Avançado Análise da composição dos compósitos de nanopartículas de polímero através da tecnologia Direct Fluorescência de imagem

Resumo

Aqui apresentamos um método confiável para monitorar a incorporação de nanopartículas em uma matriz hospedeira polimérica por meio de encapsulamento de inchaço. Mostramos que a concentração superficial de pontos quânticos de seleneto de cádmio pode ser visualizada com precisão por meio de imagens de fluorescência transversais.

Resumo

A fabricação de compósitos de polímero-nanopartículas é extremamente importante no desenvolvimento de muitos materiais funcionais. Identificar a composição precisa desses materiais é essencial, especialmente no projeto de catalisadores de superfície, onde a concentração superficial do componente ativo determina a atividade do material. Materiais antimicrobianos que utilizam nanopartículas são um foco particular dessa tecnologia. Recentemente, o encapsulamento de inchaço surgiu como uma técnica para inserir nanopartículas antimicrobianas em uma matriz polimérica hospedeira. O encapsulamento de inchaço oferece a vantagem de localizar a incorporação nas superfícies externas dos materiais, que atuam como sítios ativos desses materiais. No entanto, a quantificação dessa absorção de nanopartículas é um desafio. Estudos anteriores exploram a ligação entre a atividade antimicrobiana e a concentração superficial do componente ativo, mas isso não é visualizado diretamente. Aqui mostramos um método confiável para monitorar a incorporação de nanopartículas em uma matriz hospedeira polimérica via encapsulamento de inchaço. Mostramos que a concentração superficial de nanopartículas de CdSe/ZnS pode ser visualizada com precisão por meio de imagens de fluorescência transversal. Usando este método, podemos quantificar a absorção de nanopartículas via encapsulamento de inchaço e medir a concentração superficial de partículas encapsuladas, o que é fundamental para otimizar a atividade de materiais funcionais.

Introdução

A aplicação de nanomateriais serviu durante muito tempo como uma área de interesse crescente para novas tecnologias. ^1-3 Isto incluiu o crescente uso de nanopartículas em produtos de uso diário, incluindo cosméticos, roupas, embalagens e produtos eletrônicos. ^4-6 Um grande impulso para usando nanopartículas em materiais funcionais decorre da sua reactividade mais elevada em relação aos materiais, para além da capacidade de propriedades ajuste por variação da dimensão das partículas. ⁷ Uma outra vantagem é a capacidade de formar facilmente materiais compósitos, a introdução de propriedades cruciais para a matriz hospedeira, tal como funcionalidade catalítica, reforço de materiais e ajuste de propriedades elétricas. ^8-12

Materiais compósitos nanopartícula-polímero pode ser conseguida através de uma variedade de técnicas, o mais simples dos quais é a integração directa das nanopartículas desejadas durante a fabricação da matriz hospedeira. ^13,14 Este resultados em um material homogêneo com um espaçamento até de material de nanopartículas por toda parte. No entanto, muitas aplicações requerem apenas o material ativo para estar presente nas interfaces externas dos nanocompósitos. Como resultado, incorporação directa não resulta na utilização eficaz do material de nanopartículas vezes dispendioso, pois há muito resíduos de nanopartículas através da maior parte do material. Para alcançar ^15,16 incorporação directa, as nanopartículas, também deve ser compatível com a formação da matriz hospedeira. Isto pode ser difícil, especialmente em sínteses que requerem reacções multifacetados, tais como no caso de polímeros de termocura que são normalmente facilitada por mecanismos de catalisadores de complexos de metal que podem ser afectados por nanopartículas altamente activos. ¹⁴

As consideráveis ​​desvantagens associadas com a incorporação directa de nanopartículas durante a síntese de polímeros, levou ao desenvolvimento de técnicas destinadas a limitar incorpor nanopartículassobre a superfície da camada. ^17-21 encapsulamento inchamento é uma das estratégias mais bem sucedidos relatados na literatura, para atingir concentrações de nanopartículas de superfície elevada, com o desperdício limitada na massa de polímero. ^17-19 A técnica utiliza o inchaço conduzido solvente de polímero matrizes, permitindo a incursão de espécies moleculares e nanopartículas. Após a remoção do solvente o inchamento, as espécies dentro da matriz tornar-se fixa no lugar, com a concentração mais elevada de espécies localizadas na superfície. Até à data, a maior parte dos usos relatados de encapsulamento de inchamento são dirigidos para a fabricação de polímeros antimicrobianos, em que é fundamental que os agentes activos estão na superfície do material. Embora muitos desses relatórios mostram actividade antimicrobiana melhorada, a composição precisa de nanopartículas de superfície raramente é sondado em detalhe. Crick et ai. Demonstraram recentemente um método para a visualização directa de incursão de nanopartículas, proporcionando insi fundamentalluta para a cinética e concentrações de nanopartículas de superfície obtidos por encapsulamento swell. ²²

