Protocol
1. Подготовка эмульсии
- Эмульсия Содержание
- Масса соответствующее количество соли, чтобы произвести 10 мл раствора 0,03-М. Для платины (IV) меры хлорида 0,101 г, цинка (II), хлорид (ZnCl 2) мера г 0,032, и хлорид натрия (NaCl) меры 0,018 г.
- В отдельных пробирках, растворить соль каждый в 10 мл деионизированной воды. Установите в сторону для последующего использования.
- Использование 20-мл, свариваемый стеклянную ампулу для содержания всей этой процедуры. Тары баланс в стеклянном флаконе.
- Взвесьте винил-прекращено полидиметилсилоксана, медленно выливая его в течение перемешивания стержня и в стеклянном флаконе отдыхает на нулевую отметку шкалы. Взвесить 1,02 г (эквивалент 1.080 мл).
ПРИМЕЧАНИЕ: высокая вязкость этого полимера делает пипетки непрактично. - Пипетка 1,02 мл н-гептана, флакона. Добавьте 2 капли неионогенные ПАВ (сорбитанмоноолеат) в пробирку. Пипетка 0,3 мл солевого раствора и 0,45 мл ди-воде во флакон.
- Печать стеклянный пузырек путем завинчивания крышки плотно. Встряхивать в течение 60 секунд, чтобы инициировать эмульсии перед началом ультразвуком.
- Строительство водяной бане Sonicator аппарата
- Заполните ультразвукового водой до минимального линии заполнения. Добавить 250 мл водопроводной воды в 400-мл химический стакан. Заполните 400-мл химический стакан, со льдом, так что уровень воды только на краю.
- Поместите эту мензурку внутри водяной бане ультразвуком. Проверьте заполнения строки на ультразвуковом, регулировочный, если необходимо. Поместите кольцо стоять прямо рядом с водой ванны для обработки ультразвуком.
- Использование двух кольцевого основания зажимов, расположить их таким образом, что рука вытянута из перпендикулярно к кольцу стоять и другой расширен в сторону водяной бане так, чтобы он был направлен вниз в стакан, наполненный льдом. Приложить другой зажим к кольцу стенд с термометром вниз в 400-мл химический стакан, так что температура может регистрироваться на протяжении обработки ультразвуком.
- EmulsifПорядок ication
- Поместите эмульсии, содержащей флакон так, чтобы он полностью погружен в 400-мл химический стакан, закрепив его в зажиме выступающего вниз в стакан.
- Убедитесь, что стеклянный сосуд, содержащий смесь PDMS не касаясь сторон стакана, чтобы устранить тепло, вызванное трением.
- Включите ультразвуком и установить время обработки ультразвуком в течение 7 минут. Поскольку эмульсии очень чувствителен к нагреву, чтобы температура внутри стакана находится между 0 и 5 ° С на протяжении обработки ультразвуком. Начало ультразвуком, как только температура внутри стакана желательно.
- После 7 мин ультразвуком, удалить пробирку и встряхните / завихрение в течение 1 мин, удерживая верхнюю часть флакона, чтобы устранить любые комки, которые могли бы служить в эмульсии.
- Утилизация содержимого стакана. Пополнение с 250 мл воды и добавить лед к заливке в пределах 1 см в верхней части стакана.
- Поместите флакон обратно в зажим. Погрузитесь под воду со льдом, чтобы resumэлектронной обработки ультразвуком в течение 7 минут.
- Повторите шаги 1.3.3 на 1.3.6 в общей сложности восемь, 7-минутных периодов обработки ультразвуком, или до тех пор, ультразвуком, кажется, быть однородными и не сгустки нет. Хранить при комнатной температуре.
Примечание: Эмульгирование должны быть стабильными в течение нескольких дней, но могут быть восстановлены с помощью ультразвука, как описано выше в 7-минутные интервалы до тех пор, пока не появится однородной. Хранить при комнатной температуре.
