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Engineering

직접 형광 이미징을 사용하여 나노 입자 - 고분자 복합 재료의 고급 성분 분석

Published: July 19, 2016 doi: 10.3791/54178
* These authors contributed equally

Introduction

나노 물질의 응용 프로그램이 긴 새로운 기술에 대한 관심을 증가의 영역을 역임했다. 1-3이 화장품, 의류, 포장 및 전자 제품을 포함한 일상 항목에서 나노 입자의 성장 사용을 포함하고있다. 4-6 나노 입자를 사용하는 방향으로 주요 드라이브 기능성 물질의 입자 크기의 변화에 의해 튜닝 특성 능력 이외에 재료 그들의 높은 반응성 상대로부터 유래한다. 7 한 다른 이점은 같은 호스트 매트릭스에 중요한 특성을 도입하기 쉽게 복합 재료를 형성 할 수있는 능력이다 촉매 기능, 재료 강화 및 전기적 특성의 조정. 8-12

나노 입자 고분자 복합 재료 기술의 범위를 통해 달성 될 수 있고, 간단한있는 호스트 매트릭스의 제조 동안에 원하는 나노 직접 통합이다. (13, 14)이 R나노 입자에 걸쳐 재료의 균일 한 간격이 균일 한 재료 esults. 그러나 대부분의 응용 프로그램은 나노 복합 재료의 외부 인터페이스에 존재하는 활성 물질을 필요로한다. 재료의 벌크를 통해 많은 나노 폐기물이있는 한 결과, 직접 혼입 때때로 값 비싼 나노 물질의 효율적인 이용을 초래하지 않는다. (15, 16)를 직접 결합을 달성하기 위해, 나노 입자는 호스트 매트릭스의 형성과 호환되어야한다. 이는 특히 통상적으로 고 활성 인 나노 입자에 의해 영향을받을 수있는 금속 착체 촉매 메커니즘에 의해 촉진되는 열경화성 플라스틱의 경우와 같이 다면적 반응을 필요로 합성에 도전 할 수있다. (14)

중합체 합성시에 직접 나노 혼입과 연관된 상당한 단점이 나노 incorporati을 제한 할 목적으로 기술 개발을 이끌었다표면에 층. 17-21 스웰 캡슐화 중합체 벌크 제한 소모와 높은 표면 나노 입자의 농도를 달성하기 위해, 문헌에보고 된 가장 성공적인 전략이다. 17-19 기술은 중합체의 용매 구동 팽창을 이용한다 매트릭스 분자 종의 나노 입자의 침입을 허용. 팽윤 용매를 제거하면, 매트릭스 내에서의 종이 표면에 국부적 종의 높은 농도와 함께 제자리에 고정된다. 현재까지 팽창 캡슐화의보고 사용의 대부분은 (는) 활성제는 재료 표면에 있는지 중요 항균 고분자의 제조,에 관한 것이다. 이러한 보고서 많은 향상된 항균 활성을 나타내는 반면, 정확한 표면 나노 입자 조성물의 거의 상세히 프로빙 않는다. 크릭 등 알. 최근에 중요한 INSI을 제공하는 나노 입자 침입의 직접 시각화하는 방법을 시연팽윤 밀봉함으로써 달성 동력학 표면 나노 입자의 농도에 GHT. 22

이 작업은 카드뮴 셀레 나이드 양자점 (QD), 폴리 디메틸 실록산 (PDMS)과 형광 이미징을 사용하여 혼입 직접적인 시각화에 자신 팽윤 밀봉 합성 세부. 팽윤 액에 팽윤 밀봉 시간 및 나노 입자의 농도를 변화시키는 효과를 탐구한다. 형광의 시각화 기법은 PDMS에 나노 입자 침입 직접 이미징을 허용하고 양자점의 가장 높은 농도는 재료 표면에있는 것을 보여준다.

