التجميعي للرقابة وتتبع الإسفار بولي الموحد عالية (<em> N</em> -isopropylacrylamide) Microgels
Summary
وتنص غير أثار-البلمرة هطول نهج النماذج قابلة للتكرار السريع لتركيب المحفزات الحساسة بولي (N -isopropylacrylamide) microgels من توزيع حجم الضيق. في هذا التوليف البروتوكول، وقد أثبت ضوء توصيف نثر واحدة تتبع الجسيمات مضان من هذه microgels في إعداد المجهر واسعة المجال.
Abstract
المحفزات التي تراعي بولي (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels دينا مختلف التطبيقات العملية المستقبلية ويستخدم في البحوث الأساسية. في هذا العمل، ونحن نستخدم جسيم واحد تتبع microgels PNIPAM fluorescently المسمى كنموذج لحجم ضبط microgel عن طريق إجراء هطول البلمرة السريع غير أثار. هذا النهج هو مناسب تماما لالنماذج التراكيب رد فعل الجديدة والظروف أو التطبيقات التي لا تتطلب كميات كبيرة من المنتجات. وفيما يلي تفصيل التوليف Microgel، وحجم الجسيمات وتحديد هيكل التي كتبها ثابتة وديناميكية تشتت الضوء في البروتوكول. وتبين أن إضافة comonomers وظيفي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على التنوي الجسيمات والهيكل. تتبع جسيم واحد من مضان المجهر واسعة المجال يسمح لإجراء تحقيق في نشر microgels التتبع وصفت في مصفوفة مركزة من microgels غير المسمى، ونظام لم يتم التحقيق بسهولة من قبلوسائل أخرى مثل تشتت الضوء الديناميكي.
Introduction
جذبت المحفزات التي تراعي بولي (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels 1،2 باهتمام مستمر على مدى العقدين الماضيين بسبب إمكاناتهم في مختلف التطبيقات الذكية. وتشمل حالات الاستخدام أظهرت مثبتات للتحويل مستحلب 3-8، microlenses 9 ركائز الثقافة خلية لخلية حصاد السهل 10،11، وناقلات الذكية لانخفاض المركبات ذات الوزن الجزيئي وغيرها من الطب الحيوي يستخدم 12. من وجهة نظر البحوث الأساسية للعرض وقد أثبتت هذه الجسيمات أن تكون مفيدة للتحقيق في موضوعات مثل التفاعلات الغروية 13-15 والتفاعلات البوليمر المذيبات 16-18.
الاستخدام الناجح للmicrogels PNIPAM ومشتقاتها في أي تطبيق معين عادة ما يتطلب المعرفة على حجم الجسيمات يعني وعرض توزيع حجم الجسيمات. لتفسير الصحيح للنتائج التجريبية التي تنطوي على PNIPAM الصغيرةالمواد الهلامية، وهيكل الجسيمات، التي يمكن أن تتأثر comonomers وظيفية، يجب أن يكون معروفا. ثابتة وديناميكية تشتت الضوء (DLS وسلس، على التوالي) هي مناسبة فريدة للحصول على هذه المعلومات لأن هذه الأساليب هي سريعة وسهلة نسبيا للاستخدام. وانها تحقق خصائص الجسيمات غير جراحية في البيئة الأصلية الخاصة بهم (التشتت). دائرة الأراضي والمساحة وSLS أيضا بجمع البيانات من عدد كبير من الجزيئات تجنب التحيز الناشئة عن أحجام عينة صغيرة، نموذجية لأساليب الفحص المجهري. ولذلك، فإن الهدف الأول من هذا العمل هو تقديم الممارسات الجيدة فيما يتعلق تشتت الضوء للممارسين جديد لتوصيف الغروية.
عادة، ويتم ترسيب البلمرة في نطاق المختبر وإيجاد ظروف التفاعل المناسبة لخصائص الجسيمات محددة يمكن أن يكون شاقة وتتطلب الكثير من التكرار من التوليف. وعلى النقيض من التوليف دفعة كبيرة، غير أثار البلمرة هطول 19،20 هي عالإجراء APID الذي دفعات من مختلف تكوين المواد المتفاعلة يمكن بلمرة جزيئات ذات العوائد في وقت واحد من توزيع حجم الضيق. البلمرة في وقت واحد يقلل من التباين التجريبية وإخراج كبيرة يعني أن ظروف التفاعل الصحيحة يمكن العثور بسرعة لرفع مستوى رد الفعل. وبالتالي، هدفنا الثاني هو للتدليل على فائدة غير أثار البلمرة هطول الأمطار في النماذج والتطبيقات التي لا تتطلب كمية كبيرة من المنتج.
