المتقدم تحليل التركيبية من المركبات الجسيمات النانوية البوليمر عن طريق المباشر الإسفار التصوير
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
وقد خدم تطبيق المواد النانوية دام مساحة الاهتمام المتزايد للتكنولوجيات الجديدة. 1-3 وقد شمل ذلك تزايد استخدام الجسيمات النانوية في عناصر الحياة اليومية، بما في ذلك مستحضرات التجميل والملابس والتعبئة والتغليف والالكترونيات 4-6 محرك رئيسي نحو استخدام الجسيمات النانوية في المواد الفنية تنبع من التفاعل أعلى من نسبة إلى المواد، بالإضافة إلى القدرة على خصائص ضبط من قبل التباين في حجم الجسيمات. 7 ميزة واحدة أخرى هي القدرة على تشكيل بسهولة المواد المركبة، وإدخال خصائص حاسمة لمصفوفة المضيفة، مثل وظائف الحفازة، تعزيز المواد وضبط من الخواص الكهربائية. 8-12
لا يمكن أن يتحقق المواد المركبة جسيمات متناهية الصغر البوليمر من خلال مجموعة من التقنيات، وأبسط منها هو التكامل المباشر من الجسيمات النانوية المطلوب خلال تلفيق مصفوفة المضيف. 13،14 هذه صesults في مادة متجانسة حتى مع تباعد المواد الجسيمات النانوية طوال الوقت. ومع ذلك، العديد من التطبيقات لا تتطلب سوى المادة الفعالة ليكون حاضرا في الواجهات الخارجية للnanocomposites. ونتيجة لذلك، التأسيس المباشر لا يؤدي إلى كفاءة استخدام المواد متناهية الصغر مكلفة في بعض الأحيان كما أن هناك الكثير من النفايات جسيمات متناهية الصغر من خلال الجزء الأكبر من المواد. 15،16 ولتحقيق التأسيس المباشر، يجب النانوية أيضا أن تكون متوافقة مع تشكيل مصفوفة المضيف. قد يكون هذا صعبا، خصوصا في توليفات التي تتطلب ردود فعل متعددة الأوجه مثل في حالة من البوليمرات بالحرارة التي عادة ما تيسره الآليات المحفزات معقدة المعدنية التي قد تتأثر الجسيمات النانوية نشطة للغاية (14).
عيوب كبرى ترتبط مع دمج جسيمات متناهية الصغر المباشر خلال التوليف البوليمر، أدى إلى تطوير تقنيات تهدف للحد من incorporati جسيمات متناهية الصغرعلى سطح طبقة 17-21 التغليف الانتفاخ هي واحدة من الاستراتيجيات الأكثر نجاحا ذكرت في الأدب، وإلى تحقيق درجة عالية من تركيزات جسيمات متناهية الصغر السطح، مع إهدار محدودا في معظم البوليمر 17-19 تقنية تستخدم المذيبات مدفوعة تورم البوليمر المصفوفات، مما يتيح للتوغل من الأنواع الجزيئية والنانوية. على إزالة المذيب تورم، والأنواع داخل المصفوفة تصبح ثابتة في مكانها، وفقا لأعلى تركيز من الأنواع المحلية على السطح. حتى الآن، يتم توجيه معظم الاستخدامات المبلغ عنها التغليف تضخم نحو تصنيع البوليمرات المضادة للميكروبات، حيث أمر أساسي أن عناصر نشطة هي في سطح المادة. في حين أن العديد من هذه التقارير تظهر تعزيز النشاط المضادة للميكروبات، ونادرا ما تناولت بحث دقيق تكوين جسيمات متناهية الصغر السطح في التفاصيل. أظهرت كريك وآخرون مؤخرا طريقة لرؤية مباشرة من توغل جسيمات متناهية الصغر، وتوفير الإعلاميين حاسمGHT إلى حركية وتركيزات جسيمات متناهية الصغر السطح التغليف تضخم حققت 22
تفاصيل هذا العمل توليف النقاط الكادميوم سيلينيد الكم (QD)، التغليف تضخم بهم إلى (PDMS) ثنائي ميثيل بولي سيلوكسان والتصور المباشر لإدراجها باستخدام التصوير مضان. هو استكشاف تأثير تغيير الوقت تضخم التغليف وتركيز جسيمات متناهية الصغر في حل تورم. تقنية مضان التصور تسمح للتصوير المباشر للتوغل جسيمات متناهية الصغر في PDMS وتبين أن أعلى تركيز للنقاط الكمية هي على سطح المادة.
Protocol
Representative Results
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
C.R.C. would like to acknowledge the Ramsay Memorial Trust for funding.
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 |
References
- Pumera, M. Graphene-based nanomaterials and their electrochemistry. Chem. Soc. Rev. 39 (11), 4146-4157 (2010).
- Zhang, Q., Uchaker, E., Candelaria, S. L., Cao, G. Nanomaterials for energy conversion and storage. Chem. Soc. Rev. 42 (7), 3127-3171 (2013).
- Tong, H., Ouyang, S., Bi, Y., Umezawa, N., Oshikiri, M., Ye, J. Nano-photocatalytic Materials: Possibilities and Challenges. Adv. Mater. 24 (2), 229-251 (2012).
- Olson, M. S., Gurian, P. L. Risk assessment strategies as nanomaterials transition into commercial applications. J. Nanopart. Res. 14 (4), 1-7 (2012).
