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Engineering

ट्रिपल फ्यूजन अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल संश्लेषण

Published: September 7, 2022 doi: 10.3791/64374
Automatic Translation
1,2, 1, 2, 3, 2, 1, 1, 1,2, 2, 1, 1,2
1Rowland Institute, Harvard University, 2Department of Electrical Engineering, Stanford University, 3Department of Chemistry, Stanford University

Summary

यह प्रोटोकॉल ट्रिपल फ्यूजन अपकन्वर्जन-सुविधाजनक वॉल्यूमेट्रिक 3 डी प्रिंटिंग के लिए फोटोपॉलीमरेबल रेजिन में बाद में उपयोग के लिए अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल के संश्लेषण का विवरण देता है।

Abstract

ट्रिपल फ्यूजन अपकन्वर्जन (यूसी) दो कम ऊर्जा इनपुट फोटॉनों से एक उच्च ऊर्जा फोटॉन की पीढ़ी के लिए अनुमति देता है। इस अच्छी तरह से अध्ययन की गई प्रक्रिया में सामग्री की सतह से परे उच्च ऊर्जा प्रकाश के उत्पादन के लिए महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं। हालांकि, यूसी सामग्री की तैनाती खराब सामग्री घुलनशीलता, उच्च एकाग्रता आवश्यकताओं और ऑक्सीजन संवेदनशीलता के कारण बाधित हुई है, जिसके परिणामस्वरूप अंततः प्रकाश उत्पादन कम हो गया है। इस अंत की ओर, नैनोएनकैप्सुलेशन इन चुनौतियों को दरकिनार करने के लिए एक लोकप्रिय आकृति रही है, लेकिन कार्बनिक सॉल्वैंट्स में स्थायित्व मायावी बना हुआ है। हाल ही में, इन चुनौतियों में से प्रत्येक से निपटने के लिए एक नैनोएनकैप्सुलेशन तकनीक इंजीनियर की गई थी, जिसके बाद एक ओलिक एसिड नैनोड्रॉपलेट जिसमें अपकन्वर्जन सामग्री होती है, को सिलिका शेल के साथ समझाया गया था। अंततः, ये नैनोकैप्सूल (एनसी) ट्रिपल फ्यूजन अपकन्वर्जन-सुविधाजनक वॉल्यूमेट्रिक त्रि-आयामी (3 डी) प्रिंटिंग को सक्षम करने के लिए पर्याप्त टिकाऊ थे। सिलिका के साथ अपकन्वर्जन सामग्री को एनकैप्सुलेट करके और उन्हें 3 डी प्रिंटिंग राल में फैलाकर, प्रिंटिंग वैट की सतह से परे फोटोपैटर्निंग संभव हो गई थी। यहां, अपकन्वर्जन एनसी के संश्लेषण के लिए वीडियो प्रोटोकॉल छोटे पैमाने पर और बड़े पैमाने पर बैचों दोनों के लिए प्रस्तुत किए जाते हैं। उल्लिखित प्रोटोकॉल वॉल्यूमेट्रिक 3 डी प्रिंटिंग अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए इस एनकैप्सुलेशन योजना को कई अपकन्वर्जन योजनाओं के अनुकूल बनाने के लिए एक प्रारंभिक बिंदु के रूप में काम करते हैं।

Introduction

घटाव विनिर्माण प्रक्रियाओं (यानी, कच्चे माल के नक्काशी द्वारा बनाई गई जटिल आकृतियों) से दूर जाने से अपशिष्ट कम हो सकता है और उत्पादन दर बढ़ सकती है। तदनुसार, कई उद्योग योजक विनिर्माण प्रक्रियाओं की ओर बढ़ रहे हैं, जहां वस्तुओं को त्रि-आयामी (3 डी) प्रिंटिंग के माध्यम से परत-दर-परत1 बनाया जाता है। कई सामग्रियों के कई वर्गों (जैसे, ग्लास2, सिरेमिक3,4, धातु 5, और प्लास्टिक 6,7) के लिए योजक विनिर्माण प्रक्रियाओंको विकसित करने के लिए काम कर रहे हैं।

यह परत-दर-परत इलाज राल चयन को सीमित करता है और प्रिंट के यांत्रिक गुणों 6,7 को प्रभावित करता है। प्लास्टिक बनाने के लिए प्रकाश-आधारित 3 डी प्रिंटिंग को ध्यान में रखते हुए, दो-फोटॉन अवशोषण (2पीए)-आधारित प्रिंटिंग वॉल्यूमेट्रिक रूप से प्रिंट करके परत-दर-परत प्रक्रियाओं से दूर चला जाताहै। पोलीमराइजेशन शुरू करने के लिए 2पीए प्रक्रिया को दो फोटॉनों के एक साथ अवशोषण की आवश्यकता होती है। यह न केवल आवश्यक बिजली इनपुट को बढ़ाता है, बल्कि प्रिंटिंग सिस्टम की जटिलता और लागत को भी बढ़ाता है, प्रिंट आकार को मिमी3 पैमाने या छोटे9 तक सीमित करता है।

हाल ही में, ट्रिपल फ्यूजन अपकन्वर्जन (यूसी) का उपयोग करके एक नई 3 डी प्रिंटिंग पद्धति ने सीएम 3 स्केल10 पर यूसी के साथ वॉल्यूमेट्रिक3 डी प्रिंटिंग को संभव बना दिया है। रोमांचक रूप से, इस प्रक्रिया को 2पीए-आधारित प्रिंटिंग 9,11,12 की तुलना में अपेक्षाकृत कम बिजली घनत्व विकिरण10 की आवश्यकता होती है। अपकन्वर्जन प्रक्रिया दो कम ऊर्जा फोटॉनों को एक उच्च ऊर्जा फोटॉन13 में परिवर्तित करती है, और पोलीमराइजेशन शुरू करने के लिए फोटोइनिटेटर द्वारा अपकनवर्टेड प्रकाश को अवशोषित किया जाता है। ट्रिपल फ्यूजन यूसी सामग्री को तैनात करना पारंपरिक रूप से उच्च सामग्री एकाग्रता आवश्यकताओं, खराब घुलनशीलता और ऑक्सीजन संवेदनशीलता 13,14,15 के कारण चुनौतीपूर्ण रहा है। विभिन्न प्रकार की नैनोपार्टिकल योजनाओं का उपयोग करके यूसी सामग्रियों को एनकैप्सुलेट करना अच्छी तरह से अध्ययन किया गया है, लेकिन कार्बनिक सॉल्वैंट्स में आवश्यक स्थायित्व से कम है। यहां वर्णित सिलिका-लेपित ओलिक एसिड अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल (यूसीएनसी) सिंथेटिक प्रोटोकॉल 3 डी प्रिंटिंग रेजिन10 सहित कार्बनिक सॉल्वैंट्स की एक विस्तृत विविधता में यूसी सामग्री के फैलाव के लिए इस स्थायित्व चुनौती को दूर करता है। नैनोकैप्सूल के अंदर सामग्री से उत्पन्न अपकनवर्टेड प्रकाश को समर्थन संरचना-मुक्त ठोस वस्तुओं को उत्पन्न करने के लिए कई आयामों में पैटर्न किया जाता है, जो 50 μm10 जितने छोटे रिज़ॉल्यूशन के साथ उच्च रिज़ॉल्यूशन संरचनाओं को प्रिंट करने की अनुमति देता है। ऑक्सीजन मुक्त वातावरण में समर्थन संरचनाओं और मुद्रण को हटाकर, नए राल रसायनज्ञ पारंपरिक स्टीरियोलिथोग्राफी के साथ पहुंच योग्य बेहतर और नवीन सामग्री गुणों दोनों को प्राप्त करने के लिए सुलभ हैं।

