Расширенный Композиционный анализ Nanoparticle-полимерных композитов с использованием прямого флуоресцентной томографии
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
Применение наноматериалов долгое время служил в качестве области повышения интереса к новым технологиям. 1-3 Это включает все более широкое использование наночастиц в бытовых предметов, в том числе косметики, одежды, упаковки и электроники. 4-6 Основной привод к использованию наночастиц в функциональных материалов проистекает из их более высокой реакционной способностью по отношению к материалам, в дополнение к способности настроить свойства путем изменения размера частиц. 7 Еще одним преимуществом является возможность легко формировать композиционные материалы, вводя ключевые свойства принимающей матрицы, такие как каталитический функциональность, укрепление материально -технической и настройка электрических свойств. 8-12
Наночастицы-полимерные композиционные материалы могут быть достигнуты с помощью ряда методов, самый простой из которых является прямая интеграция необходимых наночастиц во время изготовления принимающей матрицы. 13,14 Это гРЕЗУЛЬТАТЫ в однородный материал с ровным шагом наночастицами материала повсюду. Тем не менее, многие приложения требуют только активный материал может присутствовать на внешнем интерфейсе нанокомпозитов. В результате, прямое включение не приводит к эффективному использованию иногда дорогостоящих наночастицами материала , поскольку есть много наночастицами отходов через массу материала. 15,16 Для достижения непосредственного включения, наночастицы также должны быть совместимы с образованием матрицы хоста. Это может быть сложной задачей, особенно в синтезах , которые требуют многогранных реакций , таких как в случае термореактивных полимеров , которые , как правило , облегченного металлическими механизмами комплексные катализаторы , которые могут пострадать от высокой активностью наночастиц. 14
Значительные недостатки, связанные с прямым наночастицами инкорпорации в процессе синтеза полимера, привело к разработке методов, направленных на ограничение наночастицами incorporatiна поверхности слоя. 17-21 Свелла инкапсуляция является одним из наиболее успешных стратегий , описанных в литературе, для достижения высоких концентраций поверхности наночастиц, с ограниченным количеством отходов в полимерной массе. 17-19 Метод использует растворитель приводом набухание полимера матрицы, что позволяет вторжение видов молекул и наночастиц. После удаления растворителя набухания, виды в пределах матрицы закрепляются на место, с наибольшей концентрацией видов, локализованных на поверхности. На сегодняшний день, большинство из зарегистрированных видов использования зыби инкапсуляцией направлены на изготовление антимикробных полимеров, где он является ключевым, что активные агенты находятся на поверхности материала. Хотя многие из этих отчетов показывают повышенную антимикробную активность, точная поверхность наночастиц композиция редко зондировали в деталях. Крику и др. Недавно продемонстрировали метод непосредственной визуализации наночастицами вторжении, обеспечивая решающую INSIGHT в кинетике и концентрации наночастиц на поверхности , достигнутыми зыби капсулирования. 22
Эта работа подробно описывает синтез селенид кадмия квантовых точек (КТ), их набухания инкапсулирования в полидиметилсилоксана (PDMS) и прямой визуализации их включения с использованием флуоресцентных изображений. Эффект изменения времени набухают капсулой и концентрации наночастиц в растворе набухания исследуется. Метод флуоресцентной визуализации позволяет прямой визуализации наночастиц вторжении в PDMS и показывает, что самая высокая концентрация квантовых точек на поверхности материала.
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).
