Summary
이 프로토콜은 삼중 융합 상향 변환 촉진 체적 3D 인쇄를위한 광 중합성 수지에 후속 사용하기위한 상향 변환 나노 캡슐의 합성을 자세히 설명합니다.
Abstract
삼중 융합 상향 변환 (UC)은 두 개의 저에너지 입력 광자로부터 하나의 고 에너지 광자를 생성 할 수있게합니다. 이 잘 연구된 공정은 재료 표면을 넘어 고에너지 빛을 생성하는 데 중요한 영향을 미칩니다. 그러나 UC 재료의 배치는 재료 용해도 저하, 고농도 요구 사항 및 산소 감도로 인해 방해를 받아 궁극적으로 광 출력이 감소합니다. 이를 위해 나노 캡슐화는 이러한 문제를 우회하기위한 인기있는 모티프 였지만 내구성은 유기 용매에서 여전히 파악하기 어려웠습니다. 최근에, 나노 캡슐화 기술은 이러한 각각의 과제를 해결하기 위해 설계되었으며, 이에 따라 상향 변환 물질을 포함하는 올레산 나노 방울이 실리카 쉘로 캡슐화되었습니다. 궁극적으로, 이러한 나노 캡슐 (NC)은 삼중 융합 상향 변환 촉진 체적 3 차원 (3D) 인쇄를 가능하게하기에 충분히 내구성이 있었다. 상향 변환 재료를 실리카로 캡슐화하고 3D 프린팅 수지에 분산시킴으로써 프린팅 통의 표면을 넘어 포토패터닝이 가능해졌습니다. 여기서, 상향 변환 NC의 합성을 위한 비디오 프로토콜은 소규모 및 대규모 배치 모두에 대해 제시된다. 요약된 프로토콜은 이 캡슐화 체계를 체적 3D 프린팅 응용 분야에서 사용하기 위한 여러 상향 변환 체계에 적용하기 위한 출발점 역할을 합니다.
Introduction
절삭 제조 공정(즉, 원료 블록을 조각하여 만든 복잡한 모양)에서 벗어나면 폐기물을 줄이고 생산 속도를 높일 수 있습니다. 따라서 많은 산업이 적층 제조 공정으로 이동하고 있으며, 여기서 물체는 3차원(3D)프린팅을 통해 층별로 1 구축됩니다. 많은 사람들이 다양한 종류의 재료 (예 : 유리2, 세라믹3,4, 금속5 및 플라스틱 6,7)에 대한 적층 제조 공정을 개발하기 위해 노력하고 있습니다.
이 층별 경화는 수지 선택을 제한하고 인쇄물의 기계적 특성에 영향을 미칩니다 6,7. 플라스틱을 만들기 위한 광 기반 3D 프린팅을 고려할 때, 2광자 흡수(2PA) 기반 프린팅은 체적 인쇄를 통해 레이어별 공정에서 멀어집니다8. 2PA 공정은 중합을 시작하기 위해 두 개의 광자를 동시에 흡수해야합니다. 이는 필요한 전력 입력을 증가시킬 뿐만 아니라 인쇄 시스템의 복잡성과 비용을 증가시켜 인쇄 크기를 mm3 스케일 이하9로 제한합니다.
최근에는 삼중 융합 상향 변환 (UC)을 사용하는 새로운 3D 프린팅 방법론으로 인해 UC를 사용한 체적 3D 프린팅이 cm3 스케일10에서 가능해졌습니다. 흥미롭게도, 이 공정은 2PA-기반 인쇄(9,11,12)에 비해 상대적으로 낮은 전력 밀도 조사(10)를 필요로 한다. 상향변환 공정은 2개의 저에너지 광자를 하나의 고에너지 광자(13)로 변환하고, 상향변환된 광은 광개시제에 의해 흡수되어 중합을 개시한다. 삼중항 융합 UC 재료를 배포하는 것은 전통적으로 높은 재료 농도 요구 사항, 열악한 용해도 및 산소 감도13,14,15로 인해 어려웠습니다. 다양한 나노 입자 방식을 사용하여 UC 물질을 캡슐화하는 것은 잘 연구되었지만16 유기 용매에 요구되는 내구성에는 미치지 못합니다. 여기에 설명된 실리카 코팅 올레산 상향변환 나노캡슐(UCNC) 합성 프로토콜은 3D 프린팅 수지(10)를 포함한 다양한 유기 용매에 UC 물질의 분산에 대한 이러한 내구성 문제를 극복합니다. 나노 캡슐 내부의 물질에서 생성 된 상향 변환 된 빛은 여러 차원으로 패터닝되어 지지 구조가없는 고체 물체를 생성하여 50 μm10의 작은 해상도로 고해상도 구조를 인쇄 할 수 있습니다. 지지 구조를 제거하고 무산소 환경에서 인쇄함으로써 새로운 수지 화학 물질에 접근하여 기존의 광조형으로는 접근할 수 없는 개선된 재료 특성과 새로운 재료 특성을 모두 달성할 수 있습니다.
