Name: triplet fusion upconversion nanocapsule synthesis
Uploaded: 2022-09-07T14:00:00
Duration: 8 min 36 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Triplet Fusion Upconversion Nanocapsule Synthesis at JoVE.com

Финансирование: Это исследование финансируется при поддержке стипендии Роуленда в Институте Роуленда в Гарвардском университете, Гарвардского фонда акселератора PSE и Фонда Гордона и Бетти Мур. Часть этой работы была выполнена в Гарвардском центре наноразмерных систем (CNS), члене Национальной сети скоординированной инфраструктуры нанотехнологий (NNCI), которая поддерживается Национальным научным фондом в рамках NSF, award No 1541959. Часть этой работы была выполнена в Стэнфордском нано-общих объектах (SNSF) при поддержке Национального научного фонда в рамках премии ECCS-2026822. Часть этой работы была выполнена в Стэнфордском центре знаний о макромолекулярных структурах ChEM-H.
Благодарности: THS и SNS признают поддержку постдокторских стипендий Арнольда О. Бекмана. MS признает финансовую поддержку через стипендию Doc. Mobility Fellowship от Швейцарского национального научного фонда (проект No. П1СКП2 187676). PN признает поддержку Стэнфордской аспирантуры в области науки и техники (SGF) в качестве стипендиата Габилана. MH была частично поддержана Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов в рамках гранта No. HR00112220010. AOG признает поддержку стипендии Национального научного фонда для аспирантов в рамках гранта DGE-1656518 и стипендии Стэнфордского аспиранта в области науки и техники (SGF) в качестве стипендиата Скотта А. и Джеральдин Д. Макомбер.

