Protocol
1. Fremstilling af emulsion
- Emulsion Indhold
- Mass en passende mængde salt for at fremstille 10 ml af 0,03-M opløsning. For platin (IV) chlorid foranstaltning 0,101 g, for zink (II) chlorid (ZnCl2) foranstaltning 0,032 g, og natriumchlorid (NaCl) foranstaltning 0,018 g.
- I individuelle reagensglas, opløses hvert salt i 10 ml deioniseret vand. Sæt til side til senere brug.
- Brug en 20-ml, der kan forsegles hætteglas til indholdet i denne procedure. Tarere en balance til hætteglas.
- Vinyl-termineret polydimethylsiloxan afvejes ved langsomt at hælde den over en røre stang og i hætteglas hvilende på nulstillede skala. Afvej 1,02 g (svarende til 1.080 ml).
BEMÆRK: Den høje viskositet denne polymer gør pipettering upraktisk. - Der afpipetteres 1,02 ml n-heptan til hætteglasset. Tilsæt 2 dråber af ikke-ionisk overfladeaktivt middel (sorbitanmonooleat) til hætteglasset. Der afpipetteres 0,3 ml saltopløsning og 0,45 ml DI-vand til beholderen.
- Forsegle hætteglasset ved at skrue låget på tæt. Ryst kraftigt i 60 sek at indlede emulsionen før du begynder lydbehandling.
- Konstruktion af vand-bad Sonicator Apparatur
- Fyld sonikator med vand op til et minimum opfyldningslinje. 250 ml ledningsvand til en 400 ml bægerglas. Fyld 400 ml bægerglas med is, så at vandniveauet er lige ved randen.
- Placer denne bæger inde i vandbad sonikator. Kontroller fill-line på sonikator, justere hvis nødvendigt. Placer en ring står lige ved siden af vandbad sonikator.
- Brug af to ring står klemmer, placere dem, så en arm er forlænget ud vinkelret på ringen står og en anden er forlænget mod vandbad, så den peger nedad i bægeret fyldt med isvand. Fastgør anden klemme til ringen står med et termometer ned i 400 ml bægerglas, således at temperaturen kan overvåges i hele lydbehandling.
- Emulsifgement Procedure
- Placer emulsion indeholdende hætteglasset, sådan at det er fuldt nedsænket i 400 ml bægerglas ved at sikre den i klemmen fremspringende ned i bægeret.
- Sørg for, at glasset hætteglas med PDMS blandingen ikke rører siderne af bægerglasset til at fjerne varme fra friktion.
- Tænd sonikator og indstil sonication tid for 7 min. Da emulsionen er meget varmefølsomt, at temperaturen inde i bægeret er mellem 0 og 5 ° C under hele lydbehandling. Start lydbehandling, når temperaturen inde i bægeret er ønskelig.
- Efter 7 minutters lydbehandling, fjernes hætteglasset og ryst forsigtigt / swirl for 1 min, holder toppen af hætteglasset for at fjerne eventuelle klumper, der kan dannes i emulsionen.
- Bortskaf indholdet i bægeret. Refill med 250 ml vand og tilsæt is til fyld til en afstand af 1 cm toppen af bægeret.
- Placer hætteglasset tilbage i klemmen. Sænk den under isvand at resume sonikering i 7 min.
- Gentag trin 1.3.3 til 1.3.6 i alt otte, 7-min sonikering, eller indtil den sonication synes at være homogen og ikke klumper er til stede. Opbevar ved stuetemperatur.
BEMÆRK: emulgering skal være stabil i flere dage, men kan udvindes ved lydbehandling som ovenfor i 7-minutters intervaller, indtil den vises homogen. Opbevar ved stuetemperatur.
2. Tværbinding
- Opsætning til Tilsætning af triethoxysilan / Overfladeaktivt Solution
- Pipette 5.4 ml triethoxysilan i et reagensglas. Anbring i et reagensglas rack under kølerhjelmen til senere brug.
