Encapsulation und Permeabilitätseigenschaften von plasmapolymerisierten Hohlteilchen

Summary

Wir haben Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition werden dünne Schichten im Bereich von einigen nm bis einigen 100 nm auf Nanopartikeln aus verschiedenen Materialien abzuscheiden. Wir anschließend Ätzen der Kernmaterial hohlen Nanohüllen, deren Durchlässigkeit wird durch die Dicke der Schale gesteuert zu erzeugen. Wir beschreiben die Durchlässigkeit dieser Beschichtungen auf kleinen gelösten Stoffen und zeigen, dass diese Barrieren können eine verzögerte Freisetzung des Kernmaterials über mehrere Tage bereitzustellen.

Abstract

In diesem Protokoll werden Kern-Schale-Nanostrukturen durch Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition synthetisiert. Wir erzeugen ein amorphes Barriere durch Plasmapolymerisation von Isopropanol auf verschiedenen festen Substraten, einschließlich Siliciumoxid und Kaliumchlorid. Diese vielseitige Technik wird verwendet, um Nanopartikel und Nanopulver mit einer Größe von 37 nm bis 1 Mikron zu behandeln, durch Abscheiden von Filmen, deren Dicke kann überall von 1 nm bis 100 nm aufwärts. Auflösung des Kerns ermöglicht es uns, die Permeationsrate durch den Film zu studieren. In diesen Experimenten bestimmen wir den Diffusionskoeffizienten von KCl durch die Sperrschicht durch Beschichten KCL Nanokristalle und anschließend Überwachen der Ionenleitfähigkeit der beschichteten Teilchen in Wasser suspendiert. Das Hauptinteresse bei diesem Verfahren ist die Verkapselung und eine verzögerte Freisetzung von gelösten Stoffen. Die Dicke der Schale ist eine der unabhängigen Variablen, mit denen wir die Rate der Freisetzung. Es hat einen starken Einfluss auf die Geschwindigkeitder Freigabe, steigt die von einem Sechs-Stunden-Freigabe (und eine Wanddicke von 20 nm) zu einer langfristigen Freisetzung über 30 Tage (und eine Wanddicke von 95 nm). Das Freisetzungsprofil zeigt ein charakteristisches Verhalten: eine schnelle Freisetzung (35% der endgültigen Materialien) in den ersten fünf Minuten nach dem Beginn der Auflösung, und eine langsamere Freisetzung, bis alle der Kernmaterialien herauskommen.

Protocol

1. Vorbereitung der Silica-Nanopartikel für die Deposition

1. Beginnend mit trockenen Silica-Pulver, bereiten Sie die Probe für die Beschichtung durch die Beseitigung ersten großen Aggregaten.
2. Waschen Sie Silica-Partikel (Durchmesser von 200 nm, von Gel-Tec Corp gekauft) mit Ethanol (190 Proof rein) und lassen Sie die Probe unter einem Abzug, bis alle Feuchtigkeit verdampft ist, mit Ethanol.
3. Sift Partikel durch eine Reihe von metallischen Maschen (US # 100-400), um alle verbleibenden Agglomerationen zu brechen.
4. Platz Teilchen und eine kleine magnetische Rührstab im Rohrreaktor, wie in 1 gezeigt. Partikel sollten innerhalb der Plasmazone platziert werden.
5. Abdichten Glasreaktor, indem ein O-Ring zwischen zwei Flanschen, eine am Ende der Glasröhre und eine am Ende des Rohres mit der Pumpe verbunden.
6. Installieren Sie das Edelstahl-Klemmring um die Flansche und Hand ziehen Sie die Schraube um die Klemme.

2.Vorbereitung des Vakuum-Systems

1. Füllen Sie die Falle mit flüssigem Stickstoff, dann lassen die Oberfläche der Falle zu kalt werden. Warten Sie 5 min.
2. In Isopropanol in Wäscher und eine Verbindung zu dem Plasmareaktor.
3. Verschließen Sie den Sprudler, indem Sie einen Gummi-O-Ring um das Metallrohr und die Mutter anziehen, bis die Stelle des Rohres zu Bubbler Verbindung wird versiegelt.

