Inkapsling och permeabilitet egenskaper Plasma polymeriserade ihåliga partiklar

Summary

Vi har använt plasmaförstärkt kemisk ångavsättning för att avsätta tunna filmer som sträcker sig från några få nm till flera 100 nm på nanopartiklar av olika material. Vi därefter etsa kärnmaterialet för att producera ihåliga nanoshells vars permeabilitet styrs av tjockleken hos skalet. Vi karakteriserar permeabiliteten hos dessa beläggningar på små lösta ämnen och visar att dessa hinder kan tillhandahålla fördröjd frisättning av kärnmaterialet under flera dagar.

Abstract

I detta protokoll är core-shell nanostrukturer syntetiseras av plasma-kemisk ångavsättning. Vi producerar en amorf barriären genom plasmapolymerisation av isopropanol på olika fasta substrat, inklusive kiseldioxid och kaliumklorid. Denna mångsidiga teknik används för att behandla nanopartiklar och nanopowders med storlekar från 37 nm till 1 mikron, genom att sätta in filmer vars tjocklek kan vara allt från 1 nm till drygt 100 nm. Upplösning av kärnan tillåter oss att studera graden av genomträngning genom filmen. I dessa experiment bestämma vi diffusionskoefficienten av KCl genom barriärfilmen genom nanokristaller beläggning KCl och därefter övervaka den joniska ledningsförmågan hos de belagda partiklarna suspenderade i vatten. Den primära intresse i denna process är inkapslingen och fördröjd frisättning av lösta ämnen. Tjockleken hos skalet är en av de oberoende variablerna som vi reglerar hastigheten för frisättning. Den har en stark effekt på hastighetenför övergång ökar som från en sex-timmars frisättning (hölje är 20 nm) till en långsiktig övergång över 30 dagar (hölje är 95 nm). Frisättningsprofilen visar en karakteristisk beteende: en snabb frisättning (35% av de slutliga materialen) under de första fem minuterna efter början av upplösningen och en långsammare frisättning tills alla kärnmaterial komma ut.

Protocol

1. Framställning av med kiseldioxid Nanopartiklar för deposition

1. Startar med torr kiseldioxidpulver, preparera provet för beläggning genom att först eliminera stora aggregat.
2. Tvätta kiselpartiklar (diameter på 200 nm, inköpt från Gel-Tec Corp) med etanol (190 bevis rent) och lämna prov under ett dragskåp tills all fukt dunstar med etanol.
3. Sålla partiklar genom en serie av metalliska maskor (U.S. # 100-400) för att bryta eventuella kvarvarande tätorter.
4. Ställe partiklar och en liten magnetisk omrörare i den rörformiga reaktorn, såsom visas i figur 1. Partiklarna bör placeras inuti plasmazonen.
5. Försegla glasreaktor genom att placera en O-ring mellan två flänsar, en vid änden av glasröret och en vid änden av röret är ansluten till pumpen.
6. Montera den rostfria ringen stålet klämma runt flänsarna och dra åt skruven runt klämman.

2.Framställning av vakuumsystemet

1. Fylla den flytande kvävefälla, sedan låta ytan av fällan att bli kall. Vänta 5 min.
2. Tillsätt isopropanol i bubbelflaskan och ansluta till plasmareaktorn.
3. Täta bubbelflaskan genom att placera en O-ring runt metallrör och dra åt muttern tills platsen för röret till bubblare anslutning blir förseglad.

