Protocol
1. Préparation d'une emulsion
- Contenu de l'émulsion
- Mass une quantité appropriée de sel pour produire 10 ml de 0,03 M-solution. Pour le platine (IV) mesure de 0,101 g du chlorure, du zinc (II) chlorure (ZnCl 2) mesure 0,032 g, et de chlorure de sodium (NaCl) 0,018 g mesure.
- Dans des tubes à essai individuels, chaque dissoudre le sel dans 10 ml d'eau DI. Mettre de côté pour une utilisation ultérieure.
- Utilisez 20 ml, flacon de verre pouvant être scellé pour le contenu tout au long de cette procédure. Tarer un équilibre dans le flacon de verre.
- Peser polydiméthylsiloxane à terminaison vinyle en versant lentement sur une tige d'agitation et dans le flacon de verre reposant sur l'échelle à zéro. Peser 1,02 g (équivalent à 1.080 ml).
NOTE: La haute viscosité de ce polymère rend pipetage impraticable. - Introduire à la pipette 1,02 ml de n-heptane à la fiole. Ajouter 2 gouttes d'agent tensio-actif non-ionique (monooléate de sorbitan) au flacon. Introduire à la pipette 0,3 ml de solution de sel et 0,45 ml d'eau déminéralisée dans le flacon.
- Sceller le flacon de verre en vissant hermétiquement le couvercle. Agiter vigoureusement pendant 60 secondes pour lancer l'émulsion avant de commencer ultrasons.
- Construction de Bain-marie Sonicator Appareil
- Remplissez sonicator avec de l'eau jusqu'à la ligne de remplissage minimum. Ajouter 250 ml d'eau du robinet à un bécher de 400 ml. Remplir le bécher de 400 ml, avec de la glace de telle sorte que le niveau d'eau se trouve au niveau du rebord.
- Placez ce bécher à l'intérieur du sonicateur bain-marie. Vérifiez la ligne de remplissage sur le sonicateur, ajuster si nécessaire. Placer un anneau reposer au bord de la sonicateur bain-marie.
- L'utilisation de deux pinces support annulaire, les positionner de sorte qu'un bras est étendu sur, perpendiculaire à l'anneau stand et l'autre est prolongé vers le bain d'eau de sorte qu'il pointe vers le bas dans le bécher rempli d'eau glacée. Joindre un autre pince à l'anneau stand avec un thermomètre dans la 400 ml bécher de sorte que la température peut être contrôlée tout au long ultrasons.
- Emulsification procédure
- Placer le flacon contenant une émulsion de sorte qu'il est entièrement immergé dans le bêcher de 400 ml, en le fixant dans la pince faisant saillie vers le bas dans le bécher.
- Assurez-vous que le flacon de verre contenant le mélange PDMS ne touche pas les parois du bécher pour éliminer la chaleur causée par la friction.
- Allumez le sonicateur et régler le temps de traitement par ultrasons pendant 7 min. Parce que l'émulsion est sensible à la chaleur très, veiller à ce que la température à l'intérieur du bêcher est compris entre 0 et 5 ° C tout au long de sonication. Lancer la sonication, une fois la température à l'intérieur du bêcher est souhaitable.
- Après 7 minutes de traitement par ultrasons, retirez le flacon et secouez doucement / tourbillon pendant 1 min, tenant le haut du flacon pour éliminer les grumeaux qui pourraient se former dans l'émulsion.
- Éliminer le contenu du bécher. Remplir avec 250 ml d'eau et ajoutez de la glace pour le remplissage jusqu'à 1 cm du haut du bécher.
- Replacez le flacon dans la pince. Plonger sous l'eau glacée pour RESUMe ultrasons pendant 7 min.
- Répétez les étapes 1.3.3 à 1.3.6 pour un total de huit périodes de sonication, 7 min ou jusqu'à ce que le traitement par ultrasons semble être homogène et sans grumeaux sont présents. Stocker à température ambiante.
REMARQUE: La mise en émulsion doit être stable pendant plusieurs jours, mais peut être récupéré par traitement aux ultrasons comme ci-dessus en 7 min-intervalles jusqu'à ce qu'il apparaisse homogène. Stocker à température ambiante.
