Avançado Análise da composição dos compósitos de nanopartículas de polímero através da tecnologia Direct Fluorescência de imagem
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
A aplicação de nanomateriais serviu durante muito tempo como uma área de interesse crescente para novas tecnologias. 1-3 Isto incluiu o crescente uso de nanopartículas em produtos de uso diário, incluindo cosméticos, roupas, embalagens e produtos eletrônicos. 4-6 Um grande impulso para usando nanopartículas em materiais funcionais decorre da sua reactividade mais elevada em relação aos materiais, para além da capacidade de propriedades ajuste por variação da dimensão das partículas. 7 Uma outra vantagem é a capacidade de formar facilmente materiais compósitos, a introdução de propriedades cruciais para a matriz hospedeira, tal como funcionalidade catalítica, reforço de materiais e ajuste de propriedades elétricas. 8-12
Materiais compósitos nanopartícula-polímero pode ser conseguida através de uma variedade de técnicas, o mais simples dos quais é a integração directa das nanopartículas desejadas durante a fabricação da matriz hospedeira. 13,14 Este resultados em um material homogêneo com um espaçamento até de material de nanopartículas por toda parte. No entanto, muitas aplicações requerem apenas o material ativo para estar presente nas interfaces externas dos nanocompósitos. Como resultado, incorporação directa não resulta na utilização eficaz do material de nanopartículas vezes dispendioso, pois há muito resíduos de nanopartículas através da maior parte do material. Para alcançar 15,16 incorporação directa, as nanopartículas, também deve ser compatível com a formação da matriz hospedeira. Isto pode ser difícil, especialmente em sínteses que requerem reacções multifacetados, tais como no caso de polímeros de termocura que são normalmente facilitada por mecanismos de catalisadores de complexos de metal que podem ser afectados por nanopartículas altamente activos. 14
As consideráveis desvantagens associadas com a incorporação directa de nanopartículas durante a síntese de polímeros, levou ao desenvolvimento de técnicas destinadas a limitar incorpor nanopartículassobre a superfície da camada. 17-21 encapsulamento inchamento é uma das estratégias mais bem sucedidos relatados na literatura, para atingir concentrações de nanopartículas de superfície elevada, com o desperdício limitada na massa de polímero. 17-19 A técnica utiliza o inchaço conduzido solvente de polímero matrizes, permitindo a incursão de espécies moleculares e nanopartículas. Após a remoção do solvente o inchamento, as espécies dentro da matriz tornar-se fixa no lugar, com a concentração mais elevada de espécies localizadas na superfície. Até à data, a maior parte dos usos relatados de encapsulamento de inchamento são dirigidos para a fabricação de polímeros antimicrobianos, em que é fundamental que os agentes activos estão na superfície do material. Embora muitos desses relatórios mostram actividade antimicrobiana melhorada, a composição precisa de nanopartículas de superfície raramente é sondado em detalhe. Crick et ai. Demonstraram recentemente um método para a visualização directa de incursão de nanopartículas, proporcionando insi fundamentalluta para a cinética e concentrações de nanopartículas de superfície obtidos por encapsulamento swell. 22
Este trabalho detalha a síntese de pontos seleneto de cádmio quânticos (QD), o seu encapsulamento inchamento em polidimetilsiloxano (PDMS) e a visualização direta de sua incorporação usando imagens de fluorescência. O efeito de variar o tempo de encapsulação do inchamento e concentração de nanopartículas na solução inchaço é explorado. A técnica de visualização de fluorescência permite a imagiologia directa de incursão de nanopartículas em PDMS e demonstra que a maior concentração de QDs é na superfície do material.
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).