여기서 UCNC 합성 프로토콜은 감작제 (팔라듐 (II) 메조-테트라 페닐 테트라 벤조 포르핀, PdTPTBP)와 소멸제 (9,10- 비스 ((트리 이소 프로필 실릴)에 티닐) 안트라센, TIPS-an)를 두 가지 다른 척도로 캡슐화하기 위해 요약됩니다. 대규모의 합성은 3D 프린팅 수지에 사용하기 위해 ~ 10g의 상향 변환 나노 캡슐 페이스트를 제공하는 재료를 제공합니다. ~ 1g의 상향 변환 나노 캡슐 페이스트에 대한 소규모의 합성은 새로운 나노 캡슐 함량의 최적화를 허용합니다. 이 프로토콜은 삼중 융합 UCNC를 다양한 3D 프린팅 워크 플로우 및 기타 응용 분야에 성공적으로 통합 할 수 있도록 지원합니다.
Protocol
1. 대규모 상향 변환 나노 캡슐 합성
- 적색 조명 아래 불활성 분위기의 글로브 박스 (재료 표 참조)에서 실온 (~ 22 ° C)에서 99 % 올레산에서 감작제 (PdTPTBP) 및 소멸제 (TIPS- 안트라센) (재료 표 참조)의 포화 용액을 준비합니다.
- 교반 막대가 있는 바이알에 PdTPTBP 20mg에 올레산 2mL를 추가합니다. 그런 다음 바이알을 호일로 덮어 주변광으로부터 보호하십시오. 교반 막대가 있는 바이알에 TIPS-안트라센 25mg에 올레산 2mL를 추가합니다.
- 0.45μm PTFE 주사기 필터로 여과하기 전에 혼합물을 600rpm에서 최소 4시간 동안 저어줍니다. 각 용액에는 여과에 의해 제거될 용해되지 않은 고체가 눈에 띄게 있어야 하며, 이는 각 용액이 포화되었음을 의미합니다.
- 주사기를 사용하여, 여과된 TIPS-안트라센 용액 0.7mL, 여과된 PdTPTBP 용액 0.35mL 및 올레산 0.7mL를 혼합하여 상향변환 물질 원액 1.75mL를 제조한다.
참고 : 나노 캡슐에 사용 된 상향 변환 용액은 부피 기준으로 TIPS- 안트라센 대 PdTPTBP의 2 : 1 : 2의 비율을 갖는다.
- 합성 중에 사용할 준비가 되도록 깨끗한 20mL 바이알에서 4g의 10K MPEG-실란을 측정합니다. 이것은 글로브 박스 내부 또는 외부에서 수행 할 수 있습니다. 이 물질이 글로브박스 외부에서 측정되는 경우 글로브박스에 넣기 전에 밀봉 필름이나 전기 테이프로 바이알 뚜껑을 고정하십시오.
- 격막으로 밀봉된 250mL 삼각 플라스크에서 얼음 배스에서 초순수 탈이온수 200mL를 ~5°C에 도달하기 위해 최소 1시간 동안 냉각합니다. 일반적으로 이 작업은 몇 시간이 걸립니다.
- 최소 6 개의 밀봉 필름을 사용하여 격막을 플라스크에 고정합니다. 이것은 플라스크가 글로브박스 대기실에서 진공 상태일 때 격막이 부착된 상태로 유지되도록 하기 위한 것입니다.
- 나노 캡슐을 준비하기 직전에 식힌 물을 글로브 박스에 가져 오십시오. 대기실 압력 게이지의 측정값을 기준으로 20% 진공을 당겨 물을 가져올 때만 대기실에 가벼운 진공을 당깁니다.
- 글로브 박스에 물을 넣은 후 즉시 글로브 박스 퍼지 기능을 켜서 컬럼을 우회하십시오. 이것은 가벼운 진공 상태에서 물을 가져올 때 도입 된 산소를 제거하고 컬럼의 수명을 연장시킵니다. 합성이 완료되고 모든 폐기물이 글로브 박스에서 제거 될 때까지 퍼지를 유지하십시오.
- (3-아미노프로필)트리에톡시실란(APTES) 및 테트라에틸 오르토실리케이트를 조제하기 위한 주사기와 바늘을 포함하여 모든 화학 물질과 소모품을 사용할 준비가 되었는지 확인하십시오. 10K MPEG 실란이 손이 닿는 곳에 있는지 확인하십시오. 청소를 위해 나일론 천도 사용할 수 있습니다.
- 블렌더를 연결합니다( 재료 표 참조). 전기 소켓을 플라스틱 통이나 나일론 천으로 덮으십시오. 이 장벽은 예기치 않은 블렌더 누출의 경우 보호 할 수 있습니다. 블렌더의 전원이 꺼져 있는지 확인하십시오.
- 조심스럽게 믹서기에 물을 붓습니다. 1.45mL의 상향 변환 물질 원액(단계 1.1.3에서 준비됨)을 주사기로 한 부분에 블렌더의 물 중앙에 추가합니다.
- 예기치 않은 누출이 발생할 경우 뚜껑을 부착하고 나일론 물티슈로 덮으십시오. 최대 속도(22,600rpm)로 정확히 60초 동안 블렌딩하여 작은 누출을 방지합니다.
- 블렌더를 끄고 적절한 작업 공간을 확보하기 위해 방해가되지 않는 곳으로 이동하십시오.