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Protocol

의 CdSe /의 ZnS 코어 / 쉘 양자 점의 1. 준비

  1. 트리 옥틸 포스 핀의 제조 (TOP) -se 솔루션
    1. (8 ㎖를 일반적으로 0.4 g이 TOP 10 ㎖에 용해, 반응에 따라 필요) 질소 하에서 또는 글러브 박스에서 쉬 렌크 플라스크에 TOP에 셀레늄의 적절한 양을 혼합하여 TOP에 셀레늄의 0.5 M 용액을 준비합니다.
    2. 상단 셀레늄 복잡 회색 용액 결과 1 시간 동안 선생을 용해 혼합물을 교반한다.
    3. 이 솔루션은 동결 펌프 - 해동 5 회 탈기 한 후되어 있는지 확인합니다. 얻어진 원액 3 개월 동안 질소하에 저장 될 수있다.
  2. 의 CdSe 코어의 제조
    1. 카드뮴 산화물 (51 ㎎, 0.4 밀리몰), TOP 옥사이드 (3.7 g, 9.6 밀리몰)를 달아, 헥사 데실 (1.93 g, 8 mmol) 및 1- dodecylphosphonic 산 (0.22 g, 0.88 mmol) 및 세 경부에 결합 (250) ml의 둥근 바닥 플라스크. 교반 막대를 추가합니다.
    2. 격막 및 확인과 닫기를 두 목세 번째는 긴 환류 응축기 및 질소 / 진공 쉬 렌크 라인에 부착된다. 혼합물에 직접 하나 격막을 통해 가열 맨틀 온도 프로브를 삽입합니다. 다섯 번 / 펌프 질소 플라스크 리필.
    3. 320 ° C까지 플라스크를 가열하고, 질소 분위기 하에서 1 시간 동안 용융 교반한다.
    4. 질소로 큰 주사기와 넓은 구멍 바늘을 사용해서 5 회 탈기에 (20 ㎖, 3mm 구멍)를 270 ° C에 벽난로의 온도를 낮추고.
    5. 위로 TOP-셀레늄 용액 (1.1 단계)의 8 mL를 취하여 격막을 통해 세 목 플라스크에 신중하지만 빠른 속도로 주입.
    6. 생성 된 입자의 크기를 제어 할 분 30 초 내지 10 대 270 ℃에서 반응물을 교반한다. 적색 발광 (~ 600 ㎚)의 경우, 7-9 분에 적합하다.
    7. 다음, 반응 혼합물 및 장소 (반응 용기의 절반을 잠수함하기에 충분히 큰) 끓는 물 그릇을 준비합니다. 반응 시간이 끝나면 신속 boili으로 반응을 냉각소용돌이 치는 물을 ng를.
      주의 : 냉각은 플라스크 균열의 원인이 될 수 있습니다. 큰 관심을 가지고 두꺼운 불 침투성 장갑을 착용하십시오.
    8. 일단 차가운, 모든 제품을 용해 플라스크에 클로로포름 10 ㎖를 주입하고, 두 개의 50 ㎖ 원심 분리 튜브의 혼합물을 분할.
    9. 3,600 × g 10 분 각 튜브 최대의 EtOH 및 원심 분리기와 50 ㎖로 최고 최대 입자를 침전한다. 상층 액을 제거하고, n- 헥산 10 ㎖의 총 펠렛을 다시 분산.
  3. 의 CdSe 코어의의 ZnS 포격 :
    1. 100 ml의 헥산으로 코어를 추가 둥근 바닥 플라스크에 포함 된 아연 디 에틸 (0.5 g, 1.4 밀리몰), 올레 일 아민 (3 ㎖, 9.12 밀리몰), 트리 옥틸 포스 핀 (3 ㎖, 6.73 밀리몰) 및 1- 옥타 데센 (10 ㎖). 교반 막대를 추가합니다. 질소 분위기 하에서 반응을 교환한다.
    2. 70 ° C까지 부분적인 진공 하에서 3.3 ° C / 분에서 핫 플레이트 - 교반기의 반응을 가열하고, 쉬 렌크 줄을 사용하여 헥산을 제거합니다. 질소로 분위기를 전환하고 120 ° C까지이 속도로 가열을 계속한다. 2 시간 동안 120 ℃에서 교반 하였다.
    3. 반응이 냉각 할 수 있도록 허용하고, 2 × 50 ML의 원심 분리기 튜브 사이의 혼합물을 분리. 튜브는 10 분 동안 3,600 × g에서 입자와 원심 분리기를 침전 EtOH로 50 ㎖까지 얹어되어 있는지 확인합니다.
    4. 상층 액을 제거하고, n- 헥산 10 ㎖의 총 펠렛을 다시 분산.
    5. 최대 3 개월 동안 질소 대기 하에서 냉장고 (4 ℃)에서 원심 분리 용액 (3,600 × g으로 10 분간) 샘플 튜브로 경사지기 전에, 임의의 불용성 불순물을 제거하기 위해 다시 한 번, 그리고 매장.