Este trabalho detalha a síntese de pontos seleneto de cádmio quânticos (QD), o seu encapsulamento inchamento em polidimetilsiloxano (PDMS) e a visualização direta de sua incorporação usando imagens de fluorescência. O efeito de variar o tempo de encapsulação do inchamento e concentração de nanopartículas na solução inchaço é explorado. A técnica de visualização de fluorescência permite a imagiologia directa de incursão de nanopartículas em PDMS e demonstra que a maior concentração de QDs é na superfície do material.

Protocolo

1. Preparação de CdSe / ZnS Núcleo / Shell Quantum Dots

1. Preparação da trioctilfosfina (TOPO) solução -Se
   1. Prepara-se uma solução 0,5 M de selênio em cima misturando a quantidade apropriada de Se para cima num balão de Schlenk sob atmosfera de azoto ou numa caixa de luvas (8 ml requerido por reacção, tipicamente, 0,4 g dissolvido em 10 mL de cima).
   2. Agita-se a mistura para dissolver o Se, durante 1 h, resultando numa solução cinzenta do complexo TOP-Se.
   3. Garantir que a solução é, então, congelar-bomba-descongelamento desgaseificado 5 vezes. A solução-mãe resultante pode ser armazenada sob azoto, durante 3 meses.
2. Preparação dos núcleos de CdSe
   1. Pesar o óxido de cádmio (51 mg, 0,4 mmol), óxido de cima (3,7 g, 9,6 mmol), hexadecilamina (1,93 g, 8 mmol) e 1-dodecylphosphonic ácido (0,22 g, 0,88 mmol) e combinam-se um com três tubuladuras, de 250 ml balão de fundo redondo. Adicionar uma barra de agitação.
   2. Fechar duas pescoços com septos e garantirO terceiro é ligado a um condensador de refluxo e uma longa linha de Schlenk de azoto / vácuo. Insira uma sonda de temperatura manta de aquecimento através de um septo directamente para dentro da mistura. Bombear / encher o balão com azoto cinco vezes.
   3. Aquece-se o balão a 320 ° C e agita-se a massa fundida durante 1 h sob uma atmosfera de azoto.
   4. Abaixe a temperatura do manto a 270 ° C e, em seguida, usar uma grande seringa e agulha de furo larga (20 ml, 3 mm Furo) para degas com nitrogênio 5 vezes.
   5. Tome-se 8 ml da solução TOP-Se (passo 1.1) e injectar cuidadosamente mas rapidamente para o balão de três tubuladuras, através do septo.
   6. Agita-se a reacção a 270 ° C durante entre 30 segundos e 10 minutos para controlar o tamanho das partículas produzidas. Para emissão vermelha (~ 600 nm), 7-9 min é adequado.
   7. Prepara-se uma bacia de água (grande o suficiente para submergir metade do recipiente de reacção) e o local ao lado de ebulição da mistura reaccional. Após o tempo de reacção está completa, arrefecer rapidamente a reacção na boiling água com roda.
      CUIDADO: O arrefecimento pode causar o frasco de crack. Tome muito cuidado e usar luvas impermeáveis ​​de espessura.
   8. Uma vez frio, injectar 10 ml de clorofórmio para o frasco para dissolver todos os produtos, e dividir a mistura entre dois tubos de centrífuga de 50 ml.
   9. Topo-se cada tubo até 50 ml com EtOH e centrifugar a 3600 x g durante 10 min para precipitar as partículas. Descartar o sobrenadante e re-dispersar os peletes num total de 10 ml de n-hexano.
3. ZnS descasque do CdSe Núcleo:
   1. Adicionar os núcleos em hexano de 100 ml de fundo redondo de dietilditiocarbamato balão contendo zinco (0,5 g, 1,4 mmol), oleilamina (3 ml, 9,12 mmol), trioctilfosfina (3 ml, 6,73 mmol) e 1-octadeceno (10 ml). Adicionar uma barra de agitação. Trocar a atmosfera reação ao nitrogênio.
   2. Aquece-se a reacção numa placa de aquecimento, agitador a 3,3 ° C / min sob vácuo parcial até 70 ° C, e remover o hexano utilizando a linha de Schlenk.
   3. Mudar a atmosfera de azoto e continuar a aquecer a este ritmo até 120 ° C. Agita-se a 120 ° C durante 2 h.
   4. Permitir que a mistura de reacção arrefecer e dividir a mistura entre 2 × 50 ml de tubos de centrífuga. Assegurar os tubos são cobertos até 50 ml com EtOH para precipitar as partículas e centrifugar a 3600 x g durante 10 min.
   5. Descartar o sobrenadante e re-dispersar os peletes num total de 10 ml de n-hexano.
   6. Centrifugar esta solução (3600 xg, 10 min), mais uma vez para remover quaisquer impurezas insolúveis, antes de ser decantadas para um tubo de ensaio, e são armazenadas no frigorífico (4 ° C) sob uma atmosfera de azoto durante até três meses.

