Protocol
1. Bereiding van Emulsie
- Emulsie Inhoud
- Mass een geschikte hoeveelheid zout aan 10 ml 0,03 M-oplossing leidt. Voor platina (IV) chloride maatregel 0,101 g zink (II) chloride (ZnCl2) maat 0,032 g en natriumchloride (NaCl) meten 0,018 g.
- In individuele reageerbuizen, lossen elk zout in 10 ml DI water. Gereserveerd voor later gebruik.
- Gebruik een 20-ml, afsluitbare glazen flesje voor de inhoud gedurende deze procedure. Tarra evenwicht aan het glazen flesje.
- Weigh-vinyl-beëindigd polydimethylsiloxaan door langzaam te gieten over een roer staaf en in het glazen flesje rust op het gevuld was met null schaal. Weeg 1,02 g (equivalent aan 1,080 ml).
OPMERKING: De hoge viscositeit van dit polymeer maakt pipetteren onpraktisch. - Pipetteer 1,02 ml n-heptaan aan het flesje. Voeg 2 druppels niet-ionisch surfactant (oleaat) aan het flesje. Pipetteer 0,3 ml zoutoplossing en 0,45 ml DI-water aan het flesje.
- Verzegeling van de glazen flacon door het vastschroeven van de deksel stevig vast. Schud krachtig gedurende 60 seconden om de emulsie te starten voor het begin van sonicatie.
- Constructie van Water-badsonificeerinrichting Apparatus
- Vul sonicator met water tot aan de minimum vullijn. Voeg 250 ml leidingwater in een bekerglas van 400 ml. Vul de beker van 400 ml met ijs, zodat het waterpeil is net aan de rand.
- Plaats deze beker in het waterbad ultrasoonapparaat. Controleer de fill-lijn op de sonicator, het aanpassen als dat nodig is. Plaats een ring staan direct naast het waterbad ultrasoonapparaat.
- Met behulp van twee ringstandaard klemmen, positioneren zodat een arm wordt verlengd buiten, loodrecht op de ring staan en ander wordt uitgebreid naar het waterbad, zodat deze naar beneden wijst in de beker gevuld met ijs water. Voeg nog een klem aan de ring staan met een thermometer in het bekerglas 400 ml, zodat de temperatuur kan worden gevolgd gedurende sonicatie.
- Emulsificatie Procedure
- Plaats de emulsie bevattende flesje zodat deze volledig ondergedompeld in het bekerglas van 400 ml door deze vast in de klem uitsteekt beneden in het bekerglas.
- Controleer of de glazen flacon met PDMS mengsel niet raakt de wanden van het bekerglas om warmte door wrijving te elimineren.
- Schakel de sonicator en stel sonicatie tijd voor 7 min. Omdat de emulsie zeer warmtegevoelig, dat de temperatuur in de beker is tussen 0 en 5 ° C gedurende sonicatie. Start sonicatie zodra de temperatuur in de beker gewenst.
- Na 7 min van sonicatie, verwijder de flacon en schud / swirl voor 1 min, met de bovenkant van de flacon om eventuele klonten die in de emulsie kunnen vormen te elimineren.
- Beschikken over de inhoud van de beker. Bijvullen 250 ml water en voeg ijs op de vulling binnen 1 cm boven het bekerglas.
- Plaats het flesje weer terug in de klem. Onderdompelen onder het ijs water Resume sonicatie gedurende 7 min.
- Herhaal de stappen 1.3.3 tot 1.3.6 voor een totaal van acht, 7-min perioden sonicatie of totdat de ultrasoonapparaat blijkt homogeen te zijn en er geen klontjes aanwezig zijn. Slaan bij RT.
Opmerking: De emulgering moet stabiel gedurende enkele dagen, maar kan worden gewonnen door sonificatie zoals hierboven in 7-min intervallen totdat het er homogeen. Slaan bij RT.
2. Cross-linking
- Instellen voor toevoeging triethoxysilaan / surfactansoplossing
- Pipet 5,4 ml triethoxysilaan in een reageerbuis. Plaats in een reageerbuis rek onder de motorkap voor later gebruik.
