Caratteristiche di incapsulamento e di permeabilità di plasma particelle polimerizzate Hollow

Summary

Abbiamo usato maggiore plasma deposizione di vapore chimico per depositare pellicole sottili che variano da pochi nm a 100 nm su diverse particelle nanodimensionate di vari materiali. Abbiamo successivamente etch del materiale del nucleo per produrre nanoshells cave cui permeabilità è controllata dallo spessore del guscio. Abbiamo caratterizzano la permeabilità di questi rivestimenti piccoli soluti e dimostrano che queste barriere possono fornire un rilascio prolungato del materiale del nucleo più giorni.

Abstract

In questo protocollo, core-shell nanostrutture vengono sintetizzati mediante deposizione chimica da fase vapore maggiore plasma. Si produce una barriera amorfo da plasma polimerizzazione di isopropanolo su vari substrati solidi, tra silice e cloruro di potassio. Questa tecnica versatile viene usato per trattare nanoparticelle e nanopolveri con dimensioni variabili da 37 nm a 1 micron, depositando film il cui spessore può essere ovunque da 1 nm a verso l'alto di 100 nm. Dissoluzione del nucleo consente di studiare il tasso di permeazione attraverso il film. In questi esperimenti, si determina il coefficiente di diffusione del KCl attraverso la pellicola barriera da nanocristalli LKC rivestimento e successivamente monitorare la conducibilità ionica delle particelle rivestite sospese in acqua. L'interesse primario in questo processo è l'incapsulamento e il rilascio ritardato di soluti. Lo spessore del guscio è una delle variabili indipendenti, che controllano la velocità di rilascio. Ha un forte effetto sul tasso didi rilascio, che aumenta da sei ore di rilascio (spessore del guscio è di 20 nm) a un lungo periodo di rilascio più di 30 giorni (spessore del guscio è di 95 nm). Il profilo di rilascio mostra un comportamento caratteristico: un rapido rilascio (35% dei materiali finali) durante i primi cinque minuti dopo l'inizio della dissoluzione, e un rilascio più lento fino a tutti i materiali di base uscire.

Protocol

1. Preparazione di nanoparticelle di silice per la deposizione

1. Partendo con polvere di silice asciutta, preparare il campione per rivestimento mediante prima eliminando grandi aggregati.
2. Lavare le particelle di silice (diametro di 200 nm, acquistato da Gel-Tec Corp.) con etanolo (190 prove puro) e lasciare il campione sotto cappa aspirante fino a che tutti l'umidità evapora con etanolo.
3. Setacciare le particelle attraverso una serie di maglie metalliche (US # 100-400), al fine di interrompere qualsiasi agglomerati rimanenti.
4. Particelle luogo e un piccolo bar agitatore magnetico nel reattore tubolare, come mostrato nella Figura 1. Particelle deve essere posizionato all'interno della zona del plasma.
5. Sigillare la reattore di vetro inserendo un o-ring tra le due flange, uno alla fine del tubo di vetro e uno alla fine del tubo collegato alla pompa.
6. Installare l'anello di serraggio in acciaio inox attorno le flange e serrare la vite intorno alla pinza.

2.Preparazione del sistema di aspirazione

1. Riempire la trappola d'azoto liquido, quindi consentire la superficie della trappola per raffreddarsi. Attendere 5 min.
2. Aggiungere isopropanolo nel gorgogliatore e connettersi al reattore a plasma.
3. Sigillare il gorgogliatore mettendo una gomma o-ring attorno al tubo di metallo e serrare il dado fino al luogo di tubo di collegamento gorgogliatore diventa sigillato.