3. Plasmaavsättning Process

1. Placera bubbelanordningen i ett vattenbad med temperaturen 34 ± 2 ° C.
2. Slå på argongas flödesregleranordningen och skriv 6,00 sccm som börvärdet.
3. Gradvis öppna slussventilen som ansluter glasrör till pumpen när pumpen arbetar. Utför det här steget noggrant på grund plötslig minskning av trycket kan orsaka att partiklarna blåsas bort av flödet. Vänta tills trycket når 200 mTorr, så lämnar gate ventilen helt öppen.
4. Placera den magnetiska omröraren under glasrör och ställa in hastigheten vid 100 rpm.
5. Ansluta aluminium ring runt den rörformiga glasreaktor till radiofrekvens, RF-, generator-och ansluta den rostfria klämman till marken.
6. Slå på den matchande nätverket (ENI MW-5D) först och sedan växla AC-och RF-generatorn strömmen. Ställ effekt vid 30 W för hela processen.
7. Efter en viss tidsperiod (10, 20 eller 40 min) att stänga av matchande nätverk, RF-generator och AC resp.
8. Stäng backventil och sedan stänga av argon flödesregulatorn. Koppla bort bubblare från ventilen och gradvis öka reaktorns tryck till atmosfärstryck.
9. Öppna klämman och överföra partiklarna från röret in i en plastskål med användning av en metallisk spatel.

4. Framställning av ihåliga partiklar genom upplösning av kärnmaterial

1. Placera provet under en huv för hela processen att lägga fluorvätesyra.
2. Fluorvätesyra är en extremt samrrosive syra och exponering av ögon och hud för att det kan orsaka permanenta skador. Använd skyddsglasögon med ett ansikte sköld och bära en laboratorierock vid hantering HF.
3. Blanda 10 ml fluorvätesyra (Aldrich 49%) med 10 ml avjoniserat vatten och tillsätt till plastskål som innehåller de belagda partiklarna.
4. Placera plastskål på en magnetisk omrörare och tillåta kärnan att upplösa under 24 timmar.
5. Efter en dag späda provet med 50 ml avjoniserat vatten och centrifugera provet under 1 timme. Kassera vätskeskiktet på toppen i en plastbehållare och överföra det undre skiktet som innehåller de partiklar i en petriskål av plast.
6. Tillsätt 50 ml avjoniserat vatten och vortexa provet och centrifugera igen. Kassera det övre skiktet och överföra den partikelskiktet i en ren Petri-skål.
7. Tvätta partiklarna med etanol, lufttorka provet, och överför ihåliga partiklar i ett kärl med lock och hålla partiklarna i en exsickator.

5. Characterization av Permeabilitet (Rate av Core Release)

Material: kaliumklorid för kärnmaterial

1. Framställ 0,001 molar kaliumklorid (KCl)-lösning genom blandning av 0,0745 g KCl med 1 liter avjoniserat vatten.
2. Fyll glasflaska med konstant produktion atomizer modell 3076 och installera kapsylen.
3. Ansluta Tryckluftsslangen en membrantorkningsenhet som är ansluten till gasinloppet hos finfördelarhuset. Sedan bifoga ett filter till avloppsslangen för att samla KCl nanopartiklar.
4. Gradvis öppna den komprimerade luften ventilen och låter luft strömma genom membranet torken. Tillåta att partiklarna ansamlas i filtret under 5 timmar.
5. Stäng den komprimerade luften ventilen och ta försiktigt bort filtret och samla partiklarna. Placera partiklarna i en exsickator före beläggningsprocessen.
6. Följa protokollet 2 och 3 för att erhålla likformigt belagda partiklar KCl.
7. Blanda belagd KCl med 10 ml avjoniserat water i en glasflaska. För att till fullo blanda provet, släpp en magnetisk omrörare i lösningen och lämna det på en magnetomrörare. Inkubera provet vid 25 ° C.
8. In sonden konduktivitetsmätare (Thermo Orion modell 105) i flaskan och registrera konduktivitet under 30 dagar.

