantowych należy przechowywać w ciemności w temperaturze pokojowej.

Następnie, używając nowego ostrza skalpela, wytnij cztery kwadraty z silikonu medycznego. Zanurz jeden kwadrat z silikonu medycznego w każdym z czterech roztworów pęcznienia o różnym procentowym stężeniu kropek kwantowych: roztwór zapasowy, 66%, 50% oraz 33%. Po pęcznieniu próbek polimeru w temperaturze pokojowej przez 24 godziny w ciemności, wyjmij spęczniałe próbki polimeru z odpowiednich roztworów pęcznienia. Susz próbki na powietrzu w ciemności przez 48 godzin, podczas których odparuje pozostały rozpuszczalnik, a polimery skurczą się do swoich pierwotnych wymiarów.

Następnie dokładnie przemyj próbki z wbudowanymi kropkami kwantowymi wodą dejonizowaną, aby usunąć wszelkie materiały związane z powierzchnią. Następnie przygotuj cztery kolejne kwadraty z silikonu klasy medycznej. Zanurz je w roztworze pęczniejącym o różnych odstępach czasu: jedną godzinę, trzy godziny, sześć godzin i 24 godziny.

Po wyjęciu z roztworu pęczniejącego suszyć próbki spęcznionego polimeru na powietrzu w ciemności przez 48 godzin, aż próbka skurczy się do swoich pierwotnych wymiarów. Próbki z wbudowanymi kropkami kwantowymi dokładnie przemyć wodą dejonizowaną, aby usunąć wszelkie materiały związane z powierzchnią lub pozostałości rozpuszczalnika. Wyciąć dwa kwadraty z silikonu poddawanego pęcznieniu i kurczeniu, używając nowego ostrza skalpela.

Należy upewnić się, że w ten sposób odsłonięto wewnętrzną powierzchnię próbek silikonowych. Próbki silikonu należy umieścić na szkiełku przedmiotowym w celu obrazowania. Należy dopilnować, aby świeżo przecięta strona polimeru w pełni przylegała do szklanego szkiełka.

Lekko dociśnij silikonową część, aby zapewnić gładki kontakt z szkiełkiem mikroskopowym przed przeprowadzeniem pomiarów czasu życia fluorescencji, zgodnie z opisem w protokole tekstowym. Następnie umieść próbkę na stoliku mikroskopu. Aby wykonać pomiary czasu życia fluorescencji, podłącz bezpośrednio wyjście lasera do systemu akustooptycznego filtra strojonego w celu wygenerowania linii laserowej o długości 488 nanometrów.

Skup wiązkę lasera za pomocą specjalnie zbudowanej jednostki skanowania laserowego, która odbija wiązkę za pomocą lustra dichroicznego do tylnej apertury obiektywu 10X, a następnie na próbkę. Instrukcje dotyczące przeprowadzania pomiarów i przetwarzania danych znajdują się w protokole tekstowym. Chłodzone kropki kwantowe są charakteryzowane za pomocą spektroskopii fotoluminescencji w celu pomiaru widm emisji i wzbudzenia oraz całkowitej wydajności kwantowej.

Kropki kwantowe zamknięte w pęczniejącej powłoce wykazują wysoką fotoluminescencję, zatem jasność jest wskaźnikiem pomyślnej enkapsulacji w pęczniejącej powłoce. Przekroje poprzeczne polimeru można umieścić w mikroskopie fluorescencyjnym, aby zmierzyć stopień enkapsulacji. Po opanowaniu tej techniki, w przypadku próbek z pęczniejącą powłoką, pomiar może zająć około 15 minut, jeśli jest przeprowadzany prawidłowo.

Podczas wykonywania procedury należy pamiętać, aby ostrze użyte do cięcia próbek polimerowych było niezażarzone i stosunkowo ostre, ponieważ nieścisłości na tym etapie mogą wprowadzić artefakty do obrazów fluorescencyjnych. Po zastosowaniu tej procedury można przeprowadzić inne metody, takie jak spektroskopia rentgenowska z dyspersją energii oraz testy funkccjonalne, aby dokładniej ocenić stopień enkapsulacji lub stężenie powierzchniowe. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie nauki o materiałach do eksploracji projektowania kompozytów nanocząsteczkowych z wykorzystaniem różnych macierzy gospodarzy.

Należy pamiętać, że praca z selenkiem kadmu może być niezwykle niebezpieczna, dlatego podczas wykonywania tej procedury zawsze należy przestrzegać środków ostrożności, takich jak stosowanie odpowiedniego osobistego sprzętu ochronnego i praca w dygestorium.