3. Plasma processo di deposizione

1. Posizionare il gorgogliatore in un bagno d'acqua con temperatura di 34 ± 2 ° C.
2. Accendere il regolatore di flusso di gas argon e inserire 6,00 SCCM come il set point.
3. Aprire gradualmente la saracinesca che collega il tubo di vetro alla pompa quando la pompa è in funzione. Eseguire questo passaggio attentamente perché calo improvviso della pressione può causare le particelle per essere spazzato via dal flusso. Aspetta la pressione raggiunge i 200 mTorr, poi lasciare la saracinesca completamente aperta.
4. Posizionare l'agitatore magnetico sotto il tubo di vetro e impostare la velocità a 100 rpm.
5. Collegate l'anello di alluminio intorno al reattore tubolare di vetro alla radiofrequenza, RF, generatore e collegare il morsetto in acciaio inossidabile a terra.
6. Accendere la rete di adattamento (ENI MW-5D) prima e poi passare la linea AC e la potenza del generatore RF. Impostare la potenza di 30 W per l'intero processo.
7. Dopo un periodo specifico di tempo (10, 20, o 40 min) spegnere la rete di adattamento, generatore RF, e la corrente alternata, rispettivamente.
8. Chiudere la valvola di non ritorno e quindi spegnere il regolatore di flusso di argon. Scollegare il gorgogliatore dalla valvola e gradualmente aumentare la pressione del reattore a quella atmosferica.
9. Aprire il morsetto e trasferire le particelle provenienti dal tubo in un piatto di plastica con una spatola metallica.

4. Preparazione di particelle Hollow dalla dissoluzione di materiale di riempimento

1. Porre il campione sotto cappa aspirante per l'intero processo di aggiunta di acido fluoridrico.
2. L'acido fluoridrico è estremamente coL'acido rrosive e l'esposizione di occhi e pelle può causare danni permanenti. Usare occhiali con visiera e indossare un camice da laboratorio quando si maneggia HF.
3. Mescolare 10 ml di acido fluoridrico (Aldrich 49%) con 10 ml di acqua deionizzata e aggiungere al piatto di plastica che contiene le particelle rivestite.
4. Posizionare il piatto di plastica su un agitatore magnetico e consentire il nucleo sciogliere per 24 ore.
5. Dopo un giorno diluire il campione con 50 ml di acqua deionizzata e centrifugare il campione per 1 ora. Eliminare il livello di liquido nella parte superiore in un contenitore di plastica e trasferire lo strato inferiore che contiene le particelle in una capsula Petri di plastica.
6. Aggiungere 50 ml di acqua deionizzata e vortex e centrifugare il campione di nuovo. Smaltire dello strato superiore e trasferire lo strato di particelle in una capsula Petri pulito.
7. Lavare le particelle con etanolo, asciugare all'aria il campione, e trasferire le particelle cave in un flacone con tappo e mantenere le particelle in un essiccatore.

5. Characterization della permeabilità (tasso di rilascio Core)

Materiali: cloruro di potassio per i materiali di base

1. Preparare 0,001 molare di cloruro di potassio (KCl), soluzione mescolando 0.0745 grammi di KCl con 1 litro di acqua deionizzata.
2. Riempire la bottiglia di vetro del modello costante atomizzatore uscita 3076 e installare il tappo del flacone.
3. Collegare il tubo flessibile dell'aria compressa ad un essiccatore membrana, che è collegata all'ingresso del gas del nebulizzatore. Quindi attaccare un filtro per il tubo di scarico al fine di raccogliere nanoparticelle KCl.
4. Aprire gradualmente la valvola dell'aria compressa e lasciare che il flusso d'aria attraverso l'essiccatore a membrana. Lasciare le particelle si accumulano nel filtro per 5 h.
5. Chiudere la valvola di aria compressa e rimuovere con cura il filtro e raccogliere le particelle. Collocare le particelle in un essiccatore prima del processo di rivestimento.
6. Seguire il protocollo 2 e 3, al fine di ottenere particelle di KCl uniformemente rivestite.
7. Mescolare KCl rivestito con 10 ml di acqua deionizzata water in un flaconcino di vetro. Per mescolare completamente il campione, cadere un agitatore magnetico nella soluzione e lasciarlo su un agitatore magnetico. Incubare il campione a 25 ° C.
8. Inserire la conducibilità metro sonda (Thermo Orion modello 105) nel flaconcino e registrare la conducibilità oltre 30 giorni.