2. Поперечное сшивание
- Настройка Для добавления триэтоксисилана / раствор ПАВ
- Пипетка 5,4 мл триэтоксисилан в пробирку. Поместите в стойку пробирки под капотом для последующего использования.
- Заполните 400 мл стакан с ледяной водой и поместите его под капотом. Рядом с 400 мл химический стакан месте кольцо Стенд с зажимом прикрепленной, расширена сразу после открытия стакана. Это будет ледяную баню для добавления триэтоксисиланом.
- Поместите горячую плиту с другой стороны кольцевого стенда. Заполните 800-мл химический стакан, с приблизительно 700 млводопроводная вода. Поместите его на горячей плите.
- Включите плитке и поддерживать температуру от 75 до 85 ° С внутри 800-мл химический стакан. Приложить зажим термометром до кольцевой подставке так, чтобы температура воды внутри 800-мл химический стакан можно контролировать.
- Производят поверхностно раствор растворением 0,5 г додецилсульфата натрия в 375 мл воды (4,62 мм). Добавить приблизительно 10 мл раствора ПАВ в чистую, пустую пробирку.
- Приложить другой зажим к кольцу стоять под капотом с испытательной трубке поверхностно закреплены таким образом, чтобы его уровень жидкости находится ниже поверхности воды внутри 800-мл химический стакан. Разрешить 10 мин для уравновешивания теплового.
- Намочите кусочек фильтровальной бумаги и поместите его в верхней части небольшой воронки. Поместите шток воронки внутри 250-мл колбу Эрленмейера и поместить колбу под капотом.
- Добавление триэтоксисилана
- Поместите флакон эмульсии в зажиме по сравнению с лед-вода клювомэ внутри капюшона. Поместите смесь PDMS в зажиме так, чтобы содержимое флакона ниже поверхности воды. Добавление триэтоксисиланом вызывает экзотермическую реакцию, поэтому эмульсия должна храниться холодной того, чтобы поддерживать свою структуру.
- Удалить крышку с стеклянный флакон, чтобы избежать накопления газообразного.
- Медленно влить пробирку, содержащую триэтоксисилан в стеклянный флакон в виде непрерывного потока в течение приблизительно 10 сек (примерно 0,5 мл / с).
ВНИМАНИЕ: Добавление триэтоксисиланом инициирует экзотермическую реакцию и высвобождение каустической хлористого водорода (HCl) газа. Флакон станет очень жарко, и ядовитый газ будет эволюционировать от смеси. Не мешайте содержимое при добавлении триэтоксисилан. - После добавления триэтоксисилан полностью, осторожно перемешать содержимое с стеклянной мешалкой стержня при ношении тепла защитные перчатки. Подождите в течение 2 мин или до остановки газовых развивающихся из флакона.
- Фоллявследствие поперечной сшивки, нет разделения фаз видна в образце. Если сгустки присутствуют, запечатать и встряхнуть флакон строго в течение 20 сек, держа флакон с крышкой.
- Бисера производство
- Используйте чистую, стекло пипетки Пастера, чтобы привлечь сшитый эмульсии из стеклянной ампуле. Добавить сшитого эмульсии каплям к раствору ПАВ (который должен быть сохранен от 75 до 85 ° C) в пробирку брать как можно меньше времени возможно между каплями.
- 30 сек до 1 мин после добавления эмульсии, раствор поверхностно-активного вещества медленно будет развиваться газ в качестве твердых начинают формировать внутри пробирки.
- В то время как носить защитные перчатки тепла, взять пробирку из зажима и залить все его содержимое в фильтрационного аппарата под капотом. Фильтры в течение 5 мин. Удалить фильтровальную бумагу из фильтра.
- Перевести отфильтрованные твердые частицы на часовом стекле и отдельных бусин для O / N сушки под чООД. Очистка гранул может быть отложено на неопределенный срок. Магазин Высушенные гранулы при комнатной температуре в герметично закрытой стеклянную пробирку, пока это необходимо, и чистый непосредственно перед использованием.