جوانب مختلفة من التوليف وتوصيف معا في المثال تطبيق فلوري المسمى microgels PNIPAM في مجال البحوث التفاعل الغروية. هنا نستخدم عالية الدقة تتبع جسيم واحد للتحقيق في نشر microgels التتبع وصفت في تشتت microgels مصفوفة ليس لها علامة على نطاق وتركيز مصفوفة واسعة وحل تأثير قفص في تشتت الغروية المركزة. المجهر مضان واسعة المجال تناسب جيد FOص هذا الغرض لأنها يمكن أن تميز سلوك معين من جزيئات قليلة التتبع بين عدد كبير من الأنواع المصفوفة قد تكون مختلفة. هذا هو على النقيض من التقنيات مثل دائرة الأراضي والمساحة، SLS والريولوجيا، التي تقيس خصائص متوسط مجموعة من أنظمة، وبالتالي لا يمكن حل سلوك عدد قليل من الجسيمات التحقيق في منظومة واسعة. وعلاوة على ذلك، في هذا المثال معينة لا يمكن أن تستخدم أساليب تشتت الضوء التقليدية أيضا بسبب تركيز الجسيمات عالية، الأمر الذي يؤدي إلى تشتت متعددة القوي إبطال أي تحليل قياسي. استخدام التجهيز الآلي للبيانات والأساليب الإحصائية تمكين تحليل السلوك العام للنظام أيضا لتتبع جسيم واحد، عندما بلغ متوسط على أحجام عينة كبيرة.
Protocol
Representative Results
Discussion
إضافة كميات صغيرة من comonomer وظيفي يمكن أن يكون لها تأثير كبير على حجم الجسيمات وهيكل microgels PNIPAM مشتقة. في وقت واحد على نطاق صغير أنبوب اختبار البلمرة هي طريقة …
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) is acknowledged for financial support within the Sonderforschungsbereich SFB 985 “Functional Microgels and Microgel Systems”.
Materials
| Acetone | VWR Chemicals | KRAF13455 | |
| Bisacrylamid | AppliChem | A3636 | |
| n-Hexane | Merck | 104374 | |
| N-Isopropylacrylamide | Fisher Scientific | AC412785000 | recrystallized from n-hexane |
| Methacryloxyethyl thiocarbamoyl rhodamine B | Polysciences | 23591 | |
| Potassium peroxodisulfate | Merck | 105091 | |
| Silicone oil 47 V 350 | VWR Chemicals | 83851 | |
| Toluene | Sigma Aldrich | 244511 | |
| F12 Refrigerated/heating circulator | Julabo | 9116612 | |
| Microscope | Olympus | IX83 | |
| XY(Z) Piezo System | Physik Instrumente | P-545.3R7 | |
| 100x Oil immersion objective | Olympus | UPLSAPO | |
| QuadLine Beamsplitter | AHF Analysentechnik | F68-556T | |
| Cobolt Jive 150 laser | Cobolt | 0561-04-01-0150-300 | |
| Multimode Fiber | Thorlabs | UM22-600 | |
| iXON Ultra 897 EMCCD camera | Andor | DU-897U-CS0-BV | |
| Laser goniometer | SLS Systemtechnik | Mark III | |
| CF40 Cryo-compact circulator | Julabo | 9400340 | |
| Laser goniometer system | ALV GmbH | ALV / CGS-8F | |
| Multi-tau corretator | ALV GmbH | ALV-7004 | |
| Light scattering electronics | ALV GmbH | ALV / LSE 5004 | |
| Photon counting module | PerkinElmer | SPCM-CD2969 | 2 units in pseudo cross-correlation mode |
| 633 nm HeNe Laser | JDS Uniphase | 1145P | |
| F32 Refrigerated/heating circulator | Julabo | 9312632 |
Referencias
- Pelton, R. Temperature-sensitive aqueous microgels. Adv. Colloid Interfac. 85, 1-33 (2000).
- Pich, A., Richtering, W. Microgels by Precipitation Polymerization: Synthesis, Characterization and Functionalization. Adv. Polym. Sci. 234, 1-37 (2010).
- Richtering, W. Responsive Emulsions Stabilized by Stimuli-Sensitive Microgels: Emulsions with Special Non-Pickering Properties. Langmuir. 28 (50), 17218-17229 (2012).
- Wiese, S., Spiess, A. C., Richtering, W. Microgel-Stabilized Smart Emulsions for Biocatalysis. Angew. Chem. Int. Edit. 52 (2), 576-579 (2012).
- Schmitt, V., Ravaine, V. Surface compaction versus stretching in Pickering emulsions stabilised by microgels. Curr. Opin. Colloid In. 18 (6), 532-541 (2013).
- Wellert, S., Richter, M., Hellweg, T., von Klitzing, ., R, Y., Hertle, Responsive Microgels at Surfaces and Interfaces. Z. Phys. Chem. 229 (7-8), 1-26 (2015).