2. La réticulation
- Configuration pour l'ajout de triéthoxysilane / tensioactif Solution
- Pipette 5,4 ml triéthoxysilane dans un tube à essai. Placez dans un rack de tubes à essai sous le capot pour une utilisation ultérieure.
- Remplissez un bécher de 400 ml avec de l'eau glacée et le placer sous le capot. Suivant le lieu de bêcher de 400 ml, une bague stand avec une pince fixée, étendu directement sur l'ouverture du bécher. Ce sera le bain de glace pendant l'addition de triéthoxysilane.
- Placez une plaque chaude de l'autre côté du stand de l'anneau. Remplir un bécher de 800 ml avec environ 700 ml del'eau du robinet. Placez-le sur la plaque chaude.
- Tournez sur la plaque chauffante et maintenir une température de 75 à 85 ° C à l'intérieur du bêcher 800 ml. Attacher une pince avec un thermomètre pour le support de bague de sorte que la température de l'eau à l'intérieur du bêcher 800 ml peut être surveillée.
- Produire la solution de tensioactif en dissolvant 0,5 g de dodécylsulfate de sodium à 375 ml d'eau (4,62 mm). Ajouter environ 10 ml de solution de tensioactif à un tube à essai propre, vide.
- Fixer un autre anneau de serrage pour le support sous le capot avec le tube à essai en agent tensio-actif fixé de telle sorte que son niveau de liquide est en dessous de la surface de l'eau à l'intérieur du bêcher 800 ml. Laisser 10 minutes pour atteindre l'équilibre thermique.
- Mouillez un morceau de papier-filtre et le placer dans le haut d'un petit entonnoir. Placer la tige de l'entonnoir à l'intérieur d'une fiole d'Erlenmeyer de 250 ml et placer le ballon sous le capot.
- L'addition de triéthoxysilane
- Placer le flacon d'émulsion dans la pince sur le bec de l'eau glacéeer à l'intérieur du capot. Placez le mélange PDMS à la pince de sorte que le contenu du flacon est inférieur à la surface de l'eau. L'addition de triéthoxysilane provoque une réaction exothermique, de sorte que l'émulsion doit être maintenu froid afin de maintenir sa structure.
- Retirez le couvercle du flacon de verre pour éviter l'accumulation gazeux jusqu'à.
- Verser lentement le triéthoxysilane tube à essai contenant dans le flacon de verre dans un flux continu sur une période d'environ 10 secondes (environ 0,5 ml / sec).
ATTENTION: L'ajout de triéthoxysilane déclenche une réaction exothermique et la libération de soude caustique du chlorure d'hydrogène (HCl) de gaz. Le flacon deviendra extrêmement chaud et un gaz toxique va évoluer à partir du mélange. Ne pas remuer le contenu tout en ajoutant le triéthoxysilane. - Après l'ajout complètement triéthoxysilane, remuer doucement le contenu avec une tige d'agitation en verre, tout en portant un gant de protection thermique. Attendre 2 min ou jusqu'à ce que les arrêts de gaz à l'évolution de la fiole.
- Follen raison de réticulation, il n'y a pas de séparation de phase visible dans l'échantillon. Si bouquets sont présents, sceller le flacon et secouez rigoureusement pendant 20 secondes tout en maintenant le flacon par le couvercle.
- La production de perles
- Utilisez un chiffon propre, Pasteur de pipette en verre pour attirer l'émulsion réticulé de la fiole de verre. Ajouter le goutte à goutte à la solution de tensioactif (qui devrait être maintenue entre 75 et 85 ° C) dans le tube à essai en prenant aussi peu de temps que possible entre les gouttes émulsion réticulé.
- 30 secondes à 1 minute après l'addition de l'émulsion, la solution de tensioactif va évoluer lentement commencer à gaz sous forme de solides commencent à se former à l'intérieur du tube à essai.
- Tout en portant des gants de protection de chaleur, prenez le tube à essai sur la pince et verser la totalité de son contenu dans l'appareil de filtration sous le capot. Filtre pour 5 min. Retirez le papier du filtre du filtre.
- Transférer les solides filtrés sur un verre de montre et perles séparées pour O / N séchage sous l'hood. Nettoyage des perles peut être reportée indéfiniment. Magasin perles à RT séché dans un flacon de verre scellé jusqu'à ce que nécessaire, et propre immédiatement avant utilisation.
