Применение напряжения в анализе динамического рассеяния света
Summary
Здесь представлен протокол о применении напряжения к раствору при измерениях размера динамического рассеяния света с намерением изучить влияние напряжения и изменения температуры на агрегацию полимеров.
Abstract
Динамическое рассеяние света (DLS) является распространенным методом для характеристики распределения размеров полимеров, белков и других нано- и микрочастиц. Современные приборы позволяют измерять размер частиц как функцию времени и/или температуры, но в настоящее время нет простого метода для выполнения измерений распределения размеров частиц DLS в присутствии прикладного напряжения. Возможность проведения таких измерений была бы полезна при разработке электроактивных, стимулирующих полимеров для таких применений, как зондирование, мягкая робототехника и хранение энергии. Здесь представлена техника с использованием прикладного напряжения в сочетании с DLS и температурным пандусом для наблюдения за изменениями в агрегатации и размерах частиц в термочувствительных полимерах с электроактивными мономерами и без них. Изменения в агрегированном поведении, наблюдаемые в ходе этих экспериментов, были возможны только благодаря комбинированному применению контроля напряжения и температуры. Чтобы получить эти результаты, potentiostat был подключен к модифицированной кювет для того, чтобы применить напряжение к решению. Изменения размера частиц полимера отслеживались с помощью DLS при наличии постоянного напряжения. Одновременно были получены текущие данные, которые можно было бы сравнить с данными о размере частиц, чтобы понять взаимосвязь между поведением тока и частиц. Полимерполи (N -изопропилакриламид) (pNIPAM) служил тестовым полимером для этой техники, так как реакция pNIPAM на температуру хорошо изучена. Наблюдаются изменения в низкокритической температуре раствора (LCST) агрегации поведения pNIPAM и поли(N-изопропилацриламидамид)-блока-поли (ферроцилметил метакририл), электрохимически активного бло-кополимера, в присутствии прикладного напряжения. Понимание механизмов, лежащих в основе таких изменений, будет важно при попытке достичь обратимых полимерных структур в присутствии прикладного напряжения.
Introduction
Динамическое рассеяние света (DLS) является методом для определения размера частиц с помощью случайных изменений в интенсивности света, рассеянного через решение1. DLS способен измерять агрегацию полимеров, определяя размер частиц. Для этого эксперимента, DLS был в сочетании с контролируемыми изменениями температуры наблюдать, когда полимерные агрегаты, что свидетельствует о превышении нижней критической температуры раствора (LCST)2,3. Под LCST существует одна однородная жидкая фаза; над LCST, полимер становится менее растворимым, агрегаты, и конденсируется из раствора. Прикладное напряжение (т.е. прикладной потенциал или электрическое поле) было введено через поле рассеяния для наблюдения за воздействием электрического поля на поведение агрегации и LCST. Применение напряжения в измерениях размеров частиц позволяет по-новому взглянуть на поведение частиц и последующее применение в области датчиков, хранения энергии, систем доставки лекарств, мягкой робототехники и других.
В этом протоколе были использованы два примера полимеров. Поли (N -изопропилакриламид), или pNIPAM, является термическим чувствительным полимером, который содержит как гидрофильные группы амида и гидрофобных изопропилгрупповой группы на макромолекулярной цепи4,5. Тепловые полимерные материалы, такие как pNIPAM, широко используются в контролируемом выпуске лекарств, биохимическом разделении и химических датчиках в последние годы3,4. Значение литературы LCST pNIPAM составляет около 30-35 градусов по Цельсию4. pNIPAM, как правило, не электрохимически активен. Поэтому в качестве второго образца полимера в полимер был добавлен электрохимически активный блок. В частности, ферроцинметил метакрилат был использован для создания поли(N-изопропилокриламид) –блок-поли(ферроцилметил метакрилат) блок-кополимер, или p (NIPAM –b-FMMA)6,7. Оба примера полимеров были синтезированы обратимым дополнением фрагментации цепной передачи полимеризации с контролируемой длиной цепи8,9,10. Неэлектрохимически активный полимер, pNIPAM, был синтезирован как 100 мер чистый pNIPAM. Электрохимически активный полимер, p(NIPAM – b-FMMA), также был 100 мер длиной цепи, которая содержит 4% ферроцилметил метакрилат (FMMA) и 96% NIPAM.