- Noimark, S., Dunnill, C. W., Parkin, I. P. Shining light on materials – A self-sterilising revolution. Adv. Drug Deliv. Rev. 65 (4), 570-580 (2013).
- Lavik, E., von Recum, H. The Role of Nanomaterials in Translational Medicine. ACS Nano. 5 (5), 3419-3424 (2011).
- Meier, J., Schiøtz, J., Liu, P., Nørskov, J. K., Stimming, U. Nano-scale effects in electrochemistry. Chem. Phys. Lett. 390 (4-6), 440-444 (2004).
- Booß-Bavnbek, B., Klösgen, B., Larsen, J., Pociot, F., Renström, E. BetaSys: Systems Biology of Regulated Exocytosis in Pancreatic ß-Cells. Springer Science & Business Media. , (2011).
- Xu, Z. P., Zeng, Q. H., Lu, G. Q., Yu, A. B. Inorganic nanoparticles as carriers for efficient cellular delivery. Chem. Eng. Sci. 61 (3), 1027-1040 (2006).
- Ito, A., Shinkai, M., Honda, H., Kobayashi, T. Medical application of functionalized magnetic nanoparticles. J. Biosci. Bioeng. 100 (1), 1-11 (2005).
- Xiu, F. -. R., Zhang, F. -. S. Size-controlled preparation of Cu2O nanoparticles from waste printed circuit boards by supercritical water combined with electrokinetic process. J Hazard. Mater. 233-234, 200-206 (2012).
- Ponja, S., et al. Aerosol assisted chemical vapour deposition of hydrophobic TiO2-SnO2 composite film with novel microstructure and enhanced photocatalytic activity. J. Mater. Chem., A. 1 (20), 6271-6278 (2013).
- Crick, C. R., Bear, J. C., Kafizas, A., Parkin, I. P. Superhydrophobic Photocatalytic Surfaces through Direct Incorporation of Titania Nanoparticles into a Polymer Matrix by Aerosol Assisted Chemical Vapor Deposition. Adv. Mater. 24 (26), 3505-3508 (2012).
- Crick, C. R., Bear, J. C., Southern, P., Parkin, I. P. A general method for the incorporation of nanoparticles into superhydrophobic films by aerosol assisted chemical vapour deposition. J. Mater. Chem., A. 1 (13), 4336-4344 (2013).
- Jensen, G. C., Krause, C. E., Sotzing, G. A., Rusling, J. F. Inkjet-printed gold nanoparticle electrochemical arrays on plastic. Application to immunodetection of a cancer biomarker protein. Phys. Chem. Chem. Phys. 13 (11), 4888-4894 (2011).
- Steigerwald, A., Mu, R. Potential of pulsed electron-beam deposition for nanomaterial fabrication: Spatial distribution of deposited materials. J. Vac. Sci. Technol., B. 26 (3), 1001-1005 (2008).
- Perni, S., et al. Antibacterial Activity of Light-Activated Silicone Containing Methylene Blue and Gold Nanoparticles of Different Sizes. J. Cluster Sci. 21 (3), 427-438 (2010).
- Perni, S., et al. The antimicrobial properties of light-activated polymers containing methylene blue and gold nanoparticles. Biomater. 30 (1), 89-93 (2009).
- Noimark, S., et al. Dual-Mechanism Antimicrobial Polymer-ZnO Nanoparticle and Crystal Violet-Encapsulated Silicone. Adv. Func. Mater. 25 (9), 1367-1373 (2015).
- Gingery, D., Bühlmann, P. Formation of gold nanoparticles on multiwalled carbon nanotubes by thermal evaporation. Carbon. 46 (14), 1966-1972 (2008).
- Abdelmoti, L. G., Zamborini, F. P. Potential-Controlled Electrochemical Seed-Mediated Growth of Gold Nanorods Directly on Electrode Surfaces. Langmuir. 26 (16), 13511-13521 (2010).
- Crick, C. R., et al. Advanced analysis of nanoparticle composites – a means toward increasing the efficiency of functional materials. RSC Adv. 5 (66), 53789-53795 (2015).
- Solvas, X. C., Turek, V., Prodromakis, T., Edel, J. B. Microfluidic evaporator for on-chip sample concentration. Lab Chip. 12 (20), 4049-4054 (2012).
- Solvas, X. C., et al. Fluorescence detection methods for microfluidic droplet platforms. J. Vis. Exp. (58), e3437 (2011).
- Köllner, M., et al. Fluorescence pattern recognition for ultrasensitive molecule identification: comparison of experimental data and theoretical approximations. Chem. Phys. Lett. 250 (3-4), 355-360 (1996).
- Köllner, M., Wolfrum, J. How many photons are necessary for fluorescence-lifetime measurements. Chem. Phys. Lett. 200 (1-2), 199-204 (1992).
- Edel, J. B., Eid, J. S., Meller, A. Accurate Single Molecule FRET Efficiency Determination for Surface Immobilized DNA Using Maximum Likelihood Calculated Lifetimes. J. Phys. Chem., B. 111 (11), 2986-2990 (2007).
- Bear, J. C., et al. Doping Group IIB Metal Ions into Quantum Dot Shells via the One-Pot Decomposition of Metal-Dithiocarbamates. Adv. Opt. Mater. 3 (5), 704-712 (2015).
- Li, L., Hu, J., Yang, W., Alivisatos, A. P. Band Gap Variation of Size- and Shape-Controlled Colloidal CdSe Quantum Rods. Nano Letters. 1 (7), 349-351 (2001).
