Gli autori riconoscono il sostegno delle Air Force Research Labs sotto UES subappaltare # S-932-19-MR002. Gli autori riconoscono un ulteriore sostegno materiale di Stato di New York Graduate Research Initiative e Didattica (GRTI / GR15).

Preparazione del campione 1. Pre-analisi <ol><li> Separazione delle particelle funzionali dal veicolo inchiostro: centrifugazione <ol><li> Sulla base della formulazione iniziale dell&#39;inchiostro, calcolare quanto è necessario campione inchiostro molto per ottenere un minimo di 2,0 g di sedimento di particelle. Ad esempio, se l&#39;inchiostro è in ceramica 10 vol% e la densità della ceramica è 6,67 g / cm 3, quindi è necessario un minimo di 3,0 ml di inchiostro per generare 2,0 g di sedimento. </li><li> Pipettare almeno la quantità minima necessaria di inchiostro in un tubo da centrifuga. Scelta del tubo da centrifuga dovrebbe essere basato sulla quantità di inchiostro necessaria e inerzia del materiale del tubo di solventi dell&#39;inchiostro. </li><li> Mettere provetta in centrifuga. Scelta di centrifuga e tasso di rotazione sarà dettata dalla forza gravitazionale richiesta per sedimentare le particelle di inchiostro. Una centrifuga di laboratorio standard come la centrifuga Sorvall ST16 con un rotore TX-200 oscillante secchio di solito è sufficiente. </li><li> Programma centrifuga a girare di inchiostro in un ra rotazionete e il tempo necessario per produrre un surnatante limpido. Per la centrifuga utilizzata qui, prezzi e tempi tipici sono 3.000 - 4.000 rpm per tra i 30 min e 90 min. Arrivati ​​alla velocità di rotazione corretta e il tempo necessario per sedimentare l&#39;inchiostro potrebbe richiedere prove ed errori, perché anche gli inchiostri delle stesse dimensioni medie delle particelle possono avere diverse granulometrie. </li></ol></li><li> Post-separazione manipolazione del campione: la rimozione di surnatante, campione di lavaggio, asciugatura <ol><li> Una volta che un surnatante limpido è stato raggiunto, rimuovere il tubo da centrifuga dalla centrifuga. </li><li> Decantare il surnatante e salvare in un campione fiala di vetro ricoperto per eventuali analisi future. Le particelle funzionali sono ora residua nella provetta da centrifuga. </li><li> Dopo la decantazione, posizionare il tubo da centrifuga esordiente a testa in giù su un tovagliolo di carta e consentire surnatante aggiuntivo goccioli fuori per 1 min. </li><li> Rimuovere il tubo dal tovagliolo di carta e risciacquare le particelle sedimentate aggiungendo alTubo circa 2 ml di solvente fresco della stessa composizione utilizzato nella formulazione dell&#39;inchiostro. Si noti che questo solvente solo toccare lo strato superiore maggior parte delle particelle sedimentate nella provetta da centrifuga. Solvente decantare. Ripetere il ciclo di risciacquo tre volte. </li><li> Dopo il ciclo di risciacquo finale, posizionare il tubo da centrifuga esordiente a testa in giù su un tovagliolo di carta e lasciare il solvente aggiuntivo per sgocciolare per circa 5 minuti. </li><li> Utilizzare una spatola metallica sottile per rimuovere i sedimenti dal fondo della provetta, e diffondere su un vetro da orologio pulito, asciutto. Utilizzare un tampone di cotone non abrasivo privo di lanugine o la punta di una spatola pulita per rimuovere le particelle in eccesso dalla punta spatola. </li><li> Posizionare il vetro dell&#39;orologio in un forno a 50 ° C e lasciare le particelle ad asciugare per 24 ore. La temperatura del forno deve essere mantenuta relativamente basso per minimizzare la possibilità di decomposizione specie adsorbite. Il tempo necessario per l&#39;asciugatura delle particelle dipenderà dalla pressione di vapore del solvente. 24 ore è tipico, ma i risultati sono generalmente insensibili attendere tempi più corti 12 hr e finchè 3 settimane. </li></ol></li></ol> 2. riflettanza diffusa Infrared Spectroscopy misura <ol><li> Preparazione del spettrometro infrarosso: allineare accessorio, vano spurgo <ol><li> Accendere spettrometro IR. </li><li> Per prepararsi a riflettanza diffusa misure di spettroscopia ad infrarossi, posizionare l&#39;accessorio di campionamento riflettanza diffusa nel vano di campionamento spettrometro a infrarossi. Lo spettrometro infrarosso può essere qualsiasi trasformata di Fourier spettrometro infrarosso in grado di interfacciarsi con un apparato di campionamento riflettanza diffusa. Uno spettrometro IR Shimadzu Prestige 21 interfacciato con un accessorio Pike Technologies EasiDiff è stato utilizzato per questo protocollo. Per la maggior parte delle particelle di inchiostro, un rivelatore deuterato standard L-alanina drogato triglicina solfato (DLaTGS) fornisce una sensibilità sufficiente per la misurazione. Un azoto liquido raffreddato mercurio tellururo di cadmio (MCT) detector fornisce quattro ad aumentare di dieci volte nella sensibilità, ma questo non è solitamente necessario per identificare adsorbati sulle superfici delle particelle di inchiostro. </li><li> Allineare l&#39;accessorio