Introduction
Die Anwendung von Nanomaterialien ist seit langem als ein Gebiet von Interesse für neue Technologien zu erhöhen serviert. 1-3 Diese die wachsende Verwendung von Nanopartikeln in Artikel des täglichen Bedarfs enthalten ist, einschließlich Kosmetika, Kleidung, Verpackung und Elektronik. 4-6 Ein Hauptantrieb zu Nanopartikeln in funktionellen Materialien ergibt sich aus ihrer höheren Reaktivität gegenüber den Materialien zusätzlich zu der Fähigkeit, tune Eigenschaften durch Variation der Partikelgröße. 7 Ein weiterer Vorteil die Fähigkeit , leicht zu Verbundmaterialien bilden, entscheidenden Eigenschaften der Wirtsmatrix einzuführen, wie beispielsweise katalytische Funktionalität, Material Stärkung und Optimierung der elektrischen Eigenschaften. 8-12
Nanopartikel-Polymer - Verbundstoffe können durch eine Reihe von Techniken erreicht werden, die einfachste davon ist die direkte Integration der gewünschten Nanopartikel während der Herstellung der Wirtsmatrix. 13,14 Diese rrgebnisse in einem homogenen Material mit einer gleichmäßigen Abstand von nanopartikulären Material im gesamten Gebäude. Jedoch erfordern viele Anwendungen nur das aktive Material an den äußeren Grenzflächen der Nanokomposite vorliegen. Als Ergebnis Material direkte Einbindung führt nicht zu einer effizienten Nutzung der manchmal teuer Nanopartikel , da es viel Nanopartikel Abfall durch die Masse des Materials ist. 15,16 direkte Einbindung zu erreichen, auch die Nanopartikel mit dem Host - Matrixbildung kompatibel sein müssen. Dies kann schwierig sein, insbesondere in Synthesen , die vielseitige Reaktionen wie im Falle von duroplastischen Polymeren erfordern , die durch Metallkomplexkatalysatoren Mechanismen typischerweise erleichtert werden, die von hochaktiven Nanoteilchen beeinträchtigt werden kann. 14
Die erheblichen Nachteile, die mit direkten Nanoteilchen Inkorporation während der Polymersynthese, hat zur Entwicklung von Verfahren geführt, ausgerichtet Nanopartikel diedrei zu begrenzenauf der Oberflächenschicht. 17-21 Swell Kapselung ist eine der erfolgreichsten Strategien in der Literatur berichtet, hohe Oberflächennanopartikelkonzentrationen mit begrenztem Streuverluste in der Polymermasse zu erreichen. 17-19 Die Technik des Lösungsmittels angetrieben Quellung des Polymers verwendet Matrizen, so dass für das Eindringen von molekularen Spezies und Nanopartikel. Nach dem Entfernen des quellenden Lösungsmittels, die Spezies innerhalb der Matrix geworden in Position fixiert ist, mit der höchsten Konzentration der Spezies an der Oberfläche lokalisiert. Bis heute sind die meisten der berichteten Verwendungen von Dünung Verkapselung in Richtung der Herstellung von antimikrobiellen Polymeren gerichtet, wo es Schlüssel ist, dass die aktiven Mittel an der Materialoberfläche sind. Während viele dieser Berichte verbesserte antimikrobielle Aktivität zeigen, wird die genaue Oberfläche Nanopartikel Zusammensetzung selten im Detail untersucht. Crick et al. Haben kürzlich gezeigt , ein Verfahren für die direkte Visualisierung von Nanopartikel incursion, Bereitstellen entscheidend insight in der Kinetik und Oberflächennanopartikelkonzentrationen durch Seegang Verkapselung erreicht. 22
Diese Arbeit beschreibt die Synthese von Cadmiumselenid Quantenpunkten (QD), deren Quellung Einkapselung in Polydimethylsiloxan (PDMS) und die direkte Sichtbarmachung ihrer Inkorporation unter Verwendung von Fluoreszenz-Bildgebung. Die Wirkung von variierenden Dünung Einkapselung Zeit und Nanopartikelkonzentration in der Quell-Lösung wird untersucht. Die Fluoreszenz-Visualisierungstechnik ermöglicht die direkte Abbildung von Nanopartikel-Einfall in den PDMS und zeigt, dass die höchste Konzentration von QD an der Materialoberfläche ist.
