Doğrudan Floresan Görüntüleme kullanma Nanoparçacık-polimer kompozitler Gelişmiş Bileşim Analizi
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
Nanomalzemelerin uygulama uzun yeni teknolojilerin artan ilgi alanı olarak hizmet etmiştir. 1-3 Bu kozmetik, giysi, ambalaj ve elektronik gibi günlük öğeleri, içinde nanopartiküller artan kullanımı dahil etmiştir. 4-6 nanopartiküller kullanarak doğru büyük bir sürücü fonksiyonel malzemeler, partikül boyutu değişim ile ayar özelliklerine kabiliyetlerine ilâve olarak, malzeme kendi yüksek reaktivite nisbetle kaynaklanmaktadır. 7 bir başka avantajı, örneğin, ev sahibi matriksine önemli özellikleri sokulması kolay kompozit malzemeler oluşturmak üzere özelliğidir katalitik işlevsellik, malzeme güçlendirme ve elektriksel özellikleri ayarlama. 8-12
Nanopartikül polimer kompozit malzemeler bir dizi teknik ile elde edilebilir, basit olan ev sahibi matriks imalatı esnasında, istenen nanopartiküllerin doğrudan birleştirilmesidir. 13,14 bu Rboyunca nanopartikülat maddenin düzenli aralıklı homojen malzeme sonuçları · Borçlar. Bununla birlikte pek çok uygulamaları sadece nanokompozitlerin dış arayüzleri mevcut olması aktif malzeme gerektirir. Malzemenin kütlesi boyunca daha nanopartikül atık olarak orada bir sonucu olarak, doğrudan dahil bazen masraflı nanopartikül malzemenin verimli kullanımı ile sonuçlanmaz. 15,16 doğrudan dahil edilmesini sağlamak üzere, nanopartiküller, aynı zamanda bir ev sahibi matriks oluşumu ile uyumlu olması gerekir. Bu durum özellikle, tipik haliyle yüksek ölçüde aktif nanopartiküller etkilenebilir metal kompleksi katalizörleri mekanizmaları ile kolaylaştırılmaktadır sertleşen polimerler örneğinde olduğu gibi çok yönlü reaksiyonlar gerektiren sentezlerinde, zor olabilir. 14.
Polimer sentezi sırasında doğrudan nanopartikül eklenmesi ile ilişkili önemli bir dezavantaj, nanopartikül incorporati sınırlamaya yönelik tekniklerin geliştirilmesine yol açmıştıryüzeye katman. 17-21 Şişme kapsülleme, polimer toplu olarak sınırlı fire ile, yüksek yüzey nanoparçacık konsantrasyonlarını elde etmek için literatürde bildirilen en başarılı yöntemlerden biridir. 17-19 teknik polimer çözücü tahrik şişmesine kullanır matrisler, moleküler türler ve nanopartiküllerin saldırı için izin. şişen çözücünün çıkarılmasından sonra, matris içindeki türleri yüzeyinde lokalize türlerin en yüksek konsantrasyon, yerine sabit hale gelir. Bugüne kadar, şişme kapsülleme bildirdi kullanımları en aktif maddeler malzemenin yüzeyinde olduğu anahtar antimikrobik polimerlerin üretiminde, doğru yönlendirilir. Bu raporların birçok gelişmiş antimikrobiyal aktivite gösterirken, hassas yüzey nanoparçacık bileşimi nadiren ayrıntılı olarak incelenir. Crick ve ark. Son zamanlarda önemli insi sağlayarak, nanoparçacık saldırı doğrudan görüntülenmesi için bir yöntem gösterdikabarma kapsülleme ile elde kinetik ve yüzey nanoparçacık konsantrasyonlara GHT. 22
Bu çalışma kadmiyum selenide kuantum noktaları (QD), polidimetilsiloksan (PDMS) ve floresan görüntüleme kullanarak esas doğrudan görselleştirme onların şişme kapsülleme sentezini ayrıntıları. şişme çözeltide şişme kapsülleme zaman ve nanoparçacık konsantrasyonu değiştirilerek etkisi araştırılmıştır. floresans görselleştirme tekniği PDMS halinde nanopartikül saldırı doğrudan görüntüleme sağlar ve QDS yüksek konsantrasyonu, malzemenin yüzeyinde olduğunu gösterir.
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).