- Очистка бисера
- Создайте еще один фильтрации аппарат под капотом и поместите высушенные шарики внутри воронки в верхней части фильтровальной бумаги.
- Используйте пластиковую стирки бутылку с DI-воды, чтобы промыть шарики мягко, перемещая их вокруг немного, чтобы все шарики промывают.
- Пусть шарики высохнуть в течение 1 часа, помещая их на часовое стекло под капотом. Использование стирки бутылку с гексаном, чтобы промыть шарики, используя тот же способ промывки водой.
- Поместите шарики на часовое стекло. Поместите часы стекло и бисер под капотом высохнуть.
- После шарики полностью сухой, поместите их в небольшой закрывающийся стеклянный флакон и хранить при комнатной температуре для дальнейшего использования.
- Монтаж бисер для СЭМ анализа и SEM Настройки
- Поместите полоску делuble односторонней углерода проводящие ленты в верхней части заглушки на которую шарики будут смонтированы. Используя ножницы, обрежьте вокруг заглушки, чтобы не гарантировать лента висит над краями.
- Место кусок фильтровальной бумаги под заглушкой на плоской поверхности. Удалить верхний слой из ленты, так что клей нижняя подвергается.
- Аккуратно вылейте шарики над заглушкой. Некоторые шарики будут придерживаться ленты, но большинство будет отскакивать и земля, на фильтровальной бумаге. Залить их обратно в пузырек, если они остались на фильтровальной бумаге. Повторите, если необходимо, мытье любые бусы (в соответствии с 2.4.2 до 2.4.5), которые становятся загрязненными.
- Для обеспечения шарики находятся в безопасности на пенек, использовать шприц лампы и слегка дуть очень близко к поверхности заглушки. Налейте больше бусин на пенек, если лишь немногие, прилипшего к ленте. Убедитесь, что все шарики в безопасности до размещения заглушки в камеру SEM и эвакуации его.
- После того, как образцы были установлены правильно, они готовы пройти SEM анальныйлиз 15. Соберите изображения в режиме LOW переменного тока на 15 кэВ до оптимизации разрешения поверхностных особенностей шарик в.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Типичные СЭМ изображения бусин, вытекающих из эмульсий с различными условиями электролита показаны на рисунке 1. 1А показывает шарик аналогичны полученным с помощью DuFaud и др. 13, полученные с использованием процедуры наши, без добавления какого-либо электролита. Бусины показано на фигуре 1В-D, в результате чего различной морфологии для каждого иона металла. Для всех рисунке, 300 мкл растворов 0,03 М-электролитов были использованы вместо 300 мкл деионизованной воды для водной фазы, дает концентрацию электролита 0,012 М в этой фазе. Чем выше разрешение, показаны на рисунке 2 шариков, произведенных с электролитом не (а) и с ZnCl 2.
Брунауэра Эммета-Теллера (БЭТ) Анализ 16,17 гранул проводили с использованием азота изотермы на пять различных давлениях. Шарики, показанные на рисунке 1, были т AKEN из той же партии материалов, используемых для анализа ставку в каждом конкретном случае. Анализ по методу БЭТ дает количественные значения площади поверхности к объему, перечисленных в таблице 1.
Рисунок 1. СЭМ-изображения целых бисера. СЭМ изображения из бисера PDMS, произведенных по методике микропузырьков изготовления описанной здесь. Бусины, полученные без добавления какого-либо электролита к водному слою (а) исключительно выпуклой пористости. Длина шкалы для всех изображений даются масштабной линейки на рисунке. Те производится с чистой концентрацией 0,012 концентрации М металла для PtCl 4 (B), ZnCl 2 (C), и NaCl (D) показывают различные морфологии, в том числе существенного того вогнутых пор из-за образование микропузырьков, как указано в кружке площадка.ле / ftp_upload / 53440 / 53440fig1large.jpg "целевых =" _blank "> Нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
Рисунок 2. Подробные SEM изображений. Ближе СЭМ изображения (а), произведенных без бисера электролита добавил, и (б) с ZnCl 2. Без добавления электролита, сферические подструктуры, как правило, более крупные и более плотно упакованы, чем с добавлением ZnCl 2, который в значительной мере способствует увеличению коэффициента площади поверхности к объему. Длина шкалы для всех изображений даются масштабной линейки на рисунке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.