- Vul een bekerglas van 400 ml met ijs water en plaats het onder de kap. Naast de 400-ml bekerglas plaats een ringstandaard met een klem bevestigd, uitgebreid direct over de opening van de beker. Hierdoor wordt het ijsbad toevoeging triethoxysilaan zijn.
- Plaats een hete plaat aan de andere zijde van de ring stand. Vul een beker van 800 ml met ongeveer 700 mlkraanwater. Plaats het op de hete plaat.
- Zet de verwarmingsplaat en handhaven van een temperatuur van 75-85 ° C in het bekerglas 800 ml. Bevestig een klem met een thermometer aan de ring staan, zodat de temperatuur van het water in het bekerglas van 800 ml worden bewaakt.
- Maak de surfactansoplossing door het oplossen van 0,5 g natriumdodecylsulfaat aan 375 ml water (4,62 mM). Voeg ongeveer 10 ml surfactantoplossing een schone, lege reageerbuis.
- Voeg nog een klem aan de ring staan onder de kap met de oppervlakteactieve reageerbuis bevestigd zodanig dat het vloeistofniveau onder het oppervlak van het water in het bekerglas van 800 ml. Laat 10 min voor de thermische equilibratie.
- Bevochtig een stukje filtreerpapier en plaats deze in de top van een kleine trechter. Plaats de steel van de trechter in een 250-ml Erlenmeyer kolf en plaats het onder de kap.
- Toevoeging van triethoxysilaan
- Plaats de emulsie flacon in de klem over het ijs-water snaveler in de kap. Plaats de PDMS mengsel in de klem, zodat de flacon inhoud onder het wateroppervlak. De toevoeging triethoxysilaan veroorzaakt een exotherme reactie, zodat de emulsie voldoet, zodat de structuur behouden koud bewaard.
- Verwijder het deksel van het glazen flesje gasvormig opeenhoping te voorkomen.
- Giet langzaam de reageerbuis met triethoxysilaan in het glazen flesje in een continue stroom over een periode van ongeveer 10 seconden (ongeveer 0,5 ml / sec).
VOORZICHTIG: De toevoeging triethoxysilaan initieert een exotherme reactie en het vrijkomen van loog zoutzuur (HCl) gas. Het flesje zal zeer heet worden en een giftig gas zal evolueren uit het mengsel. Niet roeren de inhoud tijdens het toevoegen van de triethoxysilaan. - Na volledig toevoeging triethoxysilaan voorzichtig roer de inhoud met een glazen roer staaf, terwijl het dragen van een warmte-beschermende handschoen. Wacht 2 minuten of totdat gas haltes evolueert van de flacon.
- Follvanwege verknoping er geen fasescheiding zichtbaar in het monster. Wanneer er klontjes aanwezig zijn, sluit de flacon en schud grondig gedurende 20 seconden terwijl het flesje door de deksel.
- Kraal productie
- Gebruik een schone, glazen Pasteur pipet om de verknoopte emulsie trekken uit de glazen flacon. Voeg de verknoopte emulsie druppelsgewijs aan de surfactansoplossing (die moet worden gehandhaafd tussen 75 en 85 ° C) in de proefbuis die zo min mogelijk tijd tussen druppels.
- 30 sec tot 1 min na de toevoeging van de emulsie wordt de surfactantoplossing langzaam beginnen te ontwikkelen gas als vaste stoffen beginnen te vormen in de reageerbuis.
- Terwijl het dragen van hittebestendige handschoenen, neem de reageerbuis uit de klem en giet de volledige inhoud in de filtratie-apparaat onder de motorkap. Filteren op 5 min. Verwijder het filter papier uit de filter.
- Transfer het gefilterde vaste stoffen op een horlogeglas en aparte kralen voor O / N drogen onder de hood. Reinigen van de kralen kan voor onbepaalde tijd worden uitgesteld. WINKEL gedroogde korrels bij kamertemperatuur in een afgesloten glazen flesje totdat het nodig is, en schoon onmiddellijk vóór gebruik.
- Kraal Cleaning
- Nog een filterinrichting onder de motorkap en plaats de gedroogde korrels in de trechter boven op het filterpapier.
- Gebruik een plastic wassen fles gevuld met DI-water om de parels voorzichtig spoelen, ze bewegen iets om ervoor te zorgen alle kralen worden gespoeld.