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Protocol
1. Herstellung von CdSe / ZnS Kern / Schale Quantum Dots
- Vorbereitung der Trioktylphosphin (TOP) -Se Lösung
- Bereiten Sie eine 0,5 M-Lösung von Selen in TOP durch die entsprechende Menge an Se in TOP in einem Schlenk-Kolben unter Stickstoff Mischen oder in einer Glovebox (8 ml pro Reaktion erforderlich ist, in der Regel 0,4 g in 10 ml TOP) gelöst.
- Rühren Sie die Mischung die Se 1 Stunde auflösen, was zu einer grauen Lösung des TOP-Se-Komplex.
- Sicherzustellen, die Lösung wird dann gefrier Pump-Auftau-5-mal entgast. Die sich ergebende Stammlösung kann für 3 Monate unter Stickstoff aufbewahrt werden.
- Herstellung der CdSe - Kerne
- Abwiegen Cadmiumoxid (51 mg, 0,4 mmol), TOP oxid (3,7 g, 9,6 mmol), Hexadecylamin (1,93 g, 8 mmol) und 1-dodecylphosphonic säure (0,22 g, 0,88 mmol) und verbinden sich in einem Dreihals-250 ml-Rundkolben. Fügen Sie einen Rührstab.
- Schließen zwei Hälse mit Septen und sicherzustellen,die dritte ist mit einem langen Rückflußkühler und einem Stickstoff / Vakuum-Schlenk Leitung angeschlossen. Legen Sie eine Heizmantel Temperaturfühler durch ein Septum direkt in die Mischung. Pumpe / füllen Sie den Kolben mit Stickstoff fünfmal.
- Heizen Sie den Kolben auf 320 ° C und unter Rühren der Schmelze 1 Stunde unter einer Stickstoffatmosphäre.
- Senken Sie die Temperatur des Mantels bis 270 ° C und dann verwenden, um eine große Spritze und breite Bohrung Nadel (20 ml, 3 mm Bohrung) zum Entgasen mit Stickstoff 5 mal.
- Nehmen Sie bis 8 ml der TOP-Se-Lösung (Schritt 1.1) und injizieren vorsichtig, aber schnell in den Dreihalskolben, durch das Septum.
- Rühre das Reaktionsgemisch bei 270 ° C für 30 sec und 10 min, um die Größe der Teilchen zu steuern. Für rote Emission (~ 600 nm), 7-9 min geeignet.
- Bereiten Sie eine Schüssel Wasser (groß genug, um die Hälfte des Reaktionsgefäßes zu versenken) siedendes und Platz neben der Reaktionsmischung. Nach der Reaktionszeit beendet ist, kühlt schnell die Reaktion in der boiling Wasser mit wirbelnden.
ACHTUNG: Die Kühlung kann der Kolben führen zu knacken. Achten Sie unbedingt auf und tragen dicke undurchlässige Handschuhe verwenden. - Nach dem Abkühlen injizieren 10 ml Chloroform in den Kolben alle Produkte zu lösen, und teilen Sie die Mischung zwischen zwei 50 ml Zentrifugenröhrchen.
- Top up jedes Rohr bis zu 50 ml mit EtOH und Zentrifuge bei 3.600 × g für 10 min die Partikel auszufällen. Überstand verwerfen und neu zu verteilen, die Pellets in einer Gesamtmenge von 10 ml n-Hexan.
- ZnS Beschuss der CdSe Kern:
- Fügen Sie die Kerne in Hexan in einen 100 ml Rundkolben, der Zinkdiethyldithiocarbamat (0,5 g, 1,4 mmol), Oleylamin (3 ml, 9,12 mmol), Trioctylphosphin (3 ml, 6,73 mmol) und 1-Octadecen (10 ml). Fügen Sie einen Rührstab. Tauschen Sie die Reaktionsatmosphäre zu Stickstoff.