| Соль добавляется | СТАВКА SAV ликвидности (см 2 / см 3) | Улучшение SAV (по сравнению с контролем) |
| Отсутствует (контроль) | 361,6 | 1 |
| PtCl 4 | 1,849 | 5.1 |
| ZnCl 2 | 11,060 | 30,6 |
| NaCl | 298,9 | 0.83 |
Таблица 1. Анализ ВЕТ. Поверхность зоны к объему (SAV) отношения, определяемые Брунауера-Эммета-Теллера (БЭТ) анализа изотермы, материалов производится с использованием водных фаз с 0,012-М водных растворов различных электролитов в. Первые буквы колонке указывают соответствующую панель изображения на рисунке 1. Коэффициенты SAV основаны на общей площади поверхности на единицу массы, массы образца, и общей холодной свободного пространства образца.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Шарики, полученные с использованием этого протокола (и, регулируя концентрацию электролита и личность) принципиально отличаются от тех, производится с эмульсией низкой ионной силы, как видно из сравнения рис 1А с другими изображениями SEM в рисунке 1. Наш первоначальный отчет используется PtCl 4 с целью дальнейшего катализировать полимеризацию сшивку в водно-алифатической интерфейс 14. В этом докладе, крупные вогнутые углубления были замечены. С этого отчета, мы усовершенствовали наши процедуры для оптимизации соотношения SAV. Без промывки бусинки, элементный анализ доменов в изображениях SEM показывают, что платина было обнаружено почти исключительно в вогнутых поры, которые находятся по всей структуре гранулы. Потому что это платина легко удаляется путем перемешивания шариков в воде, мы пришли к выводу в нашей первоначальном докладе, что платина просто остаток на поверхности PDMS, а не яncorporated в полимер. Это означало, стимулирующую роль для платины в процессе отверждения. Шарики, показанные на рисунке 1, характеризуется появлением сферических подструктур, в основном выпуклых, но те, производится с добавлением электролита также содержат вогнутых сферических регионов, таких как кружком части рис 1B. Наличие электролита по-видимому, уменьшить размер микропузырьков в эмульсии. Детальные изображения показывают, что, основываясь на размерах сферических каркасов, пузырьки в эмульсии составляет порядка 0,2 мкм до 2 мкм в диаметре с ZnCl 2, но более обычно 1-10 мкм в диаметре без электролита (в соответствии с предыдущая работа DuFaud и др. 13).
Представленные здесь данные показывают, что дешевле, более земные с избытком металлы могут быть использованы вместо исходных PtCl 4: вогнутая пористости бисера производятся независимо от идентность иона металла используется, хотя значительно разной степени. Использование ZnCl 2 обеспечивает резкое увеличение соотношения SAV, в шесть раз выше, чем для PtCl 4, и примерно в 30 раз выше, чем для процедуры контроля, которая не содержит электролит. Результаты BET находятся в отличном согласии с изображениями SEM: для ZnCl 2, многочисленные карманы вогнутых, несколько микрон в диаметре, которые видели распределены по всей структуре. Подробные изображения на фиг.2В также показывают, что существует гораздо больше места, когда внутренняя гранулы получают в присутствии ZnCl 2. Обе эти функции служат сайтов для увеличения доступной площади поверхности для адсорбции, особенность, которая является весьма желательным для разделения, где PDMS используется в качестве неподвижной фазы.
