ניתוח ההלחנה מתקדם של מרוכבים Nanoparticle-פולימר באמצעות דימות פלואורסצנטי ישיר
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
היישום של ננו שמש עוד שטח של הגדלת ריבית עבור טכנולוגיות חדישות. 1-3 זו כוללת את השימוש הגובר של חלקיקי פריטים יומיומיים, כוללים קוסמטיקה, בגדים, אריזות ומוצרי אלקטרוניקה. 4-6 צירופים חשובים לקראת באמצעות חלקיקים ב חומרים תפקודיים נובע ביחס תגובתיות הגבוהה שלהם לחומרים, בנוסף ליכולת נכסי מנגינה על ידי וריאצית גודל חלקיקים. 7 יתרון נוסף אחד הוא היכולת ליצור חומרים מרוכבים בקלות, מציג תכונות חיוניות המטריצה המארחת, כגון פונקציונלי קטליטי, מהתחזקות מהותית והשלמות מאפיינים חשמליים. 8-12
חומרים מרוכבים Nanoparticle-פולימר יכולים להיות מושגים באמצעות מגוון של טכניקות, הפשוט מהם הוא שילוב ישיר של החלקיקים הרצויים במהלך הייצור של מטריקס המארח. 13,14 זה results בחומר הומוגני עם ריווח אפילו של חומר nanoparticulate לאורך כל הדרך. עם זאת, יישומים רבים דורשים רק את החומר הפעיל יהיה נוכח הממשקים החיצוניים של nanocomposites. כתוצאה מכך, שילוב ישיר אינו מביא לניצול היעיל של חומר ננו-חלקיקים יקרים לפעמים יש פסולת ננו-חלקיקים הרבה דרך עיקר החומר. 15,16 כדי להשיג שילוב ישיר, החלקיקים חייבים גם להיות תואמים עם היווצרות מטריקס מארח. זה עשוי להיות מאתגר, במיוחד סינתזות הדורשות תגובות רבות כגון במקרה של פולימרים תרמוסטית כי הם הקלו בדרך כלל על ידי מנגנוני זרזים מורכבים מתכת העשויים להיות מושפע על ידי חלקיקי ננו פעילים מאוד. 14
החסרונות הניכרים הקשורים התאגדות nanoparticle ישירה במהלך סינתזת הפולימר, הובילו לפיתוח של טכניקות שנועד להגביל incorporati ננו-חלקיקיםשכבה על גבי המשטח. 17-21 אנקפסולציה יופי היא אחת האסטרטגיות המוצלחות ביותר ממדווח בספרות, כדי להגיע לריכוזי nanoparticle משטח גבוהים, עם בזבוז מוגבל בכמויות הגדולות הפולימר. 17-19 הטכניקה מנצלת את הנפיחות מונע ממס של פולימר מטריצות, המאפשרות החדיר מיני חלקיקים מולקולריים. עם הסרת ממס נפיחות, המין בתוך המטריצה מתקבעים למקומו, עם הריכוז הגבוה ביותר של מינים מקומיים על פני השטח. נכון להיום, רוב השימושים המדווחים של אנקפסולציה להתנפח מכוונים ייצור של פולימרים מיקרוביאלית, איפה זה המפתח כי סוכנים פעילים נמצאים על פני החומר. בעוד רבים של דוחות אלו מציגים פעילות מיקרוביאלית משופרת, רכב nanoparticle המשטח המדויק נחקר לעתים רחוקות בפירוט. קריק et al. מפגין שיטה לאחרונה עבור להדמיה הישירה של פלישת ננו-חלקיקים, מתן Insi המכריעght לתוך קינטיקה והריכוז nanoparticle משטח המושג על ידי אנקפסולציה להתנפח. 22
עבודה זו מפרטת את הסינתזה של נקודות קוונטיות selenide קדמיום (QD), אנקפסולציה להתנפח שלהם לתוך polydimethylsiloxane (PDMS) ואת להדמיה ישירה ההתאגדות שלהם באמצעות דימות פלואורסצנטי. השפעת משתנה עם זמן אנקפסולציה להתנפח וריכוז ננו-חלקיקים בתמיסת הנפיחות היא חקר. הטכניקה ויזואליזציה הקרינה מאפשרת הדמיה הישירה של פלישת ננו-חלקיקים לתוך PDMS ומדגימה כי הריכוז הגבוה ביותר של QDs הוא על פני החומר.
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).