- Die Reaktion wird auf einer Heizplatte-Rührer bei 3,3 ° C / min unter einem Teilvakuum bis 70 ° C, und entfernen Sie das Hexan, um die Schlenk-Leitung. Schalten Sie die Atmosphäre in Stickstoff und weiterhin Erhitzen bei dieser Geschwindigkeit bis 120 ° C. Man rührt bei 120 ° C für 2 Stunden.
- Lassen Sie die Reaktion abkühlen, und teilen Sie die Mischung zwischen 2 x 50 ml Zentrifugenröhrchen. Sicherstellen, dass die Röhrchen werden auf 50 ml mit EtOH nachgefüllt, um die Teilchen und zentrifugieren bei 3.600 × g für 10 min ausgefällt.
- Überstand verwerfen und neu zu verteilen, die Pellets in einer Gesamtmenge von 10 ml n-Hexan.
- Zentrifuge Diese Lösung (3.600 xg, 10 min) einmal alle unlöslichen Verunreinigungen zu entfernen, bevor sie in ein Probenröhrchen dekantiert wird, und lagern in den Kühlschrank (4 ° C) unter einer Stickstoffatmosphäre für bis zu drei Monaten.
2. Geschwulst Verkapselung von Nanopartikeln in PDMS
- Anschwellen Herstellung der Lösung:
- Bereiten Sie eine Stammlösung von CdSe QD durch Mischen 36 ml n-Hexan mit 4 ml CdSe QD Dispersion (wie synthetisiert) und rühren die Lösung magnetisch. </ Li>
- Nehmen Sie sich zwei Fläschchen mit je 9 ml der Stammlösung als Designated Quelllösungen.
- Verwenden Sie den Rest der Stammlösung zur Herstellung von weiteren Anschwellen Lösungen von QD-Konzentrationen variieren. Bereiten drei Quelllösungen abnehmender Konzentration QD von der Stammlösung Verdünnen einer 66% (v / v) Lösung, 50% ige Lösung und 33% Lösung zu ergeben.
- Bereiten Sie die 66% (v / v) Lösung, die durch Mischen von 6 ml der CdSe QD Stammlösung mit 3 ml n-Hexan. Rühren Sie die Lösung magnetisch vollständige Durchmischung zu gewährleisten.
- Bereiten Sie die 50% (v / v) Lösung von 4,5 ml der CdSe QD-Stammlösung mit 4,5 ml n-Hexan gemischt wurde. Rühren Sie die Lösung magnetisch vollständige Durchmischung zu gewährleisten.
- Bereiten Sie die 33% (v / v) Lösung, die durch Mischen von 3 ml der CdSe QD Stammlösung mit 6 ml n-Hexan. Rühren Sie die Lösung magnetisch vollständige Durchmischung zu gewährleisten.
- Speichern Sie alle der QD-Lösungen unter dunklen Bedingungen, bei Raumtemperatur. </ Li>
- Polymerherstellung und QD Incorporation - Variieren der QD - Konzentration in der Quell - Lösung:
- Schneiden Sie vier medizinischem Silikon Quadrate (11 mm x 11 mm) mit einem frischen Skalpell verwendet wird.
- Tauchen Sie ein medizinisches Silikon Platz in jeder der vier Quellen Lösungen unterschiedlicher% QD-Konzentration: Stammlösung, 66% (v / v), 50% (v / v) und 33% (v / v). Lassen Sie die Polymerproben für 24 Stunden unter dunklen Bedingungen zu quellen, und bei Raumtemperatur.
- Entfernen Sie die gequollenen Polymerproben aus dem jeweiligen Schwellung Lösungen und der Luft trocknen unter dunklen Bedingungen für 48 Stunden, während welcher Zeit das restliche Lösungsmittel verdampft und die Polymere wieder auf ihre ursprünglichen Abmessungen schrumpfen.
- Waschen Sie die QD-integriert Proben mit entsalztem Wasser gründlich jegliche Oberfläche gebundenen Materialien zu entfernen.