Для всех протестированных электролитов на сегодняшний день, существует оптимальная концентрация соли, который максимизирует поверхностной пористости гранул представляются, того он, как представляется, общая концентрация 0,012 М, независимо от противоион металла. Ниже и выше этой оптимальной концентрации, соотношение SAV меньше, чем максимум, и, как представляется монотонно уменьшаются от максимума в любом направлении. Эта зависимость от концентрации соли, а не исключительно на основе присутствии каталитически активного иона металла в растворе, показывает, что эффект электролита на микропузырьков изготовления является изменение свойств эмульсии. Без добавления содержанием соли, эмульсия лучше всего описан как полостей алифатических (т.е. полимер-содержащие) фазы вложенных в более непрерывной водной фазе. При соль добавляют, поверхностное натяжение изменяется таким образом, что алифатический фазы непрерывного в некоторых местах, с дисперсной водной пузырьков. Когда эмульсия внезапно нагревают в ванне поверхностно падение сохраняет эту структуру, как и лекарства PDMS. Это приводит к шариков, которые имеют менее сферические формы, но имместная с отверстиями в связи с наличием водных карманов, даже для хлоридов металлов натрия, которые не будут, как ожидается, оказывают существенное стимулирующее воздействие. Хотя любой растворимой в воде солью должны работать в принципе для достижения этого эффекта, и следует отметить, что существует минимальный зависимость оптимальной концентрации ионов металлов в идентичности, существует явное преимущество металлов, известных катализировать реакции органических углерод-углеродные муфты. Это говорит о том, что, в то время как изменение ионной силы необходимо, чтобы вызвать обращение фаз, основной определяющим фактором при регулирования соотношения SAV является способность металла в качестве катализатора для сшивания отдельных полимерных нитей, направляя его происходят преимущественно в водной / алифатических интерфейса.
Самый важный аспект нашего протокола является то, что процесс обработки ультразвуком и добавление триэтоксисиланом может генерировать и большое количество тепла, если не тщательно контролировать. Это тепло может вызвать СолиDS, чтобы сформировать преждевременно, которые сделают поколение желаемых бисера невозможно. Проблема ультразвуком в значительной степени рассмотрены использования ванны типа ультразвуком, и включение льда в ванну, чтобы помочь регулировать эту температуру. Периоды ультразвуком 7 минут оказались оптимальными для снижения нежелательного слипания эмульсии, отчасти потому, что приблизительно через 7 мин ультразвуком, большую часть льда в бане растает. Добавление триэтоксисиланом должно быть сделано с активным перемешиванием, и со смесью, погруженной в баню со льдом.
По сравнению с оригинальным отчета по производству выпуклые пористость PDMS шарики, наш протокол демонстрирует значительное преимущество в соотношении SAV продукта. Мы показали, что добавление даже недорогих солей в водной фазе эмульсии, используемой в производстве микропузырьков пористых полимерных гранул может привести к значительным изменениям в морфологии конечного материала. В то время как наличие любой соли по-видимому,Результат в виде эмульсии, в которых алифатический фаза может стать непрерывной, только путем добавления ионов каталитически активный металл отношение SAV увеличена с коэффициентом 30. Хотя мы не проверяли этот протокол на любом другом полимера, мы ожидаем, что любой полимер, который сшивают и отверждали (ограничения нашего протокола) могут быть использованы в этом процессе, чтобы генерировать вогнутой пористости микроструктурированных шарики. В таком широком смысле, это, вероятно, что специфические концентрации электролита должны быть оптимизированы для эмульсии используются для того, чтобы алифатический фазы непрерывно, и водную фазу дискретно.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Эта работа была поддержана Западного Кентукки университета Огден колледжа науки и техники, в том числе внутренней поддержки от кафедры химии и из Управления исследований (RCAP 13-8032). Помощь доктора Джона Andersland в WKU микроскопии (SEM фонда изображений) и адъюнкт-профессор Ян Као в WKU Института науки и техники горения (BET анализ) занимает центральное место в проведении этой работы.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(dimethylsiloxane), vinyl terminated | Sigma-Aldrich | 68083-19-2 | |
| n-Heptane | Sigma-Aldrich | 142-82-5 | Flammable |
| Triethoxysilane | Sigma-Aldrich | 998-30-1 | Flammable, Accutely Toxic |
| Sorbitan Monoleate (Span-80) | Fluker | 1338-43-8 | |
| Platinum(IV) Chloride | Sigma-Aldrich | 13454-96-1 | Accutely Toxic |
| Zinc(II) Chloride | Sigma-Aldrich | 7646-85-7 | |
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | |
| 2.8 L Water Bath Sonicator | VWR | 97043-964 |
References
- Pedraza, E., Brady, A. C., Fraker, C. A., Stabler, C. L. Synthesis of macroporous poly(dimethylsiloxane) scaffolds for tissue engineering applications. J. Biomater. Sci., Polym. Ed. 24 (9), 1041-1056 (2013).