3. Plasmaabscheidungsverfahren

1. Setzen Sie den Sprudler in einem Wasserbad mit Temperatur von 34 ± 2 ° C.
2. Schalten Sie den Argon-Gas Flow Controller und geben Sie 6,00 sccm als der Sollwert.
3. Allmählich öffnen Sie die Schieber, die das Glasrohr mit der Pumpe, während die Pumpe in Betrieb ist. Führen Sie diesen Schritt sorgfältig durch, denn plötzliche Druckabfall kann dazu führen, dass die Partikel von der Strömung weg geblasen werden. Warten Sie, bis der Druck erreicht 200 mTorr, dann lassen Sie die Schieber vollständig geöffnet.
4. Setzen Sie den Magnetrührer unter dem Glasrohr und stellen Sie die Geschwindigkeit, mit 100 rUhr.
5. Verbinden Sie den Alu-Ring um den rohrförmigen Glasreaktor zur Radiofrequenz, RF, Generator und verbinden Sie die Klemme aus Edelstahl auf den Boden.
6. Schalten Sie den passenden Netzwerk (ENI-MW-5D) und dann schalten Sie das AC-Leitung und den HF-Generator einschalten. Stellen Sie die Leistung bei 30 W für den gesamten Prozess.
7. Nach einer bestimmten Zeitdauer (10, 20 oder 40 min) schalten Sie den passenden Netzwerk-, HF-Generator, und der AC-beziehungsweise.
8. Schließen Sie das Rückschlagventil und dann schalten Sie die Argon Flow Controller. Trennen Sie den Sprudler aus dem Ventil und die stufenweise Erhöhung der Reaktor entspannt auf Normaldruck.
9. Öffnen der Klemmvorrichtung und der Übertragung der Partikel aus dem Rohr in einer Kunststoffschale mit einem metallischen Spatel.

4. Vorbereitung der hohlen Teilchen durch Auflösung des Kernmaterials

1. Legen Sie die Probe unter einem Abzug für den gesamten Prozess der Zugabe von Flusssäure.
2. Flusssäure ist ein extrem Zusammenarbeitrrosive Säure und Exposition der Augen und der Haut, es kann zu dauerhaften Schäden führen. Verwenden Sie eine Schutzbrille mit einem Gesichtsschutz und tragen einen Laborkittel beim Umgang mit HF.
3. Mischen Sie 10 ml Flußsäure (Aldrich 49%) mit 10 ml entionisiertem Wasser und fügen Sie den Kunststoff-Teller, der die beschichteten Teilchen enthält.
4. Legen Sie die Plastikschale auf einem Magnetrührer und lassen Sie den Kern für 24 Stunden zu lösen.
5. Nach einem Tag Verdünnen Sie die Probe mit 50 ml deionisiertem Wasser und zentrifugieren Sie die Probe für 1 Stunde. Entsorgen Sie die flüssige Schicht an der Spitze in einem Kunststoffbehälter und übertragen Sie die untere Schicht, die die Partikel enthält, in einer Kunststoff-Petrischale.
6. 50 ml entionisiertem Wasser und Wirbel die Probe und zentrifugieren Sie es erneut. Entsorgen der oberen Schicht zu übertragen und die Partikelschicht in einem sauberen Petrischale.
7. Waschen Sie die Partikel mit Ethanol, trockene Luft die Probe, und übertragen Hohlteilchen in ein Fläschchen mit Kappe und halten die Teilchen in einem Exsikkator.

5. Characterization der Permeabilität (Rate of Core-Release)

Materialien: Kaliumchlorid für Kernmaterialien

1. Bereiten 0,001 molaren Kaliumchlorid (KCl)-Lösung durch Mischen von 0,0745 Gramm KCl mit 1 Liter deionisiertem Wasser.
2. Füllen Sie das Glas Flasche konstante Ausgangsspannung Zerstäuber Modell 3076 und installieren Sie den Verschluss der Flasche.
3. Verbinden Druckluftschlauch auf eine Membran Trockner, der mit dem Gaseinlaß des Zerstäubers verbunden ist. Bringen Sie dann einen Filter auf dem Ablaufschlauch, um KCl Nanopartikel zu sammeln.
4. Allmählich öffnen Sie das Druckluftventil und lassen den Luftstrom durch die Membran Trockner. Lassen Sie die Partikel sammeln sich im Filter für 5 Stunden.
5. Schließen Sie die Druckluft-Ventil und entfernen Sie vorsichtig den Filter und die Partikel sammeln. Platzieren Sie die Teilchen in einem Exsikkator vor der Beschichtung.
6. Folgen Sie Protokoll 2 und 3, um gleichmäßig beschichtet KCl Partikel zu erhalten.
7. Mix beschichteten KCl mit 10 ml deionisiertem water in einem Glasfläschchen. Um vollständig zu mischen die Probe, fallen einem Magnetrührer in die Lösung und lassen Sie es auf einem Magnetrührer. Inkubieren Sie die Probe bei 25 ° C.
8. Legen Sie die Leitfähigkeitsmessgerät Sonde (Thermo Orion Modell 105) in das Fläschchen und notieren Sie die Leitfähigkeit über 30 Tage.