यहां, यूसीएनसी सिंथेटिक प्रोटोकॉल को संवेदीकरण (पैलेडियम (II) मेसो-टेट्राफिनाइल टेट्राबेंजोपोर्फिन, पीडीटीपीटीबीपी) और एनिहिलेटर (9,10-बीआईएस ((ट्राइसोप्रोपिलसिलिल)एथिनिल) एंथ्रेसीन, टीआईपीएस-एन) को दो अलग-अलग पैमानों पर एनकैप्सुलेट करने के लिए रेखांकित किया गया है। बड़े पैमाने पर संश्लेषण 3 डी प्रिंटिंग रेजिन में उपयोग के लिए ~ 10 ग्राम अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल पेस्ट प्रदान करने के लिए सामग्री प्रदान करता है। ~ 1 ग्राम अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल पेस्ट के लिए एक छोटे पैमाने पर संश्लेषण नई नैनोकैप्सूल सामग्री के अनुकूलन की अनुमति देता है। यह प्रोटोकॉल विभिन्न प्रकार के 3 डी प्रिंटिंग वर्कफ़्लो और अन्य अनुप्रयोगों में ट्रिपल फ्यूजन यूसीएनसी के सफल एकीकरण का समर्थन करेगा।

Protocol

1. बड़े पैमाने पर अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल संश्लेषण

  1. लाल प्रकाश व्यवस्था के तहत अक्रिय वातावरण के साथ एक ग्लवबॉक्स ( सामग्री की तालिका देखें) में, कमरे के तापमान (~ 22 डिग्री सेल्सियस) पर 99% ओलिक एसिड में सेंसिटाइज़र (पीडीटीपीटीबीपी) और एनिहिलेटर (टीआईपीएस-एंथ्रेसीन) ( सामग्री की तालिका देखें) के संतृप्त समाधान तैयार करें।
    1. एक हिलाने वाली पट्टी के साथ एक शीशी में 20 मिलीग्राम पीडीटीपीटीबीपी में 2 एमएल ओलिक एसिड जोड़ें। फिर, परिवेश प्रकाश से बचाने के लिए शीशी को पन्नी से कवर करें। एक हिलाने वाली पट्टी के साथ एक शीशी में 25 मिलीग्राम टीआईपीएस-एंथ्रेसीन में 2 एमएल ओलिक एसिड जोड़ें।
    2. 0.45 μm PTFE सिरिंज फ़िल्टर के साथ फ़िल्टर करने से पहले मिश्रण को कम से कम 4 घंटे के लिए 600 आरपीएम पर हिलाएं। प्रत्येक समाधान में निस्पंदन द्वारा हटाए जाने के लिए स्पष्ट रूप से अघुलित ठोस होना चाहिए, यह दर्शाता है कि प्रत्येक समाधान संतृप्त है।
    3. एक सिरिंज का उपयोग करके, फ़िल्टर किए गए टीआईपीएस-एंथ्रेसीन समाधान के 0.7 एमएल, फ़िल्टर किए गए पीडीटीपीटीबीपी समाधान के 0.35 एमएल और ओलिक एसिड के 0.7 एमएल को मिलाकर अपकन्वर्जन सामग्री स्टॉक समाधान का 1.75 एमएल तैयार करें।
      नोट: नैनोकैप्सूल के लिए उपयोग किए जाने वाले अपकन्वर्जन समाधान में मात्रा के अनुसार टीआईपीएस-एंथ्रेसीन से पीडीटीपीटीपीबीपी से ओलिक एसिड का अनुपात 2: 1: 2 है।
  2. एक साफ 20 एमएल शीशी में 10K MPEG-सिलेन के 4 ग्राम को मापें ताकि यह संश्लेषण के दौरान उपयोग के लिए तैयार हो। यह ग्लवबॉक्स के अंदर या बाहर आयोजित किया जा सकता है। यदि इस सामग्री को ग्लवबॉक्स के बाहर मापा जाता है, तो इसे ग्लवबॉक्स में लाने से पहले शीशी के ढक्कन को सीलिंग फिल्म या विद्युत टेप के साथ सुरक्षित करें।
  3. सेप्टम के साथ सील किए गए 250 एमएल एर्लेनमेयर फ्लास्क में, ~ 5 डिग्री सेल्सियस तक पहुंचने के लिए कम से कम 1 घंटे के लिए बर्फ स्नान में 200 मिलीलीटर अल्ट्राप्योर डीआयनाइज्ड पानी ठंडा करें। आमतौर पर, इसमें कुछ घंटे लगते हैं।
  4. सीलिंग फिल्म के कम से कम छह टुकड़ों का उपयोग करके फ्लास्क में सेप्टम को सुरक्षित करें। यह सुनिश्चित करने के लिए है कि सेप्टम चिपका हुआ रहता है जब फ्लास्क ग्लोवबॉक्स एंटेचैंबर में वैक्यूम के नीचे होता है।
  5. नैनोकैप्सूल तैयार करने से पहले ठंडे पानी को तुरंत ग्लवबॉक्स में लाएं। एंटीचैंबर प्रेशर गेज पर माप के आधार पर 20% वैक्यूम खींचकर पानी लाते समय केवल एंटीचैंबर पर एक हल्का वैक्यूम खींचें।
  6. पानी को ग्लवबॉक्स में लाने के बाद, कॉलम को बायपास करने के लिए तुरंत ग्लवबॉक्स शुद्ध सुविधा चालू करें। यह हल्के वैक्यूम के तहत पानी लाने पर पेश किए गए ऑक्सीजन को हटा देता है और स्तंभ के जीवन को बढ़ाता है। संश्लेषण पूरा होने तक शुद्ध रखें, और सभी अपशिष्ट को दस्तानेबॉक्स से हटा दिया गया है।
  7. सुनिश्चित करें कि सभी रसायनों और उपभोग्य सामग्रियों का उपयोग करने के लिए तैयार हैं, जिसमें वितरण (3-एमिनोप्रोपाइल) ट्राइएथोक्सीसिलीन (एपीटीईएस) और टेट्राथाइल ऑर्थोसिलिकेट के लिए सिरिंज और सुइयों सहित शामिल हैं। सुनिश्चित करें कि 10K MPEG-सिलेन पहुंच के भीतर है। सफाई के लिए, नायलॉन कपड़े भी उपलब्ध होने के लिए उपयोगी हैं।
  8. ब्लेंडर में प्लग करें ( सामग्री की तालिका देखें)। प्लास्टिक बिन या नायलॉन कपड़े के साथ विद्युत सॉकेट को कवर करें। यह बाधा एक अप्रत्याशित ब्लेंडर रिसाव के मामले में सुरक्षा की अनुमति देती है। सुनिश्चित करें कि ब्लेंडर बंद है।
