Análisis de la composición avanzada de compuestos de nanopartículas poliméricas Uso de la imagen de fluorescencia directa

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

La aplicación de nanomateriales ha servido durante mucho tiempo como un área de creciente interés para las nuevas tecnologías. ^1-3 Esto ha incluido el creciente uso de nanopartículas en artículos de uso diario, incluyendo los cosméticos, la ropa, el envasado y la electrónica. ^4-6 Una unidad importante hacia el uso de nanopartículas en materiales funcionales se debe a su mayor reactividad con respecto a los materiales, además de la capacidad de propiedades ajustar por variación de tamaño de partícula. ⁷ Una ventaja adicional es la capacidad de formar fácilmente materiales compuestos, la introducción de propiedades cruciales a la matriz huésped, tal como funcionalidad catalítica, material de refuerzo y puesta a punto de las propiedades eléctricas. ^8-12

Materiales compuestos de nanopartículas poliméricas se pueden lograr a través de una serie de técnicas, la más simple de las cuales es la integración directa de las nanopartículas deseadas durante la fabricación de la matriz de acogida. ^13,14 Esta resultados en un material homogéneo con una separación incluso de material de nanopartículas en todas partes. Sin embargo, muchas aplicaciones requieren solamente el material activo a estar presentes en las interfaces externas de los nanocompuestos. Como resultado, la incorporación directa no resulta en un uso eficiente de material de nanopartículas a veces costosa ya que hay mucho desperdicio de nanopartículas a través de la mayor parte del material. ^15,16 Para lograr la incorporación directa, las nanopartículas también deben ser compatibles con la formación de matriz anfitrión. Esto puede ser un reto, especialmente en las síntesis que requieren reacciones multifacéticos, tales como en el caso de los polímeros termoestables que son típicamente facilitada por metales mecanismos catalizadores de complejo que pueden ser afectados por las nanopartículas altamente activos. ¹⁴

Las desventajas considerables asociados con la incorporación de nanopartículas directa durante la síntesis del polímero, ha llevado al desarrollo de técnicas destinadas a limitar de plástic nanopartículassobre la superficie de la capa. ^17-21 encapsulación Swell es una de las estrategias más exitosas en la literatura, para alcanzar concentraciones de nanopartículas de superficie de altura, con el desperdicio limitada en el grueso del polímero. ^17-19 La técnica utiliza el disolvente impulsado hinchazón de polímero matrices, lo que permite la incursión de especies moleculares y nanopartículas. Tras la eliminación del disolvente de hinchamiento, las especies dentro de la matriz quedan fijados en su lugar, con la mayor concentración de especies localizadas en la superficie. Hasta la fecha, la mayoría de los usos notificados de encapsulación oleaje se dirigen hacia la fabricación de polímeros antimicrobianos, donde es fundamental que los agentes activos están en la superficie del material. Si bien muchos de estos informes muestran actividad antimicrobiana mejorada, la composición de nanopartículas precisa superficie rara vez se sondeó con detalle. Crick et al. Demostrado recientemente un método para la visualización directa de la incursión de nanopartículas, proporcionando insi fundamentallucha en la cinética y las concentraciones de nanopartículas de superficie obtenidos mediante encapsulación oleaje. ²²

Este trabajo detalla la síntesis de los puntos cuánticos de seleniuro de cadmio (QD), su encapsulación oleaje en polidimetilsiloxano (PDMS) y la visualización directa de su incorporación utilizando imágenes de fluorescencia. El efecto de la variación de tiempo de hinchamiento de encapsulación y la concentración de nanopartículas en la solución de hinchamiento es explorado. La técnica de visualización de fluorescencia permite la formación de imágenes directa de incursión de nanopartículas en los PDMS y demuestra que la mayor concentración de puntos cuánticos está en la superficie del material.

Protocol

1. Preparación de CdSe / ZnS Core / Shell Quantum Dots Preparación de la trioctilfosfina (TOP) solución -Se Preparar una solución 0,5 M de selenio en TOP mezclando la cantidad apropiada de Se en TOP en un matraz Schlenk en atmósfera de nitrógeno o en una caja de guantes (8 ml requeridos por reacción, típicamente 0,4 g disueltos en 10 ml de TOP). Se agita la mezcla para disolver el Se para 1 hr, dando como resultado una solución de color gris del complejo de TOP-Se….

Representative Results

Los puntos cuánticos mostraron fluorescencia roja, con una lambda max de aproximadamente 600 nm. 22,28 La emisión roja era debido al confinamiento del excitón por la varilla cuántica cuyas dimensiones están dentro del tamaño fuerte régimen de confinamiento. Li et al. Mostró que para las barras cuántica, los cambios de emisión para reducir la energía con un aumento en el ancho o la longitud de la varilla. Se mostró además que la emisión determinada princi…

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