PDMS에 나노 입자의 2 붓기 캡슐화

  1. 솔루션 준비 붓기 :
    1. 4 (합성 등)의 CdSe QD 분산액 ㎖의 n- 헥산 36 ml에 혼합 한 CdSe 양자점의 스톡 용액을 준비하고 자기 용액을 교반 하였다. </ 리>
    2. 별도로 두 바이알 지정 팽윤 용액으로 원액 9 mL를 함유 각각 설정한다.
    3. QD의 농도를 변화시키는 상기 팽윤 용액의 제조 원액의 나머지 부분을 사용한다. 66 % (v / v) 용액, 50 % 용액, 33 % 용액을 수득 원액을 희석함으로써 감소 QD 농도 세 팽윤 용액을 준비한다.
      1. n- 헥산 3 mL로 한 CdSe QD 스톡 용액 6 ml를 혼합하여 66 % (v / v)의 용액을 제조 하였다. 완전한 혼합을 보장하기 위해 자기 용액을 교반한다.
      2. 4.5 ㎖의 n- 헥산으로 한 CdSe QD 원액 4.5 ml를 혼합하여 50 % (v / v)의 용액을 제조 하였다. 완전한 혼합을 보장하기 위해 자기 용액을 교반한다.
      3. n- 헥산 6 mL로 한 CdSe QD 스톡 용액 3 ㎖를 혼합하여 33 % (v / v)의 용액을 제조 하였다. 완전한 혼합을 보장하기 위해 자기 용액을 교반한다.
    4. 실온에서, 어두운 조건에서 QD 솔루션을 모두 저장합니다. </ 리>
  2. 고분자 제조 및 QD 법인은 - 붓기 솔루션의 QD 농도를 변화 :
    1. 신선한 메스 블레이드를 사용하여 네 개의 의료용 실리콘 사각형 (11mm X 11mm)을 잘라.
    2. %의 QD 농도 변화의 네 팽윤 용액 각각 의료용 실리콘 사각형 담가 : 스톡 용액, 66 % (V / V), 50 % (v / v)의 33 % (V / V). 중합체 샘플이 암 조건 하에서 24 시간 동안 팽창을 허용하고, 실온에서 첨가 하였다.
    3. 잔류 용매의 증발과 폴리머는 다시 초기 크기로 축소이 기간 동안 48 시간에 대한 어두운 조건에서 팽창 솔루션 및 공기 건조 각각의 부어 폴리머 샘플을 제거합니다.
    4. 어떤 표면 결합 물질을 제거하는 탈 이온수로 철저하게 QD-통합 샘플을 씻으십시오.
  3. 중합체 제조 및 QD 혼입 - 팽윤 중합체 용액에 노출 시간을 변화 :
  4. 2.2.1에서 언급 한 바와 같이, 네 더 의료용 실리콘 사각형 (11mm X 11mm)를 준비합니다.
  5. 시간 기간을 변화시키는 재고 팽윤 액 중의 의료용 실리콘 사각형 담가 1 시간, 3 시간, 6 시간, 24 시간이.
  6. 팽윤 용액으로부터 제거 후, ​​공기는​​ 샘플이 다시 이전 크기로 축소하도록 48 시간 동안 어두운 조건에서 부어 폴리머 샘플을 건조.
  7. 어떤 표면 결합 물질이나 잔류 용매를 제거하는 탈 이온수로 철저하게 QD-통합 샘플을 씻으십시오.