- Polymerherstellung und QD Incorporation - Variation der Belichtungs Polymer Zeit zur Quellung Lösung:
- Bereiten Sie vier weitere medizinischem Silikon Quadrate (11 mm x 11 mm), wie in 2.2.1 angegeben.
- Tauchen Sie die medizinischem Silikon Quadrate in den Aktien Anschwellen Lösung für Zeiträume variiert: 1 Stunde, 3 Stunden, 6 Stunden und 24 Stunden.
- Nach der Entnahme aus der Quell-Lösung, trockene Luft die geschwollenen Polymerproben unter dunklen Bedingungen für 48 Stunden, so dass die Probe auf seine früheren Dimensionen schrumpft zurück.
- Waschen Sie die QD-integriert Proben mit entsalztem Wasser gründlich jegliche Oberfläche gebundenen Materialien oder das restliche Lösungsmittel zu entfernen.
3. Visualisierung von Nanoparticle Swell Encapsulation in PDMS
- Silikon - Probenvorbereitung:
- Schneiden Sie zwei Silikon-Quadrate mit einem frischen Skalpellklinge (5,5 mm x 11 mm). Stellen Sie sicher, dass dies die innere Oberfläche der Siliconproben aussetzt.
- Fluoreszenz - Imaging:
- Legen Sie die Silikon Proben auf einem microscope Rutsche für die Bildgebung, um sicherzustellen, dass die frisch geschnittenen Seite des Polymer vollen Kontakt mit dem Glasträger macht. Drücken Sie die Silikon-Teil leicht nach unten einen glatten Kontakt mit dem Objektträger zu gewährleisten. Legen Sie die Probe auf der Bühne des Mikroskops.
- Komplette Lebensdauermessungen Fluoreszenz eine 488 nm spektral gefilterte Laserlinie , umfassend von 5 psec Impulse mit einer Rate von 20 MHz oder ähnliche. 23 Verwendung eines akustooptischen abstimmbaren Filtersystem, um direkt Paar an den Laserausgang, um unter Verwendung des 488 zu erzeugen , nm Laserlinie. Fokus des Laserstrahls mit einem maßgeschneiderten Laserscaneinheit (siehe Zusatzinformationen), die durch einen dichroitischen Spiegel (488 nm) in die hintere Öffnung eines 10X-Objektiv und dann auf die Probe reflektiert wird.
- Sammeln Sie die Fluoreszenzemission mit dem gleichen Ziel, dass dann der gleichen dichroitischen Spiegel durchläuft. Richten Sie dieses Licht in Richtung einer Lawinenphotodiode in Einzelphotonenzählung Modus arbeitet. Prozess lifeti mir Messungen eine zeitkorrelierte Einzelphotonenzählung (TCSPC) Board verwendet wird . 23
- Nehmen Sie das Gerät Antwortfunktion (IRF) am Anfang und am Ende eines jeden experimentellen Sitzung. 23
Hinweis: Das aufgezeichnete Signal in der TCSPC Experiment sollte zwischen der Photonen Ankunft am Detektor und die Herstellung der nachfolgenden Laserpulses die Zeitverzögerung zeigen. Diese Zeitverzögerung sollte jedoch mit der IRF der Meßvorrichtung gefaltet werden. Daher wird das IRF als Antwort des Instruments gemessen auf 100 nM Auramin O, die eine wesentlich kürzere Lebensdauer hat (~ 100 psec) im Vergleich zu der Instrumentenantwort. - Extrahieren , die Lebensdauer durch nichtlineare Einpassen des exponentiellen Abfall der Fluoreszenzintensität und Dekonvolution dies aus der IRF unter Verwendung eines Maximum - Likelihood - Schätzer (MLE) -Algorithmus 25-27. Die MLE (γ j) wird wie folgt berechnet
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Wobei n i die Anzahl der Photonenzählereignisse in Kanal i, k die Anzahl der Kanäle (oder Behälter) für jede Fluoreszenzabklingzeit ist, p i (j) die Wahrscheinlichkeit , dass eine Gruppe von Photonen in Kanal fallen i , wenn die Partikel eine Lebensdauer j und N die Gesamtanzahl von Zählwerten für einen gegebenen Zerfall. - Nehmen Sie jede Probe Fluoreszenzintensität und Lebensdauerdaten für 5 min, eine kontinuierliche Abtastung, bestehend aus 264 Bilder mit einer Größe von 512 × 512 Pixeln zu schaffen. Kombinieren Sie diese zweidimensionalen Fluoreszenzintensität zu liefern, Lebensdauer und Intensität gewichtete Lebensdauer Karten, mit einem berechneten MLE mit Schwelle von 150 Photonen und verarbeiten diese mit MATLAB.