campionamento riflettanza diffusa secondo le istruzioni del produttore. </li></ol></li><li> Dopo l&#39;allineamento, chiudere il vano di campionamento a infrarossi e iniziare spurgo con azoto o con CO 2 -free, aria secca (velocità di spurgo di 10 l / min). Un generatore di gas di spurgo Parker Balston FT-IR standard fornisce aria con acqua inferiore a 1 ppm e CO 2. La quantità di tempo di lavaggio necessario per ottenere un&#39;acqua stabile e CO 2 camera connessione dipenderà dalla configurazione compartimento del campione e l&#39;umidità in laboratorio. Il tempo di lavaggio necessaria può essere determinata sperimentalmente confrontando sfondo spettri scattata al minimo intervalli di 1 o 2 e valutare le intensità di acqua e CO 2 fasce in funzione del tempo. </li><li> Preparare campione per riflettanza diffusa infrarossi meas spettroscopiami- <ol><li> Ottenere i seguenti accessori preparazione del campione: piccolo (35 mm) agata mortaio e pestello, piccola spatola metallica, dritto lama di rasoio, e due riflettanza diffusa coppe campioni infrarossi. Pulire gli accessori puliti con etanolo, poi l&#39;acetone, e lasciarli asciugare per 10 minuti in forno a 50 °. </li><li> Rimuovere puliti, asciutti accessori di preparazione del campione dal forno, mettetele su un grande Kimwipe, e lasciare raffreddare a temperatura ambiente. </li><li> Mentre gli accessori di preparazione dei campioni sono di raffreddamento, rimuovere le particelle di inchiostro secco dal forno, e utilizzare una bilancia analitica per misurare 0,025 g del campione particella. Lasciare il campione seduto nella bilancia analitica. </li><li> Ritorno agli accessori preparazione del campione e versare 0,5 g di KBr nel mortaio agata. Utilizzare sempre KBr venduto per applicazioni ad infrarossi. Singoli 0,5 g pacchetti pre-misurata di KBr (Thermo Scientific) sono consigliate perché minimizzare il tempo e l&#39;esposizione del igroscopico KBr pesata al ambient vapore acqueo. Macinare il KBr per un aspetto uniforme, di solito 1 min di continuo rettifica manuale. </li><li> Riempire uno dei riflettanza diffusa tazze di campionamento infrarossi con la terra KBr polveri. Premere leggermente la polvere con la punta smussata del pestello, e rabboccare la coppa di campionamento con KBr. </li><li> Utilizzare il lato della lama di rasoio di appiattire all&#39;inizio della KBr nella tazza campione. Questo campione riempiti e appiattito è il riferimento o di sfondo. </li><li> Eliminare qualsiasi KBr rimanente nel mortaio, e pulire. </li><li> Aprire un nuovo 0,5 g pacchetto di polvere KBr (o aggiungere 0,5 g di polvere KBr), e versare nel mortaio. </li><li> Aggiungere precedentemente pesato 0,025 g di particelle di inchiostro al 0,5 g di KBr, e macinare con il pestello per formare una polvere omogenea, di solito 1 min di continuo rettifica manuale. Questo rapporto di particelle di inchiostro per KBr fornisce un campione di 5% in peso durante la misura. Questo rientra nell&#39;intervallo standard (1 - 10% in peso), ma può essere aumentata o diminuita a seconda on l&#39;assorbimento e potenza del segnale del campione. </li><li> Seguire i passaggi 2.3.5 e 2.3.6 per creare una coppetta campione riempita con la miscela di particelle / KBr. </li></ol></li><li> Misura spettroscopica infrarossi <ol><li> Posizionare il riferimento e coppe dei campioni nel supporto e inserire il supporto nel riflettanza diffusa spettroscopia infrarossa accessorio campionamento. Posizionare il supporto in modo che la coppa contenente il materiale di fondo (puro KBr) è esposto alla radiazione infrarossa. </li><li> Chiudere il vano campionamento infrarossi e lasciare il vano per spurgare per 5 min. Questo tempo di spurgo può essere regolata a seconda della quantità di tempo determinato necessarie nel passaggio 2.2. </li><li> Dopo 5 min di spurgo, ottenere uno spettro infrarosso dello sfondo nella regione di interesse. Il numero di scansioni deve essere impostato per massimizzare il rapporto segnale-rumore, riducendo al minimo il tempo di misura. 128 scansioni a risoluzione 4 centimetri -1 è di solito sufficiente. </li><li> Dopo il Thresholdd scansione è completata, aprire il vano campione infrarossi e spostare la tazza contenente la miscela di particelle / KBr modo che è ora esposta alla radiazione infrarossa. </li><li> Ripetere i punti 2.4.2 e 2.4.3 per ottenere uno spettro della miscela di particelle / KBr. </li></ol></li></ol>

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

I due fattori critici per generare spettri infrarossi di alta qualità utilizzando questa procedura sono: 1) minimizzare la quantità assoluta di contaminazione dell&#39;acqua e le differenze nella quantità di contaminazione dell&#39;acqua tra le coppe campione e di riferimento; e 2) la creazione di campione e di riferimento tazze con strati piani uniformi e simili granulometrie KBr. Entrambi questi fattori si ottengono prestando particolare attenzione alle procedure di preparazione dei campioni di cui al punto 2.3. </...