<ol>
	<li>High Resolution SLA and SLS 3D Printers for Professionals. Formlabs Available from: <a target="_blank" href="https://formlabs.com">https://formlabs.com</a> (2022)</li><li>Zhang, D., Liu, X., Qiu, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printing+of+glass+by+additive+manufacturing+techniques:+a+review.">3D printing of glass by additive manufacturing techniques: a review.</a> Frontiers of Optoelectronics. 14 (3), 263-277 (2021).</li><li>Chen, Z., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+printing+of+ceramics:+A+review.">3D printing of ceramics: A review.</a> Journal of the European Ceramic Society. 39 (4), 661-687 (2019).</li><li>Zhang, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+review+of+3D+printed+porous+ceramics.">A review of 3D printed porous ceramics.</a> Journal of the European Ceramic Society. 42 (8), 3351-3373 (2022).</li><li>Frazier, W. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal+additive+manufacturing:+A+review.">Metal additive manufacturing: A review.</a> Journal of Materials Engineering and Performance. 23 (6), 1917-1928 (2014).</li><li>Ligon, S. C., Liska, R., Stampfl, J., Gurr, M., M&#252;lhaupt, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Polymers+for+3D+printing+and+customized+additive+manufacturing.">Polymers for 3D printing and customized additive manufacturing.</a> Chemical Reviews. 117 (15), 10212-10290 (2017).</li><li>Bagheri, A., Jin, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photopolymerization+in+3D+printing.">Photopolymerization in 3D printing.</a> ACS Applied Polymer Materials. 1 (4), 593-611 (2019).</li><li>Geng, Q., Wang, D., Chen, P., Chen, S. -. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrafast+multi-focus+3-D+nano-fabrication+based+on+two-photon+polymerization.">Ultrafast multi-focus 3-D nano-fabrication based on two-photon polymerization.</a> Nature Communications. 10 (1), 2179 (2019).</li><li>LaFratta, C. N., Li, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Making+two-photon+polymerization+faster.">Making two-photon polymerization faster.</a> Three-dimensional Microfabrication using Two-Photon Polymerization. , 221-241 (2016).</li><li>Sanders, S. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Triplet+fusion+upconversion+nanocapsules+for+volumetric+3D+printing.">Triplet fusion upconversion nanocapsules for volumetric 3D printing.</a> Nature. 604 (7906), 474-478 (2022).</li><li>Anscombe, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+laser+writing.">Direct laser writing.</a> Nature Photonics. 4 (1), 22-23 (2010).</li><li>Xiong, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+additive+and+subtractive+three-dimensional+nanofabrication+using+integrated+two-photon+polymerization+and+multiphoton+ablation.">Simultaneous additive and subtractive three-dimensional nanofabrication using integrated two-photon polymerization and multiphoton ablation.</a> Light: Science &amp; Applications. 1 (4), 6 (2012).</li><li>Singh-Rachford, T. N., Castellano, F. N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Photon+upconversion+based+on+sensitized+triplet-triplet+annihilation.">Photon upconversion based on sensitized triplet-triplet annihilation.</a> Coordination Chemistry Reviews. 254 (21), 2560-2573 (2010).</li><li>Rauch, M. P., Knowles, R. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Applications+and+prospects+for+triplet-triplet+annihilation+photon+upconversion.">Applications and prospects for triplet-triplet annihilation photon upconversion.</a> CHIMIA International Journal for Chemistry. 72 (7), 501-507 (2018).</li><li>Seo, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+materials+for+and+applications+of+triplet-triplet+annihilation-based+upconversion.">Recent advances in materials for and applications of triplet-triplet annihilation-based upconversion.</a> Journal of Materials Chemistry C. 10 (12), 4483-4496 (2022).</li><li>Ahmad, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Strategies+for+combining+triplet-triplet+annihilation+upconversion+sensitizers+and+acceptors+in+a+host+matrix.">Strategies for combining triplet-triplet annihilation upconversion sensitizers and acceptors in a host matrix.</a> Coordination Chemistry Reviews. , 439-213944 (2021).</li><li>Stetefeld, J., McKenna, S. A., Patel, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamic+light+scattering:+a+practical+guide+and+applications+in+biomedical+sciences.">Dynamic light scattering: a practical guide and applications in biomedical sciences.</a> Biophysical Reviews. 8 (4), 409-427 (2016).</li><li>Speckbacher, M., Yu, L., Lindsey, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+porphyrins+in+the+presence+of+acid-labile+metalloporphyrins:+A+new+route+to+mixed-metal+multiporphyrin+arrays.">Formation of porphyrins in the presence of acid-labile metalloporphyrins: A new route to mixed-metal multiporphyrin arrays.</a> Inorganic Chemistry. 42 (14), 4322-4337 (2003).</li><li>Congrave, D. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Suppressing+aggregation+induced+quenching+in+anthracene+based+conjugated+polymers.">Suppressing aggregation induced quenching in anthracene based conjugated polymers.</a> Polymer Chemistry. 12 (12), 1830-1836 (2021).</li><li>Titration: Principles, volumetric analysis | General Chemistry. JoVE Available from: <a target="_blank" href="https://www.jove.com/v/5699/introduction-to-titration">https://www.jove.com/v/5699/introduction-to-titration</a> (2022)</li><li>Cushing, B. L., Kolesnichenko, V. L., O'Connor, C. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+the+liquid-phase+syntheses+of+inorganic+nanoparticles.">Recent advances in the liquid-phase syntheses of inorganic nanoparticles.</a> Chemical Reviews. 104 (9), 3893-3946 (2004).</li><li>Han, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Anionic+surfactants+templating+route+for+synthesizing+silica+hollow+spheres+with+different+shell+porosity.">Anionic surfactants templating route for synthesizing silica hollow spheres with different shell porosity.</a> Solid State Sciences. 13 (4), 721-728 (2011).</li><li>Kwon, O. S., Kim, J. -. H., Cho, J. K., Kim, J. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Triplet-triplet+annihilation+upconversion+in+CdS-decorated+SiO2+nanocapsules+for+sub-bandgap+photocatalysis.">Triplet-triplet annihilation upconversion in CdS-decorated SiO2 nanocapsules for sub-bandgap photocatalysis.</a> ACS Applied Materials &amp; Interfaces. 7 (1), 318-325 (2015).</li><li>Brinker, C. J., Scherer, G. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Sol-Gel Science: the Physics and Chemistry of Sol-Gel Processing. , (2014).</li><li>. G Force Calculator - RCF to RPM Available from: <a target="_blank" href="https://www.sigmaaldrich.com/US/en/support/calculators-and-apps/g-force-calculator">https://www.sigmaaldrich.com/US/en/support/calculators-and-apps/g-force-calculator</a> (2022)</li><li>. Acrylic acid (HSG 104, 1997) Available from: <a target="_blank" href="https://inchem.org/documents/hsg/hsg/v104hsg.htm">https://inchem.org/documents/hsg/hsg/v104hsg.htm</a> (2022)</li><li>de Mello, J. C., Wittmann, H. F., Friend, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+improved+experimental+determination+of+external+photoluminescence+quantum+efficiency.">An improved experimental determination of external photoluminescence quantum efficiency.</a> Advanced Materials. 9 (3), 230-232 (1997).</li></ol>

Гарвардский университет подал несколько патентов на основе этой работы. SNS, RCS и DNC являются соучредителями Quadratic3D, Inc.

