Doğrudan Floresan Görüntüleme kullanma Nanoparçacık-polimer kompozitler Gelişmiş Bileşim Analizi

Özet

Burada, nanopartiküllerin şişme kapsülleme yoluyla bir polimer konak matrisine dahil edilmesini izlemek için güvenilir bir yöntem sunuyoruz. Kadmiyum selenit kuantum noktalarının yüzey konsantrasyonunun, kesitsel floresan görüntüleme yoluyla doğru bir şekilde görselleştirilebileceğini gösteriyoruz.

Özet

Polimer-nanoparçacık kompozitlerin üretimi, birçok fonksiyonel malzemenin geliştirilmesinde son derece önemlidir. Bu malzemelerin kesin bileşiminin belirlenmesi, özellikle aktif bileşenin yüzey konsantrasyonunun malzemenin aktivitesini belirlediği yüzey katalizörlerinin tasarımında çok önemlidir. Nanopartikülleri kullanan antimikrobiyal malzemeler bu teknolojinin özel bir odak noktasıdır. Son zamanlarda, şişme kapsülleme, antimikrobiyal nanopartikülleri bir konakçı polimer matrisine yerleştirmek için bir teknik olarak ortaya çıkmıştır. Şişme kapsülleme, bu malzemelerin aktif bölgeleri olarak işlev gören malzemelerin dış yüzeylerine dahil edilme avantajını sağlar. Bununla birlikte, bu nanopartikül alımının nicelleştirilmesi zordur. Önceki çalışmalar, antimikrobiyal aktivite ile aktif bileşenin yüzey konsantrasyonu arasındaki bağlantıyı araştırmaktadır, ancak bu doğrudan görselleştirilmemiştir. Burada, nanopartiküllerin şişme kapsülleme yoluyla bir polimer konak matrisine dahil edilmesini izlemek için güvenilir bir yöntem gösteriyoruz. CdSe / ZnS nanopartiküllerinin yüzey konsantrasyonunun, kesitsel floresan görüntüleme yoluyla doğru bir şekilde görselleştirilebileceğini gösteriyoruz. Bu yöntemi kullanarak, şişme kapsülleme yoluyla nanopartiküllerin alımını ölçebilir ve fonksiyonel malzemelerin aktivitesini optimize etmede anahtar olan kapsüllenmiş partiküllerin yüzey konsantrasyonunu ölçebiliriz.

Giriş

Nanomalzemelerin uygulama uzun yeni teknolojilerin artan ilgi alanı olarak hizmet etmiştir. ^1-3 Bu kozmetik, giysi, ambalaj ve elektronik gibi günlük öğeleri, içinde nanopartiküller artan kullanımı dahil etmiştir. ^4-6 nanopartiküller kullanarak doğru büyük bir sürücü fonksiyonel malzemeler, partikül boyutu değişim ile ayar özelliklerine kabiliyetlerine ilâve olarak, malzeme kendi yüksek reaktivite nisbetle kaynaklanmaktadır. ⁷ bir başka avantajı, örneğin, ev sahibi matriksine önemli özellikleri sokulması kolay kompozit malzemeler oluşturmak üzere özelliğidir katalitik işlevsellik, malzeme güçlendirme ve elektriksel özellikleri ayarlama. ^8-12

Nanopartikül polimer kompozit malzemeler bir dizi teknik ile elde edilebilir, basit olan ev sahibi matriks imalatı esnasında, istenen nanopartiküllerin doğrudan birleştirilmesidir. ^13,14 bu Rboyunca nanopartikülat maddenin düzenli aralıklı homojen malzeme sonuçları · Borçlar. Bununla birlikte pek çok uygulamaları sadece nanokompozitlerin dış arayüzleri mevcut olması aktif malzeme gerektirir. Malzemenin kütlesi boyunca daha nanopartikül atık olarak orada bir sonucu olarak, doğrudan dahil bazen masraflı nanopartikül malzemenin verimli kullanımı ile sonuçlanmaz. ^15,16 doğrudan dahil edilmesini sağlamak üzere, nanopartiküller, aynı zamanda bir ev sahibi matriks oluşumu ile uyumlu olması gerekir. Bu durum özellikle, tipik haliyle yüksek ölçüde aktif nanopartiküller etkilenebilir metal kompleksi katalizörleri mekanizmaları ile kolaylaştırılmaktadır sertleşen polimerler örneğinde olduğu gibi çok yönlü reaksiyonlar gerektiren sentezlerinde, zor olabilir. ^14.

