Расширенный Композиционный анализ Nanoparticle-полимерных композитов с использованием прямого флуоресцентной томографии

Краткое содержание

Здесь мы представляем надежный метод мониторинга встраивания наночастиц в полимерную матрицу-хозяина посредством инкапсуляции. Мы показываем, что поверхностная концентрация квантовых точек селенида кадмия может быть точно визуализирована с помощью флуоресцентной визуализации поперечного сечения.

Аннотация

Производство полимерно-наночастицных композитов чрезвычайно важно для разработки многих функциональных материалов. Определение точного состава этих материалов имеет важное значение, особенно при проектировании поверхностных катализаторов, где поверхностная концентрация активного компонента определяет активность материала. Антимикробные материалы, в которых используются наночастицы, являются особым направлением этой технологии. В последнее время появилась инкапсуляция с набуханием в качестве метода введения антимикробных наночастиц в полимерную матрицу-хозяина. Инкапсуляция с набуханием обеспечивает преимущество локализации встраивания на внешние поверхности материалов, которые выступают в качестве активных центров этих материалов. Однако количественная оценка поглощения этих наночастиц является сложной задачей. В предыдущих исследованиях изучалась связь между антимикробной активностью и поверхностной концентрацией активного компонента, но это не визуализировалось напрямую. В данной статье мы демонстрируем надежный метод мониторинга встраивания наночастиц в матрицу полимера-хозяина с помощью инкапсуляции с набуханием. Мы показываем, что поверхностная концентрация наночастиц CdSe/ZnS может быть точно визуализирована с помощью флуоресцентной визуализации поперечного сечения. Используя этот метод, мы можем количественно оценить поглощение наночастиц с помощью инкапсуляции набуханием и измерить поверхностную концентрацию инкапсулированных частиц, что является ключевым фактором в оптимизации активности функциональных материалов.

Введение

Применение наноматериалов долгое время служил в качестве области повышения интереса к новым технологиям. ^1-3 Это включает все более широкое использование наночастиц в бытовых предметов, в том числе косметики, одежды, упаковки и электроники. ^4-6 Основной привод к использованию наночастиц в функциональных материалов проистекает из их более высокой реакционной способностью по отношению к материалам, в дополнение к способности настроить свойства путем изменения размера частиц. ⁷ Еще одним преимуществом является возможность легко формировать композиционные материалы, вводя ключевые свойства принимающей матрицы, такие как каталитический функциональность, укрепление материально -технической и настройка электрических свойств. ^8-12

Наночастицы-полимерные композиционные материалы могут быть достигнуты с помощью ряда методов, самый простой из которых является прямая интеграция необходимых наночастиц во время изготовления принимающей матрицы. ^13,14 Это гРЕЗУЛЬТАТЫ в однородный материал с ровным шагом наночастицами материала повсюду. Тем не менее, многие приложения требуют только активный материал может присутствовать на внешнем интерфейсе нанокомпозитов. В результате, прямое включение не приводит к эффективному использованию иногда дорогостоящих наночастицами материала , поскольку есть много наночастицами отходов через массу материала. ^15,16 Для достижения непосредственного включения, наночастицы также должны быть совместимы с образованием матрицы хоста. Это может быть сложной задачей, особенно в синтезах , которые требуют многогранных реакций , таких как в случае термореактивных полимеров , которые , как правило , облегченного металлическими механизмами комплексные катализаторы , которые могут пострадать от высокой активностью наночастиц. ¹⁴

Значительные недостатки, связанные с прямым наночастицами инкорпорации в процессе синтеза полимера, привело к разработке методов, направленных на ограничение наночастицами incorporatiна поверхности слоя. ^17-21 Свелла инкапсуляция является одним из наиболее успешных стратегий , описанных в литературе, для достижения высоких концентраций поверхности наночастиц, с ограниченным количеством отходов в полимерной массе. ^17-19 Метод использует растворитель приводом набухание полимера матрицы, что позволяет вторжение видов молекул и наночастиц. После удаления растворителя набухания, виды в пределах матрицы закрепляются на место, с наибольшей концентрацией видов, локализованных на поверхности. На сегодняшний день, большинство из зарегистрированных видов использования зыби инкапсуляцией направлены на изготовление антимикробных полимеров, где он является ключевым, что активные агенты находятся на поверхности материала. Хотя многие из этих отчетов показывают повышенную антимикробную активность, точная поверхность наночастиц композиция редко зондировали в деталях. Крику и др. Недавно продемонстрировали метод непосредственной визуализации наночастицами вторжении, обеспечивая решающую INSIGHT в кинетике и концентрации наночастиц на поверхности , достигнутыми зыби капсулирования. ²²