- 에멀젼을 500mL 둥근 바닥 플라스크로 옮깁니다. 클램프로 플라스크를 교반 플레이트에 고정합니다. 에멀젼을 달걀 모양의 교반 막대로 1200rpm으로 격렬하게 혼합합니다( 재료 표 참조).
- 주사기를 사용하여 0.75mL의 APTES를 에멀젼에 첨가하여 투명한 미셀 용액을 생성합니다.
- 캡슐 응집을 방지하기 위해 4K MPEG- 실란 10g을 첨가하십시오. 필요한 경우 플라스크를 흔들어 분산되도록 합니다. 1200rpm에서 약 10분 동안 저어줍니다.
- 이 시간 동안 블렌더와 뚜껑을 나일론 천으로 말리십시오. 집게를 사용하여 날카로운 블렌더 블레이드에서 손을 멀리 유지하십시오.
- 10분이 지난 후 20mL 주사기를 사용하여 한 부분에 테트라에틸 오르토실리케이트 15mL를 추가합니다. 총 30mL에 대해 20mL 주사기를 사용하여 한 부분에 테트라에틸 오르토실리케이트 15mL를 더 추가합니다. 격막을 플라스크에 부착하고 1200rpm에서 30분 동안 저어줍니다.
- 글로브박스에서 플라스크와 폐기물을 제거하고 글로브박스 퍼지를 끕니다.
- 플라스크를 오일 배스 또는 알루미늄 가열 블록과 같은 가열 요소가 있는 교반 플레이트에 부착합니다. 플라스크를 Schlenk 라인에 연결하여 반응이 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스 하에서 일정한 압력으로 유지되도록 합니다.
- 반응물을 65°C에서 1200rpm의 속도로 40시간 동안 교반하고 가열합니다.
- 40 시간 후, Schlenk 라인에서 반응을 분리하여 4 g의 10K MPEG- 실란을 첨가하십시오. 반응을 슐렌크 라인에 다시 연결합니다. 반응물을 65°C에서 1200rpm으로 8시간 동안 교반하고 가열합니다.
- 8시간 후, 열을 끄고 1200rpm으로 교반하면서 반응을 실온으로 식힌다.
- 반응이 냉각되면 반응을 원심 분리 튜브로 옮깁니다.
- 50mL 원심분리 튜브를 수용하는 원심분리기( 재료 표 참조)의 경우 반응을 10개의 원심분리기 튜브에 균등하게 나눕니다.
- 0.5L 원심분리기 튜브를 수용하는 원심분리기의 경우 반응을 두 개의 원심분리기 튜브에 균등하게 나눕니다.
- 현탁액을 8670 x g 에서 20-22 °C의 온도에서 1 시간 동안 원심 분리합니다. 펠렛을 버리고 나노캡슐을 함유하는 상청액을 보유한다.
- 상청액을 8670 x g 에서 20-22°C에서 14-16시간 동안 원심분리합니다.
- 상청액을 버리고 상향변환 나노캡슐을 함유하는 펠렛을 수집한다.
- 피펫을 사용하여 나노 캡슐 펠릿의 상단 표면을 초순수 탈 이온수 (2 x 10 mL)로 조심스럽게 헹굽니다. 이것은 펠릿이 원심분리 튜브에서 빠지지 않도록 낮은 흐름에서 수행되어야 합니다.
- 나노 캡슐 페이스트를 주걱으로 2 개 또는 3 개의 개별 20mL 섬광 바이알에 옮기고 즉시 바이알을 글로브 박스로 가져옵니다. 약 7-10g의 나노 캡슐 페이스트를 회수해야합니다.
참고 : 추가 사용을 위해 나노 캡슐을 합성 후 48 시간 이내에 3D 인쇄 용 모노머 또는 탈산 소화 된 초순수 탈 이온수와 같은 용매에 분산시키는 것이 좋습니다. 물은 나노 캡슐 페이스트에서 증발하여 48 시간 후에 나노 캡슐을 사용할 수 없게됩니다.
- 주사 전자 현미경 (SEM), 동적 광산란 (DLS) 및 상향 변환 광 발광을 수행하여 나노 캡슐 준비를 특성화합니다.
2. 소규모 상향 변환 나노 캡슐 합성
- 1.1단계에 설명된 대로 증감제와 소멸기의 스톡 용액을 준비합니다. 상향 변환 나노 캡슐을 구성하는 데 사용되는 용액의 부피를 단계 1.1에 설명 된 1.75mL 대신 250μL로 축소합니다. 여과된 TIPS-용액 100μL를 여과된 PdTPTBP 용액 50μL 및 올레산 100μL와 혼합합니다.
- Schlenk 라인을 사용하여 40mL 섬광 바이알( 재료 표 참조)에 20mL의 초순수 탈이온수를 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 최소 10분 동안 격렬하게 살포합니다. 바이알을 글로브박스에 넣기 전에 전기 테이프 또는 밀봉 필름으로 뚜껑을 부착하십시오.
