Indkapsling og permeabilitet karakteristika Plasma polymeriserede hule partikler

Summary

Vi har anvendt plasmaforstærket kemisk dampudfældning at aflejre tynde film strækker sig fra nogle få nm til flere 100 nm på nanopartikler af forskellige materialer. Vi derefter ætse kernematerialet til fremstilling af hule nanoshells hvis permeabilitet er styret af tykkelsen af ​​skallen. Vi beskrive permeabiliteten af ​​disse overtræk til små opløste og viser, at disse barrierer kan tilvejebringe langvarig frigivelse af kernematerialet over flere dage.

Abstract

I denne protokol, er kerne-shell nanostrukturer syntetiseret ved plasma forbedret kemisk dampudfældning. Vi producerer et amorft barriere ved plasma-polymerisation af isopropanol på forskellige faste substrater, herunder silica og kaliumchlorid. Dette alsidige teknik anvendes til behandling af nanopartikler og nanopowders med størrelser fra 37 nm til 1 um, ved at aflejre film, hvis tykkelse kan være hvor som helst fra 1 nm til op til 100 nm. Opløsning af kernen tillader os at studere graden af ​​gennemtrængning gennem filmen. I disse eksperimenter, vi bestemme diffusionskoefficienten af ​​KCl gennem barrierefilmen ved coating KCI nanokrystaller og efterfølgende overvågning af ioniske ledningsevne af de overtrukne partikler suspenderet i vand. Den primære interesse i denne proces er indkapslingen og forsinket frigivelse af opløste stoffer. Tykkelsen af ​​skallen er en af ​​de uafhængige variable, som vi styrer frigivelseshastigheden. Det har en kraftig virkning på den hastighedom frigivelse, stiger som fra en seks-timers release (vægtykkelse er 20 nm) til en langsigtet frigivelse i løbet af 30 dage (vægtykkelse er 95 nm). Frigivelsesprofilen viser et karakteristisk opførsel: en hurtig frigivelse (35% af de endelige materiale) i de første fem minutter efter begyndelsen af ​​opløsningen og en langsommere frigivelse indtil alle kernematerialer kommer ud.

Protocol

1. Fremstilling af siliciumdioxidovertrukket nanopartikler til Deposition

1. Begyndende med tør silicapulver, prøven forberede coating ved først at fjerne store aggregater.
2. Vask silica partikler (diameter på 200 nm, købt fra Gel-Tec Corp) med ethanol (190 proof ren) og forlader prøven under en emhætte, indtil alle de fugten fordamper med ethanol.
3. Finkæmme partikler gennem en række af metalliske masker (US # 100 til 400) for at bryde eventuelle resterende byområder.
4. Sted partikler og en lille magnetisk omrørerstav i den rørformede reaktor, som vist i figur 1. Partiklerne skal placeres inde i plasmazonen.
5. Tætne glasreaktor ved at placere en O-ring mellem to flanger, en ved enden af ​​glasrøret, og en ved enden af ​​røret er forbundet med pumpen.
6. Installere rustfrit stål klemringen omkring flangerne og spænd skruen rundt om klemmen.

2.Fremstillinq af vakuumsystemet

1. Fylde flydende nitrogenfælde, derefter tillade overfladen af ​​fælden for at blive kold. Vent 5 min.
2. Tilsæt isopropanol i bobleflasken og oprette forbindelse til plasma-reaktoren.
3. Tætne bobler ved at placere en gummi O-ring omkring metalrør og møtrikken spændes, indtil det sted, hvor røret til boblerør forbindelse bliver forseglet.