Эта работа подробно описывает синтез селенид кадмия квантовых точек (КТ), их набухания инкапсулирования в полидиметилсилоксана (PDMS) и прямой визуализации их включения с использованием флуоресцентных изображений. Эффект изменения времени набухают капсулой и концентрации наночастиц в растворе набухания исследуется. Метод флуоресцентной визуализации позволяет прямой визуализации наночастиц вторжении в PDMS и показывает, что самая высокая концентрация квантовых точек на поверхности материала.

Протокол

1. Получение CdSe / ZnS ядро ​​/ оболочка Quantum Dots

1. Подготовка триоктилфосфина (TOP) -se решение
   1. Готовят 0,5 М раствора селена в ТОП путем смешивания соответствующего количества Se в ТОП в колбу Шленка в атмосфере азота или в перчаточной камере (8 мл требуется в реакции, как правило, 0,4 г растворили в 10 мл ТОП).
   2. Перемешать смесь, чтобы растворить Se в течение 1 ч, в результате чего в сером растворе комплекса ТОП-Se.
   3. Убедитесь, что раствор затем подвергают сублимационной насос-оттаивании дегазируют 5 раз. Полученный раствор можно хранить в атмосфере азота в течение 3-х месяцев.
2. Подготовка CdSe сердечников
   1. Взвесить оксид кадмия (51 мг, 0,4 ммоль), TOP оксид (3,7 г, 9,6 ммоль), гексадециламин (1,93 г, 8 ммоль) и 1-dodecylphosphonic кислоты (0,22 г, 0,88 ммоль) и объединить в три шеи, 250 мл круглодонную колбу. Добавьте мешалку.
   2. Закрыть два шеек с перегородками и обеспечитьтретий прикреплен к длинному обратным холодильником и Шленка линии азота / вакуума. Вставьте датчик температуры нагревательным кожухом через одну перегородку непосредственно в смесь. Насос / наполнять колбу азотом пять раз.
   3. Нагревают колбу до 320 ° С и перемешивают в расплав в течение 1 ч в атмосфере азота.
   4. Чем ниже температура камине до 270 & deg; С, а затем использовать большой шприц и иглу широким отверстием (20 мл, 3 мм отверстием) дегазация с азотом в 5 раз.
   5. Поднимают 8 мл раствора ТОП-Se (этап 1.1) и осторожно, но быстро вводят в колбу три шеи, через перегородку.
   6. Реакционную смесь перемешивают при 270 ° C в течение от 30 сек до 10 мин, чтобы контролировать размер частиц, получаемых. Для получения красного излучения (~ 600 нм), 7-9 мин подходит.
   7. Приготовьте миску с кипящей водой (достаточно большой, чтобы погрузить половину реакционного сосуда) и место рядом с реакционной смеси. После того, как время завершения реакции быстро охладить реакции в boiliнг воду с закрученной.
      ВНИМАНИЕ: Система охлаждения может привести к Колбу треснуть. Будьте очень осторожны и носить толстые непроницаемые перчатки.
   8. После охлаждения вводят 10 мл хлороформа в колбу, чтобы растворить все продукты, и разделить смесь между двумя 50 мл центрифужные пробирки.
   9. Долить каждая трубка до 50 мл с помощью этанола и центрифуге при 3600 × г в течение 10 мин для осаждения частиц. Жидкость над осадком сливают и повторное диспергирование гранул в общей сложности 10 мл н-гексана.
3. ZnS обстреле CdSe Core:
   1. Добавить сердечники в гексане в 100-мл круглодонную колбу, содержащую цинк диэтилдитиокарбаматом (0,5 г, 1,4 ммоль), олеиламин (3 мл, 9,12 ммоль), триоктилфосфин (3 мл, 6,73 ммоль) и 1-октадецена (10 мл). Добавьте мешалку. Заменить атмосферу реакции на азот.
   2. Нагреть реакцию на плитке-мешалки при 3,3 ° С / мин при частичном вакууме до 70 ° С, и удалите гексан, используя линию Шленка.
   3. Включите атмосферу азота и продолжают нагревание при этой скорости до 120 ° С. Смесь перемешивают при 120 ° С в течение 2 часов.
   4. Оставляют реакционную смесь охлаждают, и разделить смесь между центрифужные пробирки 2 × 50 мл. Убедитесь, что трубы доливают до 50 мл этанола для осаждения частиц и центрифугировать при 3600 х г в течение 10 мин.
   5. Жидкость над осадком сливают и повторное диспергирование гранул в общей сложности 10 мл н-гексана.
   6. Центрифуга это решение (3,600 XG, 10 мин) еще раз, чтобы удалить любые нерастворимые примеси, перед тем, как сливали в пробирку для образца, и хранить в холодильнике (4 ° С) в атмосфере азота в течение до трех месяцев.