2. Inchaço encapsulamento de nanopartículas em PDMS

1. Inchaço Preparação de Solução:
   1. Prepara-se uma solução estoque de CdSe QDs por mistura de 36 ml de n-hexano com 4 ml de dispersão CdSe QD (como sintetizado) e agita-se a solução magneticamente.
   2. Separe dois frascos, cada um contendo 9 ml de solução de estoque de inchamento como soluções designadas.
   3. Use o restante da solução de estoque para a preparação de novas soluções de inchamento de concentrações variáveis ​​QD. Preparar soluções de inchamento de três concentração QD diminuindo por diluição da solução para dar uma solução 66% (v / v), solução a 50% e solução a 33%.
      1. Prepara-se o (v / v) solução de 66% por mistura de 6 ml de solução de estoque CdSe QD com 3 ml de n-hexano. Agita-se a solução magneticamente para assegurar a mistura completa.
      2. Prepara-se o (v / v) de solução a 50% por mistura de 4,5 ml da solução de estoque CdSe QD com 4,5 ml de n-hexano. Agita-se a solução magneticamente para assegurar a mistura completa.
      3. Prepara-se o (v / v) de solução a 33% por mistura de 3 ml da solução de estoque CdSe QD com 6 ml de n-hexano. Agita-se a solução magneticamente para assegurar a mistura completa.
   4. Armazenar todas as soluções QD sob condições de pouca luz, à temperatura ambiente.
2. Polymer Preparação e QD Incorporação - variação da concentração QD na Solução Inchaço:
   1. Cortar quatro quadrados de silicone grau médico (11 mm x 11 mm) usando uma lâmina de bisturi fresco.
   2. Imergir um quadrado de silicone de qualidade médica em cada uma das quatro soluções de inchamento de concentração variando% QD: Solução Stock, 66% (v / v), 50% (v / v) e 33% (v / v). Permitir que as amostras de polímero a inchar durante 24 h sob condições de escuridão, e à temperatura ambiente.
   3. Retire as amostras de polímeros inchados do soluções inchaço e ar seco respectiva sob condições escuras durante 48 horas, tempo durante o qual o solvente evapora residuais e os polímeros encolher de volta às suas dimensões iniciais.
   4. Lavam-se as amostras incorporou-QD abundantemente com água desionizada para remover qualquer material ligado à superfície.
3. Polymer Preparação e QD Incorporação - Variar o polímero Tempo de Exposição à Solução Inchaço:
   1. Prepare mais quatro quadrados de silicone grau médico (11 mm x 11 mm), como observado no 2.2.1.
   2. Mergulhe os quadrados de silicone grau médico na solução estoque inchaço por diferentes intervalos de tempo: 1 hora, 3 horas, 6 horas e 24 horas.
   3. Após a remoção a partir da solução inchaço, secar as amostras de polímeros inchados em condições escuras, durante 48 h, de tal forma que a amostra diminui de volta para as suas dimensões anteriores.
   4. Lavam-se as amostras incorporou-QD abundantemente com água desionizada para remover qualquer material ligado à superfície ou solvente residual.