  9. ब्लेंडर में सावधानी से पानी डालें। ब्लेंडर में पानी के केंद्र में सिरिंज के साथ एक भाग में अपकन्वर्जन सामग्री स्टॉक समाधान (चरण 1.1.3 में तैयार) के 1.45 एमएल जोड़ें।
  10. ढक्कन चिपकाएं और अप्रत्याशित रिसाव के मामले में इसे नायलॉन पोंछे से कवर करें। छोटे रिसाव को रोकने के लिए ब्लेंडर ढक्कन को पकड़ते हुए ठीक 60 सेकंड के लिए अधिकतम गति (22,600 आरपीएम) पर ब्लेंड करें।
  11. पर्याप्त कार्य स्थान सुनिश्चित करने के लिए ब्लेंडर को बंद करें और इसे रास्ते से हटा दें।
  12. इमल्शन को 500 एमएल गोल निचले फ्लास्क में स्थानांतरित करें। फ्लास्क को क्लैंप के साथ एक हलचल प्लेट में सुरक्षित करें। अंडे के आकार की हलचल पट्टी के साथ 1200 आरपीएम पर इमल्शन को जोर से मिलाएं ( सामग्री की तालिका देखें)।
  13. सिरिंज का उपयोग करके, मिसेल का स्पष्ट समाधान उत्पन्न करने के लिए इमल्शन में 0.75 एमएल एपीटीईएस जोड़ें।
  14. कैप्सूल एकत्रीकरण को रोकने के लिए 10K MPEG-सिलेन का 4 ग्राम जोड़ें। यदि आवश्यक हो तो फ्लास्क को हिलाएं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह बिखरा हुआ है। लगभग 10 मिनट के लिए 1200 आरपीएम पर हिलाएं।
  15. इस दौरान ब्लेंडर और ढक्कन को नायलॉन के कपड़े से सुखाएं। हाथों को तेज ब्लेंडर ब्लेड से दूर रखने के लिए चिमटे का उपयोग करें।
  16. 10 मिनट बीत जाने के बाद, 20 एमएल सिरिंज का उपयोग करके एक भाग में 15 एमएल टेट्राथाइल ऑर्थोसिलिकेट जोड़ें। कुल 30 एमएल के लिए 20 एमएल सिरिंज का उपयोग करके एक हिस्से में टेट्राइथाइल ऑर्थोसिलिकेट का एक और 15 एमएल जोड़ें। फ्लास्क पर एक सेप्टम चिपकाएं और 30 मिनट के लिए 1200 आरपीएम पर हिलाएं।
  17. ग्लवबॉक्स से फ्लास्क और अपशिष्ट को हटा दें और ग्लवबॉक्स शुद्ध को बंद कर दें।
  18. फ्लास्क को हीटिंग तत्व के साथ एक हलचल प्लेट पर चिपकाएं, जैसे कि तेल स्नान या एल्यूमीनियम हीटिंग ब्लॉक। फ्लास्क को श्लेंक लाइन से कनेक्ट करें ताकि प्रतिक्रिया नाइट्रोजन या आर्गन जैसे अक्रिय गैस के तहत निरंतर दबाव पर आयोजित की जा सके।
  19. 40 घंटे के लिए 1200 आरपीएम की गति से प्रतिक्रिया को 65 डिग्री सेल्सियस पर हिलाएं और गर्म करें।
  20. 40 घंटे के बाद, 10K MPEG-silane के 4 g जोड़ने के लिए श्लेंक लाइन से प्रतिक्रिया को डिस्कनेक्ट करें। श्लेंक लाइन पर प्रतिक्रिया को फिर से कनेक्ट करें। 8 घंटे के लिए 1200 आरपीएम पर 65 डिग्री सेल्सियस पर प्रतिक्रिया को हिलाएं और गर्म करें।
  21. 8 घंटे के बाद, गर्मी बंद कर दें और प्रतिक्रिया को 1200 आरपीएम पर हिलाते हुए कमरे के तापमान पर ठंडा होने दें।
  22. जब प्रतिक्रिया ठंडी हो जाती है, तो प्रतिक्रिया को सेंट्रीफ्यूज ट्यूबों में स्थानांतरित करें।
    1. एक सेंट्रीफ्यूज ( सामग्री की तालिका देखें) के लिए जिसमें 50 एमएल सेंट्रीफ्यूज ट्यूब होते हैं, प्रतिक्रिया को 10 सेंट्रीफ्यूज ट्यूबों के बीच समान रूप से विभाजित करें।
    2. एक सेंट्रीफ्यूज के लिए जिसमें 0.5 एल सेंट्रीफ्यूज ट्यूब होते हैं, प्रतिक्रिया को दो सेंट्रीफ्यूज ट्यूबों के बीच समान रूप से विभाजित करें।
  23. 20-22 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर 1 घंटे के लिए 8670 x g पर निलंबन को सेंट्रीफ्यूज करें। गोली को छोड़ दें और नैनोकैप्सूल युक्त सुपरनैटेंट को बनाए रखें।
  24. 20-22 डिग्री सेल्सियस पर 14-16 घंटे के लिए 8670 x g पर सुपरनैटेंट का सेंट्रीफ्यूज।
  25. सतह पर तैरने वाले को त्याग दें और अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल युक्त गोली एकत्र करें।
    1. पिपेट का उपयोग करके, अल्ट्राप्योर विआयनीकृत पानी (2 x 10 एमएल) के साथ नैनोकैप्सूल गोली की शीर्ष सतह को सावधानीपूर्वक कुल्ला करें। यह कम प्रवाह पर आयोजित किया जाना चाहिए ताकि गोली सेंट्रीफ्यूज ट्यूब से हटा न जाए।
    2. नैनोकैप्सूल पेस्ट को स्पैटुला के साथ दो या तीन अलग-अलग 20 एमएल सिंटिलेशन शीशियों में स्थानांतरित करें और तुरंत शीशियों को ग्लवबॉक्स में लाएं। लगभग 7-10 ग्राम नैनोकैप्सूल पेस्ट को पुनर्प्राप्त किया जाना चाहिए।
      नोट: आगे के उपयोग के लिए, यह अनुशंसा की जाती है कि नैनोकैप्सूल को संश्लेषण के 48 घंटे के भीतर 3 डी प्रिंटिंग के लिए मोनोमर या डीऑक्सीजनेटेड अल्ट्राप्योर डीआयनाइज्ड पानी जैसे विलायक में फैलाया जाता है। नैनोकैप्सूल पेस्ट से पानी वाष्पित हो जाएगा और 48 घंटे के बाद नैनोकैप्सूल को अनुपयोगी छोड़ देगा।
  26. नैनोकैप्सूल तैयारी को चिह्नित करने के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (एसईएम), गतिशील प्रकाश प्रकीर्णन (डीएलएस), और अपकन्वर्जन फोटोलुमिनेसेंस करें।