- Perle nettoyage
- Créer un autre appareil de filtration sous le capot et placer les billes séchées à l'intérieur de l'entonnoir au-dessus du papier filtre.
- Utilisez une bouteille de lavage plastique remplie d'eau déminéralisée pour rincer les perles doucement, les déplacer légèrement pour assurer toutes les billes sont rincées.
- Laissez les perles sécher pendant 1 heure en les plaçant sur un verre de montre sous le capot. Utilisez une bouteille de lavage remplie avec de l'hexane pour rincer les billes utilisant la même méthode pour le rinçage avec de l'eau.
- Placez les perles sur un verre de montre. Placez le verre de montre et les perles sous le capot pour sécher.
- Après les perles sont complètement secs, placez-les dans un petit flacon de verre refermable et les conserver à la température ambiante pour une utilisation future.
- Montage des Perles pour Réglages SEM Analyse et SEM
- Placez une bande de doune bande conductrice anna-verso carbone au-dessus de l'embout sur lequel les billes seront montés. Avec des ciseaux, couper autour du talon pour assurer aucun bloque ruban adhésif sur le bords.
- Placez un morceau de papier filtre sous le talon sur une surface plane. Retirer la couche supérieure de la bande de sorte que la face inférieure adhésive est exposée.
- Verser délicatement les perles sur le moignon. Quelques perles vont coller à la bande, mais la plupart vont rebondir décoller et atterrir sur le papier filtre. Pour ceux-ci dans le flacon si ils sont restés sur le papier filtre. Répétez si nécessaire, laver toutes les billes (selon 2.4.2 à 2.4.5) qui deviennent contaminés.
- Pour assurer les perles sont sécurisés sur le talon, utiliser une poire et légèrement souffler de très près à la surface du moignon. Pour plus de perles sur le talon si seulement quelques-uns ont adhéré à la bande. Veiller à ce que toutes les perles sont sécurisés avant de placer l'embout dans la chambre SEM et l'évacuer.
- Une fois que les échantillons ont été montés correctement, ils sont maintenant prêts à subir SEM analeana- 15. Recueillir des images en mode LOW VAC à 15 keV à optimiser la résolution des caractéristiques de la surface de la perle.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Images MEB représentatifs de perles résultant à partir d'émulsions avec différentes conditions d'électrolyte sont présentés sur la figure 1. La figure 1A montre un bourrelet similaire à celles obtenues par DUFAUD, et al. 13, produit en utilisant nos procédures, sans l'addition de tout électrolyte. Perles représentés sur la figure 1B-D, ce qui entraîne des morphologies différentes pour chaque ion métallique. Pour toutes les images présentées, 300 ul de solutions électrolytiques 0,03-M ont été utilisés à la place de 300 ul de l'eau désionisée pour la phase aqueuse, ce qui donne une concentration en électrolyte de 0,012 M dans cette phase. Images à haute résolution sont indiqués dans la figure 2 des perles produites sans électrolyte (a) et de ZnCl 2.
Brunauer-Emmett-Teller (BET) 16,17 analyse des perles a été réalisée en utilisant les isothermes d'azote à cinq pressions différentes. Les billes représentés sur la figure 1 sont t Aken partir du même lot de matières utilisées pour l'analyse BET dans chaque cas. L'analyse BET donne des valeurs quantitatives pour aire de surface à rapport volumique, énumérés dans le tableau 1.