3. Plasma afsætningsprocessen

1. Placere bobler i et vandbad med en temperatur på 34 ± 2 ° C.
2. Tænd for argon gas strømningsregulatoren og indtast 6,00 SCCM som setpunkt.
3. Gradvist åbne skydeventilen, der forbinder glasrør til pumpen, mens pumpen arbejder. Udfør dette trin omhyggeligt, da pludseligt fald i trykket kan medføre partiklerne til at blive blæst væk af strømmen. Vent indtil trykket når 200 mTorr, så lad skydeventilen helt åben.
4. Anbring den magnetiske omrører i glasrøret, og indstille den hastighed, 100 rkl.
5. Forbinde aluminium ring omkring den rørformede glasreaktor til radiofrekvensen, RF generator og forbinde rustfrit stål klemmen til jorden.
6. Tænd for matchende netværk (ENI MW-5D) først og derefter skifte til AC-og RF generatoren tændt. Sæt strøm på 30 W for hele processen.
7. Efter en bestemt varighed af tid (10, 20 eller 40 minutter) slukke tilpasningsnetværket, RF generator, og den vekselstrøm hhv.
8. Luk kontraventilen og derefter slukke argonflow controller. Afbryde bobler fra ventilen og gradvis øge reaktortrykket til atmosfærisk.
9. Åbne klemmen og overføre partikler fra røret i en plastskål med en metallisk spatel.

4. Fremstillingen af ​​hule partikler ved opløsning af kernemateriale

1. Prøven anbringes i et stinkskab for hele processen med at tilføje flussyre.
2. Flussyre er en yderst corrosive syre og eksponering af øjne og hud kan forårsage permanent skade. Brug beskyttelsesbriller med en ansigtsmaske og bære en laboratoriekittel ved håndtering af HF.
3. Blandes 10 ml flussyre (Aldrich 49%) med 10 ml deioniseret vand og tilsættes til plastskål, der indeholder de overtrukne partikler.
4. Anbring plastskål på en magnetisk omrører og tillader kernen at opløse i 24 timer.
5. Efter en dag fortyndes prøven med 50 ml deioniseret vand og centrifugeres prøven i 1 time. Skille den flydende lag på toppen i en plastbeholder og overføre det nederste lag, der indeholder partiklerne i en plast Petri-skål.
6. Tilsættes 50 ml deioniseret vand og vortex prøven og centrifugeres igen. Bortskaffe det øverste lag og overføres partikellaget i en ren petriskål.
7. Vaskes partiklerne med ethanol, lufttørre prøven, og overfør hule partikler i et hætteglas med låg og holde partiklerne i en ekssikkator.

5. Characterization af permeabilitet (Rate of Core Release)

Materialer: Kaliumchlorid til kernematerialer

1. Forberede 0,001 mol kaliumchlorid (KCl) opløsning ved at blande 0.0745 g KCI med 1 liter deioniseret vand.
2. Fyld glasflaske konstant output forstøver model 3076 og installere låget.
3. Forbinde trykluftslange en membrantørrer, som er forbundet med gasindløbet af forstøveren. Så lægger et filter til forretningen slangen for at indsamle KCl nanopartikler.
4. Gradvist åbne trykluft ventilen og lade luft strømme gennem membrantørrer. Tillade partiklerne akkumuleres i filteret i 5 timer.
5. Luk trykluft ventilen og fjern forsigtigt filteret og indsamle de partikler. Anbringe partiklerne i en ekssikkator forud for coating-processen.
6. Følg protokol 2 og 3 for at opnå ensartet coatede KCl partikler.
7. Blandes overtrukket KCl med 10 ml deioniseret water i et hætteglas. For fuldt ud at blande prøven, droppe en magnetomrører i løsningen, og lad det på en magnetomrører. Prøven inkuberes ved 25 ° C.
8. Indsætte ledningsevnemåler proben (Thermo Orion model 105) i hætteglasset og registrere ledningsevne over 30 dage.