Polimer sentezi sırasında doğrudan nanopartikül eklenmesi ile ilişkili önemli bir dezavantaj, nanopartikül incorporati sınırlamaya yönelik tekniklerin geliştirilmesine yol açmıştıryüzeye katman. ^17-21 Şişme kapsülleme, polimer toplu olarak sınırlı fire ile, yüksek yüzey nanoparçacık konsantrasyonlarını elde etmek için literatürde bildirilen en başarılı yöntemlerden biridir. ^17-19 teknik polimer çözücü tahrik şişmesine kullanır matrisler, moleküler türler ve nanopartiküllerin saldırı için izin. şişen çözücünün çıkarılmasından sonra, matris içindeki türleri yüzeyinde lokalize türlerin en yüksek konsantrasyon, yerine sabit hale gelir. Bugüne kadar, şişme kapsülleme bildirdi kullanımları en aktif maddeler malzemenin yüzeyinde olduğu anahtar antimikrobik polimerlerin üretiminde, doğru yönlendirilir. Bu raporların birçok gelişmiş antimikrobiyal aktivite gösterirken, hassas yüzey nanoparçacık bileşimi nadiren ayrıntılı olarak incelenir. Crick ve ark. Son zamanlarda önemli insi sağlayarak, nanoparçacık saldırı doğrudan görüntülenmesi için bir yöntem gösterdikabarma kapsülleme ile elde kinetik ve yüzey nanoparçacık konsantrasyonlara GHT. ²²

Bu çalışma kadmiyum selenide kuantum noktaları (QD), polidimetilsiloksan (PDMS) ve floresan görüntüleme kullanarak esas doğrudan görselleştirme onların şişme kapsülleme sentezini ayrıntıları. şişme çözeltide şişme kapsülleme zaman ve nanoparçacık konsantrasyonu değiştirilerek etkisi araştırılmıştır. floresans görselleştirme tekniği PDMS halinde nanopartikül saldırı doğrudan görüntüleme sağlar ve QDS yüksek konsantrasyonu, malzemenin yüzeyinde olduğunu gösterir.