Figure 1. SEM Images de perles entières. Les images MEB de perles PDMS produites par la technique de microbulles de fabrication décrit ici. Perles produites sans l'addition de l'électrolyte de la couche aqueuse (A) sont porosité exclusivement convexe. Échelles de longueur pour toutes les images sont donnés par la barre d'échelle sur la figure. Celles produites avec une concentration nette de 0,012 concentration du métal M pour PtCl 4 (B), ZnCl 2 (C), et NaCl (D) présentent des morphologies différentes, dont la plus importante de pores concaves en raison de la formation de microbulles, comme indiqué dans le cerclée région.les / ftp_upload / 53440 / 53440fig1large.jpg "target =" _ blank "> S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Figure 2. détaillées Images SEM. Closer images SEM de (A) des perles produites sans électrolyte ajouté, et (B) avec ZnCl2. Sans l'addition d'électrolyte, sous-structures sphériques sont généralement plus grands et plus serrées que avec l'addition de ZnCl 2, ce qui contribue de manière significative à l'augmentation du rapport surface-à-surface-volume. Échelles de longueur pour toutes les images sont donnés par la barre d'échelle sur la figure. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
| Le sel ajouté | Ratio SAV BET (cm 2 / cm 3) | Amélioration de SAV (par rapport à contrôler) |
| Aucun (témoin) | 361,6 | 1 |
| PtCl4 | 1849 | 5.1 |
| ZnCl 2 | 11060 | 30,6 |
| NaCl | 298,9 | 0.83 |
Tableau 1. Analyse BET. Surface-surface-volume (SAV) ratios déterminés par Brunauer, Emmett-Teller (BET), l'analyse de l'isotherme des matériaux produits en utilisant des phases aqueuses avec 0,012 M-solutions aqueuses de différents électrolytes. Premières lettres indiquent des colonnes du panneau d'image correspondant à la figure 1. SAV rapports sont basés sur l'aire de surface totale par unité de masse, la masse de l'échantillon, et l'espace libre froid total de l'échantillon.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Les perles produites en utilisant ce protocole (et en ajustant la concentration d'électrolyte et l'identité) sont fondamentalement différentes de celles produites avec une émulsion à faible force ionique, comme on le voit par la comparaison de la figure 1A aux autres images SEM de la figure 1. Notre rapport initial utilisés PtCl 4 avec l'intention de catalyser la polymérisation en outre la réticulation à l'interface aqueuse-14 aliphatique. Dans ce rapport, de grandes indentations concaves ont été vus. Depuis ce rapport, nous avons affiné nos procédures pour optimiser les taux de SAV. Sans lavage des billes, l'analyse élémentaire des domaines à l'intérieur des images MEB indiquent que le platine a été trouvée presque exclusivement dans les pores concaves qui se trouvent tout au long de la structure de bourrelet. Parce que cette platine a été facilement enlevé en agitant les perles dans l'eau, nous avons conclu dans notre rapport initial que le platine a été tout simplement résidu sur la surface de PDMS, plutôt que d'être incorporated dans le polymère. Cela implique un rôle de catalyseur de la platine dans le processus de durcissement. Les billes représentés sur la figure 1 se caractérisent par l'apparition de sous-structures sphériques convexes, en grande partie, mais celles qui sont produites avec électrolyte ajoutée contiennent également des régions sphériques concaves telles que la partie encerclée de la figure 1B. La présence d'électrolyte semble réduire la taille des microbulles dans l'émulsion. Les images détaillées suggèrent que, sur la base des tailles des sous-structures sphériques, les bulles dans l'émulsion sont de l'ordre de 0,2 pm à 2 pm de diamètre avec ZnCl 2, mais sont plus communément de 1 à 10 um de diamètre sans électrolyte (compatible avec travaux antérieurs par DUFAUD, et al. 13).
Les données présentées ici indiquent que plusieurs métaux moins chers, de terre abondante peuvent être utilisés à la place des originaux PtCl4: perles concave de porosité sont produites indépendamment de la identlité de l'ion métallique utilisé, quoique à des degrés divers de manière significative. L'utilisation de ZnCl 2 prévoit une augmentation drastique du taux de SAV, six fois plus élevé que pour PtCl4, et environ 30 fois plus élevé que pour la procédure de contrôle, qui ne contient pas électrolyte. Les résultats BET sont en excellent accord avec les images SEM: pour ZnCl 2, de nombreuses poches concaves, à quelques micromètres de diamètre, sont considérés distribué dans toute la structure. Les images détaillées dans la figure 2B montrent également qu'il existe un espace considérablement plus interne lorsque les perles sont produites en présence de ZnCl 2. Ces deux sites de caractéristiques servent à augmenter l'aire de surface disponible pour l'adsorption, une caractéristique qui est hautement souhaitable pour des séparations où le PDMS est utilisé comme phase stationnaire.