Отход от субтрактивных производственных процессов (т.е. сложных форм, изготовленных путем резьбы по блокам сырья) может уменьшить отходы и увеличить темпы производства. Соответственно, многие отрасли промышленности переходят к процессам аддитивного производства, где объекты строятся слой за слоем1 с помощью трехмерной (3D) печати. Многие работают над разработкой аддитивных производственных процессов для многочисленных классов материалов (например, стекло2, керамика 3,4, металлы5 и пластмассы 6,7).
Это послойное отверждение ограничивает выделение смолы и влияет на механические свойства печати 6,7. Рассматривая 3D-печать на основе света для изготовления пластмасс, печать на основе поглощения двух фотонов (2PA) отходит от послойных процессов путем объемной печати8. Процесс 2PA требует одновременного поглощения двух фотонов для инициирования полимеризации. Это не только увеличивает требуемую потребляемую мощность, но и увеличивает сложность и стоимость системы печати, ограничивая размеры печати до масштаба3 мм или меньше9.
Недавно новая методология 3D-печати с использованием триплетного слияния (UC) сделала объемную 3D-печать с UC возможной на шкале3 см10. Интересно, что этот процесс требует относительно низкой плотности мощности облучения10 по сравнению с печатью на основе 2PA 9,11,12. Процесс апконверсии преобразует два фотона с низкой энергией в один фотон высокой энергии13, и преобразованный свет поглощается фотоинициатором для инициирования полимеризации. Развертывание триплетных термоядерных материалов UC традиционно было сложной задачей из-за высоких требований к концентрации материала, плохой растворимости и чувствительности к кислороду 13,14,15. Инкапсуляция материалов UC с использованием различных схем наночастиц была хорошо изучена16, но не достигает долговечности, требуемой в органических растворителях. Описанный здесь синтетический протокол олеиновой кислоты с покрытием из диоксид кремния (UCNC) преодолевает эту проблему долговечности для диспергирования материалов UC в широком спектре органических растворителей, включая смолы для 3D-печати10. Импульсированный свет, генерируемый материалами внутри нанокапсул, имеет несколько размеров для создания твердых объектов без опорной структуры, что позволяет печатать структуры высокого разрешения с разрешением до 50 мкм10. Благодаря удалению опорных структур и печати в бескислородной среде новые химические вещества смолы доступны для достижения как улучшенных, так и новых свойств материала, недоступных при традиционной стереолитографии.
Здесь описан синтетический протокол UCNC для инкапсуляции сенсибилизатора (палладий (II) мезо-тетрафенилтетрабензопорфин, PdTPTBP) и аннигилятора (9,10-бис((триизопропилсилил)этинил)антрацен, TIPS-an) в двух разных масштабах. Синтез в больших масштабах обеспечивает материал для обеспечения ~ 10 г нанокапсульной пасты для использования в смолах для 3D-печати. Синтез в небольших масштабах для ~ 1 г нанокапсульной пасты с апконверсией позволяет оптимизировать новое содержимое нанокапсул. Этот протокол будет поддерживать успешную интеграцию триплетных слияний UCNC в различные рабочие процессы 3D-печати и другие приложения.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Chemicals</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>(3-aminopropyl)triethoxysilane, anhydrous</td>
			<td>Acros Organic/Fisher Scientific&#160;</td>
			<td>AC430941000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>10K MPEG-Silane</td>
			<td>Nanosoft Polymers</td>
			<td>2526</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oleic acid (99%)</td>
			<td>Beantown Chemical</td>
			<td>126125</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pd (II) meso-tetraphenyl tetrabenzoporphine (PdTBTP)</td>
			<td>Frontier Scientific&#160;</td>
			<td>41217</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>tetraethyl orthosilicate, anhydrous</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>86578</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TIPS-Anthracene</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>731439</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Representative Ultracentrifuge for Nanocapsule Purification</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>While a smaller centrifuge can be used, the ultracentrifuge is convenient for the 12-14 h centrifugation to isolate upconversion nanocapsule paste.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>500 mL, Polycarbonate Bottle with Cap Assembly, 69 x 160 mm - 6Pk</td>
			<td>Beckman-Coulter</td>
			<td>355605</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Avanti J-26S XP High-Performance Centrifuge</td>
			<td>Beckman-Coulter</td>
			<td>Avanti J-26S XP</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>JA-10 Fixed-Angle Aluminum Rotor- 6 x 500 mL; 10,000 rpm; 17,700 x g</td>
			<td>Beckman-Coulter</td>
			<td>369687</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Specialized Fabrication Equipment and Consumable Materials</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3M 03429NA 051131034297 Scotch Electrical Tape, 3/4-in by 66-ft, Black, 1-Roll, 3/4 Foot</td>
			<td>Amazon</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>40 mL scintillation vials (28 mm OD x 95 mm Height, 24-400 thread size)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>CG490006</td>
			<td>Small-scale synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>500 mL Single Neck RBF, 24/40 Outer Joint</td>
			<td>Chemglass</td>
			<td>CG-1506-20</td>
			<td>Large-scale synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Egg-shaped stir bar for use in a 500 mL round bottom flask (6.35 mm diameter, 16 mm length)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-512-122</td>
			<td>Large-scale synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glovebox</td>
			<td>Mbraun</td>
			<td>LabStar Pro</td>
			<td>This is the glovebox used by the authors. However, as long as the oxygen can be maintained at levels below ~10 ppm, any model is acceptable.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stir plate - inside of glovebox</td>
			<td>Any brand</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Magnetic stir plate with temperature control (oil bath or heating blocks) - outside of glovebox</td>
			<td>Any brand</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Octagon-shaped stir bar for use in a 40 mL scintillation vial (3 mm diameter, 12 mm length)</td>
			<td>VWR</td>
			<td>58947-140</td>
			<td>Small-scale synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Parafilm M Wrapping Film</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>&#160;S37440</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Precision Seal rubber septa</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>Z554103-10EA</td>
			<td>Large-scale synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vitamix Blender</td>
			<td>Vitamix.com</td>
			<td>E310</td>
			<td>Large-scale synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vortex Genie 2</td>
			<td>Millipore Sigma</td>
			<td>Z258415</td>
			<td>Small-scale synthesis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Representative Characterization Instrumentation and Accessories</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Brookhaven Instruments 90Plus Nanoparticle Size Analyzer</td>
			<td>Brookhaven Instruments</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M Series 635nm Laser 300-500mW</td>
			<td>Dragon Lasers</td>
			<td></td>
			<td>Incident wavelength for upconversion photoluminescence characterization. The laser should only be used by trained researchers in a dedicated optics space with appropriate safety protocols. The laser should be focused using a lens to increase the incident power density.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>P50-1-UV-VIS</td>
			<td>Ocean Insight</td>
			<td>P50-1-UV-VIS</td>
			<td>Patch cord for QE Pro</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>QE Pro Spectrometer</td>
			<td>Ocean Insight</td>
			<td>QEPRO-VIS-NIR</td>
			<td>Spectrometer for collecting upconversion photoluminescence.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Supra55VP Field Emission Scanning Electron Microscope (FESEM)</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