Protokol

CdSe / ZnS Çekirdek / Shell Kuantum Noktacıklarının 1. Hazırlık

1. Trioctylphosphine hazırlanması (TOP) -se çözeltisi
   1. (8 mi, tipik olarak 0.4 g TOP 10 ml, reaksiyon başına gerekli) nitrojen altında ya Bir eldiven kutusu içinde, bir Schlenk şişesi içinde üst içine Se uygun bir miktarda karıştırarak TOP selenyum 0.5 M çözelti hazırlayın.
   2. TOP-Se kompleksinin gri bir çözelti elde 1 saat için SE eritmek için karıştırın.
   3. çözüm dondurmak pompa-çözülme 5 kez gazdan arındırılmış sonra emin olun. Elde edilen stok solüsyonu 3 ay boyunca nitrojen altında saklanabilir.
2. CdSe Çekirdek Hazırlanması
   1. kadmiyum oksit (51 mg, 0.4 mmol), üst Oksit (3.7 g, 9.6 mmol) tartılır, heksadesilamin (1.93 g, 8 mmol) ve 1-dodecylphosphonic asit (0.22 g, 0.88 mmol) ve bir üç boyunlu birleştirmek, 250 ml'lik yuvarlak tabanlı bir şişeye. Bir karıştırma çubuğu ekleyin.
   2. septa ve emin olun yakın iki boyunluÜçüncü uzun geri akış kondansatörü ve bir azot / vakum Schlenk hattına bağlanır. karışımı içine doğrudan bir septum üzerinden bir ısıtma mantosu sıcaklık probu yerleştirin. beş kez / Pompa nitrojen ile şişeyi doldurun.
   3. 320 ° C'ye kadar balon ısıtın ve bir azot atmosferi altında 1 saat boyunca eriyik karıştırıldı.
   4. azot ile büyük bir şırınga ve geniş delik iğne kullanın sonra 5 kez gazının (20 ml, 3 mm delik) 270 ° C şöminenin sıcaklığını düşürmek ve.
   5. yukarı TOP-Se solüsyonu (adım 1.1) 8 ml alın ve septum boyunca, üç boyunlu balona dikkatlice ama hızla enjekte edilir.
   6. partiküllerin boyutunu kontrol etmek için en az sn 30 ila 10 270 ° C 'de reaksiyon karıştırılır. Kırmızı emisyon (~ 600 nm) için, 7-9 dakika uygundur.
   7. sonraki reaksiyon karışımına ve yer (reaksiyon kabının yarısı sular altında yeterince büyük) kaynar su bir kase hazırlayın. Reaksiyon süresi tamamlandıktan sonra, hızlı bir şekilde boili reaksiyonu soğutmakdönen suyun ng.
      DİKKAT: Soğutma şişesi çatlamasına neden olabilir. büyük özen ve kalın koruyucu eldiven giyin.
   8. Soğuduktan sonra, tüm ürünleri çözmek için şişeye 10 mL kloroform enjekte ve iki adet 50 ml santrifüj tüplerine arasındaki karışım bölün.
   9. 3.600 x g, 10 dakika süreyle her bir tüp kadar EtOH ve santrifüj ile 50 ml'ye en tanecik çökeltildi. Süpernatant atılır ve n-heksan, 10 ml toplam pelet yeniden dağıtılır.
3. CdSe Core ZnS Bombardımanı:
   1. 100 ml'lik bir heksan içinde çekirdeklerin ekleme yuvarlak tabanlı bir şişe ihtiva eden çinko dietilditiokarbamat (0.5 g, 1.4 mmol), oleilamin (3 mL, 9.12 mmol), trioctylphosphine (3 mi, 6.73 mmol) ve 1-oktadesen (10 mi). Bir karıştırma çubuğu ekleyin. azota Reaksiyon atmosfer değiştirin.
   2. 70 ° C'ye kadar kısmi vakum altında 3.3 ° C / dk bir ocak-karıştırıcıda reaksiyon ısısı ve Schlenk hat kullanılarak heksan çıkarın.
   3. nitrojen atmosferi geçiş ve 120 ° C'ye kadar bu hızda ısıtma devam eder. 2 saat boyunca 120 ° C'de karıştırılır.
   4. Reaksiyon soğumaya bırakın ve 2 × 50 ml santrifüj tüplerine arasında karışım bölün. Tüpler 10 dakika boyunca 3.600 x g'de parçacıkları ve santrifüj çökeltilmesi için EtOH ile 50 ml'ye kadar tepesinde emin olun.
   5. Süpernatant atılır ve n-heksan, 10 ml toplam pelet yeniden dağıtılır.
   6. üç aya kadar bir azot atmosferi altında, bir buzdolabı (4 ° C) santrifüje Bu çözeltiye (3600 xg, 10 dakika) bir deney tüpüne boşaltılmıştır önce, herhangi bir çözülmeyen pislikleri ortadan kaldırmak için bir kez daha yüksek ve saklayın.