Pour tous les électrolytes testés à ce jour, il existe une concentration optimale de sel, celui qui maximise la porosité de la surface des perles produites, unnd il semble être une concentration totale de 0,012 M, quel que soit le contre-ion métallique. Ci-dessous et au-dessus de cette concentration optimale, le rapport de la SAV est inférieur au maximum, et de façon monotone semble diminuer à partir du maximum dans les deux sens. Cette dépendance de la concentration en sel, plutôt que d'être uniquement basé sur la présence d'un ion de métal catalytiquement actif en solution, suggère que l'effet est d'électrolyte sur la fabrication de microbulles pour modifier les propriétés de l'émulsion. Sans teneur en sel ajouté, l'émulsion est décrite comme cavités d'alcools aliphatiques (par exemple, contenant un polymère) noyées dans la phase aqueuse dans une phase continue plus. Lorsque du sel est ajouté, la tension de surface est modifiée de manière à ce que la phase continue est aliphatique en certains endroits, avec des bulles aqueuse dispersée. Lorsque l'émulsion est chauffée brusquement dans le bain de tensio-actif, la chute conserve cette structure que les cures PDMS. Cela se traduit par des billes qui ont des formes moins sphériques, mais sont imlits avec des trous en raison de la présence de poches aqueuses, même pour les chlorures métalliques de sodium, qui ne seraient pas susceptibles d'avoir un effet catalytique important. Bien que n'importe quel sel soluble dans l'eau doit travailler en principe d'atteindre cet effet, et on constate qu'il existe une dépendance minimale de la concentration optimale sur l'identité de l'ion métallique, il y a un net avantage pour les métaux connus pour catalyser des réactions de couplage carbone-carbone organiques. Ceci suggère que, bien que la variation de la force ionique est nécessaire pour provoquer l'inversion de phase, la détermination de facteur de réglage du taux de SAV primaire est la capacité du métal pour servir de catalyseur pour la réticulation des brins de polymère individuels, la dirigeant à se produire préférentiellement à l'interface aqueuse / aliphatique.
L'aspect le plus critique de notre protocole est que le processus de traitement par ultrasons et l'ajout de triéthoxysilane peuvent à la fois produire de grandes quantités de chaleur sinon soigneusement contrôlée. Cette chaleur peut provoquer soliDS pour former prématurément, ce qui rendra la génération des perles désirées impossible. Le problème de sonication a été largement abordé par l'utilisation d'un appareil à ultrasons de type salle de bain, et l'inclusion de la glace dans le bain pour aider à réguler cette température. Les périodes de sonication 7 min ont été trouvés pour être optimale pour réduire l'agglutination indésirable de l'émulsion, en partie parce que, après environ 7 min de sonication, la plupart de la glace dans le bain a fondu. L'addition de triéthoxysilane doit être effectuée sous agitation et actif avec le mélange immergé dans un bain de glace.
Par rapport au rapport d'origine produisant convexes perles porosité de PDMS, notre protocole démontre un avantage significatif dans le rapport de SAV du produit. Nous avons démontré que l'addition de sels, même peu coûteux à la phase aqueuse d'une émulsion utilisé dans la fabrication de microbulles de billes poreuses de polymère peut conduire à des changements drastiques dans la morphologie du matériau final. Bien que la présence de tout sel semblesuite à une émulsion dans laquelle la phase aliphatique peut devenir continu, que par l'addition d'ions métalliques catalytiquement actifs est le rapport de SAV augmenté d'un facteur 30. Même si on n'a pas testé ce protocole sur un autre polymère, nous nous attendons à ce que toute polymère qui est réticulé et durcie par la chaleur (les limites de notre protocole) peut être utilisé avec ce processus pour générer concave porosité perles microstructurées. Dans une telle extension, il est probable que les concentrations d'électrolyte spécifiques devront être optimisé pour l'émulsion étant utilisée pour faire en sorte que la phase aliphatique est continue, et la phase aqueuse est discret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu par Ogden College de l'Université Western Kentucky des sciences et de génie, y compris le soutien interne du Département de chimie et de l'Office de la recherche (CRPA 13-8032). L'assistance du Dr John Andersland à l'installation WKU Microscopie (images SEM) et professeur agrégé Yan Cao de l'Institut pour la science WKU Combustion et génie (analyse BET) a été au centre de la réalisation de ce travail.
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).