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Representative Results
Die Quantenpunkte rote Fluoreszenz, mit einem Lambda - Max von etwa 600 nm aufwiesen. 22,28 Die rote Emission war wegen der Begrenzung der Exzitonen durch die Quantenstange , deren Größenmaße innerhalb der starken Confinement - Regime. Li et al. Zeigten , daß die Emissionsverschiebungen für Quantenstäbe, Energie mit einer Zunahme in entweder der Stabbreite oder -länge zu senken. Sie zeigten ferner , daß die Emission hauptsächlich durch die seitliche Begrenzung bestimmt, die auch eine wichtige Rolle spielt , wenn Stäbe sehr lang sind, insbesondere wenn die Breite kleiner als der Bohr - Radius des Materials in Frage , wie sie in der starken Confinement Regimes. 29 Transmissionselektronenmikroskop (TEM) Abbildungs zeigt die längliche Form der QD (aspect ratio ~ 2.5). Die durchschnittliche Länge der QD wurde gezeigt , 12.6 sein nm ± 2,1 nm (n = 200) (Abbildung 1). Die QD-Lösungen waren stabil unter Kühlung für bis zu 3 monate. Geringere Vergrößerung Bilder der QDs sind in der ergänzenden Informationen (SI - 1).
Während des Einkapselungsverfahrens, die Silikonproben visuell gequollen, erweitert zu einer maximalen Größe von 15 mm × 15 mm × 2 mm nach 1 Stunde in der Schwellung (original Abmessungen 11 mm × 11 mm × 1 mm). Die Proben geschrumpft zu ihrer ursprünglichen Größe , sobald das restliche Lösungsmittel verdampft (Abbildung 2). UV-Vis-Spektroskopie zeigte, dass Nanopartikel Verkapselung nicht Polymerfärbung nicht beeinträchtigte, wodurch Spektren für alle der eingekapselten Proben unverändert. Rasterelektronenmikroskop (REM) Abbildung des Silicon nachfolgenden Verkapselung aufquellen zeigte, dass an der Oberfläche zu knittern, die durch die Dünung Schrumpfprozess. Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) -Analyse zeigte Beweise für die CdSe QD und angegeben es eine Zunahme in der Gegenwart dieser Elemente war (Cd / Se) mit Schwellung tich mich. Das große Detektionsvolumen der EDS-Analyse war es nicht für eine zuverlässige quantitative Analyse der Oberflächenabdeckung. REM-Aufnahme und EDS-Daten werden in Zusatzinformation (SI - 2/3) zur Verfügung gestellt.
