Erweiterte Analyse der Zusammensetzung von Nanopartikel-Polymer Composites mittels direkter Fluoreszenz-Imaging

Summary

Here we present a reliable method to monitor the incorporation of nanoparticles into a polymer host matrix via swell encapsulation. We show that the surface concentration of cadmium selenide quantum dots can be accurately visualized through cross-sectional fluorescence imaging.

Abstract

The fabrication of polymer-nanoparticle composites is extremely important in the development of many functional materials. Identifying the precise composition of these materials is essential, especially in the design of surface catalysts, where the surface concentration of the active component determines the activity of the material. Antimicrobial materials which utilize nanoparticles are a particular focus of this technology. Recently swell encapsulation has emerged as a technique for inserting antimicrobial nanoparticles into a host polymer matrix. Swell encapsulation provides the advantage of localizing the incorporation to the external surfaces of materials, which act as the active sites of these materials. However, quantification of this nanoparticle uptake is challenging. Previous studies explore the link between antimicrobial activity and surface concentration of the active component, but this is not directly visualized. Here we show a reliable method to monitor the incorporation of nanoparticles into a polymer host matrix via swell encapsulation. We show that the surface concentration of CdSe/ZnS nanoparticles can be accurately visualized through cross-sectional fluorescence imaging. Using this method, we can quantify the uptake of nanoparticles via swell encapsulation and measure the surface concentration of encapsulated particles, which is key in optimizing the activity of functional materials.

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.

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,…

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 Begrenzun…

Discussion

Cross-sectional fluorescence imaging allows for direct visualization of nanoparticles during swell encapsulation. The kinetics of encapsulation has been shown, with the drive toward a high nanoparticle surface concentration demonstrated. The extent of nanoparticle incorporation is shown to vary with swell encapsulation time (described in section 2.3), with the total amount of incorporated nanoparticles increasing as this time is extended, with the particle concentration localized at the surface if the polymer samples are…

Materials

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