triplet fusion upconversion nanocapsule synthesis

Триплетная термоядерная апконверсия (UC) позволяет генерировать один высокоэнергетический фотон из двух входных фотонов с низкой энергией. Этот хорошо изученный процесс имеет значительные последствия для производства высокоэнергетического света за пределами поверхности материала. Тем не менее, развертывание материалов UC было остановлено из-за плохой растворимости материала, высоких требований к концентрации и чувствительности к кислороду, что в конечном итоге привело к снижению светоотдачи. С этой целью нанокапсуляция была популярным мотивом для обхода этих проблем, но долговечность оставалась неуловимой в органических растворителях. Недавно был разработан метод нанокапсуляции для решения каждой из этих проблем, после чего нанокаплет олеиновой кислоты, содержащий материалы для апконверсии, был инкапсулирован оболочкой кремнезема. В конечном счете, эти нанокапсулы (НК) были достаточно прочными, чтобы обеспечить возможность тройного синтеза с помощью объемной трехмерной (3D) печати. Инкапсулируя материалы с кремнеземом и диспергируя их в смоле для 3D-печати, фотоструктурирование за пределами поверхности печатного чана стало возможным. Здесь представлены видеопротоколы синтеза апконверсионных НК как для мелкомасштабных, так и для крупномасштабных пакетов. Описанные протоколы служат отправной точкой для адаптации этой схемы инкапсуляции к нескольким схемам апконверсии для использования в объемных приложениях 3D-печати.