2. Отек Инкапсуляция Наночастицы в PDMS

1. Отек Приготовление раствора:
   1. Готовят раствор CdSe квантовых точек путем смешивания 36 мл н-гексана с 4 мл CdSe QD дисперсии (синтезированного) и перемешайте с помощью магнита.
   2. Отложите два флакона каждый из которых содержит 9 мл исходного раствора в качестве назначенных набухания растворов.
   3. Используйте оставшуюся часть исходного раствора для получения дальнейших набухания растворов различной концентрации QD. Готовят три набухания растворов понижением концентрации QD путем разбавления исходного раствора, чтобы дать раствор 66% (об / об), 50% раствора и 33% раствора.
      1. Готовят 66% (об / об) раствора путем смешивания 6 мл исходного раствора CdSe-QD с 3 мл н-гексана. Раствор перемешивают магнитной для обеспечения полного перемешивания.
      2. Готовят 50% (об / об) раствора путем смешивания 4,5 мл исходного раствора CdSe-QD с 4,5 мл н-гексана. Раствор перемешивают магнитной для обеспечения полного перемешивания.
      3. Готовят 33% (об / об) раствора путем смешивания с 3 мл исходного раствора CdSe-QD с 6 мл н-гексана. Раствор перемешивают магнитной для обеспечения полного перемешивания.
   4. Храните все QD решений в условиях низкой освещенности, при комнатной температуре.
2. Полимер Подготовка и QD Инкорпорация - варьирования концентрации QD в Отек Решение:
   1. Вырежьте четыре медицинского класса силиконовые квадраты (11 мм х 11 мм) с использованием свежего лезвие скальпеля.
   2. Погружают медицинский силикон квадрат в каждой из четырех набухания растворов с различной концентрацией% QD: маточный раствор, 66% (об / об), 50% (об / об) и 33% (об / об). Разрешить образцы полимерных набухать в течение 24 ч в темноте, и при комнатной температуре.
   3. Удалите набухшие образцы полимера из соответствующих набухание растворов и сухой воздух в условиях низкой освещенности в течение 48 часов, в течение которых остаточные испарении растворителя и полимеры отшатнуться к исходным размерам.
   4. Вымойте QD внедренной образцы тщательно деионизированной водой, чтобы удалить любые поверхностные материалы связаны.
3. Полимер Подготовка и QD Инкорпорация - Варьируя полимера Время экспозиции набуханию Решение:
   1. Подготовьте еще четыре медицинского класса силиконовые квадраты (11 мм х 11 мм), как указано в разделе 2.2.1.
   2. Погружают медицинского класса силиконовые квадратов в наличии припухлости растворе в течение различных периодов времени: 1 час, 3 ч, 6 ч и 24 ч.
   3. После удаления из раствора набухания, воздух сухой набухшие образцы полимера в темных условиях в течение 48 часов, таким образом, что образец сжимается до его предыдущих измерений.
   4. Вымойте QD внедренной образцы тщательно деионизированной водой, чтобы удалить любые поверхностные материалы или связанный остаточный растворитель.