6. Repræsentative resultater

Vi har anvendt denne proces til en række kernematerialer, herunder oxider (silica), salte (KCl) og metaller (Al), som vist i figur 2. Transmissionselektronmikroskop er blevet anvendt til at bekræfte den radiale ensartetheden af ​​film og til at måle deres tykkelse. Vi har med succes coatede partikler i området fra 37 nm til 200 nm i diameter (fig. 2), men der er ingen grundlæggende begrænsning på størrelsen af partikler, der kan behandles ved denne fremgangsmåde. Hastigheden af ​​Shell deposition er ca 1 nm / min. Dette ret langsom hastighed gør det muligt at styre tykkelsen af ​​filmene ganskenøjagtigt via aflejring tid. Plasma-polymeriserede skallen er en permeabel barriere, som demonstreret ved det faktum, at kernematerialet kan fjernes ved ætsning eller opløsning. Figur 3 viser de hule skaller, der er tilbage efter silica kernen er fjernet. Fjernelse af kernen er færdig, og den radiale ensartethed og tykkelse af filmene er ganske høje. Med henblik på vurdering af permeabilitet gennem disse film, skiftede vi KCl som kernemateriale, idet opløsningen af KCl kan overvåges meget let gennem den ioniske konduktivitet af opløsningen. Figur 4 viser frigivelsen af KCl fra kernen til fire prøver med forskellig tykkelse, 20 nm, 40 nm, 75 nm og 95 nm. Overtrukne KCI partikler blev suspenderet i vand, og konduktiviteten af ​​opløsningen blev fulgt i en periode på 30 dage. Ud over de fire prøver blev en kontrol, der består af ikke-coatede KCI partikler også overvåges. Ucoatede KCl partikler dissolve inden for et meget kort tid på cirka 1 minut. Derimod viser overtrukket KCl en signifikant langsommere frigivelseshastighed. Frigivelsesprofilen for de overtrukne partikler er kendetegnet ved initialt burst, der finder sted inden for de første timer, efterfulgt af en meget langsommere frigivelse, der tager flere dage for at fuldføre, afhængigt af tykkelsen af ​​filmen.

Figur 1. Skematisk repræsentation af fremstillingen af nanopartikler, plasma afsætning og hule partikeldannelse.

Figur 2. TEM-billeder af belagt (a), (b) silicapartikler med d = 200 nm, (c) silica partikel med d = 37 nm, (d) aluminium med d ~ 100 nm, og (e) KCl partikel med d = 100 nm

Figur 3. TEM billeder af hule partikler efter ætsning af (a), (b) silica kerne med diameter på 200 nm, og (c) KCl kerne.

Figur 4. Virkning af vægtykkelse på frigivelsesprofilen. Den indsatte figur viser frigivelsen i den første time.

Discussion

En af de største udfordringer i coating nanopartikler er at give en kompatibel kemi mellem belægningen og substratet ^1,2. Metoden beskrevet her har den fordel, at det ikke er væsentlig-specifik. Plasma polymerer udviser fremragende adhæsion til en række substrater, herunder hårde metaller (figur 2 (c)), silica (figur 2 (c)), silicium eller bløde materialer (f.eks polymerer) uden behov for nogen særlig overflademodifikation ^{3 , 4,5.} Teknikken har den yderligere fordel, at den ikke er begrænset af størrelsen af ​​kernepartiklen og kan let tilpasses til partikler i nano-og mikrometerområdet. Tykkelsen af ​​coatingen er styret af aflejring tid og kan let varieres fra få til adskillige hundrede nm. Et andet niveau af styring fra den organiske precursoren, der anvendes til fremstilling af overtrækket. For eksempel kan hydrofobe karakter af coatingen kan varieres ved passende seleIndsatsen af forstadiet ^6. Et aspekt af processen behov for yderligere forbedring er at opnå ensartethed af belægning. Skønner vi, at ca 70% af partiklerne behandles i plasmaet blive fuldt coatet med de resterende 30% viser delvis coating. Udformning og bearbejdning af en ny reaktor, i hvilken plasma omgiver hele vejen rundt om partiklerne under hele processen kan forbedre denne.

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