В этой статье демонстрируется протокол и методология изучения влияния прикладного напряжения на агрегацию полимеров. Этот метод также может быть распространен на другие применения DLS, такие как анализ сворачивания/разворачивания белков, белково-белковых взаимодействий и агломерации электростатически заряженных частиц, чтобы назвать несколько. Образец нагревался от 20 до 40 градусов по Цельсию, чтобы определить LCST при отсутствии и наличии прикладного поля 1 V. Затем образец охлаждался от 40 до 20 градусов по Цельсию, не нарушая прикладное поле для изучения каких-либо исистообразительных или равновесных эффектов.
Protocol
Representative Results
Discussion
Применение напряжения к решениям pNIPAM или p(NIPAM – b-FMMA) изменило поведение агрегации полимеров в ответ на температуру. С обоими материалами, когда прикладное напряжение присутствовало, размер тома полимеров оставался высоким даже тогда, когда растворы охлаждались ниже их LCST. Это был н…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить финансовую поддержку со стороны NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM1131331) и Центра исследований бакалавриата Hamel при UNH. Кроме того, авторы хотели бы признать помощь Дарси Фурнье для оказания помощи в кабелей и Скотт Гринвуд для доступа к DLS.
Materials
| N-Isopropylacrylamide | Tokyo Chemical Industry CO., LTD | I0401-500G | |
| 1,4-Dioxane | Alfa Aesar | 39118 | |
| 2,2"-Azobis(2-methylpropionitrile) | SIGMA-ALDRICH | 441090-100G | |
| Cuvette | Malvern | DTS0012 | |
| Dynamic Light Scattering | Malvern | Zetasizer NanoZS | |
| Ferrocenylmethyl methacrylate | ASTATECH | FD13136-1G | |
| Phthalimidomethyl butyl trithiocarbonate | SIGMA-ALDRICH | 777072-1G | |
| Potentiostat | Gamry | Reference 600 |
References
- Xu, R. Particuology Light scattering : A review of particle characterization applications. Particuology. 18, 11-21 (2015).
- Szczubiałka, K., Nowakowska, M. Response of micelles formed by smart terpolymers to stimuli studied by dynamic light scattering. Polymer. 44 (18), 5269-5274 (2003).
- Kotsuchibashi, Y., Ebara, M., Aoyagi, T., Narain, R. Recent Advances in Dual Temperature Responsive Block Copolymers and Their Potential as Biomedical Applications. Polymers. 8, 380 (2016).
- Lanzalaco, S., Armelin, E. Poly(N-isopropylacrylamide) and Copolymers: A Review on Recent Progresses in Biomedical Applications. Gels. 3, 36 (2017).
- Lessard, D. G., Ousalem, M., Zhu, X. X., Eisenberg, A., Carreau, P. J. Study of the phase transition of poly(N,N-diethylacrylamide) in water by rheology and dynamic light scattering. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 41, 1627-1637 (2003).
- Garner, B. W., Cai, T., Hu, Z., Neogi, A. Electric field enhanced photoluminescence of CdTe quantum dots encapsulated in poly (N-isopropylacrylamide) nano-spheres. Optics express. 16, 19410-19418 (2008).
- Gallei, M., Schmidt, B. V. K. J., Klein, R., Rehahn, M. Defined Poly[styrene- block -(ferrocenylmethyl methacrylate)] Diblock Copolymers via Living Anionic Polymerization. Macromolecular Rapid Communications. 30, 1463-1469 (2009).
- Grenier, C., Timberman, A., et al. High Affinity Binding by a Fluorescein Templated Copolymer Combining Covalent, Hydrophobic, and Acid-Base Noncovalent Crosslinks. Sensors. 18, 1330 (2018).
- Chiefari, J., Chong, Y. K. B., et al. Living Free-Radical Polymerization by Reversible Addition−Fragmentation Chain Transfer: The RAFT Process. Macromolecules. 31, 5559-5562 (1998).
- Perrier, S. 50th Anniversary Perspective : RAFT Polymerization-A User Guide. Macromolecules. 50, 7433-7447 (2017).