나노 입자의 3 시각화 PDMS로 캡슐화 스웰

  1. 실리콘 샘플 준비 :
    1. 신선한 메스 블레이드 (5.5 mm X 11mm) 두 개의 실리콘 사각형을 잘라. 이 실리콘 샘플의 내부 표면을 노출 있는지 확인합니다.
  2. 형광 이미징 :
    1. microsco에 실리콘 샘플을 배치폴리머의 갓 잘라면이 유리 슬라이드 전체 접촉을 보장 이미징을위한 체육 슬라이드. 현미경 슬라이드와 부드러운 접촉을 보장하기 위해 가볍게 실리콘 부분을 아래로 누릅니다. 현미경의 무대에서 샘플을 놓습니다.
    2. 20 MHz 또는 유사한 속도로 5 PSEC 펄스로 이루어지는 488 nm의 스펙트럼을 여과 레이저 라인을 사용하여 전체 수명 형광 측정. (23)를 사용하여 음향 광학 가변 필터에있어서, 상기 레이저 출력에 직접 커플 488을 생성하기 위해서 nm의 레이저 라인. 샘플에 다음 10X 대물 렌즈의 배면 개구로 익 미러 (488 ㎚)에 의해 반사되는 맞춤형 레이저 스캐닝 유닛 (부가 정보를 참조)를 사용하여 레이저 빔을 초점.
      1. 다음 동일한 다이크로 익 미러를 통과 동일한 목적으로 형광 방출을 수집한다. 단일 광자 계수 모드에서 작동 눈사태 포토 다이오드를 향해이 빛을 직접. 프로세스 lifeti 시간 상관 단일 광자 계산 (TCSPC) 보드를 사용하여 나 측정. (23)
    3. 처음에 장비 응답 함수 (IRF) 각 실험 세션 종료를 기록한다. (23)
      주 : TCSPC 실험에서 기록 된 신호는 상기 검출기에서의 광자의 도착 이후의 레이저 펄스의 제조 사이의 시간 지연을 표시한다. 이 시간 지연 그러나, 측정 장치의 IRF와 컨벌루션한다. 따라서, IRF는 쓸모 응답에 비해 매우 짧은 수명 (~ 100 PSEC)이 100 nm의 오라 민 O, 악기의 응답으로서 측정된다.
    4. 형광 강도의 감쇠 지수의 비선형 피팅에 의해 수명을 추출하여 최대 우도 추정기 (MLE) 알고리즘을 사용하여 25-27 IRF 에서이 deconvolute. MLE (γ의 J)는 다음과 같이 계산된다
      eq1.jpg "/>
      N (I)이 채널 I의 광자 카운트 수이고, k는 각 형광 감쇠 용 채널 (또는 빈들)의 수이고, p는 I (j)는 광자의 그룹 입자가 나는 경우 채널 내에 속하는 확률은 수명은 JN은 소정의 감쇠에 대한 계수의 총 수이다.
    5. 크기가 512 × 512 픽셀 (264)의 이미지로 구성된 연속 스캔을 만드는 5 분간 각 시료의 형광 강도 및 수명 데이터를 기록한다. 이러한 150 광자 임계 공정이 사용 MATLAB으로 계산 MLE와 이차원 형광 강도, 수명 및 강도 가중 수명지도를 제공하기 위해 결합한다.