PDMS içine Nanopartiküller 2. şişmesi Kapsülleme

1. Çözüm Hazırlığı Şişme:
   1. 4 (sentez gibi) CdSe QD dispersiyon ml n-heksan 36 ml karıştırılarak CdSe QDS bir stok çözeltisi hazırlanır ve manyetik solüsyonu ilave edin.
   2. bir kenara iki şişe belirlenen şişme çözümleri gibi stok solüsyonu 9 ml içeren her ayarlayın.
   3. QD konsantrasyonları daha da şişme çözeltilerin hazırlanması için stok çözeltisi kalan kullanın. % 66 (h / h) çözeltisi,% 50 çözeltisi ve% 33 çözelti elde stok çözelti seyreltilerek azaltılması QD konsantrasyon üç şişlik çözümleri hazırlayın.
      1. n-heksan 3 ml CdSe QD stok çözeltisi 6 ml karıştırılarak% 66 (h / h) çözeltisi hazırlayın. sıyırınız manyetik solüsyonu ilave edin.
      2. 4.5 mi n-heksan ile CdSe QD stok çözeltisi 4.5 ml karıştırılarak% 50 (h / h) çözeltisi hazırlayın. sıyırınız manyetik solüsyonu ilave edin.
      3. n-heksan 6 ml CdSe QD stok çözeltisi 3 ml karıştırılarak% 33 (h / h) çözeltisi hazırlayın. sıyırınız manyetik solüsyonu ilave edin.
   4. Oda sıcaklığında, karanlık koşullarda QD çözümleri her saklayın.
2. Polimer Hazırlama ve QD Kuruluş - Şişme Çözüm QD Konsantrasyon Çeşitlendirme:
   1. taze neşter bıçak kullanarak dört tıbbi silikon kareler (11 mm x 11 mm) kesin.
   2. % QD konsantrasyonunun değiştirilmesi dört şişme çözeltinin her bir tıbbi silikon kare daldırın: Stok solüsyonu,% 66 (h / h),% 50 (h / h) ve% 33 (hac / hac). Polimer numuneleri karanlık koşullarda 24 saat boyunca şişmeye sahip ve oda sıcaklığında karıştırılmıştır.
   3. artık çözücü buharlaşır ve polimerler geri onların ilk boyutlara küçültmek, bu süre zarfında 48 saat, karanlık koşullarda şişme çözümleri ve hava kuru ilgili gelen şişmiş polimer örnekleri çıkarın.
   4. Herhangi bir yüzey bağlanmış malzemeleri uzaklaştırmak için deiyonize su ile iyice QD-dahil numune yıkanır.
3. Polimer Hazırlama ve QD Kuruluş - Şişme Çözüm Polimer Pozlama Süresi değiştirilmesi:
   1. 2.2.1 de belirtildiği gibi, dört tıbbi silikon kareler (11 mm x 11 mm) hazırlayın.
   2. süreler değişen için stok şişme çözeltide tıbbi silikon kareler daldırın: 1 saat, 3 saat, 6 saat ve 24 saat.
   3. şişen çözeltiden çıkarıldıktan sonra, bir hava numunesinin geri önceki boyutlarına büzülür, böylece, 48 saat süre ile karanlık koşullarda şişmiş polimer örnekleri kurutun.
   4. bir yüzeye bağlı malzemeler ya da kalan solventin çıkması için deiyonize su ile iyice QD-dahil numune yıkanır.