Fabbricazione Additiva è recentemente emerso come una tecnica promettente per la fabbricazione di tutto, dalle ceramiche ai semiconduttori per dispositivi medici 1. Poiché le applicazioni di produzione additiva espandono per ceramica stampata, ossido di metallo e parti metalliche, la necessità di formulare inchiostri funzionali specializzati pone. La questione di come formulare gli inchiostri funzionali richieste si riferisce ad una questione fondamentale in superficie e colloidi scienza: quali sono i meccanismi attraverso i quali le particelle in dispersione colloidale sono stabilizzati contro l&#39;aggregazione? In linea di massima, la stabilizzazione richiede la modifica delle superfici delle particelle tale che ravvicinato di particelle (e quindi aggregazione) è impedita da coulombiane repulsione (stabilizzazione elettrostatica), con la pena entropica di entanglement polimero (stabilizzazione sterica), o da una combinazione di coulombiane e le forze entropiche (stabilizzazione Electrosteric) 2. Al fine di conseguire uno qualsiasi di questi meccanismi distabilizzazione, di solito è necessario modificare la chimica di superficie delle particelle attraverso l&#39;attaccamento di polimeri o gruppi funzionali a catena corta. Pertanto, la formulazione razionale di inchiostri funzionali stabili esige che sappiamo se un dato additivo chimico attacca alla superficie delle particelle e ciò chimica gruppo attribuisce alla superficie della particella. Lo scopo del metodo presentato in questo protocollo è quello di dimostrare rapida caratterizzazione di specie chimiche adsorbite sulla superficie delle particelle in inchiostri funzionali. Questo obiettivo è particolarmente importante in quanto funzionali transizioni formulazione di inchiostro da un compito specializzato per superficie e colloidi scienziati ad un&#39;attività largamente praticata dalla gamma di scienziati e ingegneri interessati alla stampa ceramica, ossido di metallo, e dispositivi metallici. Il raggiungimento di questo obiettivo richiede la progettazione di un esperimento che supera le sfide che caratterizzano opache, ad alto solido loadings dispersioni. Richiede anche discriminare tra chspecie emical che sono presenti nella dispersione, ma non adsorbito sulle particelle di quelli effettivamente adsorbiti. Richiede un&#39;ulteriore distinzione tra le specie che sono assorbiti sulle particelle chimicamente da coloro che sono debolmente physisorbed. In questo protocollo sperimentale, vi presentiamo l&#39;uso di riflettanza diffusa spettroscopia infrarossa per la caratterizzazione di attaccamento disperdente negli inchiostri funzionali. La misurazione spettroscopia infrarossa riflettanza diffusa segue una tecnica di preparazione del campione pre-analisi necessario distinguere specie adsorbite da quelli semplicemente presente nella dispersione. Una varietà di metodi attualmente utilizzati al fine di conoscere la natura delle interazioni tra i componenti di inchiostro chimici e particelle colloidalmente disperse. Alcuni di questi metodi sono sonde indiretti che misuravano le proprietà si presume per correlare con funzionalizzazione superficiale. Ad esempio, le variazioni di liquami reologia o sedimentazione rAtes si presume per correlare con l&#39;assorbimento di modificatori di superficie 3. Distribuzione delle dimensioni delle particelle, come caratterizzata da light scattering dinamico (DLS), e il potenziale zeta, come caratterizzata dalla mobilità elettroforetica, fornire una conoscenza l&#39;assorbimento di polimeri o di specie con carica superficiale 4,5. Analogamente, campionare perdita di massa come sondato mediante analisi termogravimetrica (TGA) riguarda la presenza di specie desorbimento e la forza di interazione tra adsorbato e la particella 6. Le informazioni dalle sonde indiretti di cui sopra suggeriscono cambiamenti nella chimica di superficie, ma non forniscono informazioni dirette nell&#39;identità delle specie adsorbenti o il meccanismo della sua adsorbimento. Visione diretta è particolarmente importante per gli inchiostri funzionali in cui un gran numero di componenti sono presenti nella dispersione. Per fornire informazioni dettagliate livello molecolare, spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) 7, magnetico 13 C nucleareRisonanza (RMN) 4,6, e spettroscopia infrarossa 8-12 sono state esplorate. Di queste tre opzioni, la spettroscopia a raggi infrarossi è particolarmente promettente. In confronto a 13 C NMR, spettroscopia infrarossa non richiede che gli inchiostri essere formulati con solventi analiticamente puri per evitare interferenze durante la misurazione 13. Rispetto alla spettroscopia fotoelettronica a raggi X, spettroscopia infrarossa standard può essere condotta a pressione ambiente, evitando la necessità di condizioni di vuoto ad altissima durante la misurazione. C&#39;è letteratura precedente per l&#39;uso di spettroscopia infrarossa per sondare l&#39;interazione tra ceramico colloidalmente disperso, ossido di metallo, e nanoparticelle metalliche. Queste opere possono essere separati in tentativi di misurare la chimica interfacciale in situ utilizzando attenuato infrarossi riflettanza totale (ATR-IR) 9, e tentativi di misurare interfacciale chimica ex situ utilizzando campionamento solido 8. While Ci sono vantaggi per misurazioni in situ, le incertezze che sorgono a causa della necessità di manipolazione spettrale rendono difficile il metodo per inchiostri a più componenti in cui ci sono solventi e più componenti polimerici. Pertanto, questo protocollo si concentra sul campionamento solido e la misurazione ex situ. Tutti i metodi di campionamento solidi comportano una fase di pretrattamento in cui un solido viene ottenuto separando le particelle dal solvente, e una fase di analisi in cui le misurazioni infrarossi sono eseguite sulle particelle solide. La differenza tra i metodi si pone nella scelta di pre-trattamento del campione e nella scelta della tecnica sperimentale utilizzata per l&#39;analisi infrarossa del solido. Storicamente, il metodo tradizionale di usare spettroscopia infrarossa per analizzare solidi era per macinare piccole quantità (&lt;1%) del campione solido con bromuro di potassio (KBr) in polvere, e sottoporre la miscela ad alta pressione sinterizzazione. Il risultato è un pellet trasparente KBr. Questo procedure è stato tentato con successo con polveri derivate da sospensioni acquose di nanoparticelle di zirconia funzionalizzati con polyethyleneamine 10, con monostrati di acidi grassi su nanoparticelle cobalto 7, e con disperdenti catecolo-derivato su Fe 3 O 4 nanoparticelle 14. Nonostante queste applicazioni di successo della tecnica cubettatura KBr per il rilevamento di disperdenti adsorbiti, riflettanza diffusa spettroscopia infrarossa fornisce diversi vantaggi. Un vantaggio è semplificata la preparazione del campione. In contrasto con KBr pellet, il campione solido in riflettanza diffusa può essere macinato semplicemente a mano. Non vi è alcuna fase di sinterizzazione la polvere stessa viene caricato nella tazza campione e la luce infrarossa diffusa dispersa viene misurato. L&#39;altro vantaggio di riflettanza diffusa su KBr pellet è la sensibilità superficie 15 è aumentata. L&#39;aumento di sensibilità superficie è particolarmente utile per la presente domanda in cui la cridomande ticali sono la presenza e la natura di adsorbati sulle superfici nanoparticelle. Tra le opere che hanno utilizzato la tecnica di campionamento riflettanza diffusa per sondare l&#39;assorbimento di specie chimiche su campioni colloidalmente dispersi, le principali differenze sorgono nel metodo di separare le nanoparticelle dal mezzo liquido. Questo passaggio è fondamentale perché, senza la separazione, sarebbe impossibile distinguere disperdenti specificamente adsorbito dal disperdenti semplicemente disciolti nel mezzo liquido. In alcuni esempi, il metodo di separazione non è evidente dalla 12,16,17 protocollo sperimentale. Quando specificato, il metodo più frequentemente praticato comporta la separazione gravitazionale. La logica è che gli ossidi metallici e nanoparticelle metalliche ceramica sono tutti più densi mezzo circostante. Quando si stabiliscono, si trascina verso il basso con loro solo le specie specificatamente adsorbite. Specie chimiche non interagisce con la parteicles rimangono in soluzione. Mentre dispersioni possono facilmente depositarsi sotto normale forza gravitazionale 18, un getto d&#39;inchiostro stabile non dovrebbe observably risolvere nel corso di un periodo di tempo di meno di un anno. Come tale, il metodo di impiegare centrifugazione per la separazione pre-analisi è preferito. Questo è stato dimostrato in diversi studi di disperdente assorbimento su particelle di vetro 19,20, disperdente legante adsorbimento su allumina 8, e anionica disperdente funzionalizzazione di CuO 11. Più di recente, lo abbiamo usato per valutare i meccanismi di acido grasso vincolanti non acquose dispersioni NiO utilizzati per getto di inchiostro e del getto di aerosol stampa di ossidi solidi strati di cellule a combustibile 21.