알림: 한 번에 여러 개의 소규모 샘플을 만드는 경우 깨끗하고 사용하지 않은 블렌더 투수를 사용하여 섹션 200에 설명된 대로 1mL의 냉각수를 혼합하여 더 많은 양의 물을 충분히 탈기할 수 있습니다. Schlenk 라인에서 불활성 가스로 물을 살포하는 것은 20mL를 초과하는 부피에서는 효과적이지 않습니다. - 400mg의 10K MPEG- 실란을 측정하여 합성 중에 깨끗한 10mL 바이알에 사용할 준비가되도록합니다. 이것은 글로브 박스 내부 또는 외부에서 수행 할 수 있습니다. 글로브박스 외부에서 측정한 경우 글로브박스에 넣기 전에 바이알의 뚜껑을 밀봉 필름이나 전기 테이프로 고정하십시오.
- 살포 된 물을 글로브 박스로 가져오고 즉시 글로브 박스 퍼지 기능을 켜서 기둥을 우회하십시오. 이것은 가벼운 진공 상태에서 물을 가져올 때 도입 된 산소를 털어 내고 컬럼의 수명을 연장시킵니다. 퍼지는 합성이 완료되고 모든 폐기물이 글로브 박스에서 제거 될 때까지 계속 켜져 있어야합니다.
- 모든 화학 물질 및 소모품(5mL 주사기 및 팁이 있는 마이크로피펫)을 사용할 준비가 되었는지 확인합니다.
- 주사기를 사용하여 병에서 (3-아미노프로필)트리에톡시실란 1mL를 제거하고 나중에 사용할 수 있도록 라벨이 붙은 깨끗한 20mL 바이알에 분주합니다.
- 주사기를 사용하여 5mL의 테트라에틸 오르토실리케이트를 제거하고 나중에 사용할 수 있도록 라벨이 붙은 깨끗한 20mL 바이알에 분주합니다.
- 10K MPEG 실란이 글로브 박스에 닿는 곳에 있는지 확인하십시오.
- 청소를 위해 여분의 나일론 천도 사용할 수 있습니다.
- 와류 믹서( 재료 표 참조)를 연결하고 속도를 최고 설정(3200rpm)으로 설정합니다.
- 마이크로피펫을 사용하여 145μL의 증감제/소멸제 원액을 물 바이알(20mL)에 추가합니다. 뚜껑에 전기 테이프 또는 밀봉 필름을 부착하십시오.
- 용액을 와류 혼합기(3200 rpm)의 최고 속도(3200 rpm)에서 7분 동안 와동시켜 대규모 합성과 유사한 나노액적 형성을 보장한다. 바이알을 베이스에 가깝게 잡고 뚜껑이 느슨해져 바이알에서 분리될 수 있으므로 볼텍싱 중에 바이알 뚜껑을 잡지 마십시오.
- 바이알을 교반 플레이트에 부착합니다. 팔각형 모양의 교반 막대로 에멀젼을 1200rpm으로 저어줍니다( 재료 표 참조).
- 마이크로피펫을 사용하여 75μL의 APTES를 추가하여 투명한 미셀 용액을 생성합니다.
- 투명한 용액을 생성 한 후 즉시 400mg의 10K MPEG- 실란을 첨가하십시오. 뚜껑을 닫고 바이알을 흔들어 반응을 효율적으로 혼합합니다. 바이알을 교반 플레이트로 되돌립니다.
- 주사기를 사용하여 반응물이 1200 rpm으로 교반되는 동안 테트라에틸 오르토실리케이트 3mL를 순차적으로 추가합니다. 뚜껑을 닫고 바이알을 흔들어 반응을 효율적으로 혼합합니다. 글로브 박스에서 제거 될 때까지 1200rpm에서 반응을 저어줍니다.
- 바이알을 전기 테이프 또는 밀봉 필름으로 밀봉하고 글로브박스에서 바이알을 제거합니다.
- 오일 배스 또는 알루미늄 가열 블록을 사용하여 65°C에서 용액을 가열합니다. 반응물을 1200rpm에서 40시간 동안 저어줍니다.
- 40 시간 후 10K MPEG- 실란 400mg을 첨가하십시오. 전기 테이프 또는 밀봉 필름으로 바이알을 다시 밀봉하십시오. 반응물을 1200rpm에서 8시간 동안 교반합니다.
- 반응물을 1200 rpm으로 교반하면서 실온으로 냉각시킨다. 반응이 냉각되면 반응 혼합물을 하나의 50mL 원심분리 튜브에 결합합니다.
- 현탁액을 8670 x g 에서 20-22 °C의 온도에서 1 시간 동안 원심 분리합니다. 펠렛을 버리고 나노캡슐을 함유하는 상청액을 보유한다.
- 상청액을 8670 x g 에서 20-22°C에서 14-16시간 동안 원심분리합니다.
- 상청액을 버리고 상향 변환 나노캡슐을 함유하는 펠렛을 보유한다. 피펫을 사용하여 나노 캡슐 펠릿의 상단 표면을 2 x 1mL의 초순수 탈 이온수로 조심스럽게 헹굽니다. 이것은 펠릿이 원심분리 튜브에서 빠지지 않도록 낮은 흐름에서 수행되어야 합니다.
- 나노 캡슐 페이스트를 주걱으로 20mL 섬광 바이알에 옮기고 바이알을 즉시 글로브 박스로 가져옵니다. 약 700-1000mg의 나노 캡슐 페이스트를 회수해야합니다.