2. छोटे पैमाने पर अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल संश्लेषण

  1. चरण 1.1 में वर्णित संवेदीक और एनिहिलेटर के स्टॉक समाधान तैयार करें। चरण 1.1 में वर्णित 1.75 एमएल के बजाय अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल बनाने के लिए उपयोग किए जाने वाले समाधान की मात्रा को 250 μL तक कम करें। फ़िल्टर किए गए टीआईपीएस के 100 μL को फ़िल्टर किए गए PDTPTBP समाधान के 50 μL और 100 μL ओलिक एसिड के साथ मिलाएं।
  2. कम से कम 10 मिनट के लिए श्लेंक लाइन का उपयोग करके नाइट्रोजन या आर्गन जैसी अक्रिय गैस के साथ 40 मिलीलीटर सिंटिलेशन शीशी (सामग्री की तालिका देखें) में 20 एमएल अल्ट्राप्योर विआयनीकृत पानी को सख्ती से स्किराइज करें। शीशी को दस्ताने में लाने से पहले विद्युत टेप या सीलिंग फिल्म के साथ ढक्कन चिपकाएं।
    नोट: यदि एक साथ कई छोटे पैमाने के नमूने बनाते हैं, तो एक साफ, अप्रयुक्त ब्लेंडर घड़े का उपयोग करके खंड 1 में उल्लिखित 200 एमएल ठंडे पानी को मिलाकर पानी की बड़ी मात्रा को पर्याप्त रूप से कम किया जा सकता है। श्लेंक लाइन पर अक्रिय गैस के साथ पानी का छिड़काव 20 एमएल से अधिक मात्रा में प्रभावी नहीं है।
  3. 10K MPEG-सिलेन के 400 मिलीग्राम को मापें ताकि यह एक साफ 10 एमएल शीशी में संश्लेषण के दौरान उपयोग के लिए तैयार हो। यह ग्लवबॉक्स के अंदर या बाहर आयोजित किया जा सकता है। यदि इसे ग्लवबॉक्स के बाहर मापा जाता है, तो इसे ग्लवबॉक्स में लाने से पहले शीशी के ढक्कन को सीलिंग फिल्म या विद्युत टेप के साथ सुरक्षित करें।
  4. स्पैग्ड पानी को ग्लवबॉक्स में लाएं, और कॉलम को बायपास करने के लिए तुरंत ग्लवबॉक्स शुद्ध सुविधा चालू करें। यह हल्के वैक्यूम के तहत पानी लाने पर पेश किए गए ऑक्सीजन को दूर करता है और स्तंभ के जीवन को बढ़ाता है। संश्लेषण पूरा होने तक शुद्धि बनी रहनी चाहिए, और सभी अपशिष्ट को दस्तानेबॉक्स से हटा दिया गया है।
  5. सुनिश्चित करें कि सभी रसायनों और उपभोग्य सामग्रियों (5 एमएल सिरिंज और युक्तियों के साथ एक माइक्रोपिपेट) उपयोग करने के लिए तैयार हैं।
    1. एक सिरिंज का उपयोग करके, बोतल से 1 एमएल (3-एमिनोप्रोपिल) ट्राइएथोक्सीसिलेन को हटा दें और इसे बाद में उपयोग के लिए एक साफ, लेबल 20 एमएल शीशी में वितरित करें।
    2. एक सिरिंज का उपयोग करके, टेट्राइथाइल ऑर्थोसिलिकेट के 5 एमएल को हटा दें और इसे बाद में उपयोग के लिए 20 एमएल शीशी लेबल वाले एक साफ, लेबल में वितरित करें।
    3. सुनिश्चित करें कि 10K MPEG-सिलेन ग्लवबॉक्स में पहुंच के भीतर है।
    4. सफाई के लिए, अतिरिक्त नायलॉन कपड़े भी उपलब्ध होने के लिए उपयोगी हैं।
  6. भंवर मिक्सर में प्लग करें ( सामग्री की तालिका देखें) और गति को उच्चतम सेटिंग (3200 आरपीएम) पर सेट करें।
  7. एक माइक्रोपिपेट का उपयोग करके, पानी की शीशी (20 एमएल) में 145 μL सेंसिटाइज़र / एनिहिलेटर स्टॉक समाधान जोड़ें। ढक्कन को विद्युत टेप या सीलिंग फिल्म के साथ चिपकाएं।
  8. बड़े पैमाने पर संश्लेषण के समान नैनोड्रॉपलेट गठन सुनिश्चित करने के लिए 7 मिनट के लिए भंवर मिक्सर (3200 आरपीएम) की उच्चतम गति पर भंवर समाधान। शीशी को आधार के करीब रखें और भंवर के दौरान शीशी के ढक्कन को कभी न पकड़ें, क्योंकि ढक्कन ढीला हो सकता है और शीशी से अलग हो सकता है।
  9. शीशी को एक हलचल प्लेट में चिपकाएं। एक अष्टकोणीय आकार की हलचल पट्टी के साथ 1200 आरपीएम पर इमल्शन को हिलाएं ( सामग्री की तालिका देखें)।
  10. माइक्रोपिपेट का उपयोग करके, मिसेल का स्पष्ट समाधान उत्पन्न करने के लिए एपीटीईएस के 75 μL जोड़ें।
  11. स्पष्ट समाधान उत्पन्न करने के बाद, तुरंत 400 मिलीग्राम 10K MPEG-सिलेन जोड़ें। ढक्कन चिपकाएं और प्रतिक्रिया को कुशलतापूर्वक मिश्रण करने के लिए शीशी को हिलाएं। शीशी को हिलाने वाली प्लेट पर वापस कर दें।
  12. एक सिरिंज का उपयोग करके, अनुक्रम में टेट्राइथाइल ऑर्थोसिलिकेट के 3 एमएल जोड़ें, जबकि प्रतिक्रिया 1200 आरपीएम पर हिलाई जा रही है। ढक्कन चिपकाएं और प्रतिक्रिया को कुशलतापूर्वक मिश्रण करने के लिए शीशी को हिलाएं। प्रतिक्रिया को 1200 आरपीएम पर हिलाएं जब तक कि इसे दस्तानेबॉक्स से हटा न दिया जाए।
  13. शीशी को विद्युत टेप या सीलिंग फिल्म के साथ सील करें और शीशी को दस्ताने बॉक्स से हटा दें।
  14. तेल स्नान या एल्यूमीनियम हीटिंग ब्लॉक का उपयोग करके 65 डिग्री सेल्सियस पर घोल गर्म करें। प्रतिक्रिया को 40 घंटे के लिए 1200 आरपीएम पर हिलाएं।
  15. 40 घंटे के बाद, 10K MPEG-सिलेन के 400 मिलीग्राम जोड़ें। शीशी को विद्युत टेप या सीलिंग फिल्म के साथ फिर से सील करें। प्रतिक्रिया को 8 घंटे के लिए 1200 आरपीएम पर हिलाएं।
  16. 1200 आरपीएम पर हिलाते समय प्रतिक्रिया को कमरे के तापमान पर ठंडा होने दें। जब प्रतिक्रिया ठंडी हो जाती है, तो प्रतिक्रिया मिश्रण को एक 50 एमएल सेंट्रीफ्यूज ट्यूब में मिलाएं।
  17. 20-22 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर 1 घंटे के लिए 8670 x g पर निलंबन को सेंट्रीफ्यूज करें। गोली को छोड़ दें और नैनोकैप्सूल युक्त सुपरनैटेंट को बनाए रखें।
  18. 20-22 डिग्री सेल्सियस पर 14-16 घंटे के लिए 8670 x g पर सुपरनैटेंट का सेंट्रीफ्यूज।
  19. सतह पर तैरने वाले को त्याग दें और अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल युक्त गोली को बनाए रखें। पिपेट का उपयोग करके, नैनोकैप्सूल गोली की ऊपरी सतह को 2 x 1 एमएल अल्ट्राप्योर विआयनीकृत पानी के साथ सावधानीपूर्वक कुल्ला करें। यह कम प्रवाह पर आयोजित किया जाना चाहिए ताकि गोली सेंट्रीफ्यूज ट्यूब से हटा न जाए।
  20. नैनोकैप्सूल पेस्ट को स्पैटुला के साथ 20 एमएल सिंटिलेशन शीशी में स्थानांतरित करें और शीशियों को तुरंत ग्लोवबॉक्स में लाएं। लगभग 700-1000 मिलीग्राम नैनोकैप्सूल पेस्ट को पुनर्प्राप्त किया जाना चाहिए।
    नोट: आगे के उपयोग के लिए, यह अनुशंसा की जाती है कि नैनोकैप्सूल को विलायक में फैलाया जाता है, जैसे कि 3 डी प्रिंटिंग के लिए मोनोमर या डीऑक्सीजनेटेड अल्ट्राप्योर विआयनीकृत पानी, 48 घंटे के भीतर। नैनोकैप्सूल पेस्ट से पानी वाष्पित हो जाएगा और 48 घंटे के बाद नैनोकैप्सूल को अनुपयोगी छोड़ देगा।

Representative Results

चित्रा 1 अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल संश्लेषण प्रोटोकॉल का एक कार्टून चित्रण दिखाता है। छोटे पैमाने और बड़े पैमाने पर यूसीएनसी तैयारी के बीच समानताओं पर जोर दिया जाता है, जैसे कि पानी के इमल्शन उत्पादन में तेल और सिलिका शेल को संश्लेषित करने के लिए रसायनों को जोड़ना। छोटे पैमाने पर संश्लेषण से, 700-1000 मिलीग्राम यूसीएनसी पेस्ट आमतौर पर एकत्र किया जाता है, जबकि यूसीएनसी का 7-10 ग्राम आमतौर पर बड़े पैमाने पर संश्लेषण से एकत्र किया जाता है।