- Fyld en 400 ml bægerglas med isvand og placere den under kølerhjelmen. Ved siden af 400-ml bægerglas sted en ring står med en klemme fastgjort, forlænget direkte over åbningen af bægeret. Dette vil være den is-bad for tilsætning af triethoxysilan.
- Placer en varmeplade på den anden side af ringen stativet. Fyld en 800 ml bægerglas med ca. 700 mlpostevand. Placer den på den varme plade.
- Tænd varmepladen og opretholde en temperatur på 75 til 85 ° C inde i 800 ml bægerglas. Fastgør en klemme med et termometer til ringen standeren, så temperaturen af vandet i 800 ml bægerglas kan overvåges.
- Fremstil opløsningen af overfladeaktivt middel ved at opløse 0,5 g natriumdodecylsulfat til 375 ml vand (4,62 mM). Der tilsættes ca. 10 ml opløsning af overfladeaktivt middel til en ren, tom reagensglas.
- Fastgør anden klemme til ringen stå under hætte med det overfladeaktive reagensglasset fastgjort således, at dens væskeniveauet befinder sig under overfladen af vandet inde i 800 ml bægerglas. Tillad 10 min til termisk ækvilibrering.
- Wet et stykke filtrerpapir, og placere den i toppen af en lille tragt. Placer tragtens stilk i en 250 ml Erlenmeyer-kolbe, og kolben anbringes under hætten.
- Tilsætning af triethoxysilan
- Placer hætteglasset i emulsionen klemmen over isvand næbis inde i hætten. Placer PDMS blandingen i klemmen, således at hætteglassets indhold er under overfladen af vandet. Tilsætningen af triethoxysilan forårsager en eksoterm reaktion, så emulsionen skal holdes koldt med henblik på at bevare sin struktur.
- Fjern låget fra hætteglasset for at undgå gasformig opbygge.
- Hæld langsomt reagensglasset med triethoxysilan i hætteglasset i en kontinuerlig strøm over en periode på ca. 10 sekunder (ca. 0,5 ml / sek).
ADVARSEL: Tilføjelsen af triethoxysilan initierer en exoterm reaktion og frigivelse af kaustisk hydrogenchlorid (HCl) gas. Hætteglasset bliver ekstremt varme og en giftig gas vil udvikle sig fra blandingen. IKKE Rør indholdet, mens tilføje triethoxysilan. - Efter tilsætning triethoxysilan helt forsigtigt røre indholdet med et glas opsigt stang, mens iført en varme beskyttende handske. Vent i 2 min, eller indtil gas stopper udvikler sig fra hætteglasset.
- Follgrund tværbinding, er der ingen faseadskillelse synlig i prøven. Hvis klumper er til stede, forsegle hætteglasset og ryst grundigt i 20 sekunder, mens du holder hætteglasset ved låget.
- Perle produktion
- Brug en ren, glas Pasteur pipette til at trække den tværbundne emulsion fra hætteglasset. Tilsæt tværbundne emulsion dråbevis til opløsningen af overfladeaktivt middel (som bør holdes mellem 75 og 85 ° C) i reagensglasset tager så lidt tid som muligt på mellem dråber.
- 30 sek til 1 min efter tilsætningen af emulsionen, vil opløsningen af overfladeaktivt middel langsomt begynder at udvikle gas som faste stoffer begynder at dannes inde i reagensglasset.
- Mens iført varme beskyttelseshandsker, tage reagensglasset ud af klemmen og hæld hele dens indhold i filtreringsapparat under kølerhjelmen. Filter til 5 min. Fjernes filtrerpapiret fra filteret.
- Overfør de filtrerede faste stoffer på et urglas og separate perler for O / N tørring under hood. Rengøring af perlerne kan udsættes i det uendelige. Store tørrede perler ved stuetemperatur i et forseglet hætteglas indtil det skal bruges, og ren umiddelbart før brug.
- Bead Rengøring
- Opret en anden filtrering apparat under kølerhjelmen og placere de tørrede perler inde i tragt oven på filtrerpapir.