알림: 추가 사용을 위해 나노 캡슐을 3D 프린팅 용 모노머 또는 탈산 소화 된 초순수 탈 이온수와 같은 용매에 48 시간 이내에 분산시키는 것이 좋습니다. 물은 나노 캡슐 페이스트에서 증발하고 48 시간 후에 나노 캡슐을 사용할 수 없게됩니다.
Representative Results
도 1 은 상향변환 나노캡슐 합성 프로토콜의 만화 묘사를 나타낸다. 소규모 및 대규모 UCNC 제제 간의 유사점은 오일 인 워터 에멀젼 생성 및 실리카 쉘을 합성하기위한 화학 물질의 첨가와 같이 강조됩니다. 소규모 합성으로부터, 700-1000 mg의 UCNC 페이스트가 전형적으로 수집되는 반면, 7-10 g의 UCNC가 전형적으로 대규모 합성으로부터 수집된다.
나노캡슐은 분광 및 현미경 기술10의 조합을 사용하여 특성화하였다. SEM을 위한 샘플을 제조하기 위해, 물에 분산된 100mg mL-1 나노캡슐 페이스트의 용액으로부터 필름을 적절한 전도성 SEM 기판 상에 드롭캐스트하고, 건조시켰다. 나노 캡슐의 전도도는 본질적으로 낮지 만 다른 전도성 물질을 첨가하지 않고도 특성화하기에 충분합니다. 대표적인 SEM 이미지 (그림 2A)는이 프로토콜로 얻은 ~ 50 nm의 직경을 갖는 상대적으로 단 분산 된 나노 캡슐을 보여줍니다. UCNC의 형태를 특성화하기 위해 SEM을 사용하는 한 가지 한계는 오랜 기간 동안 초고진공 하에서 불안정하다는 것입니다. SEM 측정에 필요한 초고진공 상태에서 UCNC는 일반적으로 30분 이내에 효율적으로 작동하는 경우 성공적으로 이미징할 수 있습니다. UCNC는 초고진공 상태에서 약 30분 후에 고진공 상태에서 융합됩니다(그림 2B). 이 융합은 이 프로토콜(vide infra)에 설명된 절차에 따라 주변 조건에서 관찰되지 않습니다. 진공 하에서의 안정성 고려 사항에 비추어 볼 때에도 전자 현미경은 여전히 UCNC의 전형적인 형태를 평가하는 유익한 방법입니다.
동적 광산란(DLS)은 용액에서 평균 나노캡슐 유체역학적 직경을 특성화하는 또 다른 유용한 기술입니다. DLS용 샘플은 희석된 UCNC 샘플로 쉽게 준비할 수 있습니다. 여기서, 1차 원심분리 후 회수된 상층액의 시료(단계 1.23 또는 2.17)를 DLS로 특성화하였다. 상청액을 초순수 탈이온수로 10배 희석하고 0.2μm PVDF 필터로 여과하여 큰 미립자와 먼지를 제거했습니다. 대안적으로, 10x 희석된 초순수 탈이온수에서 100mg mL-1의 농도로 UCNC 페이스트를 특성화하고 0.2μm PVDF 필터로 여과할 수 있습니다. 유체역학적 직경은 DLS를 사용하여 배치에서 배치까지 <100nm, 전형적으로 65-90nm10의 범위로 측정되었습니다. 나노입자 응집은 이러한 특성화 조건 하에서 관찰되지 않으며, 추가적인 전해질(10)에 대한 필요성을 제거한다. 유사한 UCNC 직경이 대규모 또는 소규모 프로토콜에서 생성될 수 있습니다. 한 스캔의 대표적인 트레이스가 그림 2C에 나와 있습니다. 브라운 운동 및 스톡스-아인슈타인 방정식에 대한 수학적 피팅 과정으로 인해, 많은 스캔들이 평균 유체역학적 직경(17)을 결정하기 위해 함께 평균화된다. 그림 2C에 표시된 샘플의 평균 유체역학적 직경은 큰 배치의 경우 ~75nm(다분산성, PDI: 0.21) 및 제시된 작은 배치의 경우 ~66nm(PDI: 0.15)입니다. 유체역학적 직경의 이러한 변화는 반응 규모에 관계없이 배치에서 배치로 일반적입니다.
마지막으로, 광학 특성 분석은 실리카 쉘 캡슐화의 무결성을 평가하는 데 필수적입니다(그림 2D). 여기서, 1차 원심분리 후 회수된 상등액의 시료를 글로브박스에서 탈산소화 아세톤으로 10x씩 희석하였다. 샘플을 아세톤으로 희석하여 UCNC의 구조적 완전성을 테스트했습니다. 그림 2D에서 안트라센 상향 변환 방출은 635nm 레이저로 조사하면 명확하게 존재하며 이는 평균 실리카 쉘이 손상되지 않았 음을 나타냅니다. 실리카 껍질이 너무 얇으면 635nm 레이저로 조사할 때 밝은 상향 변환이 매우 낮습니다. 이는 상향 변환 내용물이 용해되고 아세톤에 너무 낮은 농도로 희석되어 밝은 상향 변환 방출10을 생성하기 때문입니다.
