Innkapsling og Permeabilitet Kjennetegn på Plasma polymerisert Hollow Partikler

Summary

Vi har brukt plasma forbedret kjemisk damp avsetning for å deponere tynne filmer som spenner fra noen få nm til flere 100 nm på nano-størrelse partikler av ulike materialer. Dernest etch kjernen materiale til å produsere hule nanoshells som permeabilitet styres av tykkelsen av skallet. Vi karakterisere permeabilitet disse beleggene til små oppløsninger og demonstrere at disse barrierene kan gi vedvarende frigivelse av kjernemateriale over flere dager.

Abstract

I denne protokollen, er kjerne-skall nanostrukturer syntetisert av plasma forbedret kjemisk damp deponering. Vi produserer en amorf barriere ved plasma polymerisasjon av isopropanol på ulike solide underlag, inkludert silica og kaliumklorid. Denne allsidige teknikken brukes til å behandle nanopartikler og nanopowders med størrelser fra 37 nm til 1 mikron, ved å sette filmer som tykkelse kan være alt fra 1 nm til i overkant av 100 nm. Oppløsning av kjernen tillater oss å studere frekvensen av gjennomtrengelighet gjennom filmen. I disse eksperimentene, bestemmer vi spredningen koeffisient av KCl gjennom barrieren filmen med belegg KCL nanokrystaller og deretter overvåke ionisk ledningsevne av belagte partikler suspendert i vann. Den primære interesse i denne prosessen er innkapsling og forsinket utgivelsen av oppløsninger. Tykkelsen på skallet er en av de uavhengige variablene som vi kontrollerer hastigheten av utgivelsen. Den har en sterk effekt på hastighetenav utgivelsen, øker som fra en seks-timers utgivelse (shell tykkelse er 20 nm) til en langsiktig utgivelse over 30 dager (shell tykkelse er 95 nm). Utgivelsen Profilen viser en karakteristisk atferd: en rask frigjøring (35% av de endelige materialer) i løpet av de første fem minuttene etter begynnelsen av oppløsning, og en lavere utslipp till alle kjernen materialer kommer ut.

Protocol

1. Utarbeidelse av silika nanopartikler for Nedfall

1. Starter med tørt silika pulver, forberede prøven for belegget ved første eliminere store aggregater.
2. Vask silika partikler (diameter på 200 nm, kjøpt fra Gel-Tec Corp) med etanol (190 proof ren) og la prøven under en avtrekkshette til all fuktigheten fordamper med etanol.
3. Sile partikler gjennom en rekke metalliske masker (US # 100-400) for å bryte eventuelle gjenværende tettbebyggelser.
4. Plasser partikler og en liten magnetrører bar i den tubulære reaktoren, som vist i figur 1. Partikler skal plasseres inne i plasma sonen.
5. Tett glasset reaktoren ved å plassere en o-ring mellom to flenser, en på slutten av glassrør og ett ved enden av røret er koblet til pumpen.
6. Installer rustfritt stål klemringen rundt flenser og hånden stram skruen rundt klemmen.

2.Klargjøring av vakuumsystem

1. Fyll flytende nitrogen felle, deretter la overflaten av fellen å bli kaldt. Vent 5 min.
2. Legg isopropanol i bubbler og koble til plasma reaktoren.
3. Tett bubbler ved å plassere en gummi o-ring rundt metallrør og stram mutteren til stedet for røret til bubbler forbindelse blir forseglet.

3. Plasma Nedfall Process

1. Plasser bubbler i et vannbad med temperatur på 34 ± 2 ° C.
2. Slå på argongass vannmengdebegrenser og skriv 6,00 SCCM som settpunkt.
3. Gradvis åpner porten ventil som forbinder glassrøret til pumpen mens pumpen fungerer. Utfør dette trinnet nøye fordi plutselig reduksjon av trykket kan føre til at partiklene til å bli blåst bort av strømmen. Vent til trykket når 200 mTorr, så la gate ventil helt åpen.
4. Plasser magnetrører under glassrøret og sette fart på 100 rpm.
5. Koble aluminium ring rundt rørformet glass reaktoren til radio frekvens, RF, generator og koble rustfritt stål klemme til bakken.
6. Slå på matchende nettverk (ENI MW-5D) først og deretter slå AC linje og RF generator strømmen. Sett effekt ved 30 W for hele prosessen.
7. Etter en bestemt varighet av tid (10, 20 eller 40 min) slå av matchende nettverk, RF generator, og strømmen henholdsvis.
8. Lukk avstengningsventilen og deretter slå av argon vannmengdebegrenser. Koble bubbler fra ventilen og gradvis øke reaktoren trykket til atmosfærisk.
9. Åpne klemmen og overføre partikler fra røret inn i en plastpose rett med en metallisk slikkepott.

4. Utarbeidelse av Hollow Partikler ved Oppløsning av kjernemateriale

1. Plasser prøven under en avtrekkshette for hele prosessen med å legge flussyre.
2. Flussyre er en meget corrosive syre og eksponering av øyne og hud til det kan føre til varig skade. Bruk vernebriller med et ansikt skjold og bære en laboratoriefrakk ved håndtering HF.
3. Bland 10 ml flussyre (Aldrich 49%) med 10 ml avionisert vann og tilsett i plast rett som inneholder belagte partikler.
4. Plasser plasten rett på en magnetrører og la kjernen til å oppløse for 24 timer.
5. Etter en dag fortynne prøven med 50 ml avionisert vann og sentrifuger prøven for en time. Kast væskelaget øverst i en plastboks og overføre bunnlaget som inneholder partikler i en plastikk petriskål.
6. Tilsett 50 ml avionisert vann og virvle prøven og sentrifuger det igjen. Kast det øverste laget og overføre partikkel laget i en ren petriskål.
7. Vask partikler med etanol, lufttørke prøven, og overføre hule partikler inn i et hetteglass med cap og holde partiklene i en eksikkator.