На рисунке 1 показано карикатурное изображение протокола синтеза нанокапсул upconversion. Подчеркиваются параллели между мелкомасштабной и крупномасштабной подготовкой UCNC, такие как образование масла в водной эмульсии и добавление химических веществ для синтеза кремнеземной оболочки. Из мелкомасштабного синтеза обычно собирают 700-1000 мг пасты UCNC, в то время как 7-10 г UCNC обычно собирают из крупномасштабного синтеза.
Нанокапсулы были охарактеризованы с использованием комбинации спектроскопических и микроскопических методов10. Для подготовки образцов для SEM пленку бросали из раствора 100 мг нанокапсульной пасты mL-1 , диспергированной в воде на соответствующую проводящую SEM-подложку и давая высохнуть. Проводимость нанокапсул по своей природе низкая, но все же достаточная для характеристики без добавления другого проводящего материала. Репрезентативное изображение SEM (рисунок 2A) показывает относительно монодисперсные нанокапсулы диаметром ~50 нм, полученные с помощью этого протокола. Одним из ограничений использования SEM для характеристики морфологии UCNC является то, что они нестабильны при сверхвысоком вакууме в течение длительных периодов времени. При сверхвысоком вакууме, необходимом для измерений SEM, UCNC могут быть успешно визуализированы при эффективной работе, обычно в течение 30 мин. UCNC сливаются под высоким вакуумом примерно через 30 мин при сверхвысоком вакууме (рисунок 2B). Этот синтез не наблюдается в условиях окружающей среды в соответствии с процедурой, изложенной в настоящем протоколе (vide infra). Даже в свете соображений стабильности в вакууме электронная микроскопия по-прежнему является полезным методом оценки типичной морфологии UCNC.
Динамическое рассеяние света (DLS) является еще одним полезным методом для характеристики среднего гидродинамического диаметра нанокапсулы в растворе. Образцы для DLS могут быть легко приготовлены с образцом разбавленных UCNC. Здесь образец супернатанта, восстановленного после первой центрифуги (стадия 1.23 или 2.17), характеризовался DLS. Супернатант разбавляли в 10 раз сверхчистой деионизированной водой и фильтровали ПВДФ-фильтром 0,2 мкм для удаления крупных частиц и пыли. Альтернативно, можно охарактеризовать пасту UCNC в концентрации 100 мг мл-1 в сверхчистой деионизированной воде, разбавленной в 10 раз и отфильтрованной 0,2 мкм PVDF-фильтром. Гидродинамический диаметр измеряли с использованием DLS в <100 нм от партии к партии, обычно в диапазоне 65-90 нм10. Агрегация наночастиц не наблюдается в этих условиях характеризации, устраняя необходимость в дополнительном электролите10. Аналогичные диаметры UCNC могут быть сгенерированы из крупномасштабных или мелкомасштабных протоколов; Репрезентативные следы от одного сканирования представлены на рисунке 2C. Из-за броуновского движения и математического процесса подгонки к уравнению Стокса-Эйнштейна многие сканирования усредняются вместе, чтобы определить средние гидродинамические диаметры17. Средние гидродинамические диаметры для образцов, показанных на рисунке 2C, составляют ~75 нм для большой партии (полидисперсность, PDI: 0,21) и ~66 нм (PDI: 0,15) для представленной малой партии. Это изменение гидродинамического диаметра характерно для партии к партии, независимо от масштаба реакции.
Наконец, оптическая характеристика имеет жизненно важное значение для оценки целостности инкапсуляции оболочки кремнезема (рисунок 2D). Здесь образец супернатанта, восстановленный после того, как первая центрифуга была разбавлена 10x в дезоксигенированном ацетоне в перчаточном ящике. Образец разбавляли ацетоном для проверки структурной целостности UCNC. На рисунке 2D излучение антрацена явно присутствует при облучении лазером 635 нм, что означает, что средняя оболочка кремнезема остается неповрежденной. Если оболочки кремнезема слишком тонкие, яркая апконверсия чрезвычайно низка при облучении лазером 635 нм. Это связано с тем, что содержимое апконверсии растворяется и разбавляется в ацетоне до концентрации, слишком низкой для получения яркого повышенного излучения10.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64374/64374fig01.jpg"> Рисунок 1: Мультяшное изображение синтетического процесса нанокапсулы в малом и большом масштабе. Эта фигура была создана с Biorender.com. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64374/64374fig01large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/64374/64374fig02v2.jpg"> Рисунок 2: Репрезентативная характеристика нанокапсул с использованием микроскопии и спектроскопии. (A) SEM UCNC показывает масштаб и однородность синтеза нанокапсул upconversion. Шкала = 200 нм. (B) SEM UCNC, которые плавились под сверхвысоким вакуумом в течение ~30 мин. Образцы SEM были получены капельным литьем растворов UCNC в деионизированной сверхчистой воде. Шкала бар = 20 мкм. (C) Репрезентативные следы DLS нанокапсул с восходящей конверсией, подготовленные в малых и больших масштабах. UCNC разбавляли в деионизированной сверхчистой воде. (D) Восходящее излучение TIPS-an в UCNC, разбавленное в ацетоне, было получено при облучении лазером 635 нм при ~65 Вт см-2. Эта яркая восходящая конверсия означает, что оболочки кремнезема достаточно толстые, чтобы предотвратить выплескивание содержимого нанокапсул. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/64374/64374fig02largev2.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Triplet Fusion Upconversion Nanocapsule Synthesis at JoVE.com