<table><tbody><tr><td>FTIR bench</td><td>Shimadzu Scientific Instruments</td><td>IR_Prestige 21 used in this work; in 2013 IR-Tracer 100 model replaced Prestige-21</td><td>Any research grade FTIR with purgable sample compartment is acceptable</td></tr><tr><td>Purge gas generator for sample compartment</td><td>Parker Balston</td><td>74-5041NA Lab Gas Generator</td><td>Provides air with less than 1&amp;nbsp;ppm CO&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; and water; also possible to purge compartment with N&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt; tank</td></tr><tr><td>Diffuse Reflectance Infrared Accessory</td><td>Pike Technologies</td><td>042-10XX</td><td>Includes sample preparation kit and mortar and pestle (these can also be purchased separately, described below)</td></tr><tr><td>Diffuse Reflectance Sample Preparation kit</td><td>Pike Technologies</td><td>042-3040</td><td>Includes sample holder cups, spatulas, alignment mirror, mirror brush, razor blades</td></tr><tr><td>Agate mortar and pestle</td><td>Pike Technologies</td><td>161-5035</td><td></td></tr><tr><td>Centrifuge</td><td>ThermoScientific</td><td>Sorvall ST16</td><td>Most benchtop centrifuges capable of ~5,000 rpm will be acceptable</td></tr><tr><td colspan="4">[header]</td></tr><tr><td colspan="4">Consumables</td></tr><tr><td>Centrifuge tubes</td><td>Evergreen Scientific</td><td>222-2470-G8K</td><td>Any centrifuge tube of compatible size and material is acceptable</td></tr><tr><td>KBr powder packets</td><td>ThermoScientific</td><td>50-465-317</td><td>Also possible to use alternative KBr supplier</td></tr></tbody></table>