6. Risultati rappresentativi

Abbiamo applicato questo processo ad una varietà di materiali di base, contenenti ossidi di (silice), sali (KCl) e metalli (Al), come mostrato nella Figura 2. Microscopio elettronico a trasmissione è stata utilizzata per confermare l'uniformità radiale dei film e per misurare il loro spessore. Siamo riusciti particelle rivestite vanno da 37 nm a 200 nm di diametro (Figura 2), ma non vi è alcuna limitazione fondamentale sulla dimensione delle particelle che possono essere trattati con questo metodo. Il tasso di deposizione guscio è di circa 1 nm / min. Questo tasso piuttosto lenta permette di controllare lo spessore dei film abbastanzaaccuratamente tramite il tempo di deposizione. Il plasma-polimerizzato guscio è una barriera permeabile, come dimostrato dal fatto che il materiale dell'anima può rimosso mediante attacco chimico o dissoluzione. Figura 3 mostra i gusci vuoti che rimangono dopo il nucleo di silice viene rimosso. La rimozione del nucleo è completa e l'uniformità radiale e spessore dei film sono piuttosto elevati. Ai fini della valutazione della permeabilità attraverso questi film, si commutato KCl come materiale del nucleo in quanto la dissoluzione di KCl può essere controllato facilmente attraverso la conducibilità ionica della soluzione. Figura 4 mostra il rilascio di KCl dal nucleo di quattro campioni con diverso spessore, 20 nm, 40 nm, 75 nm e 95 nm, rispettivamente. KCl particelle rivestite sono state sospese in acqua e la conducibilità della soluzione è stata seguita per un periodo di 30 giorni. Oltre ai quattro campioni, un controllo che consiste di particelle non rivestite KCl stata anche monitorata. Non rivestiti particelle KCl sopprimere PrioratiLVE entro un tempo molto breve di circa 1 min. Al contrario, KCl rivestito mostra una velocità di rilascio molto più lento. Il profilo di rilascio delle particelle rivestite è caratterizzata da scoppio iniziale che avviene all'interno hr primo, seguito da un rilascio più lento che richiede diversi giorni per completare, a seconda dello spessore del film.

Figura 1. Rappresentazione schematica della preparazione di nanoparticelle, deposizione al plasma, e la formazione di particelle cava.

Figura 2. Immagini TEM di carta patinata (a), (b) particelle di silice con d = 200 nm, (c) di particelle di silice con d = 37 nm, (d) d alluminio con circa 100 nm, e (e) di particelle con KCl D = 100 nm

Figura 3. TEM immagini di particelle vuote dopo l'incisione (a), (b) nucleo di silice con diametro di 200 nm, e (c) core KCl.

Figura 4. Effetto dello spessore del guscio sul profilo di rilascio. Il grafico mostra il riquadro rilascio durante la prima ora.

Discussion

Una delle maggiori sfide nel rivestimento di nanoparticelle è quello di fornire una chimica compatibile tra il rivestimento e il ^1,2 substrato. La metodologia qui descritto ha il vantaggio che non è materiale specifico. Polimeri plasma mostra eccellente adesione su una varietà di substrati, compresi i metalli duri (Figura 2 (c)), silice (Figura 2 (c)), silicio, o materiali morbidi (per esempio, polimeri) senza la necessità di alcuna modifica speciale della superficie ^{3 , 4,5.} La tecnica presenta l'ulteriore vantaggio che essa non è limitata dalla dimensione della particella di base ed è facilmente adattabile alle particelle nell'intervallo nano-e micrometro. Lo spessore del rivestimento è controllato dal tempo di deposizione e può essere facilmente variato da pochi a diverse centinaia di nm. Un altro livello di controllo è fornito dal precursore organico che viene usato per produrre il rivestimento. Ad esempio, il carattere idrofobo del rivestimento può essere variato sele adattoione del precursore ^6. Un aspetto del processo in necessità di un ulteriore miglioramento è realizzare l'uniformità del rivestimento. Si stima che circa il 70% delle particelle trattate nel plasma diventare completamente rivestita con il restante 30% mostra rivestimento parziale. Progettare e progettazione di un nuovo reattore in cui plasma circonda tutto intorno alle particelle durante l'intero processo può migliorare questa.

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