Triplet Fusion Upconversion Nanocapsule Synthesis

Этот протокол детализирует синтез нанокапсул апконверсии для последующего использования в фотополимеризуемых смолах для объемной 3D-печати с помощью триплетного синтеза.

Triplet Fusion Upconversion Синтез нанокапсул

Triplet fusion upconversion (UC) allows for the generation of one high energy photon from two low energy input photons. This well-studied process has ...

Нанокапсулы с восходящим преобразованием позволяют точно генерировать высокоэнергетические фотоны из фотонов низких энергий. Их внедрение позволяет внедрять инновации в такие технологии, как объемная 3D-печать. Этот протокол показывает изготовление прочных силиконовых инкапсулированных нанокапсул.Наша процедура очень масштабируема, и мы выделяем протоколы для синтеза в двух разных масштабах. Начните с установки бардачка с инертной атмосферой при красном освещении. Для приготовления насыщенного раствора этого сенсибилизатора добавьте два миллилитра 99% олеиновой кислоты к 20 миллиграммам сенсибилизатора во флакон с перемешивающим батончиком.Накройте флакон фольгой, чтобы защитить его от окружающего света. Затем добавьте два миллилитра 99% олеиновой кислоты к 25 миллиграммам аннигилятора во флакон с перемешивающим батончиком. Перемешивайте смесь при 600 об/мин при комнатной температуре в течение не менее четырех часов.Затем отфильтруйте оба раствора с помощью шприцевого фильтра из PTFE длиной 0,45 микрометра. Используя шприц, смешайте 0,7 миллилитра раствора отрицателя фильтра. 0,35 миллилитра фильтрованного раствора сенсибилизатора.И 0,7 миллилитра олеиновой кислоты для приготовления готового раствора конверсионного материала. Затем, при окружающем освещении, добавьте 200 миллилитров сверхчистой деионизированной воды в 250-миллилитровую колбу Эрленмейера, запечатанную перегородкой. Охладите колбу в ледяной ванне не менее одного часа, чтобы достичь примерно пяти градусов по Цельсию.И закрепите перегородку с помощью герметизирующей пленки. Непосредственно перед приготовлением нанокапсул в бардачок положите охлажденную воду. Убедитесь, что при подаче воды вытягивается только легкий вакуум на прихожей, вытягивая 20% вакуума на основе измерения манометра прихожей.После подачи воды в бардачок немедленно включите функцию продувки перчаточного ящика, чтобы обойти колонну. Обеспечьте все химические вещества и расходные материалы в пределах досягаемости, включая шприцы и иглы для дозирования оптуса и тетраэтилортосиликата. 10k mPEG-Солевая и нейлоновая ткань для очистки.Подключите блендер и накройте электрические розетки пластиковой корзиной или нейлоновой тканью. Осторожно налейте воду в блендер. Добавить 1,45 миллилитра раствора исходного материала в одной порции шприцем в центр воды блендера.Прикрепите крышку и накройте ее нейлоновой салфеткой. Взбивайте при 22 600 об/мин в течение ровно 60 секунд, удерживая крышку блендера, чтобы предотвратить небольшие утечки. Переложите эмульсию в колбу круглого дна объемом 500 миллилитров.Закрепите колбу на перемешиваемой пластине с помощью зажима. Добавьте яйцевидный перемешивание и энергично перемешайте эмульсию при 1200 об/мин. Используя шприц, добавьте 0,75 миллилитра оптуса в эмульсию для получения прозрачного раствора мицелл.Добавьте четыре грамма 10k mPEG-Silane для предотвращения агрегации капсул. Встряхните колбу, чтобы убедиться, что она диспергирована. И перемешивайте при 1200 об/мин в течение примерно 10 минут.После перемешивания добавьте 15 миллилитров тетраэтилортосиликата в одну порцию с помощью 20-миллилитрового шприца. Добавьте еще 15 миллилитров в одну порцию. Прикрепите перегородку к колбе и перемешивайте при 1200 об/мин в течение 30 минут.