5. Characterization av Permeabilitet (Rate Core Release)

Materialer: Potassium chloride for kjernen materialer

1. Forbered 0.001 molar kaliumklorid (KCl) løsning ved å blande 0.0745 gram KCL med 1 liter avionisert vann.
2. Fyll glasset flaske konstant produksjon atomizer modell 3076 og installere korken.
3. Koble trykkluft slangen til en membran tørketrommel, som er koblet til gass innløpet til atomizer. Deretter legge til et filter i avløpsslangen for å samle KCL nanopartikler.
4. Gradvis åpner trykkluft ventilen og la luften strømme gjennom membranen tørketrommelen. La partiklene samles opp i filteret for 5 hr.
5. Lukk trykkluft ventil og forsiktig fjerne filteret og samle partiklene. Plasser partikler i en eksikkator før belegget prosessen.
6. Følg protokoll 2 og 3 for å oppnå ensartet belagt KCL partikler.
7. Bland belagt KCl med 10 ml avionisert water i et hetteglass. For å fullt ut blande prøven, slipper en magnetrører i løsningen og la den på en magnetrører. Inkuber prøven ved 25 ° C.
8. Sett Konduktivitetsmåler sonden (Thermo Orion model 105) inn i hetteglasset og registrere ledningsevne over 30 dager.

6. Representative Resultater

Vi har brukt denne prosessen til en rekke sentrale materialer, inkludert oksider (silika), salter (KCl) og metaller (Al), som vist i Figur 2. Overføring elektronmikroskop har blitt brukt til å bekrefte den radiale ensartethet av filmene og å måle tykkelsen. Vi har med hell belagte partikler fra 37 nm til 200 nm i diameter (Figur 2), men det er ingen fundamental begrensning på størrelsen på partiklene som kan behandles med denne metoden. Frekvensen av skallet deponering er ca 1 nm / min. Denne ganske treg hastighet gjør det mulig å kontrollere tykkelsen av filmene ganskenøyaktig via nedfall tid. Plasma-polymerisert shell er en permeabel barriere, som demonstrert ved at kjernen materialet kan fjernes ved etsing eller oppløsning. Figur 3 viser de hule skjell som gjenstår etter at silika kjernen fjernes. Fjerning av kjernen er fullført og radial ensartethet og tykkelse av filmene er ganske høy. For evaluering av permeabiliteten gjennom disse filmene, byttet vi til KCl som kjernen materiale siden oppløsningen av KCl kan overvåkes svært lett gjennom ionisk ledningsevne av løsningen. Figur 4 viser utgivelsen av KCl fra kjernen for fire prøver med forskjellig tykkelse, 20 nm, 40 nm, 75 nm, og 95 nm, henholdsvis. Coated KCL partiklene ble suspendert i vann og ledningsevnen i løsningen ble fulgt i en periode på 30 dager. I tillegg til de fire prøvene, ble det en kontroll som består av ubestrøket KCL partikler også overvåket. Ubestrøket KCL partikler dissoLVE innenfor et svært kort tid på ca 1 min. Derimot viser belagt KCl en betydelig langsommere frisettingshastighet. Utgivelsen profilen til belagte partikler er preget av innledende burst som skjer innenfor den første timen, fulgt av en mye tregere utgivelse som tar flere dager å fullføre, avhengig av tykkelsen på filmen.

Figur 1. Skjematisk fremstilling av utarbeidelse av nanopartikler, plasma avsetning, og hul partikkel formasjon.

Figur 2. TEM bilder av bestrøket (a), (b) silika partikler med d = 200 nm, (c) silica partikler med d = 37 nm, (d) aluminium med d ~ 100 nm, og (e) KCl partikkel med D = 100 nm

Figur 3. TEM bilder av hule partikler etter etsing at (a), (b) silica kjerne med diameter på 200 nm, og (c) KCl kjerne.

Figur 4. Effekt av shell tykkelse på utgivelsen profilen. Den innfelte Grafen viser utgivelsen i løpet av første hr.

Discussion

En av de største utfordringene i belegg nanopartikler er å gi en kompatibel kjemi mellom belegg og underlaget ^1,2. Metodikken som beskrives her har den fordelen at det ikke er material-spesifikk. Plasma polymerer vise utmerket vedheft på en rekke underlag, inkludert harde metaller (Figur 2 (c)), silika (Figur 2 (c)), silisium, eller myke materialer (for eksempel polymerer) uten behov for noen spesiell overflate modifikasjon ^{3 , 4,5.} Teknikken har videre fordelen at det ikke er begrenset av størrelsen på kjernen partikkel og er lett å tilpasse til partikler i nano-og mikrometer rekkevidde. Tykkelsen på belegget styres av avsetning tid og kan lett varieres fra noen få til flere hundre nm. En annen grad av kontroll er levert av organisk forløper som brukes til å produsere belegg. For eksempel kan hydrofob karakter belegg varieres ved passende Selection av forløperen ^6. Et aspekt av prosessen i behov for ytterligere forbedring er å oppnå enhetlig belegg. Vi anslår at ca 70% av partiklene behandlet i plasma bli fullt belagt med de resterende 30% viser delvis belegg. Designe og engineering en ny reaktor som plasma omgir alle rundt partiklene under hele prosessen kan forbedre dette.

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