- Brug en plastik vaskeflaske fyldt med DI-vand til at skylle perlerne forsigtigt, flytter dem rundt lidt for at sikre, at alle perlerne skylles.
- Lad perlerne tørre i 1 time ved at placere dem på et urglas under kølerhjelmen. Brug en vaskeflaske fyldt med hexaner at skylle perlerne ved hjælp af den samme metode til at skylle med vand.
- Placer perlerne på et urglas. Placer urglas og perlerne under kølerhjelmen for at tørre.
- Efter perlerne er helt tørre, læg dem i en lille forsegles hætteglas og opbevares ved stuetemperatur til fremtidig brug.
- Montering af Perler for SEM Analyse og SEM-indstillinger
- Placer en strimmel af gøropløseligt-sidet carbon ledende tape på toppen af stub, på hvilken vil blive monteret perlerne. Ved hjælp af en saks, trim omkring stub for at sikre, at ingen bånd hænger over kanterne.
- Læg et stykke filtrerpapir under stubben på en flad overflade. Fjerne det øverste lag fra båndet, således at det klæbende underside er udsat for.
- Hæld forsigtigt perlerne over stub. Nogle perler vil holde sig til båndet, men de fleste vil hoppe ud og lander på filtrerpapir. Hæld dem tilbage i hætteglasset, hvis de forblev på filtrerpapiret. Gentag om nødvendigt at vaske eventuelle perler (ifølge 2.4.2 til 2.4.5), der træder forurenet.
- For at sikre perlerne er sikre på stub, skal du bruge en pære sprøjte og let blæse meget nøje til stub overflade. Hæld flere perler over stub hvis kun et par klæber til tapen. Sørg for, at alle perler er sikre, før du placerer stub ind i SEM kammeret og evakuerer det.
- Når prøverne er blevet korrekt monteret de er nu klar til at gennemgå SEM analysis 15. Saml billeder i LOW VAC tilstand ved 15 keV for at optimere opløsningen af perle s overflade funktioner.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Repræsentative SEM billeder af perler, der følger af emulsioner med forskellige elektrolyt betingelser er vist i figur 1. Figur 1A viser en vulst svarende til dem opnået ved DuFaud, et al. 13, produceret ved hjælp af vores procedurer, uden tilsætning af nogen elektrolyt. Perler vist i figur 1B-D, hvilket resulterer i forskellige morfologier for hver metalion. For alle de viste billeder, blev 300 pi 0,03 M-elektrolytopløsninger anvendes i stedet for 300 pi af DI vand til den vandige fase, hvilket giver en elektrolyt koncentration på 0,012 M i denne fase. Billeder i højere opløsning er vist i figur 2 af perler fremstillet uden elektrolyt (a) og med ZnCl2.
Brunauer-Emmett-Teller (BET) analyse 16,17 af perlerne blev udført under anvendelse af nitrogen isotermer på fem forskellige tryk. De i figur 1 perler var t aken fra samme batch af materialer anvendt til BET-analyse i hvert enkelt tilfælde. BET-analyse giver kvantitative værdier for overfladeareal og volumen-forhold, der er anført i tabel 1 til.
Figur 1. SEM billeder af hele perler. SEM billeder af PDMS perler fremstillet ved mikrobobler fabrikation her beskrevne teknik. Perler produceret uden tilsætning af nogen elektrolyt til det vandige lag (A) er udelukkende konvekse porøsitet. Længde skalaer for alle billeder er givet ved skalaen bar på figuren. Dem, der produceres med et net koncentration på 0,012 M Metalkoncentration for PtCl 4 (B), ZnCl2 (C), og NaCl (D) viser forskellige morfologier, herunder en betydelig tilsætning af konkave porer på grund af mikroboble formation, som anført i cirkel areal.les / ftp_upload / 53440 / 53440fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Detaljerede SEM billeder. Closer SEM billeder af (A) perler fremstillet uden elektrolyt tilføjede, og (B) med ZnCI2. Uden tilsætning af elektrolyt, sfæriske underlag er generelt større og mere tæt pakket end med tilsætning af ZnCl2, som bidrager væsentligt til stigningen i overfladeareal-til-volumen-forhold. Længde skalaer for alle billeder er givet ved skalaen bar på figuren. Klik her for at se en større version af dette tal.