Извлеките колбу и отходы из бардачка. Прикрепите колбу к перемешивающей пластине с нагревательным элементом и подключите колбу к линии Шленка, чтобы удерживать реакцию при постоянном давлении под инертным газом. Перемешайте и нагрейте реакцию при 1200 об/мин в течение 40 часов при 65 градусах Цельсия.Затем отсоедините реакцию от линии Шленка и добавьте четыре грамма 10k mPEG-Silane. Повторно подключите реакцию к линии Шленка. Перемешайте и нагрейте реакцию в течение восьми часов.Через восемь часов выключите огонь и дайте реакции остыть до комнатной температуры при перемешивании при 1200 об/мин. Затем центрифугируют суспензию в центрифужных трубках при 8, 670 G в течение одного часа при 22 градусах Цельсия. Выбросьте гранулу и сохраните супернатант, содержащий нанокапсулы.Опять же, центрифугируйте супернатант в течение 14-16 часов. Выбросьте супернатант и соберите гранулы, содержащие нанокапсулы апконверсии. Используя пипетку, тщательно промойте верхнюю поверхность гранулы нанокапсула дважды 10 миллилитрами сверхчистой деионизированной воды.Шпателем переложить нанокапсульную пасту в отдельные сцинтилляционные флаконы по 20 миллилитров. И сразу же принесите флаконы в бардачок и охарактеризуйте препарат нанокапсула. Подключите вихревой смеситель и установите максимальную скорость на 3 200 об/мин.Используя микропипетку, добавьте 145 микролитров раствора аннигилятора сенсибилайзера к 20 миллилитрам разбрызганной воды. Прикрепите крышку электрической лентой или потолочной пленкой. Вихрьте раствор в течение семи минут, удерживая флакон близко к основанию.Прикрепите флакон к перемешиваемой пластине и перемешайте эмульсию со скоростью 1 200 об/мин с восьмиугольным перемешивающим стержнем. Используя микропипетку, добавьте 75 микролитров оптуса, чтобы получить прозрачный раствор мицелл. А затем сразу же добавить 400 миллиграммов 10к мПЕГ-силана.Встряхните флакон, чтобы официально перемешать реакцию и вернуть флакон в перемешиваемую тарелку. Используя шприц, добавьте три миллилитра тетраэтилортосиликата, пока реакция перемешивается при 1200 об/мин. Встряхните флакон, а затем перемешайте реакцию со скоростью 1200 оборотов в минуту, пока она не будет извлечена из бардачка.Запечатайте флакон электрической лентой или уплотнительной пленкой и извлеките флакон из бардачка. Нагрейте раствор при 65 градусах Цельсия, перемешивая его со скоростью 1200 об/мин в течение 40 часов. Затем добавляют 400 миллиграммов 10к мПЕГ-силана и перемешивают реакцию в течение восьми часов.Сканирующее электронное микроскопическое изображение нанокапсулы апконверсии, полученное с использованием этого протокола, показало монодисперсные нанокапсулы диаметром примерно 50 нанометров. При сверхвысоком вакууме, необходимом для этого измерения, нанокапсулы сливаются примерно через 30 минут. Как видно из динамических следов рассеяния света, аналогичные диаметры нанокапсул с восходящей конверсией могут быть получены из крупномасштабных или мелкомасштабных протоколов.Со средним гидродинамическим диаметром 75 нанометров для большой партии и 66 нанометров для малой партии. Оптическая характеристика показала, что при излучении 635-нанометровым лазером присутствовало излучение антрозина. Это означает, что оболочка кремнезема осталась неповрежденной в нанокапсулах.Есть небольшие детали, которые могут иметь большое значение в производительности нанокапсулы. Позаботьтесь о том, чтобы защитить реакцию от окружающего кислорода и добавьте надлежащий объем теста приложения. Исследователи могут максимизировать производительность апконверсии, используя их в аналогичных нанокапсулах.Кроме того, используя этот метод, исследователи могут создавать нанокапсулы для включения в легкую смолу для 3D-печати.