그림 1 : 크고 작은 규모의 상향 변환 나노 캡슐 합성 과정을 만화로 묘사 한 그림. 이 그림은 Biorender.com 로 만들어졌습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 현미경 및 분광학을 사용한 대표적인 나노캡슐 특성화 . (A) UCNCs의 SEM은 상향 변환 나노 캡슐 합성의 규모와 균일 성을 보여줍니다. 스케일 바 = 200nm. (B) ~ 30 분 동안 초고진공 하에서 융합 된 UCNC의 SEM. SEM 샘플은 탈 이온화 된 초순수에서 UCNC의 드롭 캐스팅 용액에 의해 제조되었다. 스케일 바 = 20 μm. (C) 소규모와 대규모로 제조된 상향변환 나노캡슐의 대표적인 DLS 흔적. UCNC는 탈이온화된 초순수로 희석하였다. (D) 아세톤으로 희석 된 UCNC에서 TIPS-an의 상향 변환 방출은 ~ 635W cm-2에서 635nm 레이저로 조사 할 때 생성되었습니다. 이 밝은 상향 변환은 실리카 껍질이 나노 캡슐 내용물이 유출되는 것을 방지 할만큼 충분히 두껍다는 것을 의미합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Discussion
밝은 상향 변환 나노 캡슐을 준비 할 때 몇 가지 고려 사항이 있습니다. 먼저, 합성은 글로브박스에서 완료되는데, 그 이유는 상향변환 물질이 산소로부터 보호되어야 하기 때문이다-상향변환된 광 출력이 산소(13,14,15,16)의 존재 하에서 감소된다는 것은 잘 확립되어 있다. 또한 증감제 및 소멸제 스톡 용액은 모든 배치에 대해 신선하게 준비해야 합니다. PdTPTBP 및 다른 금속화 포르피린은 산18의 존재하에 주변 조명에서 탈금속 화되는 것으로 나타 났으며, 안트라센은 시간19에 걸쳐 응집되는 것으로 알려져있다. 이러한 효과는 각 합성에 대해 적색 조명 아래에서 신선한 용액을 준비하여 최소화 할 수 있습니다. 저자는 금속 화 포르피린과 안트라센이 혼합되면 엄격한 적색 조명이 더 이상 필요하지 않으며이 단계 후에 주변 조명을 사용할 수 있다고 지적합니다. 마지막으로, 대규모 합성의 경우, UCNC를 만들기 위해 이 용액을 1.45mL 미만으로 추가하면 다른 모든 필수 시약의 비율과 농도 의존적 나노방울 형성이 변경되기 때문에 최소 1.75mL의 상향 변환 스톡 용액을 준비하는 것이 좋습니다. 유사하게, 소규모 합성의 경우, 250μL의 상향 변환 스톡 용액을 동일한 비율로 준비하는 것이 좋습니다. 마지막으로, 올레산 저장 용액을 분배하기 위해 마이크로 피펫을 사용할 때 플런저를 천천히 풀고 원하는 부피를 분배하기 위해 완전히 상승 할 때까지 기다리십시오. 올레산은 점도가 높기 때문에 피펫 팁을 천천히 채우고 실수로 예상보다 적은 용액을 분주하기 쉽습니다.
올레산 나노 방울 생성은 혼합 시간, 속도 및 상당한 온도 변화에 민감하다는 것을 이해하는 것이 중요합니다. 예를 들어, 블렌더 선택은 중요하며 올레산 나노 방울의 형성에 영향을 줄 수 있습니다. 초기 개발 단계에서 여러 블렌더 브랜드를 테스트했습니다. 재료 표 에서 권장되는 블렌더는이 프로토콜에 설명 된 비교적 우수하고 재현 가능한 나노 캡슐의 생성으로 이어졌습니다. 특히, 강력한 블렌딩은 에멀젼의 온도를 증가시키고 올레산 나노 방울 형성 효율을 감소시킵니다. 블렌더 블레이드는 온도를 가장 잘 제어하기 위해 물에 완전히 잠겨야 하며, 이는 여기에 제시된 필요한 물의 양을 결정하기 위한 고려 사항 중 하나였습니다10. 또한 물을 미리 냉각하면 에멀젼의 액적 응집이 감소하여 궁극적으로 대규모 합성을위한 나노 캡슐 수율이 향상됩니다. 반면에 소규모 합성의 경우 물을 식혀도 올레산 나노 방울 형성이 크게 변경되지 않는데, 이는 아마도 40mL 바이알을 잡는 것이 블렌더 블레이드만큼 물의 온도를 증가시키지 않기 때문일 것입니다.