6. Repräsentative Ergebnisse

Wir haben diesen Prozess zu einer Vielzahl von Kernmaterialien, die Oxide (Siliciumdioxid), Salze (KCl) und Metallen (Al) angelegt, wie in 2 gezeigt. Transmissions-Elektronenmikroskop wurde verwendet, um die radiale Gleichförmigkeit des Films zu bestätigen und zu ihrer Dicke zu messen. Wir haben erfolgreich beschichteten Teilchen im Bereich von 37 nm bis 200 nm im Durchmesser (2), aber es gibt keine grundlegende Beschränkung der Größe der Teilchen, die durch dieses Verfahren behandelt werden können. Die Geschwindigkeit der Schalenbildung beträgt etwa 1 nm / min. Das sehr langsam macht es möglich, die Dicke der Filme ziemlich steuerngenau über die Abscheidung Zeit. Die plasmapolymerisierten Schale ist ein Ionen-permeable Barriere, wie durch die Tatsache, daß das Kernmaterial durch Ätzen oder Auflösen entfernt gezeigt. 3 zeigt die hohlen Hüllen, die nach der Siliciumdioxid-Kern entfernt wird. Die Entfernung des Kerns abgeschlossen ist und die radiale Gleichförmigkeit und Dicke der Filme sind sehr hoch. Für die Zwecke der Untersuchung der Permeabilität durch diese Filme, wechselten wir als Kernmaterial KCl, da die Auflösung von KCl kann sehr einfach durch die ionische Leitfähigkeit der Lösung überwacht werden. 4 zeigt die Freisetzung von KCl aus dem Kern für vier Beispiele mit unterschiedlicher Dicke, 20 nm, 40 nm, 75 nm und 95 nm auf. Beschichtete KCl Teilchen wurden in Wasser suspendiert und die Leitfähigkeit der Lösung wurde über einen Zeitraum von 30 Tagen. Zusätzlich zu den vier Proben wurde eine Kontrolle, die aus unbeschichtetem KCl Teilchen besteht ebenfalls überwacht. Unbeschichtete KCl Partikel Dissonanzenlve innerhalb einer sehr kurzen Zeit von etwa 1 min. Im Gegensatz dazu zeigt beschichtete KCl eine langsamere Freisetzung. Das Freisetzungsprofil der beschichteten Teilchen durch anfängliches Platzen, die stattfinden innerhalb der ersten Stunde, gefolgt von einer viel langsameren Freisetzung, die mehrere Tage dauert, in Abhängigkeit von der Dicke der Folie ist.

1. Schematische Darstellung der Herstellung von Nanopartikeln, Plasmaabscheidung und hohle Partikelbildung.

2. TEM-Aufnahmen von beschichteten (a), (b) Siliciumdioxid-Teilchen mit d = 200 nm, (c) Siliciumdioxid-Teilchen mit d = 37 nm, (d) Aluminium mit d ~ 100 nm, und (e) Teilchen mit KCl d = 100 nm

Abbildung 3. TEM-Bilder von hohlen Teilchen nach dem Ätzen der (a), (b) Siliciumdioxid-Kern mit einem Durchmesser von 200 nm und (c) KCl Kern.

Abbildung 4. Einfluss der Dicke der Schale auf das Freisetzungsprofil. Die eingesetzte Grafik zeigt die Freisetzung während der ersten Stunde.

Discussion

Eine der größten Herausforderungen bei der Beschichtung Nanopartikel mit einem kompatiblen Chemie zwischen Beschichtung und Substrat ^1,2 liefern. Die hier beschriebenen Methode hat den Vorteil, dass es nicht materialspezifischen. Plasma-Polymere weisen eine ausgezeichnete Haftung auf einer Vielzahl von Substraten, darunter harte Metalle (Abbildung 2 (c)), Kieselsäure (Abbildung 2 (c)), Silizium oder weichen Materialien (zB Polymere), ohne die Notwendigkeit für irgendeine spezielle Oberflächenmodifizierung ^{3 , 4,5.} Die Technik hat den weiteren Vorteil, dass sie nicht durch die Größe der Core-Partikel beschränkt und kann einfach auf die Partikel im Nano-und Mikrometerbereich. Die Dicke der Beschichtung wird durch die Ablagerung der Zeit gesteuert und kann leicht von wenigen bis mehreren hundert nm variiert werden. Ein weiteres Maß an Kontrolle durch die organische Vorstufe, die zur Herstellung der Beschichtung vorgesehen ist. Zum Beispiel kann der hydrophobe Charakter der Beschichtung durch geeignete ƒele variiert werdenktion des ^{Vorläufer-6.} Ein Aspekt des Verfahrens bedarf einer weiteren Verbesserung wird die Einheitlichkeit der Beschichtung. Wir schätzen, dass etwa 70% der Teilchen in dem Plasma behandelt vollflächig mit der restlichen 30% Es werden partielle Beschichtung werden. Konzeption und Realisierung eines neuen Reaktors, in dem Plasma umgibt alles rund um die Teilchen während des gesamten Prozesses verbessern kann dies.

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