6. Representativa resultat

Vi har tillämpat denna process att en mängd olika kärnmaterial, inkluderande oxider (kiseldioxid), salter (KCl) och metall (Al), såsom visas i figur 2. Transmissionselektronmikroskop har använts för att bekräfta den radiella likformighet av filmerna och för att mäta deras tjocklek. Vi har med framgång belagda partiklar som sträcker sig från 37 nm till 200 nm i diameter (figur 2) men det finns ingen fundamental begränsning av storleken av partiklar som kan behandlas med denna metod. Graden av skalet nedfallet är ungefär 1 nm / min. Denna ganska långsam hastighet gör det möjligt att reglera tjockleken hos filmerna ganskaexakt via avsättningstid. Den plasma-polymeriserade skalet är en permeabel barriär, såsom visas av det faktum att kärnmaterialet kan avlägsnas genom etsning eller upplösning. Figur 3 visar de ihåliga skal som finns kvar efter det att kiseldioxiden kärnan avlägsnas. Avlägsnande av kärnan är fullständig och den radiella likformighet och tjocklek för filmerna är ganska höga. För att utvärdera permeabiliteten genom dessa filmer, omkopplas vi KCl som kärnmaterial eftersom upplösningen av KCl kan övervakas lätt genom den joniska ledningsförmågan i lösningen. Figur 4 visar frisättningen av KCl från kärnan för fyra prover med olika tjocklek, 20 nm, 40 nm, 75 nm, och 95 nm, respektive. Belagda KCl Partiklarna suspenderades i vatten och lösningens konduktivitet följdes under en period av 30 dagar. Förutom de fyra proven, hade en kontroll som består av obelagda partiklar KCl också övervakas. Obelagda partiklar KCl dissolve inom en mycket kort tid av ungefär 1 min. Däremot visar belagda KCl en signifikant långsammare frisättningshastighet. Frisättningsprofilen för de belagda partiklarna kännetecknas av förhöjd initial frisättning som sker inom den första timmen följt av en mycket långsammare frisättning som tar flera dagar att fullborda, beroende på tjockleken av filmen.

Figur 1. Schematisk representation av framställningen av nanopartiklar, plasmaavsättning och ihåliga partikelbildning.

Figur 2. TEM-bilder av bestruket a), (b) silikapartiklar med d = 200 nm, (c) kiseldioxid partikel med d = 37 nm, (d) aluminium med d ~ 100 nm, och (e) KCl partikel med d = 100 nm

Figur 3. TEM bilder av ihåliga partiklar efter etsning av (a), (b) kisel-kärna med en diameter av 200 nm, och (c) KCl kärnan.

Figur 4. Effekt av godstjocklek på release profilen. Den infällda diagrammet visar frisättningen under den första timmen.

Discussion

En av de största utmaningarna i beläggning nanopartiklar är att ge en kompatibel kemi mellan beläggningen och substratet ^1,2. Den metod som beskrivs här har den fördelen att det inte är väsentlig-specifik. Plasmapolymerer visar utmärkt vidhäftning på en mängd olika substrat, inklusive hårda metaller (fig. 2 (c)), kiseldioxid (fig. 2 (c)), kisel eller mjuka material (t.ex. polymerer) utan behov av någon speciell ytmodifiering ^{3 , 4,5.} Tekniken har den ytterligare fördelen att den inte är begränsad av storleken på kämpartikeln och lätt kan anpassas till partiklar i nano-och mikrometerområdet. Tjockleken hos beläggningen styrs av utfällningstiden och kan lätt varieras från några få till flera hundra nm. En annan nivå av kontroll ges av organisk prekursor som används för att framställa beläggningen. Exempelvis kan den hydrofoba karaktären hos beläggningen varieras genom lämplig SeleInsatser av prekursorn ^6. En aspekt av processen är i behov av ytterligare förbättring uppnå likformighet av beläggningen. Vi uppskattar att cirka 70% av de som behandlats i plasma blivit helt belagd med resterande 30% visar delvis beläggning. Designa och konstruera en ny reaktor i vilken plasma omger runt partiklarna under hela processen kan förbättra detta.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Silica particles	Geltech Inc.
Potassium chloride (crystals)	EMD Chemicals Inc.
Isopropyl alcohol (99.9%)	Sigma-Aldrich
Hydrofluoric acid (48-51%)	VWR
Pipes and flanges	Swagelok		diameter of ¼ and 1 inch
roughing pump	Edwards
liquid nitrogen trap	A&N Corporation