diffuse reflectance infrared spectroscopic identification of dispersant/particle bonding mechanisms in functional inks

In additive manufacturing, or 3D printing, material is deposited drop by drop, to create micron to macroscale layers. A typical inkjet ink is a colloidal dispersion containing approximately ten components including solvent, the nano to micron scale particles which will comprise the printed layer, polymeric dispersants to stabilize the particles, and polymers to tune layer strength, surface tension and viscosity. To rationally and efficiently formulate such an ink, it is crucial to know how the components interact. Specifically, which polymers bond to the particle surfaces and how are they attached? Answering this question requires an experimental procedure that discriminates between polymer adsorbed on the particles and free polymer. Further, the method must provide details about how the functional groups of the polymer interact with the particle. In this protocol, we show how to employ centrifugation to separate particles with adsorbed polymer from the rest of the ink, prepare the separated samples for spectroscopic measurement, and use Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (DRIFTS) for accurate determination of dispersant/particle bonding mechanisms. A significant advantage of this methodology is that it provides high level mechanistic detail using only simple, commonly available laboratory equipment. This makes crucial data available to almost any formulation laboratory. The method is most useful for inks composed of metal, ceramic, and metal oxide particles in the range of 100 nm or greater. Because of the density and particle size of these inks, they are readily separable with centrifugation. Further, the spectroscopic signatures of such particles are easy to distinguish from absorbed polymer. The primary limitation of this technique is that the spectroscopy is performed ex-situ on the separated and dried particles as opposed to the particles in dispersion. However, results from attenuated total reflectance spectra of the wet separated particles provide evidence for the validity of the DRIFTS measurement.

La procedura sperimentale descritto in questo protocollo è stato applicato al fine di conoscere il meccanismo di stabilizzazione delle particelle NiO in un inchiostro utilizzata per stampare l&#39;anodo di celle a combustibile ad ossido solido. Questo inchiostro è una dispersione di particelle in NiO 2-butanolo, alpha terpineolo, e una gamma di disperdenti e leganti 22. Risultati rappresentativi sono riportati qui per una dispersione semplificata di NiO in 2-butanolo con un disperdente di acido oleico. Nell...

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Diffuse Reflectance Infrared Spectroscopic Identification of Dispersant/Particle Bonding Mechanisms in Functional Inks

Formulation of stable, functional inks is critical to expanding the applications of additive manufacturing. In turn, knowledge of the mechanisms of dispersant/particle bonding is required for effective ink formulation. Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (DRIFTS) is presented as a simple, inexpensive way to gain insight into these mechanisms.

Riflettanza diffusa infrarossi spettroscopica Identificazione disperdenti / particelle Bonding Meccanismi a inchiostri funzionali

In additive manufacturing, or 3D printing, material is deposited drop by drop, to create micron to macroscale layers.  A typical inkjet ink is a colloidal ...

diffuse-reflectance-infrared-spectroscopic-identification

Research

JoVE Journal

Chemistry

13.7K Views.  New York City College of Technology, City University of New York (CUNY). Formulation of stable, functional inks is critical to expanding the applications of additive manufacturing. In turn, knowledge of the mechanisms of dispersant/particle bonding is required for effective ink formulation. Diffuse Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (DRIFTS) is presented as a simple, inexpensive way to gain insight into these mechanisms.

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Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS)

The sensitive measurement of biomolecular interactions has use in many fields and industries such as basic biology and microbiology, environmental/agricultural/biodefense monitoring, nanobiotechnology, and more. For diagnostic applications, monitoring (detecting) the presence, absence, or abnormal expression of targeted proteomic or genomic biomarkers found in patient samples can be used to determine treatment approaches or therapy efficacy. In the research arena, information on molecular affinities and specificities are useful for fully characterizing the systems under investigation.
Many of the current systems employed to determine molecular concentrations or affinities rely on the use of labels. Examples of these systems include immunoassays such as the enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), polymerase chain reaction (PCR) techniques, gel electrophoresis assays, and mass spectrometry (MS). Generally, these labels are fluorescent, radiological, or colorimetric in nature and are directly or indirectly attached to the molecular target of interest. Though the use of labels is widely accepted and has some benefits, there are drawbacks which are stimulating the development of new label-free methods for measuring these interactions. These drawbacks include practical facets such as increased assay cost, reagent lifespan and usability, storage and safety concerns, wasted time and effort in labelling, and variability among the different reagents due to the labelling processes or labels themselves. On a scientific research basis, the use of these labels can also introduce difficulties such as concerns with effects on protein functionality/structure due to the presence of the attached labels and the inability to directly measure the interactions in real time.
Presented here is the use of a new label-free optical biosensor that is amenable to microarray studies, termed the Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS), for detecting proteins, DNA, antigenic material, whole pathogens (virions) and other biological material. The IRIS system has been demonstrated to have high sensitivity, precision, and reproducibility for different biomolecular interactions [1-3]. Benefits include multiplex imaging capacity, real time and endpoint measurement capabilities, and other high-throughput attributes such as reduced reagent consumption and a reduction in assay times. Additionally, the IRIS platform is simple to use, requires inexpensive equipment, and utilizes silicon-based solid phase assay components making it compatible with many contemporary surface chemistry approaches.
Here, we present the use of the IRIS system from preparation of probe arrays to incubation and measurement of target binding to analysis of the results in an endpoint format. The model system will be the capture of target antibodies which are specific for human serum albumin (HSA) on HSA-spotted substrates.