APTES 첨가는 APTES가 블렌딩 또는 볼텍싱에 의해 생성된 올레산 나노방울을 안정화시키기 때문에 중요한 합성 단계입니다. 초기 나노 액적 에멀젼은 흐리고 탁한 분산액입니다. APTES를 첨가하면 나노 방울이 안정화됨에 따라 용액이 투명하고 투명해집니다. 평균적으로 필요한 APTES 볼륨은 프로토콜에 제시된 것과 매우 가깝지만 때로는 솔루션이 명확해지기 위해 약간 적거나 약간 더 많은 APTES가 필요합니다. 따라서, APTES 첨가는 다른 적정(20)을 실시하는 것과 유사한 방식으로 취급되어야 한다. 너무 많은 APTES를 추가하면 (즉, "단지 깨끗한"용액을 넘어서) 나노 캡슐 쉘 형성을 방해하고 수율을 감소시킵니다. 이를 위해 투명 현탁액을 생성하기 위해 상당히 다른 부피의 APTES가 필요하거나 투명한 현탁액에 도달하지 못하는 경우 이는 올레산 나노 방울 형성을 최적화하기 위해 문제 해결이 필요함을 나타냅니다. 예를 들어, 나노액적 생성이 비효율적이면, 나노액적의 액적 부피 및 따라서 표면적은 예상보다 커질 것이고, 더 많은 APTES를 필요로 할 수 있다. 이것은 소규모 합성에서 관찰되었으며, 와류 믹서에 대해 바이알을 고정하는 데 사용되는 힘 또는 와류 시간을 증가시킴으로써 다양한 방법으로 해결할 수 있습니다.
또한 10K MPEG 실란은 응집을 방지하기 위해 APTES 바로 뒤에 추가해야하며10을 생략 할 수 없습니다. 10K MPEG- 실란을 첨가하지 않으면 침전물 생성 형태로 ~ 30 분 이내에 비가역적 응집이 관찰됩니다. 5K MPEG- 실란은 10K MPEG- 실란을 대체 할 수 있지만, 저 분자량 MPEG- 실란은 일정한 농도에서 응집을 충분히 방지하지 못한다.
실리카 쉘 형성은 다양한 용액에 분산될 때 UCNC 내구성을 부여하는 데 중요합니다. 실리카 쉘 성장은 일반적으로잘 연구되어 있지만, 실리카 성장을 촉진하기 위해 자주 사용되는21 산 또는 염기 촉매 작용은 가열이 내구성있는 가교 결합 실리카 쉘을 생성하기에 충분하기 때문에 여기에서 사용되지 않습니다. 시간 경과에 따른 실리카 쉘 형성을 모니터링하려면 PdTPTBP/TIPS-an 시스템에 대한 최소 증감제 인광으로 아세톤과 같은 유기 용매에서 나노캡슐 반응 분취량을 100배 희석한 후 밝은 상향 전환이 관찰되어야 합니다(그림 2D 및 참조10). 일반적으로 밝은 상향 변환은 약 24 시간 후에 관찰 할 수 있지만 48 시간은 상대 방출을 증가시켜 UCNC의 더 많은 인구가 내구성있는 쉘을 가지고 있음을 의미합니다. UC 방출은 조사 전력에 따라 달라지며 충분한 전력 밀도를 사용해야 합니다. 예를 들어, 여기에 설명된 시스템에서 밝은 상향 변환 PL을 보려면 ~65W cm-2 정도의 전력 밀도가 필요합니다.
실리카 성장 40 시간 후 10K MPEG- 실란을 두 번째로 첨가하면 유기 용매에서 나노 캡슐 분 산성이 향상됩니다. UCNC는 이 두 번째 10K MPEG-실란 첨가 없이 여러 용매에서 여전히 분산될 수 있지만, 두 번째 첨가는 용액에서 UCNC 로딩을 질량으로 증가시키는 것이 좋습니다. 예를 들어, 3D 프린팅 수지에 사용하기 위해, 0.67 g mL-1 의 나노 캡슐 페이스트를 아크릴산10에 분산시켰다.
수일 간의 전체 제조 공정 동안 UCNC를 산소에 노출시키면 상향 변환 광발광을 크게 감소시키는 농도의 산소가 유입됩니다. 주변 분위기에서 교반하는 48시간 동안 불활성 분위기가 유지되도록 하기 위해 반응 규모에 따라 다른 프로토콜이 호출됩니다. 대규모에서, 실리카 성장 동안 생성된 에탄올은 부착된 격막의 제거 또는 반응 용기(24)의 구조적 완전성의 손실을 초래할 수 있는 상당한 압력을 생성할 수 있다. 따라서 500mL 플라스크는 불활성 분위기에서 압력 방출을 허용하기 위해 Schlenk 라인에 연결되어야 합니다. 소규모에서 밀봉 필름 또는 전기 테이프로 40mL 유리 바이알을 밀봉하면 밀봉의 구조적 무결성이 유지됩니다. 바이알의 뚜껑을 밀봉하지 않으면 압력이 증가하면 뚜껑이 천천히 풀리고 산소가 침투할 수 있습니다.