Nanoparçacığı 3. Görselleştirme PDMS içine Kapsüllenmesi'nin Swell

1. Silikon Numune Hazırlama:
   1. taze neşter bıçağı (5,5 mm x 11 mm) ile iki silikon kareler kesip. Bu silikon örneklerinin iç yüzeyini ortaya emin olun.
2. Floresans Görüntüleme:
   1. Bir mikroskobik silikon örnekleri yerleştirinpolimer taze kesilmiş yan cam slayt ile tam temas edinceye sağlamak görüntüleme için pe slayt. mikroskop lamı ile pürüzsüz temas sağlamak için hafifçe silikon kısmı aşağı doğru bastırın. mikroskop sahnede örnek yerleştirin.
   2. 20 MHz ya da benzer bir oranda 5 Yönlendirme ve İcra Komitesinin puls içeren bir 488 nm spektral filtre lazer hattı kullanarak tam süresi floresans ölçümleri. ²³ kullanımlar bir akusto-optik ayarlanabilir filtre sistemi, lazer çıkışına doğrudan çift 488 üretmek için nm lazer hattı. numune üzerine daha sonra bir 10X objektif arka boşluğuna bir dikroik ayna (488 nm) tarafından yansıtılan ve özel bir dahili lazer tarama ünitesi (ek bilgileri görmek) kullanarak lazer ışını odaklanın.
      1. daha sonra aynı dikroik ayna geçtiği, aynı amaçla floresan emisyon toplayın. tek foton sayma modunda çalışan bir çığ fotodiyot doğru bu ışığı doğrudan. Proses lifeti bir zaman ilişkili tek foton sayma (TCSPC) tahta kullanarak beni ölçümleri. ²³
   3. Başında alet tepkisi fonksiyonu (IRF) ve her deney oturumun sonuna kaydedin. ²³
      Not: TCSPC deneyde kaydedilen sinyal dedektörü de fotonlar geliş ve sonraki lazer darbesinin üretimi arasındaki zaman gecikmesini göstermelidir. Bu gecikme süresi, ancak ölçüm cihazının IRF konvolüsyon edilmelidir. Bu nedenle, IRF enstrümantal karşılığı ile karşılaştırıldığında, önemli ölçüde daha kısa bir kullanım süresi (~ 100 Yönlendirme ve İcra Komitesinin) sahiptir, 100 nM Oramin O, enstrümanın tepki olarak ölçülür.
   4. Floresan yoğunluğu üstel çürüme doğrusal olmayan uydurma ile ömrünü ayıklayın ve maksimum olabilirlik tahmin edicisi (MLE) algoritmasını ^25-27 kullanılarak IRF bu deconvolute. E (γ _j) olarak hesaplanır
      eq1.jpg "/>
      _N kanal i foton sayımı sayısı olduğu, K, her floresans bozunma için kanallar (ya da depo) sayısını, _P (j) bir foton grubu parçacıkları i var ise kanal düşecek olasılığıdır bir kullanım süresi J ve K, belirli bir çürüme sayımların sayısıdır.
   5. boyutu 512 x 512 piksel 264 görüntü oluşan sürekli bir tarama meydana 5 dakika boyunca her bir örnek floresans yoğunluğu ve süresi kaydedilmektedir. Bu 150 fotonların eşik ve süreç bu kullanarak MATLAB ile hesaplanan MLE ile, iki boyutlu floresan, ömrünü ve yoğunluğu ağırlıklı ömür boyu haritalar sunmak için birleştirin.

Sonuçlar

Kuantum noktaları yaklaşık 600 nm'lik bir lambda maks, kırmızı floresans sergilenmektedir. ^22,28 kırmızı salma büyüklüğü boyutlarındaki güçlü bir sınırlandırıcı rejimi dahilinde kuantum çubuk tarafından eksiton sınırlandırılması kaynaklanmaktadır. Li ve diğ., Kuantum çubukları emisyon değişimleri genişliği veya çubuk uzunluğu ya da bir artış ile enerji düşük olduğunu göstermiştir. Bunlar daha da emisyon esas çubuklar genişliği güçlü hapsi olduğu gibi, söz konusu malze...

Tartışma

Kesitsel floresan görüntüleme, şişme kapsülleme sırasında nanopartiküllerin doğrudan görselleştirilmesine olanak tanır. Kapsüllemenin kinetiği, yüksek nanopartikül yüzey konsantrasyonuna doğru ilerleme gösterilerek gösterilmiştir. Nanopartikül katılımının kapsamının, şişme kapsülleme süresine (bölüm 2.3'te açıklanmıştır) göre değiştiği, bu süre uzadıkça dahil edilen nanopartiküllerin toplam miktarının arttığı ve polimer numuneleri kullanılıyorsa partikül konsantrasyonunun yüzeyde lokalize olduğu gösterilmiştir. Nanoparti...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Polidimetilsiloksan levhalar	NuSil-Tıbbi		Sınıf Olelamin
	Sigma Aldrich	O7805	Teknik Sınıf
Trioktilfosfin	Sigma Aldrich	117854	Teknik Sınıf
Trioktilfosfin oksit	Sigma Aldrich	346187	Teknik Sınıf
1-Oktadesen	Sigma Aldrich	O806	Teknik Sınıf
Çinko dietilditiokarbamat	Sigma Aldrich		329703-Oleik
asit	Sigma Aldrich	364525	Teknik Sınıf
Trietilamin	Sigma Aldrich		471283-Kadmiyum
oksit	Alfa Aesar	33235-Hekzadesiblamin
	Alfa Aesar	B22459	Teknik Sınıf
1- Dodesilfosfonik asit	Alfa Aesar	H26259-Selenyum
tozu	Acros	19807-Kloroform
	Sigma Aldrich
366919-n-Hekzan	Sigma Aldrich		208752-Mikroskop
slaytları	VWR	631-0137	Kalınlık No. 1