- Ratner, B. D., Bryant, S. J. Biomaterials: Where we have been and where we are going. Annu. Rev. Biomed. Eng. 6, 41-75 (2004).
- Bélanger, M. C., Marois, Y. Hemocompatibility, biocompatibility, inflammatory and in vivo studies of primary reference materials low-density polyethylene and polydimethylsiloxane: A review. J. Biomed. Mater. 58 (5), 467-477 (2001).
- Kobayashi, T., Saitoh, H., Fujii, N., Hoshino, Y., Takanashi, M. Porous membrane of polydimethylsiloxane by hydrosilylation cure: characteristics of membranes having pores formed by hydrogen foams. J. Appl. Polym. Sci. 50 (6), 971-979 (1993).
- Yager, P., et al. Microfluidic diagnostic technologies for global public health. Nature. 442 (7101), 412-418 (2006).
- Yu, P., Lu, C. PDMS used in microfluidic devices: principles, devices and technologies. Adv. Mater. Sci. Res. 11, 443-450 (2011).
- Zhou, J., Khodakov, D. A., Ellis, A. V., Voelcker, N. H. Surface modification for PDMS-based microfluidic devices. Electrophoresis. 33 (1), 89-104 (2012).
- Spietelun, A., Pilarczyk, M., Kloskowski, A., Namieśnik, J. Polyethylene glycol-coated solid-phase microextraction fibres for the extraction of polar analytes—A review. Talanta. 87, 1-7 (2011).
- Vas, G., Vékey, K. Solid-phase microextraction: a powerful sample preparation tool prior to mass spectrometric analysis. J. Mass Spectrom. 39 (3), 233-254 (2004).
- Odziemkowski, M., Koziel, J. A., Irish, D. E., Pawliszyn, J. Sampling and Raman confocal microspectroscopic analysis of airborne particulate matter using poly(dimethylsiloxane) solid phase microextraction fibers. Anal. Chem. 73 (13), 3131-3139 (2001).
- Grosse, M. T., Lamotte, M., Birot, M., Deleuze, H.
- Sun, W., Yan, X., Zhu, X. Synthesis, porous structure, and underwater acoustic properties of macroporous cross-linked copolymer beads. Colloid Polym. Sci. 290 (1), 73-80 (2012).
- Dufaud, O., Favre, E., Sadtler, V. Porous elastomeric beads from crosslinked emulsions. J. Appl. Polym. Sci. 83 (5), 967-971 (2002).
- Farmer, B. C., Mason, M., Nee, M. J. Concave porosity non-polar beads by a modified microbubble fabrication. Mater. Lett. 98, 105-107 (2013).
- Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. J. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. 151-155 (1995).
- Brunauer, S., Emmett, P. H., Teller, E.
- Sing, K. S. W. Characterization of porous materials: past, present and future. Colloids Surf. A. 241 (1), 3-7 (2004).