원심분리에 의한 반응 정제는 UCNC를 다른 바람직하지 않은 부산물로부터 분리한다. 여러 원심분리기 브랜드와 로터는 프로토콜에 제공된 g 힘에 접근할 수 있는 경우 이 정제와 호환됩니다. g 힘은 원심분리기 로터 치수(25)에 기초하여 분당 회전수로 변환될 수 있다. 원심분리 중에 UCNC를 주변 분위기에 잠시 노출시키는 것은 정제 후 불활성 분위기에 보관하는 한 허용됩니다. 이 합성의 한 가지 한계는 원자 수율이 입력 화학 물질과 관련하여 정량화하기 어렵다는 것입니다. 원심 분리 후,이 대규모 나노 캡슐 합성은 대략 10g의 페이스트를 생성해야하며 소규모 합성은 대략 1.0g의 캡슐 페이스트를 생성해야합니다. 얼마나 많은 TEOS가 UCNC 쉘을 만드는 데 통합되었는지는 불분명합니다. 제1 원심분리 후에 폐기된 펠렛은 UCNCs에 혼입되지 않은 큰 분자량 실리카로 구성된다. 두 번째 원심분리 후, 상청액을 다시 원심분리하여 수집된 질량을 증가시킬 수 있다. 연질 캡슐 페이스트는 다른 용매에 분산될 수 없는 소형 필름으로 응고되므로 원심분리 시간을 16시간 이상으로 늘리는 것은 권장하지 않습니다. 그럼에도 불구하고 배치에서 배치로 수집된 캡슐 페이스트 질량은 일관되며 후속 사용 및 특성화에 충분합니다.
UCNC 내구성은 용매마다 그리고 보관 조건에 따라 다를 수 있습니다. 원심 분리에 의해 수집 된 UCNC 페이스트는 물이 증발함에 따라 48 시간 후에 사용할 수 없지만 나노 캡슐은 다양한 용매에서 내구성이 있습니다. 물에서 UCNC 내구성은 몇 개월 정도입니다. 아크릴산에서는 아크릴산 용매가 불안정하고 무산소 조건에서 보관할 때 중합을 겪을 수 있기 때문에 내구성이 주로 일수로 감소합니다10,26. UCNC 내구성에 대한 추가 용매 의존성 조사가 진행 중입니다.
소규모 합성은 상이한 제형들 사이의 상향 변환 광발광의 상대적 비교에 특히 유용하다. 2 차 원심 분리 후에 수집 된 NC 페이스트는 100-200 mg mL-1 의 농도로 물에 분산시키고 아세톤 (또는 원하는 다른 용매)으로 희석해야한다. 용액 부피의 최소 25 %는 NC를 부유시키고 침전물이 형성되는 것을 방지하기 위해 물 (예 : 25/75 물 / 아세톤 v / v)을 포함해야합니다. 배치 간의 상대적 상향 변환 방출을 비교하는 것은 이 프로토콜에서 감작제와 소멸제의 농도를 결정하는 데 필요했습니다. 아마도 반 직관적으로, 3D 인쇄를위한 UC 나노 캡슐에서 광 출력을 최대화하는 데 필요한 증감 제와 소멸제의 비율은 올레산 스톡 용액에서 UC 양자 수율27 을 최대화하는 비율과 동일하지 않을 수 있습니다.
결론적으로, 상향 변환 나노 캡슐을 합성하기위한 상세한 프로토콜 및 모범 사례는 단계별 방식으로 확장됩니다10. 실생활 응용에서 사용하기 위해 상향 변환 물질을 캡슐화하는 다른 방법은 수성 환경(16)과만 호환되기 때문에,이 합성은 상향 변환 물질이 유기 용매와 같은 다양한 화학 환경에 배치 될 수 있기 때문에 중요하다. 이러한 방법은 정밀 적층 제조 및 표면 너머의 고 에너지 빛이 필요한 모든 응용 분야에서 체적 3D 인쇄에 대한 접근 방식을 높이는 데 도움이 될 것입니다.
Disclosures
하버드 대학교는이 연구를 기반으로 여러 특허를 출원했습니다. SNS, RCS 및 DNC는 Quadratic3D, Inc.의 공동 설립자입니다.
Acknowledgments
자금: 이 연구는 하버드 대학의 Rowland Institute의 Rowland Fellowship, Harvard PSE Accelerator Fund 및 Gordon and Betty Moore Foundation의 지원을 통해 자금을 지원합니다. 이 작업의 일부는 NSF에 따라 국립 과학 재단이 지원하는 국립 나노 기술 조정 인프라 네트워크 (NNCI)의 회원 인 하버드 나노 스케일 시스템 센터 (CNS)에서 수행되었습니다1541959. 이 작업의 일부는 스탠포드 나노 공유 시설 (SNSF)에서 수행되었으며, 국립 과학 재단 (National Science Foundation)이 ECCS-2026822 상을 수상했습니다. 이 작업의 일부는 Stanford ChEM-H Macromolecular Structure Knowledge Center에서 수행되었습니다.
승인: THS와 SNS는 Arnold O. Beckman Postdoctoral Fellowships의 지원을 인정합니다. MS는 스위스 국립 과학 재단 (Project No. P1SKP2 187676). PN은 Gabilan Fellow로서 Stanford Graduate Fellowship in Science & Engineering (SGF)의 지원을 인정합니다. MH는 보조금 번호에 따라 국방고등연구계획국의 지원을 부분적으로 받았습니다. HR00112220010. AOG는 Grant DGE-1656518의 National Science Foundation Graduate Research Fellowship과 Scott A. and Geraldine D. Macomber Fellow로서 Stanford Graduate Fellowship in Science & Engineering (SGF)의 지원을 인정합니다.
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 |
References
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