Biomolecular Detection employing the Interferometric Reflectance Imaging Sensor IRIS

Quantitative, high-throughput, real-time, and label-free biomolecular detection (DNA, protein, etc.) on SiO2 surfaces can be achieved using a simple interferometric technique which relies on LED illumination, minimal optical components, and a camera. The Interferometric Reflectance Imaging Sensor (IRIS) is inexpensive, simple to use, and amenable to microarray formats.

Biomolecolare Detection impiega il sensore di immagine interferometrica riflettanza (IRIS)

The sensitive measurement of biomolecular interactions has use in many fields and industries such as basic biology and microbiology, ...

Ricerca

Bioingegneria

An Inverse Analysis Approach to the Characterization of Chemical Transport in Paints

The ability to directly characterize chemical transport and interactions that occur within a material (i.e., subsurface dynamics) is a vital component in understanding contaminant mass transport and the ability to decontaminate materials. If a material is contaminated, over time, the transport of highly toxic chemicals (such as chemical warfare agent species) out of the material can result in vapor exposure or transfer to the skin, which can result in percutaneous exposure to personnel who interact with the material. Due to the high toxicity of chemical warfare agents, the release of trace chemical quantities is of significant concern. Mapping subsurface concentration distribution and transport characteristics of absorbed agents enables exposure hazards to be assessed in untested conditions. Furthermore, these tools can be used to characterize subsurface reaction dynamics to ultimately design improved decontaminants or decontamination procedures. To achieve this goal, an inverse analysis mass transport modeling approach was developed that utilizes time-resolved mass spectroscopy measurements of vapor emission from contaminated paint coatings as the input parameter for calculation of subsurface concentration profiles. Details are provided on sample preparation, including contaminant and material handling, the application of mass spectrometry for the measurement of emitted contaminant vapor, and the implementation of inverse analysis using a physics-based diffusion model to determine transport properties of live chemical warfare agents including distilled mustard (HD) and the nerve agent VX.

In this paper, a procedure for quantifying the mass transport parameters of chemicals in various materials is presented. This process involves employing an inverse-analysis based diffusion model to vapor emission profiles recorded by real-time, mass spectrometry in high vacuum.

Un approccio di analisi inversa per la caratterizzazione dei Trasporti Chemical nelle vernici

The ability to directly characterize chemical transport and interactions that occur within a material (i.e., subsurface dynamics) is a vital component in ...

Chimica

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices have used devices prepared by spin coating, a process that is not amenable to large-scale fabrication. This mismatch in device fabrication makes it difficult to translate quantitative results obtained in the laboratory to the commercial level, making optimization difficult. Using a mini-slot die coater, this mismatch can be resolved by translating the commercial process to the laboratory and characterizing the structure formation in the active layer of the device in real time and in situ as films are coated onto a substrate. The evolution of the morphology was characterized under different conditions, allowing us to propose a mechanism by which the structures form and grow. This mini-slot die coater offers a simple, convenient, material efficient route by which the morphology in the active layer can be optimized under industrially relevant conditions. The goal of this protocol is to show experimental details of how a solar cell device is fabricated using a mini-slot die coater and technical details of running in situ structure characterization using the mini-slot die coater.

Printing Fabrication of Bulk Heterojunction Solar Cells and In Situ Morphology Characterization

Here, we present a protocol to fabricate organic thin film solar cells using a mini-slot die coater and related in-line structure characterizations using synchrotron scattering techniques.

La stampa Fabbricazione di massa eterogiunzione celle solari e<em&gt; In Situ</em&gt; Morfologia Caratterizzazione

Polymer-based materials hold promise as low-cost, flexible efficient photovoltaic devices. Most laboratory efforts to achieve high performance devices ...