Research

JoVE Journal

Engineering

Synthesis and Operation of Fluorescent-core Microcavities for Refractometric Sensing

Синтез и эксплуатация Флуоресцентные-ядерный Микрополости для Рефрактометрические зондирования

This paper discusses  fluorescent core microcavity-based sensors that can operate in a microfluidic  analysis setup. These structures are based on the ...

Synthesis and Functionalization of Nitrogen-doped Carbon Nanotube Cups with Gold Nanoparticles as Cork Stoppers

Синтез и Функционализация легированного азотом Кубки углеродных нанотрубок наночастицами золота как корковыми пробками

Nitrogen-doped carbon  nanotubes consist of many cup-shaped graphitic compartments termed as  nitrogen-doped carbon nanotube cups (NCNCs).  These ...

Synthesis and Microdiffraction at Extreme Pressures and Temperatures

Синтез и микродифракции при экстремальных давлениях и температурах

High pressure compounds and polymorphs are investigated for a broad range of purposes such as determine structures and processes of deep planetary ...

Integrating a Triplet-triplet Annihilation Up-conversion System to Enhance Dye-sensitized Solar Cell Response to Sub-bandgap Light

Интеграция триплет-триплетного Annihilation системы ап-конверсии для повышения сенсибилизированных красителем солнечные сотовый Ответ на Sub-запрещенной Света

The poor response of dye-sensitized solar cells (DSCs) to red and infrared light is a significant impediment to the realization of higher photocurrents ...

Visible-light Induced Reduction of Graphene Oxide Using Plasmonic Nanoparticle

Видимый свет Индуцированные Снижение графеновых оксида Использование наночастиц Плазмонное

Present work demonstrates the simple, chemical free, fast, and energy efficient method to produce reduced graphene oxide (r-GO) solution at RT using ...

Synthesis and Functionalization of 3D Nano-graphene Materials: Graphene Aerogels and Graphene Macro Assemblies

Синтез и Функционализация 3D нано-графена материалов: графена АЭРОГЕЛЕЙ и графена Макро Ассамблей

Efforts to assemble graphene into three-dimensional monolithic structures have been hampered by the high cost and poor processability of graphene. ...

Colloidal Synthesis of Nanopatch Antennas for Applications in Plasmonics and Nanophotonics

Коллоидный Синтез Nanopatch Антенны для применения в плазмоники и нанофотоники

We present a method for colloidal synthesis of silver nanocubes and the use of these in combination with a smooth gold film, to fabricate plasmonic ...

Applying X-ray Imaging Crystal Spectroscopy for Use as a High Temperature Plasma Diagnostic

Применение рентгеновской визуализации спектроскопии кристаллов для использования в качестве высокотемпературной плазмы диагностики

X-ray spectra provide a wealth of information on high temperature plasmas; for example electron temperature and density can be inferred from line ...

Two-way Valorization of Blast Furnace Slag: Synthesis of Precipitated Calcium Carbonate and Zeolitic Heavy Metal Adsorbent

Двусторонний Валоризация шлака доменной печи: Синтез Осажденный карбоната кальция и цеолитовых Heavy Metal адсорбенте

The aim of this work is to present a zero-waste process for storing CO2 in a stable and benign mineral form while producing zeolitic minerals with ...

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

In Situ Synthesis of Gold Nanoparticles without Aggregation in the Interlayer Space of Layered Titanate Transparent Films

В Ситу Синтез наночастиц золота без агрегации в прослойке пространстве Layered титаната прозрачные пленки

Combinations of metal oxide semiconductors and gold nanoparticles (AuNPs) have been investigated as new types of materials. The in situ synthesis of AuNPs ...