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Representative Results

양자점은 약 600 nm의 람다 최대로 적색의 형광을 나타냈다. 22,28 적색 발광 크기 치수 강한 한정 체제 내에 양자로드하여 여기자의 제한 때문이었다. 리 등이. 양자 봉 들면 발광 변화의 폭 또는로드의 길이 중 하나의 증가와 에너지를 낮추는 것으로 나타났다. 그들은 상기 발광은 주로로드의 폭이 강한 한정 체제에서와 같이 해당 소재의 보어 반지름보다 작은, 특히, 매우 긴 경우에도 중요한 역할을하는 측면 협착에 의해 결정된 것으로 나타났다. 29 투과 전자 현미경 (TEM) 이미지가 양자점의 긴 형상 (종횡비 ~ 2.5)을 나타낸다. 양자점의 평균 길이는 2.1 나노 미터 (N = 200) (그림 1) ± nm의 12.6 것으로 나타났다. 양자점 솔루션은 최대 3m 위해 냉장에서 안정onths. 양자점의 저배율 이미지가 부가 정보로 제공된다 (SI - 1).

밀봉 공정 동안, 실리콘 샘플 시각 (11mm × 11mm × 1mm, 원래 치수)는 팽창에 15mm × 15mm × 2mm 한 후 시간의 최대 크기로 확대, 팽창. 잔류 용매 (도 2) 증류 후 샘플들은 원래 크기로 축소. UV - 마주 분광 스펙트럼 캡슐화 된 모든 샘플에 대한 변하지 않게 남아있다 나노 캡슐화, 폴리머 착색에 영향을 미치지 않았 음을 보여 주었다. 밀봉 팽윤 후의 실리콘의 주사 전자 현미경 (SEM) 이미지는 팽창 수축 과정에 의한 표면에 주름 것으로 나타났다. 에너지 분산 형 X 선 분광법 (EDS) 분석을 한 CdSe 양자점의 증거를 보여 팽윤 t 이러한 요소 (CD / SE)의 존재의 증가가 있었다 지시IME. EDS 분석의 검출 큰 부피는 표면에 따르면 신뢰성 정량 분석​​을 허용하지 않았다. SEM 이미지 및 EDS 데이터는 부가 정보 (- 2/3 SI)에 제공된다.

중합체를 통해 나노 입자의 투과 프로파일은 레이저 여기와 함께, 실리콘 시료의 단면을 도시 한 절단 (부가 정보 SI에 도시 현미경 설정 - 4). QD 형광 나노 입자는 가시 스펙트럼의 적색 부분에서 광을 방출 488 nm의 입사 레이저 스캐닝 응답. 한 CdSe 양자점 지적 샘플 데이터가 샘플의 중앙에서 발생하는 실질적으로 감소 된 신호와, 실리콘의 외부 표면에서 농축되었다. 실리콘 중합체로 양자점의 침입은 이차원 강도 가중 수명 (τw) 맵 (수명 × 광자 수)를 이미지화 하였다. 크로스 SECTIO의 노출실리콘 시료의 중앙을 따라 NAL 프로파일은 중합체를 통해 나노 입자 이동의 전체 범위는 (도 3)를 시각화 할 수 있다는 보장. 이상 밀봉 팽윤 시간 (48 시간) 오른쪽 샘플 중심을 통해, 중합체의 벌크를 통한 입자의 높은 표면 농도 및 입자의 투과 최대 금액 모두 샘플을 제공 하였다. 짧은 시간에 밀봉 회 (1, 4, 24 시간), 여전히 표면 입자의 높은 숫자 그러나 입자의 개수가 감소된다 (도 3)를 나타낸다. 원액 (100 %)에서 연속 희석은 중합체 중에 나노 입자의 흡수 이후에, 나노 입자의 농도를 변화의 영향을 조사하기 위해 사용 하였다. 원액은 66 %, 50 % 및 33 % V에 대한 해결책을 부은 다음 상대 농도를 달성하기 위해 희석 하였다 : V. 농도가 변화되었을 때의 형광 화상에는 뚜렷한 차이가 관찰되지 않았다 팽윤 48 시간 동안 밀봉하면 팽윤 용액 나노 입자의 농도가 중합체에 나노 흡수에 영향을주지 않는다는 것을 나타낸다.