3. Visualização de nanopartículas Swell Encapsulation em PDMS

1. Preparação de silicone Amostra:
   1. Corte dois quadrados de silicone com uma lâmina de bisturi fresco (5,5 mm x 11 mm). Certifique-se de que esta expõe a superfície interna das amostras de silicone.
2. Imagens de fluorescência:
   1. Coloque as amostras de silicone em um microscoslides pe para geração de imagens, garantindo que o lado recém-cortada do polímero faz contato total com a lâmina de vidro. Pressione a parte de silicone levemente para baixo para garantir um contato suave com a lâmina de microscópio. Colocar a amostra no palco de microscópio.
   2. Medições completas tempo de vida de fluorescência usando uma linha de laser espectralmente filtrada 488 nm, compreendendo de 5 impulsos PSEC a uma taxa de 20 MHz ou semelhante. ²³ utilizar um sistema de filtro sintonizável acústico-óptico, para acoplar directamente para a saída do laser, a fim de gerar a 488 linha de laser nm. Concentrar o feixe de laser, utilizando uma unidade de varredura a laser custom-built (veja informações suplementares), que é refletida por um espelho dicróico (488 nm) na abertura traseira de uma objetiva de 10X e depois para a amostra.
      1. Recolha a emissão de fluorescência com o mesmo objetivo, que, em seguida, passa pelo mesmo espelho dicróico. Direcionar essa luz para um fotodiodo avalanche operando em modo de contagem de fótons individuais. lifeti processo me medições usando uma placa correlacionados em tempo único fóton contagem (TCSPC). ²³
   3. Grave a função de resposta do instrumento (IRF) no início e no final de cada sessão experimental. ²³
      Nota: O sinal gravado no experimento TCSPC deve mostrar o atraso de tempo entre a chegada fótons no detector e a produção do impulso de laser subsequente. Este atraso de tempo no entanto, deve ser convolvido com o IRF do aparelho de medição. Assim, o IRF é calculada como a resposta do instrumento para 100 nM de Auramina O, que tem uma vida útil significativamente mais curto (~ 100 PSEC) em comparação com a resposta instrumental.
   4. Extrai-se a tempo de vida por encaixe não-linear do decaimento exponencial da intensidade fluorescente e este deconvolute do IRF utilizando um algoritmo de probabilidade máxima estimador (MLE) ^25-27. A MLE (γ _j) é calculada como
      eq1.jpg "/>
      Onde n _i é o número de contagens de fotões no canal de i, k é o número de canais (ou caixas) para cada um decaimento da fluorescência, p _i (j) é a probabilidade de que um grupo de fotões irá cair no canal de i Se as partículas têm um tempo de vida J, e N é o número total de contagens para uma determinada deterioração.
   5. Grave cada amostra de fluorescência dados de intensidade e duração de 5 min, criando uma varredura contínua que consiste de 264 imagens com tamanho de 512 × 512 pixels. Combiná-las para fornecer intensidade de fluorescência de duas dimensões, vitalícia e mapas de vida ponderada de intensidade, com um MLE calculado com limite de 150 fótons e do processo isso usando MATLAB.

Resultados

Os pontos quânticos exibiu fluorescência vermelha, com um lambda max de cerca de 600 nm. A emissão ^22,28 vermelho era devido ao confinamento do éxciton pela haste quântica, cujas dimensões são de tamanho dentro do regime de confinamento forte. Li et al., Mostraram que para as hastes quântica, as mudanças de emissão de energia mais baixo com um aumento da largura ou comprimento da haste. Mostraram ainda que a emissão determinada principalmente pelo confinamento lateral...

Discussão

A imagem de fluorescência transversal permite a visualização direta de nanopartículas durante o encapsulamento do inchaço. A cinética do encapsulamento foi mostrada, com o impulso em direção a uma alta concentração de superfície de nanopartículas demonstrado. A extensão da incorporação de nanopartículas varia com o tempo de encapsulamento (descrito na seção 2.3), com a quantidade total de nanopartículas incorporadas aumentando à medida que esse tempo é estendido, com a concentração de partículas localizada na superfície ...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Folhas de polidimetilsiloxano	NuSil-Medical		Grade
Oleylamine	Sigma Aldrich	O7805	Grau Técnico
Trioctilfosfina	Sigma Aldrich	117854
Óxido de Trioctilfosfina	Grau Técnico Sigma Aldrich	346187	Grau Técnico
1-Octadeceno	Sigma Aldrich	O806	Grau técnico
Dietilditiocarbamato de zinco	Sigma Aldrich	Ácido	329703-oleico
	Sigma Aldrich	364525
Trietilamina	Sigma Aldrich	Óxido de	471283-cádmio
	Alfa Aesar	33235-Hexadecilamina
	Alfa Aesar	B22459	Grau técnico
1- Ácido dodecilfosfónico	Alfa Aesar	H26259-Selénio
em pó	Acros	19807-Clorofórmio
	Sigma Aldrich
366919-n-Hexano	Sigma Aldrich		208752-Lâminas de
microscópio	VWR	631-0137	Espessura n.º 1