| Salt tilsættes | BET SAV Ratio (cm2 / cm3) | SAV Improvement (i forhold til at styre) |
| Ingen (kontrol) | 361,6 | 1 |
| PtCl 4 | 1.849 | 5.1 |
| ZnCl2 | 11.060 | 30.6 |
| NaCl | 298,9 | 0,83 |
Tabel 1. BET Analysis. Overflade-område-til-volumen (SAV) nøgletal, bestemt ved Brunauer-Emmett-Teller (BET) isoterm analyse, af de materialer, fremstillet ved hjælp af vandige faser med 0,012-M vandige opløsninger af forskellige elektrolytter. Første kolonne bogstaver angiver den tilsvarende billedfelt i figur 1. SAV forhold er baseret på den samlede overfladeareal pr masseenhed, massen af prøven, og den totale kolde frirum af prøven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De fremstilles ved anvendelse af denne protokol (og ved at justere elektrolyt koncentration og identitet) perler er fundamentalt forskellige fra dem, der produceres med en lav ionstyrke emulsion, som det ses ved sammenligning af figur 1A til de andre SEM billeder i figur 1. Vores indledende rapport anvendes PtCl 4 med henblik på yderligere at katalysere polymerisationen tværbinding ved vandige alifatiske grænseflade 14. I denne rapport, blev store konkave fordybninger set. Siden denne rapport har vi forfinet vores procedurer for at optimere for SAV-forholdet. Uden at vaske perlerne, elementaranalyse af domæner inden for SEM billeder viser, at platin næsten udelukkende findes inden for de konkave porer, som findes i hele perlen struktur. Fordi denne platin let blev fjernet ved omrøring perlerne i vand, vi konkluderede i vores oprindelige rapport, som platin simpelthen var rester på PDMS overflade, snarere end at være incorporated i polymeren. Dette indebar en katalytisk rolle for platin i hærdeprocessen. De i figur 1 perler er kendetegnet ved fremkomsten af sfæriske delstrukturer, hovedsagelig konvekse, men dem, der produceres med tilsat elektrolyt også indeholde konkave sfæriske regioner, såsom cirkel del af figur 1B. Tilstedeværelsen af elektrolyt synes at reducere størrelsen af mikroboblerne i emulsionen. Detaljerede billeder tyder på, baseret på størrelsen af de sfæriske delstrukturer, boblerne i emulsionen er af størrelsesordenen 0,2 um til 2 um i diameter med ZnCl2, men er mere almindeligt 1-10 um i diameter uden elektrolyt (i overensstemmelse med tidligere arbejde af DuFaud, et al. 13).
De her præsenterede data antyder, at billigere, mere jord-rigelige metaller kan anvendes i stedet for de oprindelige PtCl 4: konkave porøsitet perler fremstilles uafhængigt af selvsammeity af anvendte metalion, selvom væsentligt varierende grader. Anvendelse af ZnCl2 tilvejebringer en drastisk stigning i SAV forhold, seks gange så stor som for PtCl 4, og cirka 30 gange så høj som for kontrolprocedure, som ikke indeholder elektrolytten. BET resultater er i fremragende aftale med SEM billeder: for ZnCI2, mange konkave lommer, et par mikrometer i diameter, ses fordelt over hele strukturen. De detaljerede billeder i figur 2B viser også, at der er en betydeligt mere indre rum, når perlerne er fremstillet i nærvær af ZnCl2. Begge disse funktioner sites tjene til at øge det tilgængelige overfladeareal for adsorption, en funktion, som er meget ønskeligt for separationer, hvor PDMS anvendes som en stationær fase.