샘플을 48 시간에서 상승합니다 캡슐화 가장 높은 나노 입자의 표면 농도가 관찰되었다. 이 샘플의 형광 강도가 팽창 솔루션에 필적이다 ~ 0.7 μM (보충 정보 - SI - 5). 입자의 최대 침투은 농도가 100 μm의 후 절반 최대에 도달하여, 외주에서 ~ 163 μm의 것으로 도시되어있다. 최대 입자의 침투 속도는 밀봉 시간이 증가한로 4 시간 동안 밀봉에서 상승합니다 28 μm의 / 시간 샘플 레이트 (보충 정보를 48 시간에 샘플을 3.4 ㎛의 / 시간의 평균 침투 속도에서 증가 둔화 도시 - SI - 5).

S / ftp_upload / 54178 / 54178fig1.jpg "/>
그림 1. 양자 도트 이미지. 한 CdSe / 나노 입자와 같은 막대를 표시의 ZnS QD TEM 이미지. 스케일 바는 10 나노를 보여줍니다. 개별 입자의 윤곽선이 겹쳐있다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
도 2 폴리머 붓는다. 사진이 도시 실리콘 시료 (a) 전에, (b) 중 용매를 유도 부종 후에 (c). 크기 증가 (11mm에서 15mm까지), 실리콘의 전체 건조에 반전됩니다. 스케일 바는 10mm를 보여줍니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오. 그림 3
2D 강도 가중 평생지도 (광자 카운트 수명)를 보여주는 그림 3. 형광 수명 이미지. 이미지. (A) 0 시간 (B) 1 시간 (C) 4 시간 (D) 24 시간 (E) 팽윤 캡슐화 48 시간 : 이미지는 이후 중합체 부분의 중심의 단면 프로파일을 보여주는 . (F) 캡슐화 진행 정규화 강도가 각 이미지에 대한 수명을 계량 분석으로 표시됩니다. 스케일 바는 100 μm의를 표시합니다. 오차 막대는 얻어진 결과의 변화의 일 표준 편차를 표시한다. 이 그림은에서 수정되었습니다 [22], 화학의 왕립 학회의 허가에 의해 재생. VI에 대한 여기를 클릭하십시오이 그림의 더 큰 버전 EW.

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Polydimethylsiloxane sheets NuSil - Medical Grade
Oleylamine Sigma Aldrich O7805 Technical Grade
Trioctylphosphine Sigma Aldrich 117854 Technical Grade
Trioctylphosphine oxide Sigma Aldrich 346187 Technical Grade
1-Octadecene Sigma Aldrich O806 Technical Grade
Zinc diethyldithiocarbamate Sigma Aldrich 329703 -
Oleic acid Sigma Aldrich 364525 Technical Grade
Triethylamine Sigma Aldrich 471283 -
Cadmium oxide Alfa Aesar 33235 -
Hexadecylamine Alfa Aesar B22459 Technical Grade
1-Dodecylphosphonic acid Alfa Aesar H26259 -
Selenium powder Acros 19807 -
Chloroform Sigma Aldrich 366919 -
n-Hexane Sigma Aldrich 208752 -
Microscope slides VWR 631-0137 Thickness No. 1

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References

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공학 문제 (113) 나노 입자는 캡슐화 나노 복합 양자 도트 폴리 디메틸 실록산 형광등 형광 이미징 기능성 재료 물리 스웰
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Crick, C. R., Noimark, S., Peveler,More

Crick, C. R., Noimark, S., Peveler, W. J., Bear, J. C., Ivanov, A. P., Edel, J. B., Parkin, I. P. Advanced Compositional Analysis of Nanoparticle-polymer Composites Using Direct Fluorescence Imaging. J. Vis. Exp. (113), e54178, doi:10.3791/54178 (2016).

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