नैनोकैप्सूल को स्पेक्ट्रोस्कोपिक और माइक्रोस्कोपी तकनीक10 के संयोजन का उपयोग करके विशेषता दी गई थी। एसईएम के लिए नमूने तैयार करने के लिए, एक फिल्म को 100 मिलीग्राम एमएल -1 नैनोकैप्सूल पेस्ट के घोल से एक उपयुक्त प्रवाहकीय एसईएम सब्सट्रेट पर पानी में फैलाया गया और सूखने की अनुमति दी गई। नैनोकैप्सूल की चालकता स्वाभाविक रूप से कम है, लेकिन फिर भी एक और प्रवाहकीय सामग्री के अतिरिक्त लक्षण वर्णन के लिए पर्याप्त है। एक प्रतिनिधि एसईएम छवि (चित्रा 2 ए) इस प्रोटोकॉल के साथ प्राप्त ~ 50 एनएम के व्यास के साथ अपेक्षाकृत मोनोस्प्रेट नैनोकैप्सूल दिखाती है। यूसीएनसी की आकृति विज्ञान को चिह्नित करने के लिए एसईएम का उपयोग करने की एक सीमा यह है कि वे लंबे समय तक अल्ट्राहाई वैक्यूम के तहत अस्थिर हैं। एसईएम माप के लिए आवश्यक अल्ट्राहाई वैक्यूम के तहत, यूसीएनसी को कुशलतापूर्वक काम करते समय सफलतापूर्वक चित्रित किया जा सकता है, आमतौर पर 30 मिनट के भीतर। इस प्रोटोकॉल में उल्लिखित प्रक्रिया के बाद परिवेश की स्थितियों के तहत यह संलयन नहीं देखा जाता है (विडे इंफ्रा)। वैक्यूम के तहत स्थिरता विचारों के प्रकाश में भी, इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी अभी भी यूसीएनसी की विशिष्ट आकृति विज्ञान का आकलन करने के लिए एक लाभकारी तरीका है।

गतिशील प्रकाश प्रकीर्णन (डीएलएस) समाधान में औसत नैनोकैप्सूल हाइड्रोडायनामिक व्यास को चिह्नित करने के लिए एक और उपयोगी तकनीक है। डीएलएस के लिए नमूने आसानी से पतला यूसीएनसी के नमूने के साथ तैयार किए जा सकते हैं। यहां, पहले सेंट्रीफ्यूज (चरण 1.23 या 2.17) के बाद बरामद सुपरनैटेंट का एक नमूना डीएलएस की विशेषता थी। सुपरनैटेंट को अल्ट्राप्योर डिआयनाइज्ड पानी के साथ 10x के कारक से पतला किया गया था और बड़े कणों और धूल को हटाने के लिए 0.2 μm PVDF फ़िल्टर के साथ फ़िल्टर किया गया था। वैकल्पिक रूप से, कोई भी 10x को पतला और 0.2 μm PVDF फ़िल्टर के साथ फ़िल्टर किए गए अल्ट्राप्योर विआयनीकृत पानी में 100 मिलीग्राम mL-1 की एकाग्रता पर यूसीएनसी पेस्ट को चिह्नित कर सकता है। हाइड्रोडायनामिक व्यास को डीएलएस का उपयोग करके बैच से बैच तक <100 एनएम मापा गया था, आमतौर पर 65-90 एनएम10 की सीमा में। नैनोपार्टिकल एकत्रीकरण इन लक्षण वर्णन स्थितियों के तहत नहीं देखा जाता है, जिससे अतिरिक्त इलेक्ट्रोलाइट 10 की आवश्यकता को हटादिया जाता है। इसी तरह के यूसीएनसी व्यास बड़े पैमाने पर या छोटे पैमाने पर प्रोटोकॉल से उत्पन्न किए जा सकते हैं; एक स्कैन से प्रतिनिधि निशान चित्रा 2 सी में प्रस्तुत किए गए हैं। ब्राउनियन गति और स्टोक्स-आइंस्टीन समीकरण के लिए गणितीय फिटिंग प्रक्रिया के कारण, औसत हाइड्रोडायनामिक व्यास17 निर्धारित करने के लिए कई स्कैन एक साथ औसत किए जाते हैं। चित्रा 2 सी में दिखाए गए नमूनों के लिए औसत हाइड्रोडायनामिक व्यास प्रस्तुत छोटे बैच के लिए बड़े बैच (पॉलीडिस्ट्रसिटी, पीडीआई: 0.21) और ~ 66 एनएम (पीडीआई: 0.15) के लिए ~ 75 एनएम हैं। हाइड्रोडायनामिक व्यास में यह भिन्नता प्रतिक्रिया पैमाने के बावजूद बैच से बैच तक विशिष्ट है।

अंत में, सिलिका शेल एनकैप्सुलेशन (चित्रा 2 डी) की अखंडता का आकलन करने के लिए ऑप्टिकल लक्षण वर्णन महत्वपूर्ण है। यहां, पहले सेंट्रीफ्यूज को ग्लवबॉक्स में डीऑक्सीजनेटेड एसीटोन में 10 गुना तक पतला करने के बाद सुपरनैटेंट का एक नमूना बरामद हुआ। यूसीएनसी की संरचनात्मक अखंडता का परीक्षण करने के लिए नमूने को एसीटोन में पतला किया गया था। चित्रा 2 डी में, एंथ्रेसीन अपकन्वर्जन उत्सर्जन स्पष्ट रूप से 635 एनएम लेजर के साथ विकिरण पर मौजूद है, जो दर्शाता है कि औसत सिलिका शेल बरकरार रहता है। यदि सिलिका के गोले बहुत पतले हैं, तो 635 एनएम लेजर के साथ विकिरण पर उज्ज्वल अपकन्वर्जन बेहद कम है। यह एसीटोन में अपकन्वर्जन सामग्री को भंग और पतला करने के कारण होता है जो उज्ज्वल अपकनवर्टेड उत्सर्जन10 उत्पन्न करने के लिए बहुत कम सांद्रता तक होता है।

Figure 1
चित्रा 1: छोटे और बड़े पैमाने पर अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल सिंथेटिक प्रक्रिया का एक कार्टून चित्रण। यह आंकड़ा Biorender.com के साथ बनाया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Figure 2
चित्र 2: माइक्रोस्कोपी और स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके प्रतिनिधि नैनोकैप्सूल लक्षण वर्णन। (ए) यूसीएनसी का एसईएम अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल संश्लेषण के पैमाने और एकरूपता को दर्शाता है। स्केल बार = 200 एनएम। (ख) 30 मिनट के दौरान अल्ट्रा-हाई वैक्यूम के तहत जुड़ने वाले यूसीएनसी के एसईएम नमूने विआयनीकृत अल्ट्राप्योर पानी में यूसीएनसी के ड्रॉप-कास्टिंग समाधानों द्वारा तैयार किए गए थे। स्केल बार = 20 μm। (सी) छोटे पैमाने और बड़े पैमाने पर तैयार किए गए अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल के प्रतिनिधि डीएलएस निशान। यूसीएनसी को विआयनीकृत अल्ट्राप्योर पानी में पतला किया गया था। (घ) एसीटोन में पतला यूसीएनसी में टीआईपीएस-ए का अपकन्वर्जन उत्सर्जन ~ 65 डब्ल्यू सेमी -2 पर 635 एनएम लेजर के साथ विकिरण पर उत्पन्न हुआ था। यह उज्ज्वल अपकन्वर्जन दर्शाता है कि सिलिका के गोले नैनोकैप्सूल सामग्री को बाहर फैलने से रोकने के लिए पर्याप्त मोटे हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Discussion