Ingegneria

Inkjet-printed Polyvinyl Alcohol Multilayers

Inkjet printing is a modern method for polymer processing, and in this work, we demonstrate that this technology is capable of producing polyvinyl alcohol (PVOH) multilayer structures. A polyvinyl alcohol aqueous solution was formulated. The intrinsic properties of the ink, such as surface tension, viscosity, pH, and time stability, were investigated. The PVOH-based ink was a neutral solution (pH 6.7) with a surface tension of 39.3 mN/m and a viscosity of 7.5 cP. The ink displayed pseudoplastic (non-Newtonian shear thinning) behavior at low shear rates, and overall, it demonstrated good time stability. The wettability of the ink on different substrates was investigated, and glass was identified as the most suitable substrate in this particular case. A proprietary 3D inkjet printer was employed to manufacture polymer multilayer structures. The morphology, surface profile, and thickness uniformity of inkjet-printed multilayers were evaluated via optical microscopy.

An inkjet printer was used to manufacture polyvinyl alcohol multilayers. Polyvinyl alcohol water-based ink was formulated, and the main physical properties were investigated.

Multistrati in polistirene stampato a getto d&#39;inchiostro

Inkjet printing is a modern method for polymer processing, and in this work, we demonstrate that this technology is capable of producing polyvinyl alcohol ...

Reactive Inkjet Printing and Propulsion Analysis of Silk-based Self-propelled Micro-stirrers

In this study, a protocol for using reactive inkjet printing to fabricate enzymatically propelled silk swimmers with well-defined shapes is reported. The resulting devices are an example of self-propelled objects capable of generating motion without external actuation and have potential applications in medicine and environmental sciences for a variety of purposes ranging from micro-stirring, targeted therapeutic delivery, to water remediation (e.g., cleaning oil spills). This method employs reactive inkjet printing to generate well-defined small-scale solid silk structures by converting water soluble regenerated silk fibroin (silk I) to insoluble silk fibroin (silk II). These structures are also selectively doped in specific regions with the enzyme catalase in order to produce motion via bubble generation and detachment. The number of layers printed determines the three-dimensional (3D) structure of the device, and so here the effect of this parameter on the propulsive trajectories is reported. The results demonstrate the ability to tune the motion by varying the dimensions of the printed structures.

This protocol demonstrates the ability to utilize reactive inkjet printing to print self-motile biocompatible and environmentally friendly micro-stirrers for use in biomedical and environmental applications.

Stampa a getto d'inchiostro reattiva e analisi di propulsione di micro-agitatori semoventi a base di seta

In this study, a protocol for using reactive inkjet printing to fabricate enzymatically propelled silk swimmers with well-defined shapes is reported. The ...

A Two-Step Pyrolysis-Gas Chromatography Method with Mass Spectrometric Detection for Identification of Tattoo Ink Ingredients and Counterfeit Products

Tattoo inks are complex mixtures of ingredients. Each of them possesses different chemical properties which have to be addressed upon chemical analysis. In this method for two-step pyrolysis online coupled to gas chromatography mass spectrometry (py-GC-MS) volatile compounds are analyzed during a first desorption run. In the second run, the same dried sample is pyrolyzed for analysis of non-volatile compounds such as pigments and polymers. These can be identified by their specific decomposition patterns. Additionally, this method can be used to differentiate original from counterfeit inks. Easy screening methods for data evaluation using the average mass spectra and self-made pyrolysis libraries are applied to speed up substance identification. Using specialized evaluation software for pyrolysis GS-MS data, a fast and reliable comparison of the full chromatogram can be achieved. Since GC-MS is used as separation technique, the method is limited to volatile substances upon desorption and after pyrolysis of the sample. The method can be applied for quick substance screening in market control surveys since it requires no sample preparation steps.

This method for two-step pyrolysis online coupled to gas chromatography with mass spectrometric detection and data evaluation protocol can be used for multi-component analysis of tattoo inks and discrimination of counterfeit products.

Un metodo di cromatografia a gas pirolisi a due fasi con rilevamento spettrometrico di massa per l'identificazione di ingredienti di inchiostro del tatuaggio e prodotti contraffatti

Tattoo inks are complex mixtures of ingredients. Each of them possesses different chemical properties which have to be addressed upon chemical analysis. ...

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ infrared spectroscopy is an inexpensive, highly sensitive, and selective valuable tool to investigate the interaction of polycrystalline solids with adsorbates. Vibrational spectra provide information on the chemical nature of adsorbed species and their structure. Thus, they are very useful for obtaining molecular level understanding of surface species. The IR spectrum of the sample itself gives some direct information about the material. General conclusions can be drawn concerning hydroxyl groups, some stable surface species and impurities. However, the spectrum of the sample is &#34;blind&#34; with respect to the presence of coordinatively unsaturated ions and gives rather poor information about the acidity of surface hydroxyls, species decisive for the adsorption and catalytic properties of the materials. Furthermore, no discrimination between bulk and surface species can be made. These problems are solved by the use of probe molecules, substances that interact specifically with the surface; the alteration of some spectral features of these molecules as a result of adsorption provides valuable information about the nature, properties, location, concentration, etc., of the surface sites.
The experimental protocol for in-situ IR studies of gas/sample interaction includes preparation of a sample pellet, activation of the material, initial spectral characterization through the analysis of the background spectra, characterization by probe molecules, and study of the interaction with a particular set of gas mixtures. In this paper we investigate a zirconium terephthalate metal organic framework, Zr6O4(OH)4(BDC)6 (BDC = benzene-1,4-dicarboxylate), namely UiO-66 (UiO refers to University of Oslo). The acid sites of the UiO-66 sample are determined by using CO and CD3CN as molecular probes. Furthermore, we have demonstrated that CO2 is adsorbed on basic sites exposed on dehydroxylated UiO-66. Introduction of water to the system produces hydroxyl groups acting as additional CO2 adsorption sites. As a result, CO2 adsorption capacity of the sample is strongly enhanced.