- Laat de parels drogen 1 uur door ze op een horlogeglas onder de motorkap. Gebruik een wasfles gevuld met hexanen om de kralen met dezelfde methode spoelen spoelen met water.
- Plaats de kralen op een horlogeglas. Plaats het horlogeglas en de kralen onder de motorkap te drogen.
- Nadat de kralen zijn volledig droog, plaats ze in een kleine afsluitbare glazen flesje en bewaar bij kamertemperatuur voor toekomstig gebruik.
- Montage van de Kralen voor SEM Analyse en SEM Instellingen
- Leg een strook van doonoplosbare dubbelzijdig carbon geleidende tape bovenop de stomp waarop de korrels worden aangebracht. Met een schaar, trim rond de stomp geen tape hangt over de randen zorgen.
- Leg een stuk filterpapier onder de stomp op een vlakke ondergrond. Verwijder de bovenste laag van de band zodat het kleefmiddel onderkant blootgesteld.
- Giet de kralen over de stomp. Sommige kralen zal vasthouden aan de band, maar de meeste zullen stuiteren en land op het filter papier. Giet deze terug in de flacon als ze bleven op het filter papier. Herhaal eventueel wassen elke korrels (volgens 2.4.2 tot 2.4.5) die verontreinigd worden.
- Om ervoor te zorgen de kralen zijn veilig op de stomp, gebruik dan een gloeilamp spuit en licht nauw blazen om de stomp oppervlak. Pour meer kralen over de stomp als slechts een paar gehouden aan de tape. Ervoor zorgen dat alle kralen veilig zijn voor het plaatsen van de stomp in de SEM kamer en evacueren het.
- Zodra de monsters goed zijn gemonteerd zijn ze nu klaar om SEM anale ondergaantion 15. Verzamel bij weinig VAC modus bij 15 keV de resolutie oppervlaktekenmerken de kraal te optimaliseren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representatieve SEM beelden van korrels die voortkomen uit emulsies met verschillende elektrolyt voorwaarden getoond in figuur 1. Figuur 1A toont een kraal vergelijkbaar met die verkregen door Dufaud, et al. 13, geproduceerd uit onze procedures, zonder toevoeging van elektrolyt. Kralen figuur 1B-D, resulterend in verschillende morfologieën voor elk metaalion. Voor alle afbeeldingen weergegeven, werden 300 ul 0,03-M elektrolytoplossingen gebruikt in plaats van 300 pl van het DI water van de waterfase, waardoor een elektrolyt concentratie van 0,012 M in die fase. Hoge resolutiebeelden worden getoond in Figuur 2 parels geproduceerd zonder elektrolyt (a) en ZnCl2.
Brunauer-Emmett-Teller (BET) 16,17 analyse van de korrels werd uitgevoerd met behulp van stikstof isothermen bij vijf verschillende drukken. De in figuur 1 werden korrels t aken uit dezelfde partij van materiaal voor de BET analyse deelneemt. De BET-analyse geeft kwantitatieve waarden oppervlak tot volumeverhouding in tabel 1 opgesomd.