For alle testet til dato elektrolytter, er der en optimal koncentration af salt, en, der maksimerer overfladeporøsiteten af perlerne fremstilles ennd det synes at være en total koncentration på 0,012 M, uanset metallet modion. Under og over denne optimale koncentration, SAV forholdet er mindre end den maksimale, og synes at falde monotont fra den maksimale i begge retninger. Denne afhængighed af saltkoncentration, snarere end at være baseret udelukkende på tilstedeværelsen af en katalytisk aktivt metal ion i opløsning, antyder, at virkningen af elektrolyt på mikroboble fabrikation er at ændre egenskaberne af emulsionen. Uden tilsat saltindhold emulsionen bedst beskrives som hulrum af alifatiske (dvs. polymer-holdige) fase indlejret i en mere kontinuerlig vandig fase. Når der tilsættes salt, er overfladespændingen ændres på en sådan måde, at den alifatiske fase er kontinuert i nogle steder, med spredte vandige bobler. Når emulsionen er pludselig opvarmes i det overfladeaktive bad, drop bevarer denne struktur som PDMS hærder. Dette resulterer i perler, som har mindre sfæriske former, men er imsengs med huller på grund af tilstedeværelsen af vandige lommer, selv for metalchlorider af natrium, som ikke ville forventes at have en betydelig katalytisk virkning. Selv om enhver vandopløseligt salt bør arbejde i princippet at opnå denne effekt, og vi opmærksom på, at der er minimal afhængighed af den optimale koncentration på metal ion identitet, der er en klar fordel for metaller, der vides at katalysere organiske carbon-carbon koblingsreaktioner. Dette tyder på, at mens ændringen i ionstyrke er nødvendig for at forårsage faseinversion, den primære afgørende faktor for at justere SAV forholdet er evnen af metallet til at fungere som katalysator for tværbindingen af individuelle polymerstrenge, lede det at forekomme fortrinsvis ved den vandige / alifatiske interface.
Det mest kritiske aspekt af vores protokol er, at lydbehandlingsprocessen og tilføjelsen af triethoxysilan både kan generere store mængder varme hvis det ikke styres omhyggeligt. Denne varme kan forårsage solids til dannelse tidligt, hvilket vil gøre dannelsen af de ønskede perler umuligt. Sonication problem er blevet vidt omfang behandlet ved anvendelse af et bad-badtypen Inkluderingen af is i badet for at hjælpe med at regulere denne temperatur. De 7 min lydbehandling perioder fandtes at være optimal til at reducere uønsket sammenklumpning af emulsionen, delvis fordi efter ca. 7 min for lydbehandling, det meste af isen i badet er smeltet. Tilsætning af triethoxysilan skal ske med aktiv omrøring og med blandingen neddykket i et isbad.
I forhold til den oprindelige rapport producere konvekse porøsitet PDMS perler, vores protokol viser en signifikant fordel i forhold SAV af produktet. Vi har vist, at tilsætning af selv billige salte til den vandige fase af en emulsion, der anvendes i mikroboble fremstilling af porøse polymerperler kan føre til drastiske ændringer i morfologien af enden materiale. Mens tilstedeværelsen af et salt synes atresultere i en emulsion, i hvilken den alifatiske fase kan blive sammenhængende, kun ved tilsætning af katalytisk aktive metalioner er SAV steg med en faktor på 30. Selvom vi ikke har testet denne protokol på et andet polymer, forventer vi, at en hvilken som helst polymer, som er tværbundet og varmehærdet (begrænsninger af vores protokol) kan anvendes i denne proces for at generere konkave porøsitet mikrostrukturerede perler. I en sådan udvidelse, er det sandsynligt, at de specifikke elektrolytkoncentrationer skal være optimeret til emulsionen anvendes til at sikre, at den alifatiske fase er kontinuert, og den vandige fase er diskret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dette arbejde er blevet støttet af vestlige Kentucky Universitets Ogden College of Science and Engineering, herunder intern støtte fra Institut for Kemi og fra Office of Research (RCAP 13-8032). Bistand fra Dr. John Andersland på wku Microscopy Facility (SEM billeder) og lektor Yan Cao af wku Institut for Combustion Science and Engineering (BET analyse) har været central for udførelse af dette arbejde.
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).