3. Визуализация наночастиц Swell Инкапсуляция в PDMS

1. Силиконовые Подготовка образца:
   1. Вырежьте две силиконовые квадраты со свежим скальпелем (5,5 мм х 11 мм). Убедитесь, что это подвергает внутреннюю поверхность образцов силикона.
2. Флуоресцентной томографии:
   1. Поместите образцы силикона на microscoре слайд для работы с изображениями, гарантируя, что свежесрезанных сторона полимера делает полный контакт с стекло. Нажмите силиконовую часть вниз слегка, чтобы обеспечить плавный контакт с предметного стекла микроскопа. Поместите образец на столик микроскопа.
   2. Полные измерения времени жизни флуоресценции с использованием 488 нм спектрально отфильтрованный лазерной линии , состоящий из 5 импульсов псек со скоростью 20 МГц или аналогичный. ²³ Используйте акустооптический перестраиваемый фильтр системы, непосредственно пара на выходе лазера, для того , чтобы генерировать 488 нм лазерный луч. Фокусировка лазерного луча с помощью настраиваемого встроенный блок лазерного сканирования (см дополнительную информацию), которая отражается дихроичным зеркалом (488 нм) в заднюю апертуру объектива 10X, а затем на образец.
      1. Собирают флуоресцентное излучение с той же целью, что затем проходит через тот же дихроичным зеркалом. Направьте этот свет в сторону с лавинный фотодиод, работающего в режиме счета одиночных фотонов. Процесс lifeti мне измерений с помощью подсчета одиночных фотонов с корреляцией по времени (TCSPC) совета. ²³
   3. Запись функции отклика прибора (IRF) в начале и конце каждой экспериментальной сессии. ²³
      Примечание: Записанный сигнал в эксперименте TCSPC должен показать временную задержку между приходом фотонов на детекторе и производстве последующего лазерного импульса. Эта задержка, однако, должно быть свернут с МАФ измерительного устройства. Следовательно, МАФ измеряется как отклик прибора до 100 нм аурамин, который имеет значительно более короткий срок службы (~ 100 пс) по сравнению с инструментальным ответ.
   4. Выдержка времени жизни нелинейными подгонки экспоненциального убывания интенсивности флуоресценции и deconvolute это от МАФ с использованием алгоритма оценки ^25-27 максимального правдоподобия (ОМП). MLE (γ _J) рассчитывается как
      eq1.jpg "/>
      Где п _я это число фотоотсчетов в канале I, K есть число каналов (или бункеров) для каждого флуоресцентного распада, р _я (к) есть вероятность того, что группа фотонов будет падать в канал я , если частицы имеют пожизненный J и N является общее число отсчетов для данного распада.
   5. Запись каждой интенсивности и продолжительности жизни данные образца флуоресценции в течение 5 мин, создавая непрерывную проверку, состоящую из 264 изображений размером 512 × 512 пикселей. Комбинируйте их, чтобы обеспечить двумерную интенсивность флуоресценции, время жизни и интенсивность взвешенных карт продолжительности жизни, с рассчитанным ОМП с порогом 150 фотонов и процесса это с помощью MATLAB.

Результаты

Квантовые точки выставлены красной флуоресценции с лямбда - макс около 600 нм. ^22,28 Красное излучение было связано с удержанием экситона квантовой стержня, размер которых размеры находятся в пределах сильного режима удержания. Ли и др. Показали , что для квантовых стержней, сдвиги эмиссионные снизить энергию с увеличением ширины или длины стержня. Кроме того , они показали , что излучение в основном определяется бокового удержания, который играет важную роль , даже к...

Обсуждение

Флуоресцентная визуализация в поперечном сечении позволяет напрямую визуализировать наночастицы во время инкапсуляции набухания. Была показана кинетика инкапсуляции, а также продемонстрировано стремление к высокой концентрации поверхности наночастиц. Показано, что степень включения наночастиц изменяется в зависимости от времени инкапсуляции набухания (описано в разделе 2.3), при этом общее количество включенных наночастиц увеличивается по мере увеличения этого времени, при этом концентрация частиц локализуется на поверхн...

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье

Имя	Компания	Каталожный номер	Комментарии
Листы полидиметилсилоксана		NuSil-Medical	Grade
Oleylamine	Sigma Aldrich	O7805	Технический класс
Триоктилфосфин	Sigma Aldrich	117854	Технический класс
Триоктилфосфин оксид	Sigma Aldrich	346187	Технический класс
1-октадецен	Sigma Aldrich	O806	Технический сорт
Диэтилдитиокарбамат цинка	Sigma Aldrich
329703-олеиновая кислота	Sigma Aldrich	364525	технический
триэтиламин	Sigma Aldrich		471283-оксид
кадмия	Alfa Aesar	33235-гексадециламин
	Alfa Aesar	B22459	Технический класс
1- Додецилфосфоновая кислота	Альфа Аэзар	H26259-Селен
порошок	Акрос	19807-Хлороформ
	Сигма Олдрич
366919-н-гексан	Сигма Олдрич		208752-предметные
стекла микроскопа	VWR	631-0137	Толщина No1