Figuur 1. SEM afbeeldingen van hele korrels. SEM beelden van PDMS korrels door de microbellen fabricagetechniek beschreven. Beads geproduceerd zonder toevoeging van elektrolyt aan de waterige laag (A) zijn uitsluitend convex porositeit. Lengteschalen voor alle beelden worden gegeven door de schaalbalk in de figuur. Die welke met een netto concentratie van 0,012 M metaalconcentratie voor PtCl4 (B), ZnCl2 (C) en NaCl (D) tonen verschillende morfologieën, waaronder de substantiële toevoeging concave poriën als gevolg van de vorming van microbelletjes, zoals in het omcirkelde gebied.les / ftp_upload / 53.440 / 53440fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Gedetailleerde SEM afbeeldingen. Dichter SEM beelden van (A) kralen geproduceerd zonder elektrolyt toegevoegd, en (B) met ZnCl2. Zonder de toevoeging van elektrolyt, bolvormige substructuren algemeen groter en dichter gepakt dan onder toevoeging van ZnCl2, die aanzienlijk bijdraagt aan de toename van de oppervlakte-area-to-volume ratio. Lengteschalen voor alle beelden worden gegeven door de schaal bar op de figuur. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
| Zout toegevoegd | BET SAV Ratio (cm2 / cm3) | SAV Improvement (ten opzichte van de controle) |
| Geen (controle) | 361,6 | 1 |
| PtCl4 | 1849 | 5.1 |
| ZnCl2 | 11.060 | 30.6 |
| NaCl | 298,9 | 0,83 |
Tabel 1. BET analyse. Oppervlakte-area-to-volume (SAV) verhoudingen bepaald door Brunauer-Emmett-Teller (BET) isotherm analyse van het materiaal geproduceerd met waterfasen met 0,012 M oplossingen van verschillende elektrolyten. Eerst kolomletters geven de overeenkomstige beeldpaneel in figuur 1. SAV ratio's zijn gebaseerd op het totale oppervlaktegebied per massa-eenheid, de massa van het monster, en de totale koude ruimte van het monster.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
De verkregen met dit protocol (en door aanpassing van de elektrolytconcentratie en identiteit) kralen fundamenteel verschillen van die welke met een lage ionensterkte emulsie, zoals gezien door vergelijking van Fig 1A tot overige SEM-afbeeldingen in Figuur 1. Onze eerste rapport gebruikt PtCl4 met de bedoeling verdere katalyseren de polymerisatie verknoping in het waterige alifatische-interface 14. In dat rapport werden grote holle inkepingen gezien. Sinds dat verslag hebben we onze procedures verfijnd te optimaliseren voor SAV-ratio. Zonder wassen van de kralen, elementanalyse domeinen binnen de SEM beelden geven aan dat platina vrijwel uitsluitend gevonden in het concave poriën die worden gevonden door de kraal structuur. Omdat dit platina werd verwijderd door eenvoudig roeren van de beads in water, we in onze oorspronkelijke concludeerde dat het platina enkel residu werd aan het PDMS oppervlak, in plaats van incorporated in het polymeer. Dit impliceerde een katalyserende rol voor platina in het uithardingsproces. De in figuur 1 korrels worden gekenmerkt door het optreden van sferische substructuren, grotendeels convexe, maar die vervaardigd met toegevoegde elektrolyt concave sferische gebieden zoals het omcirkelde gedeelte van figuur 1B bevatten. De aanwezigheid van elektrolyt lijkt de grootte van de microbellen beperkt in de emulsie. Gedetailleerde afbeeldingen suggereren dat op basis van de afmetingen van de sferische substructuren, de bellen in de emulsie in de orde van 0,2 urn tot 2 urn in diameter met ZnCl2, maar vaker 1-10 micrometer diameter zonder elektrolyt (consistent met eerder werk van Dufaud, et al. 13).
De hier gepresenteerde gegevens suggereren dat goedkopere, aarde voorkomende metalen kunnen worden gebruikt in plaats van de originele PtCl4: concave porositeit parels worden ongeacht de ident geproduceerdeteit van het gebruikte metaalion, hoewel significant verschillende mate. Gebruik van ZnCl2 verschaft een drastische verhoging van de SAV verhouding, zes keer zo hoog als PtCl4, en ongeveer 30 maal zo hoog als de controleprocedure, die niet elektrolyt. De BET-resultaten zijn in uitstekende overeenkomst met de SEM beelden: voor ZnCl2, talrijke holle zakken enkele microns in diameter, gezien verspreid door de gehele structuur. De gedetailleerde afbeeldingen in figuur 2B tonen ook dat er een aanzienlijk meer binnenruimte wanneer korrels worden geproduceerd in aanwezigheid van ZnCl2. Beide functies gebieden dienen om de beschikbare oppervlakte voor adsorptie, een eigenschap die zeer wenselijk is voor scheidingen waarbij de PDMS wordt gebruikt als een stationaire fase te verhogen.