उज्ज्वल अपकनवर्टिंग नैनोकैप्सूल तैयार करते समय कई विचार हैं। सबसे पहले, संश्लेषण एक दस्ताने बॉक्स में पूरा होता है क्योंकि अपकन्वर्जन सामग्री को ऑक्सीजन से संरक्षित किया जाना चाहिए- यह अच्छी तरह से स्थापित है कि ऑक्सीजन13,14,15,16 की उपस्थिति में अपकनवर्टेड प्रकाश उत्पादन कम हो जाता है। इसके अतिरिक्त, सेंसिटाइज़र और एनिहिलेटर स्टॉक समाधान हर बैच के लिए नए सिरे से तैयार किए जाने चाहिए। पीडीटीपीटीबीपी और अन्य धातुयुक्त पोर्फिरीन को एसिड18 की उपस्थिति में परिवेश प्रकाश व्यवस्था में डिमेटालेट करने के लिए दिखाया गया है, और एंथ्रेसीन को समय19 के साथ एकत्रित करने के लिए जाना जाता है। प्रत्येक संश्लेषण के लिए लाल प्रकाश व्यवस्था के तहत ताजा समाधान तैयार करके इन प्रभावों को कम किया जा सकता है। लेखकों ने ध्यान दिया कि धातुयुक्त पोर्फिरीन और एंथ्रेसीन मिश्रित होने के बाद कठोर लाल प्रकाश व्यवस्था की आवश्यकता नहीं होती है, और इस चरण के बाद परिवेश प्रकाश व्यवस्था का उपयोग करना स्वीकार्य है। अंत में, बड़े पैमाने पर संश्लेषण के लिए, यह अनुशंसा की जाती है कि अपकनवर्टिंग स्टॉक समाधान का कम से कम 1.75 एमएल तैयार किया जाए, क्योंकि यूसीएनसी बनाने के लिए इस समाधान के 1.45 एमएल से कम जोड़ने से अन्य सभी आवश्यक अभिकर्मकों के अनुपात के साथ-साथ एकाग्रता-निर्भर नैनोड्रॉपलेट गठन भी बदल जाएगा। इसी तरह, छोटे पैमाने पर संश्लेषण के लिए, यह अनुशंसा की जाती है कि अपकनवर्टिंग स्टॉक समाधान का 250 μL समान अनुपात में तैयार किया जाता है। अंत में, ओलिक एसिड स्टॉक समाधान ों को वितरित करने के लिए एक माइक्रोपिपेट का उपयोग करते समय, धीरे-धीरे प्लंजर को छोड़ दें और वांछित मात्रा को वितरित करने के लिए इसे पूरी तरह से बढ़ने की प्रतीक्षा करें। ओलिक एसिड धीरे-धीरे अपनी उच्च चिपचिपाहट के कारण पिपेट टिप को भर देगा और अनजाने में अपेक्षा से कम समाधान निकालना आसान है।

यह समझना महत्वपूर्ण है कि ओलिक एसिड नैनोड्रॉपलेट पीढ़ी सम्मिश्रण समय, गति और महत्वपूर्ण तापमान परिवर्तनों के प्रति संवेदनशील है। उदाहरण के लिए, ब्लेंडर चयन महत्वपूर्ण है और ओलिक एसिड नैनोड्रॉपलेट्स के गठन को प्रभावित कर सकता है। प्रारंभिक विकास चरणों में कई ब्लेंडर ब्रांडों का परीक्षण किया गया था। सामग्री की तालिका में अनुशंसित ब्लेंडर ने इस प्रोटोकॉल में वर्णित अपेक्षाकृत बेहतर और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य नैनोकैप्सूल की पीढ़ी का नेतृत्व किया। विशेष रूप से, शक्तिशाली सम्मिश्रण इमल्शन के तापमान को बढ़ाता है और ओलिक एसिड नैनोड्रॉपलेट गठन दक्षता को कम करता है। तापमान को सर्वोत्तम रूप से नियंत्रित करने के लिए ब्लेंडर ब्लेड को पानी में पूरी तरह से डूबा होना चाहिए,जो यहां प्रस्तुत आवश्यक पानी की मात्रा निर्धारित करने के लिए एक विचार था। इसके अतिरिक्त, पानी को पहले से ठंडा करने से इमल्शन में बूंद एकत्रीकरण कम हो जाता है, जो अंततः बड़े पैमाने पर संश्लेषण के लिए नैनोकैप्सूल उपज में सुधार करता है। दूसरी ओर, छोटे पैमाने पर संश्लेषण के लिए, पानी को ठंडा करने से ओलिक नैनोड्रॉपलेट गठन में काफी बदलाव नहीं होता है, शायद इसलिए कि 40 एमएल शीशी को पकड़ने से पानी का तापमान ब्लेंडर ब्लेड जितना नहीं बढ़ता है।

एपीटीईएस जोड़ एक महत्वपूर्ण सिंथेटिक कदम है, क्योंकि एपीटीईएस सम्मिश्रण या भंवर द्वारा उत्पन्न ओलिक एसिड नैनोड्रॉपलेट्स को स्थिर करता है। प्रारंभिक नैनोड्रॉपलेट इमल्शन एक बादल, टर्बिड फैलाव है। एपीटीईएस के अलावा, समाधान स्पष्ट और पारदर्शी हो जाता है क्योंकि नैनोड्रॉपलेट्स स्थिर हो जाते हैं। औसतन, आवश्यक एपीटीईएस वॉल्यूम प्रोटोकॉल में प्रस्तुत किए गए के बहुत करीब हैं, लेकिन कभी-कभी समाधान को स्पष्ट होने के लिए थोड़ा कम या थोड़ा अधिक एपीटीईएस की आवश्यकता होती है। इस प्रकार, एपीटीईएस जोड़ को अन्य अनुमापन20 के संचालन के अनुरूप तरीके से व्यवहार किया जाना चाहिए। बहुत अधिक एपीटीईएस जोड़ना (यानी, "बस स्पष्ट" समाधान से परे) नैनोकैप्सूल शेल गठन को बाधित करेगा और उपज को कम करेगा। उस अंत तक, यदि एक स्पष्ट निलंबन का उत्पादन करने के लिए एपीटीईएस की काफी अलग-अलग मात्राओं की आवश्यकता होती है, या एक स्पष्ट निलंबन कभी नहीं पहुंचता है, तो यह इंगित करता है कि ओलिक एसिड नैनोड्रॉपलेट गठन को अनुकूलित करने के लिए समस्या निवारण की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, यदि नैनोड्रॉपलेट पीढ़ी अक्षम है, तो बूंद की मात्रा और इस प्रकार नैनोड्रॉपलेट का सतह क्षेत्र अपेक्षा से बड़ा होगा और इसके लिए अधिक एपीटीईएस की आवश्यकता हो सकती है। यह छोटे पैमाने पर संश्लेषण में देखा गया है, और इसे विभिन्न तरीकों से ठीक किया जा सकता है, जैसे कि भंवर मिक्सर के खिलाफ शीशी रखने के लिए उपयोग किया जाने वाला बल या भंवर समय को बढ़ाकर।

इसके अतिरिक्त, एकत्रीकरण को रोकने के लिए एपीटीईएस के तुरंत बाद 10K MPEG-सिलेन जोड़ा जाना चाहिए औरइसे छोड़ा नहीं जा सकता है। 10K MPEG-सिलेन के अतिरिक्त, अवक्षेप उत्पादन के रूप में ~ 30 मिनट के भीतर अपरिवर्तनीय एकत्रीकरण देखा जाता है। यद्यपि 5K MPEG-सिलेन को 10K MPEG-सिलेन के लिए प्रतिस्थापित किया जा सकता है, कम आणविक भार MPEG-सिलेन्स पर्याप्त रूप से निरंतर एकाग्रता पर एकत्रीकरण को रोकते नहीं हैं।

सिलिका शेल गठन विभिन्न समाधानों में बिखरे होने पर यूसीएनसी स्थायित्व प्रदान करने के लिए महत्वपूर्ण है। जबकि सिलिका शेल विकास का आम तौर पर अच्छी तरह से अध्ययन कियाजाता है 21,22,23, सिलिका विकास को बढ़ावा देने के लिए अक्सर उपयोग किए जाने वाले21 एसिड या बेस कटैलिसीस का उपयोग यहां नहीं किया जाता है, क्योंकि हीटिंग एक टिकाऊ, क्रॉस-लिंक्ड सिलिका शेल उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त है। समय के साथ सिलिका शेल गठन की निगरानी करने के लिए, एक कार्बनिक विलायक में नैनोकैप्सूल प्रतिक्रिया एलिकोट के 100 x कमजोर पड़ने के बाद उज्ज्वल अपकन्वर्जन देखा जाना चाहिए, जैसे कि एसीटोन, पीडीटीपीटीबीपी / टीआईपीएस-ए सिस्टम के लिए न्यूनतम संवेदी फॉस्फोरेसेंस के साथ (चित्रा 2 डी और संदर्भ10)। आमतौर पर, उज्ज्वल अपकन्वर्जन लगभग 24 घंटे के बाद देखा जा सकता है, लेकिन 48 घंटे सापेक्ष उत्सर्जन में वृद्धि करेगा, यह दर्शाता है कि यूसीएनसी की एक बड़ी आबादी के पास एक टिकाऊ शेल है। ध्यान दें कि यूसी उत्सर्जन विकिरण शक्ति पर निर्भर है और पर्याप्त शक्ति घनत्व नियोजित किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, यहां वर्णित प्रणाली में, उज्ज्वल अपकनवर्टेड पीएल देखने के लिए ~ 65 डब्ल्यू सेमी -2 के क्रम पर बिजली घनत्व की आवश्यकता होती है।

