Avancée compositionnelle Analyse des Composites Nanoparticules-polymère en utilisant Direct Imaging Fluorescence

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

L'application des nanomatériaux a longtemps servi comme un domaine d'intérêt croissant pour les nouvelles technologies. ^1-3 Ceci a inclus l'utilisation croissante des nanoparticules dans les objets du quotidien, y compris les cosmétiques, les vêtements, l' emballage et de l' électronique. ^4-6 Un entraînement important vers l' utilisation de nanoparticules en matériaux fonctionnels provient de leur plus grande réactivité par rapport aux matériaux, en plus de la capacité de propriétés de syntoniser par variation de la taille des particules. ⁷ Un autre avantage réside dans la possibilité de former aisément des matériaux composites, présentant des propriétés essentielles à la matrice hôte, tel que fonctionnalité catalytique, le renforcement du matériau et le réglage des propriétés électriques. ^8-12

Matériaux composites Nanoparticules polymères peuvent être atteints grâce à une gamme de techniques, dont la plus simple est l' intégration directe des nanoparticules désirées lors de la fabrication de la matrice hôte. ^13,14 Ce résultats dans un matériau homogène avec un espacement même de matériau nanoparticulaire partout. Cependant, de nombreuses applications ne nécessitent que le matériau actif d'être présent au niveau des interfaces externes des nanocomposites. En conséquence, l' incorporation directe ne conduit pas à une utilisation efficace du matériel de nanoparticules parfois coûteux car il y a beaucoup de gaspillage de nanoparticules à travers la masse du matériau. ^15,16 Pour obtenir une incorporation directe, les nanoparticules doivent également être compatibles avec la formation de la matrice hôte. Cela peut être difficile, surtout dans les synthèses qui nécessitent des réactions multiples comme dans le cas des polymères thermodurcissables qui sont généralement facilitée par des catalyseurs complexes mécanismes métalliques qui peuvent être affectés par des nanoparticules très actifs. ¹⁴

Les inconvénients considérables associés à l'incorporation de nanoparticules directe lors de la synthèse du polymère, a conduit à la mise au point de techniques visant à limiter incorporati nanoparticulairessur la couche de surface. ^17-21 encapsulation de gonflement est une des stratégies les plus efficaces dans la littérature, afin d' atteindre des concentrations de nanoparticules de surface élevées, avec un gaspillage limité dans la masse du polymère. ^17-19 La technique utilise le solvant a entraîné un gonflement du polymère des matrices, ce qui permet l'incursion d'espèces moléculaires et des nanoparticules. Après élimination du solvant de gonflement, les espèces au sein de la matrice se fixent en place, avec la plus forte concentration d'espèces localisées à la surface. A ce jour, la plupart des utilisations rapportées de la houle encapsulation sont dirigées vers la fabrication de polymères antimicrobiens, où il est essentiel que les agents actifs sont à la surface du matériau. Alors que beaucoup de ces rapports montrent une activité antimicrobienne accrue, la composition de nanoparticules de surface précise est rarement sondé en détail. Crick et al. A récemment démontré une méthode pour la visualisation directe de nanoparticules incursion, fournissant insi crucialeght dans la cinétique et les concentrations de nanoparticules de surface obtenus par la houle encapsulation. ²²

Ce travail détaille la synthèse des points séléniure de cadmium quantiques (QD), leur encapsulation de la houle en polydiméthylsiloxane (PDMS) et la visualisation directe de leur incorporation en utilisant l'imagerie de fluorescence. L'effet du temps de houle d'encapsulation et de la concentration de nanoparticules variant dans la solution de gonflement est explorée. La technique de fluorescence de visualisation permet l'imagerie directe de nanoparticules incursion dans les PDMS et démontre que la plus forte concentration de QDs est à la surface du matériau.

Protocol

1. Préparation de CdSe / ZnS de base / Shell Quantum Dots Préparation de la trioctylphosphine (TOP) solution -Se Préparer une solution à 0,5 M de sélénium dans le haut en mélangeant la quantité appropriée de Se dans la TOP dans un ballon de Schlenk sous atmosphère d'azote ou dans une boîte à gants (8 ml requis par réaction, typiquement 0,4 g dissous dans 10 ml de TOP). Incorporer le mélange pour dissoudre le Se pendant 1 heure, ce qui entraîne une solutio…

Representative Results

Les points quantiques présentaient une fluorescence rouge, avec un lambda max d'environ 600 nm. 22,28 L'émission rouge est due à l'isolement de l'exciton par la tige quantique dont les dimensions sont de taille au sein du régime de confinement forte. Li et al. Ont montré que pour des tiges quantiques, les décalages d'émission pour réduire l' énergie avec une augmentation de la largeur ou la longueur de la tige. Ils ont en outre montré…

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