Das Profil des Nanopartikels Penetration durch das Polymer wurde durch Querschnitts Schneiden der Silikonproben, gezeigt in Kombination mit Laser-Anregung (im Ergänzungsinformationen SI dargestellt Mikroskopaufbau - 4). Die fluoreszierenden QD Nanoteilchen reagiert auf die 488 nm einfallenden Laserscanning, in den roten Bereich des sichtbaren Spektrums emittieren Licht. Die Beispieldaten zeigten, dass CdSe QD wurden an den Außenflächen des Silikon konzentriert, mit einem im Wesentlichen reduzierten Signals von der Mitte der Probe stammen. Der Einfall der QDs in das Silikonpolymer wurde unter Verwendung abgebildete zweidimensionale Intensitäts gewichtete Lebensdauer (τw) Karten (Photonenzählung × Lebensdauer). Die Belichtung des Quer Sectional Profil entlang der Mitte der Silikonproben sichergestellt , dass das volle Ausmaß der Nanopartikel Bewegung durch das Polymer sichtbar gemacht werden konnten (3). Längere swell Einkapselung Zeiten (48 Stunden) zur Verfügung gestellten Proben mit sowohl der höchsten Oberflächenkonzentration von Partikeln und höchste Menge an Partikel Permeation durch zu der Masse des Polymers bis hin zu der Probe entfernt. Kürzere Zeiten Einkapselung Zeiten (1, 4 und 24 Stunden) , zeigen immer noch eine höhere Anzahl von Partikeln an der Oberfläche, aber die Anzahl von Teilchen reduziert wird (Abbildung 3). Serielle Verdünnungen der Stammlösung (100%) wurden verwendet, um die Effekte des Variierens der Nanopartikelkonzentration auf die spätere Aufnahme von Nanopartikeln in das Polymer zu untersuchen. Die Stammlösung wurde verdünnt, um die folgende relative Konzentration Anschwellen Lösungen auf 66%, 50% und 33% v zu erreichen: v. Keine erkennbaren Unterschiede bei der Fluoreszenzbildgebung wurde beobachtet, wenn die Konzentration variiert wurde, wenn Seegang 48 Stunden verkapselt, was darauf hinweist, dass die Quell-Lösung Nanopartikel-Konzentration der Nanopartikel-Aufnahme in das Polymer nicht beeinträchtigen.
Die höchste Nanopartikel Oberflächenkonzentration wurde beobachtet, für die Proben 48 Stunden lang verkapselt anschwellen. Die Fluoreszenzintensität dieser Proben ist vergleichbar mit der in der Quell-Lösung [~ 0,7 & mgr; M] (Ergänzende Informationen - SI - 5). Die maximale Eindringen von Partikeln gezeigt, von der Außenkante zu ~ 163 & mgr; m, wobei die Konzentration nach 100 & mgr; m Halb Maximum erreicht. Die Rate der maximalen Partikelpenetration wird gezeigt als Verkapselung Zeit Anstieg zu bremsen ist, von einer durchschnittlichen Penetrationsrate von 3,4 um / Stunde 48 Stunden Proben, zu einer Geschwindigkeit von 28 & mgr; m / h Proben zunehmende schwellen für 4 Stunden laminiert (Ergänzende Informationen - SI - 5).
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Abbildung 1. Quantum Dot Images. CdSe / ZnS QD TEM - Aufnahmen zeigen Stab wie Nanopartikel. Maßstabsbalken zeigt 10 nm. Umrisse der einzelnen Partikel überlagert werden. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Abbildung 2. Polymerquellung. Fotografie zeigt die Silikonproben (a) vor, (b) während und (c) nach dem Lösungsmittel induzierte Schwellung. Die Größenzunahme (von 11 mm bis 15 mm) wird nach vollständiger Trocknung des Silikon umgekehrt. Maßstabsbalken zeigt 10 mm. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 
Abbildung 3. Fluoreszenz - Lebensdauer Bilder. Bilder zeigt 2D - Intensität gewichtete Lebensdauer Karten (Photonenzahl Lebensdauer). Die Bilder zeigen die Querschnittsprofile der Mitte der Polymerteile nach: (A) 0 Stunden, (B) 1 Stunde (C) 4 Stunden (D) 24 Stunden , und (E) 48 Stunden nach der Dünung-Verkapselung . (F) Encapsulation Fortschritt wird durch die Analyse der normalisierte Intensität Lebensdauer für jedes Bild gewogen gezeigt. Maßstabsbalken zeigen 100 & mgr; m. Die Fehlerbalken sind eine Standardabweichung der Variation zeigen in den erzielten Ergebnissen. Diese Zahl wurde von modifizierten [22], mit Genehmigung der Royal Society of Chemistry. Bitte klicken Sie hier , um die view eine größere Version dieser Figur.
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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 |
References
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