सिलिका वृद्धि के 40 घंटे के बाद 10K MPEG-सिलेन का दूसरा जोड़ कार्बनिक सॉल्वैंट्स में नैनोकैप्सूल फैलाव में सुधार करता है। जबकि यूसीएनसी अभी भी इस दूसरे 10 के एमपीईजी-सिलेन जोड़ के बिना कई सॉल्वैंट्स में फैलने योग्य होंगे, समाधान में द्रव्यमान द्वारा यूसीएनसी लोडिंग को बढ़ाने के लिए दूसरे अतिरिक्त की अत्यधिक सिफारिश की जाती है। उदाहरण के लिए, 3 डी प्रिंटिंग राल में उपयोग के लिए, नैनोकैप्सूल पेस्ट के 0.67 ग्राम एमएल -1 को ऐक्रेलिक एसिड10 में फैलाया गया था।

पूरे बहु-दिवसीय निर्माण प्रक्रिया के दौरान ऑक्सीजन के लिए यूसीएनसी को उजागर करने से सांद्रता में ऑक्सीजन का प्रवेश होता है जो अपकन्वर्जन फोटोलुमिनेसेंस को काफी कम कर देता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि परिवेशी वातावरण में 48 घंटे की हलचल के दौरान एक निष्क्रिय वातावरण बनाए रखा जाता है, प्रतिक्रिया पैमाने के आधार पर विभिन्न प्रोटोकॉल लागू किए जाते हैं। बड़े पैमाने पर, सिलिका विकास के दौरान उत्पन्न इथेनॉल महत्वपूर्ण दबाव पैदा कर सकता है जिससे चिपके हुए सेप्टम को हटा दिया जा सकता है या प्रतिक्रिया पोत 24 की संरचनात्मक अखंडता में नुकसान होसकता है। इस प्रकार, 500 एमएल फ्लास्क को एक निष्क्रिय वातावरण में दबाव रिलीज की अनुमति देने के लिए श्लेंक लाइन से जोड़ा जाना चाहिए। छोटे पैमाने पर, सीलिंग फिल्म या विद्युत टेप के साथ 40 एमएल ग्लास शीशी को सील करना सील की संरचनात्मक अखंडता को बनाए रखता है। शीशी के ढक्कन को सील किए बिना, दबाव में वृद्धि धीरे-धीरे ढक्कन को हटा देगी और ऑक्सीजन के प्रवेश की अनुमति देगी।

सेंट्रीफ्यूजेशन द्वारा प्रतिक्रिया शुद्धिकरण यूसीएनसी को अन्य अवांछित पक्ष उत्पादों से अलग करता है। कई सेंट्रीफ्यूज ब्रांड और रोटर इस शुद्धिकरण के साथ संगत हैं यदि प्रोटोकॉल में प्रदान किया गया जी बल सुलभ है। सेंट्रीफ्यूज रोटर आयाम25 के आधार पर जी बल को प्रति मिनट रोटेशन में परिवर्तित किया जा सकता है। सेंट्रीफ्यूजेशन के दौरान यूसीएनसी को संक्षेप में एक परिवेशी वातावरण में उजागर करना स्वीकार्य है जब तक कि वे शुद्धिकरण के बाद एक निष्क्रिय वातावरण में संग्रहीत होते हैं। इस संश्लेषण की एक सीमा यह है कि इनपुट रसायनों के संबंध में परमाणु उपज को मापना मुश्किल है। सेंट्रीफ्यूजेशन के बाद, इस बड़े पैमाने पर नैनोकैप्सूल संश्लेषण को लगभग 10 ग्राम पेस्ट प्राप्त करना चाहिए और छोटे पैमाने पर संश्लेषण को लगभग 1.0 ग्राम कैप्सूल पेस्ट प्राप्त करना चाहिए। यह स्पष्ट नहीं है कि यूसीएनसी शेल बनाने में टीईओएस का कितना हिस्सा शामिल है। पहले सेंट्रीफ्यूजेशन के बाद छोड़ी गई गोली में बड़े आणविक भार सिलिका शामिल होते हैं जिन्हें यूसीएनसी में शामिल नहीं किया जाता है। दूसरे सेंट्रीफ्यूजेशन के बाद, एकत्र किए गए द्रव्यमान को बढ़ाने के लिए सुपरनैटेंट को फिर से सेंट्रीफ्यूज किया जा सकता है। सेंट्रीफ्यूजेशन समय को 16 घंटे से अधिक बढ़ाने की सिफारिश नहीं की जाती है, क्योंकि नरम कैप्सूल पेस्ट एक कॉम्पैक्ट फिल्म में जम जाएगा जिसे अन्य सॉल्वैंट्स में फैलाया नहीं जा सकता है। फिर भी, बैच से बैच तक एकत्र किए गए कैप्सूल पेस्ट द्रव्यमान सुसंगत हैं और बाद के उपयोग और लक्षण वर्णन के लिए पर्याप्त हैं।

यूसीएनसी स्थायित्व विलायक से विलायक के साथ-साथ भंडारण स्थितियों के साथ भिन्न हो सकता है। जबकि सेंट्रीफ्यूजेशन द्वारा एकत्र किया गया यूसीएनसी पेस्ट 48 घंटे के बाद अनुपयोगी होता है क्योंकि पानी वाष्पित हो जाता है, नैनोकैप्सूल विभिन्न प्रकार के सॉल्वैंट्स में टिकाऊ होते हैं। पानी में, यूसीएनसी स्थायित्व कई महीनों के क्रम में है। ऐक्रेलिक एसिड में, स्थायित्व ज्यादातर दिनों तक कम हो जाता है क्योंकि ऐक्रेलिक एसिड विलायक अस्थिर होता है और ऑक्सीजन मुक्त स्थितियों10,26 में संग्रहीत होने पर पोलीमराइजेशन से गुजर सकता है। यूसीएनसी स्थायित्व की आगे विलायक-निर्भर जांच चल रही है।

छोटे पैमाने पर संश्लेषण विशेष रूप से विभिन्न योगों के बीच अपकन्वर्जन फोटोलुमिनेसेंस की सापेक्ष तुलना के लिए उपयोगी है। दूसरे सेंट्रीफ्यूजेशन के बाद एकत्र किए गए एनसी पेस्ट को 100-200 मिलीग्राम एमएल -1 की एकाग्रता पर पानी में फैलाया जाना चाहिए और एसीटोन (या वांछित रूप से एक अन्य विलायक) में पतला किया जाना चाहिए। एनसी को निलंबित रखने और अवक्षेप को बनने से रोकने के लिए समाधान की मात्रा के न्यूनतम 25% में पानी (जैसे, 25/75 पानी / एसीटोन वी / वी) होना चाहिए। इस प्रोटोकॉल में सेंसिटाइज़र और एनिहिलेटर की सांद्रता निर्धारित करने के लिए बैचों के बीच सापेक्ष अपकन्वर्जन उत्सर्जन की तुलना करना आवश्यक था। शायद प्रतिकूल रूप से, 3 डी प्रिंटिंग के लिए यूसी नैनोकैप्सूल में प्रकाश उत्पादन को अधिकतम करने के लिए आवश्यक संवेदीकरण से एनिहिलेटर का अनुपात उस अनुपात के बराबर नहीं हो सकता है जो ओलिक एसिड स्टॉक समाधानों में यूसी क्वांटम उपज27 को अधिकतम करता है।