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

The use of FTIR spectroscopy for investigation of the surface properties of polycrystalline solids is described. Preparation of sample pellets, activation procedures, characterization with probe molecules and model studies of CO2 adsorption are discussed.

In situ Spettroscopia FTIR come strumento per lo studio dell'interazione gas/solido: adsordimento di CO2 potenziato con acqua in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ infrared spectroscopy is an inexpensive, highly sensitive, and selective valuable tool to investigate the interaction of polycrystalline solids ...

Vibrational Spectra of a N719-Chromophore/Titania Interface from Empirical-Potential Molecular-Dynamics Simulation, Solvated by a Room Temperature Ionic Liquid

The accurate molecular simulation prediction of vibrational spectra, and other structural, energetic and spectral characteristics, of photo-active metal-oxide surfaces in contact with light-absorbing dyes is an ongoing thorny and elusive challenge in physical chemistry. With this in mind, a molecular-dynamics (MD) simulation were performed by using optimized empirical potentials for a well-representative and prototypical dye-sensitized solar cell (DSC) solvated by a widely-studied room temperature ionic liquid (RTIL), in the guise of a [bmim]+[NTf2]- RTIL solvating an N719-sensitizing dye adsorbed onto 101 anatase-titania. In doing so, important insights were gleaned into how using a RTIL as the electrolytic hole acceptor modulates the dynamical and vibrational properties of a N719 dye, estimating the spectra for the DSC photo-active interface via Fourier transformation of mass-weighted velocity autocorrelation functions from MD. The acquired vibrational spectra were compared with the experiment spectra and those sampled from ab initio molecular dynamics (AIMD); in particular, various empirical-potential spectra generated from MD provide insight into how partial-charge charge parameterization of the ionic liquid affects vibrational spectra prediction. In any event, careful fitting of empirical force-field models has been shown to be an effective tool in handling DSC vibrational properties, when validated by AIMD and an experiment.

A dye-sensitized solar cell was solvated by RTILs; using optimized empirical potentials, a molecular dynamics simulation was applied to compute vibrational properties. The obtained vibrational spectra were compared with experiment and ab initio molecular dynamics; various empirical potential spectra show how partial-charge charge parameterization of the ionic liquid affects vibrational spectra prediction.

Spettri vibrazionali di un'interfaccia N719-Chromophore/Titania da Simulazione empirica-potenziale di dinamica molecolare, solvata da un liquido ionico a temperatura ambiente

The accurate molecular simulation prediction of vibrational spectra, and other structural, energetic and spectral characteristics, of photo-active ...

Esplorazione di sistemi polimerici multifase mediante spettroscopia a infrarossi su scala nanometrica

Advances in Nanoscale Infrared Spectroscopy to Explore Multiphase Polymeric Systems

Multiphase polymeric systems encompass local domains with dimensions that can vary from a few tens of nanometers to several micrometers. Their composition is commonly assessed using infrared spectroscopy, which provides an average fingerprint of the various materials contained in the volume probed. However, this approach does not offer any details on the arrangement of the phases in the material. Interfacial regions between two polymeric phases, often in the nanoscale range, are also challenging to access. Photothermal nanoscale infrared spectroscopy monitors the local response of materials excited by infrared light with the sensitive probe of an atomic force microscope (AFM). While the technique is suitable for interrogating small features, such as individual proteins on pristine gold surfaces, the characterization of three-dimensional multicomponent materials is more elusive. This is due to a relatively large volume of material undergoing photothermal expansion, defined by the laser focalization onto the sample and by the thermal properties of the polymeric constituents, compared to the nanoscale region probed by the AFM tip. Using a polystyrene (PS) bead and a polyvinyl alcohol (PVA) film, we evaluate the spatial footprint of photothermal nanoscale infrared spectroscopy for surface analysis as a function of the position of PS in the PVA film. The effect of the feature position on the nanoscale infrared images is investigated, and spectra are acquired. Some perspectives on the future advances in the field of photothermal nanoscale infrared spectroscopy are provided, considering the characterization of complex systems with embedded polymeric structures.

Autore in primo piano: Progressi nella spettroscopia infrarossa su scala nanometrica per esplorare i sistemi polimerici multifase  

This protocol describes the application of atomic force microscopy and nanoscale infrared spectroscopy to evaluate the performance of photothermal nanoscale infrared spectroscopy in the characterization of three-dimensional multi-polymeric samples.

Progressi nella spettroscopia infrarossa su scala nanometrica per esplorare sistemi polimerici multifase

Multiphase polymeric systems encompass local domains with dimensions that can vary from a few tens of nanometers to several micrometers. Their composition ...

Riflettanza diffusa infrarossi spettroscopica Identificazione disperdenti / particelle Bonding Meccanismi a inchiostri funzionali

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