Voor alle geteste elektrolyten tot op heden, is er een optimale concentratie zout, die het oppervlak porositeit van de korrels geproduceerd maximaliseert, eennd blijkt een totale concentratie van 0,012 M, ongeacht het metaal tegenion. Onder en boven deze optimale concentratie, de SAV verhouding kleiner is dan het maximum, en blijkt monotoon afnemen van het maximum in beide richtingen. Deze afhankelijkheid van de zoutconcentratie, in plaats van uitsluitend gebaseerd op de aanwezigheid van een katalytisch actief metaal ion in oplossing, suggereert dat het effect van elektrolyt op microbellen fabricage is om de eigenschappen van de emulsie te wijzigen. Zonder toegevoegde zoutgehalte, wordt de emulsie best te omschrijven als holten van alifatische (dwz polymeer-bevattende) fase ingebed in een meer continue waterfase. Wanneer zout wordt toegevoegd, wordt de oppervlaktespanning veranderd zodanig dat de alifatische fase continu is op sommige plaatsen met gedispergeerde waterige bubbels. Wanneer de emulsie in het bad oppervlakteactieve plotseling verhit, de daling behoudt deze structuur als PDMS kuren. Dit resulteert in parels die minder bolvormige vormen hebben, maar imbedden met gaten door de aanwezigheid van waterige zakken, zelfs metaal chloriden van natrium, waarvan niet wordt verwacht dat een aanzienlijk katalytisch effect. Hoewel elk wateroplosbaar zout moeten werken in principe dit effect te bereiken, en we merken dat er minimale afhankelijkheid van de optimale concentratie voor metaalion identiteit, is er een duidelijk voordeel op metalen bekend organisch koolstof-koolstof koppeling katalyseren. Dit suggereert dat, hoewel de verandering in ionische sterkte nodig om de fase-inversie veroorzaakt, de voornaamste bepalende factor bij het aanpassen van SAV verhouding is het vermogen van het metaal als katalysator voor de verknoping van afzonderlijke polymeerstrengen, het sturen van deze om bij voorkeur optreden op de waterige / alifatische interface.
De meest kritische aspect van ons protocol is dat het proces sonificatie en de toevoeging van triethoxysilaan zowel genereren grote hoeveelheden warmte indien niet zorgvuldig gecontroleerd. Deze warmte kan soli veroorzakends voortijdig vormen, waarbij de vorming van de gewenste korrels onmogelijk maakt. Het ultrasoonapparaat probleem grotendeels opgelost door het gebruik van een bad-type sonicator, en het opnemen van ijs in het bad bij de regulering van deze temperatuur. De 7 min perioden sonicatie bleken optimaal bij het verminderen van ongewenste samenklontering van de emulsie, deels omdat na ongeveer 7 min van sonicatie meeste ijs in het bad gesmolten zijn. Toevoeging triethoxysilaan moet gebeuren met actieve roeren en het mengsel ondergedompeld in een ijsbad.
In vergelijking met het oorspronkelijke rapport produceren convex porositeit PDMS kralen, ons protocol toont een significant voordeel in de SAV verhouding van het product. We hebben aangetoond dat de toevoeging van zelfs goedkope zouten aan de waterige fase van een emulsie gebruikt microbellen vervaardiging van poreuze polymeerpareltjes kan leiden tot drastische veranderingen in de morfologie van het eindmateriaal. Hoewel de aanwezigheid van zout lijktresulteren in een emulsie, waarin de continue fase alifatische kan worden, alleen door de toevoeging van katalytisch actieve metaalionen is de SAV verhouding verhoogd met een factor 30. Hoewel dit protocol getest op een ander polymeer, verwachten we dat polymeer dat verknoopt en thermisch gehard (beperkingen van ons protocol) worden gebruikt bij deze werkwijze concave-porositeit microgestructureerde beads genereren. In een dergelijke uitbreiding, is het waarschijnlijk dat de specifieke elektrolytconcentraties zal moeten worden geoptimaliseerd voor de emulsie wordt gebruikt om te garanderen dat de alifatische continue fase en de waterige fase afzonderlijk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dit werk werd ondersteund door westerse Kentucky University's Ogden College of Science and Engineering, met inbegrip van de interne steun van de Afdeling Scheikunde en van het Office of Research (APRK 13-8032). De hulp van Dr. John Andersland bij de WKU Microscopy Facility (SEM beelden) en Associate Professor Yan Cao van de WKU Instituut voor Combustion Science and Engineering (BET analyse) is centraal in het uitvoeren van dit werk.
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).