अंत में, अपकन्वर्जन नैनोकैप्सूल को संश्लेषित करने के लिए एक विस्तृत प्रोटोकॉल और सर्वोत्तम प्रथाओं को चरण-दर-चरण फैशन10 में विस्तारित किया गया है। चूंकि वास्तविक जीवन अनुप्रयोगों में उपयोग के लिए अपकन्वर्जन सामग्री को समाहित करने के अन्य तरीके केवल जलीय वातावरण16 के साथ संगत हैं, इसलिए यह संश्लेषण महत्वपूर्ण है क्योंकि यह कार्बनिक सॉल्वैंट्स जैसे विविध रासायनिक वातावरणों में अपकन्वर्जन सामग्री को तैनात करने की अनुमति देता है। ये विधियां सटीक योजक विनिर्माण के लिए वॉल्यूमेट्रिक 3 डी प्रिंटिंग तक पहुंचने के दृष्टिकोण को बढ़ाने के लिए काम करेंगी और सतह से परे उच्च ऊर्जा प्रकाश की आवश्यकता वाले किसी भी अनुप्रयोग में।

Disclosures

हार्वर्ड विश्वविद्यालय ने इस काम के आधार पर कई पेटेंट दायर किए हैं। एसएनएस, आरसीएस और डीएनसी द्विघात 3 डी, इंक के सह-संस्थापक हैं।

Acknowledgments

निधिकरण: यह शोध हार्वर्ड विश्वविद्यालय में रोलैंड इंस्टीट्यूट, हार्वर्ड पीएसई एक्सेलेरेटर फंड और गॉर्डन और बेट्टी मूर फाउंडेशन में रोलैंड फैलोशिप के समर्थन के माध्यम से वित्त पोषित है। इस काम का एक हिस्सा हार्वर्ड सेंटर फॉर नैनोस्केल सिस्टम्स (सीएनएस) में किया गया था, जो राष्ट्रीय नैनो टेक्नोलॉजी समन्वित बुनियादी ढांचा नेटवर्क (एनएनसीआई) का एक सदस्य है, जिसे एनएसएफ, पुरस्कार संख्या 1541959 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया है। इस काम का एक हिस्सा स्टैनफोर्ड नैनो शेयर्ड फैसिलिटीज (एसएनएसएफ) में किया गया था, जिसे पुरस्कार ईसीसीएस -2026822 के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित किया गया था। इस काम का एक हिस्सा स्टैनफोर्ड सीएचईएम-एच मैक्रोमोलेक्यूलर स्ट्रक्चर नॉलेज सेंटर में किया गया था।

अभिस्वीकृति: टीएचएस और एसएनएस अर्नोल्ड ओ बेकमैन पोस्टडॉक्टरल फैलोशिप के समर्थन को स्वीकार करते हैं। एमएस स्विस नेशनल साइंस फाउंडेशन (प्रोजेक्ट नंबर 1) से डॉक मोबिलिटी फैलोशिप के माध्यम से वित्तीय सहायता स्वीकार करता है। पी 1 एसकेपी 2 187676)। पीएन एक गैबिलन फेलो के रूप में विज्ञान और इंजीनियरिंग (एसजीएफ) में स्टैनफोर्ड ग्रेजुएट फैलोशिप के समर्थन को स्वीकार करता है। एमएच को आंशिक रूप से रक्षा उन्नत अनुसंधान परियोजना एजेंसी द्वारा अनुदान संख्या 2010 के तहत समर्थित किया गया था। HR00112220010. एओजी ग्रांट डीजीई -1656518 के तहत नेशनल साइंस फाउंडेशन ग्रेजुएट रिसर्च फैलोशिप और स्कॉट ए और गेराल्डिन डी मैकोम्बर फेलो के रूप में विज्ञान और इंजीनियरिंग (एसजीएफ) में स्टैनफोर्ड ग्रेजुएट फैलोशिप के समर्थन को स्वीकार करता है।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Chemicals
(3-aminopropyl)triethoxysilane, anhydrous Acros Organic/Fisher Scientific  AC430941000
10K MPEG-Silane Nanosoft Polymers 2526
Oleic acid (99%) Beantown Chemical 126125
Pd (II) meso-tetraphenyl tetrabenzoporphine (PdTBTP) Frontier Scientific  41217
tetraethyl orthosilicate, anhydrous Millipore Sigma 86578
TIPS-Anthracene Millipore Sigma 731439
Representative Ultracentrifuge for Nanocapsule Purification While a smaller centrifuge can be used, the ultracentrifuge is convenient for the 12-14 h centrifugation to isolate upconversion nanocapsule paste.
500 mL, Polycarbonate Bottle with Cap Assembly, 69 x 160 mm - 6Pk Beckman-Coulter 355605
Avanti J-26S XP High-Performance Centrifuge Beckman-Coulter Avanti J-26S XP
JA-10 Fixed-Angle Aluminum Rotor- 6 x 500 mL; 10,000 rpm; 17,700 x g Beckman-Coulter 369687
Specialized Fabrication Equipment and Consumable Materials
3M 03429NA 051131034297 Scotch Electrical Tape, 3/4-in by 66-ft, Black, 1-Roll, 3/4 Foot Amazon
40 mL scintillation vials (28 mm OD x 95 mm Height, 24-400 thread size) Fisher Scientific CG490006 Small-scale synthesis
500 mL Single Neck RBF, 24/40 Outer Joint Chemglass CG-1506-20 Large-scale synthesis
Egg-shaped stir bar for use in a 500 mL round bottom flask (6.35 mm diameter, 16 mm length) Fisher Scientific 14-512-122 Large-scale synthesis
Glovebox Mbraun LabStar Pro This is the glovebox used by the authors. However, as long as the oxygen can be maintained at levels below ~10 ppm, any model is acceptable.
Magnetic stir plate - inside of glovebox Any brand
Magnetic stir plate with temperature control (oil bath or heating blocks) - outside of glovebox Any brand
Octagon-shaped stir bar for use in a 40 mL scintillation vial (3 mm diameter, 12 mm length) VWR 58947-140 Small-scale synthesis
Parafilm M Wrapping Film Fisher Scientific  S37440
Precision Seal rubber septa Millipore Sigma Z554103-10EA Large-scale synthesis
Vitamix Blender Vitamix.com E310 Large-scale synthesis
Vortex Genie 2 Millipore Sigma Z258415 Small-scale synthesis
Representative Characterization Instrumentation and Accessories
Brookhaven Instruments 90Plus Nanoparticle Size Analyzer Brookhaven Instruments
M Series 635nm Laser 300-500mW Dragon Lasers Incident wavelength for upconversion photoluminescence characterization. The laser should only be used by trained researchers in a dedicated optics space with appropriate safety protocols. The laser should be focused using a lens to increase the incident power density.
P50-1-UV-VIS Ocean Insight P50-1-UV-VIS Patch cord for QE Pro
QE Pro Spectrometer Ocean Insight QEPRO-VIS-NIR Spectrometer for collecting upconversion photoluminescence.
Supra55VP Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM) Zeiss

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References

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इंजीनियरिंग अंक 187 ट्रिपल फ्यूजन अपकन्वर्जन नैनोकणों सिलिका नैनोएनकैप्सुलेशन संश्लेषण 3 डी प्रिंटिंग एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग
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Schloemer, T. H., Sanders, S. N., Zhou, Q., Narayanan, P., Hu, M., Gangishetty, M. K., Anderson, D., Seitz, M., Gallegos, A. O., Stokes, R. C., Congreve, D. N. Triplet Fusion Upconversion Nanocapsule Synthesis. J. Vis. Exp. (187), e64374, doi:10.3791/64374 (2022).

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