- Li, Z., Harbottle, D., Pensini, E., Ngai, T., Richtering, W., Xu, Z. Fundamental Study of Emulsions Stabilized by Soft and Rigid Particles. Langmuir. 31 (23), 6282-6288 (2015).
- Deshmukh, O. S., van den Ende, D., Stuart, M. C., Mugele, F., Duits, M. H. G. Hard and soft colloids at fluid interfaces: Adsorption, interactions, assembly & rheology. Adv. Colloid Interfac. 222, 215-227 (2015).
- Serpe, M. J., Kim, J., Lyon, L. A. Colloidal Hydrogel Microlenses. Adv. Mater. 16 (2), 184-187 (2004).
- Schmidt, S., Zeiser, M., Hellweg, T., Duschl, C., Fery, A., Möhwald, H. Adhesion and Mechanical Properties of PNIPAM Microgel Films and Their Potential Use as Switchable Cell Culture Substrates. Adv. Func. Mater. 20 (19), 3235-3243 (2010).
- Xia, Y., He, X., et al. Thermoresponsive Microgel Films for Harvesting Cells and Cell Sheets. Biomacromolecules. 14 (10), 3615-3625 (2013).
- Guan, Y., Zhang, Y. PNIPAM microgels for biomedical applications: from dispersed particles to 3D assemblies. Soft Matter. 7 (14), 6375 (2011).
- Yunker, P. J., Chen, K., Gratale, M. D., Lohr, M. A., Still, T., Yodh, A. G. Physics in ordered and disordered colloidal matter composed of poly(N-isopropylacrylamide) microgel particles. Rep. Prog. Phys. 77 (5), 056601-056629 (2014).
- Lohr, M. A., Still, T., et al. Vibrational and structural signatures of the crossover between dense glassy and sparse gel-like attractive colloidal packings. Phys. Rev. E. 90 (6), 062305 (2014).
- Dreyfus, R., Xu, Y., Still, T., Hough, L. A., Yodh, A. G., Torquato, S. Diagnosing hyperuniformity in two-dimensional, disordered, jammed packings of soft spheres. Phys. Rev. E. 91 (1), 012302-012312 (2015).
- Kojima, H., Tanaka, F. Reentrant volume phase transition of cross-linked poly(N-isopropylacrylamide) gels in mixed solvents of water/methanol. Soft Matter. 8 (10), 3010-3011 (2012).
- Hofmann, C. H., Plamper, F. A., Scherzinger, C., Hietala, S., Richtering, W. Cononsolvency Revisited: Solvent Entrapment by N-Isopropylacrylamide and N, N-Diethylacrylamide Microgels in Different Water/Methanol Mixtures. Macromolecules. 46 (2), 523-532 (2013).
- Bischofberger, I., Calzolari, D. C. E., Trappe, V. Co-nonsolvency of PNiPAM at the transition between solvation mechanisms. Soft Matter. 10 (41), 8288-8295 (2014).
- Virtanen, O. L. J., Richtering, W. Kinetics and particle size control in non-stirred precipitation polymerization of N-isopropylacrylamide. Colloid Polym. Sci. 292 (8), 1743-1756 (2014).
- Virtanen, O. L. J., Ala-Mutka, H. M., Richtering, W. Can the Reaction Mechanism of Radical Solution Polymerization Explain the Microgel Final Particle Volume in Precipitation Polymerization of N-Isopropylacrylamide?. Macromol. Chem. Phys. 216 (13), 1431-1440 (2015).
- Glatter, O. A new method for the evaluation of small-angle scattering data. J. Appl. Crystallogr. 10 (5), 415-421 (1977).
- Svergun, D. I. Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria. J. Appl. Crystallogr. 25 (4), 495-503 (1992).
- Glatter, O. Convolution Square Root of Band-Limited Symmetrical Functions and Its Application to Small-Angle Scattering Data. J. Appl. Crystallogr. 14, 101-108 (1981).
- Glatter, O., Hainisch, B. Improvements in Real-Space Deconvolution of Small-Angle Scattering Data. J. Appl. Crystallogr. 17, 435-441 (1984).
- Cheezum, M. K., Walker, W. F., Guilford, W. H. Quantitative Comparison of Algorithms for Tracking Single Fluorescent Particles. Biophys. J. 81 (4), 2378-2388 (2001).
- Wöll, D., Kölbl, C., Stempfle, B., Karrenbauer, A. A novel method for automatic single molecule tracking of blinking molecules at low intensities. Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (17), 6196-6205 (2013).
- Saxton, M. J., Jacobson, K. Single-particle tracking: Applications to membrane dynamics. Annu. Rev. Bioph. Biom. 26, 373-399 (1997).
- Pusey, P. N., van Megen, W. Detection of small polydispersities by photon correlation spectroscopy. J. Chem. Phys. 80 (8), 3513 (1984).
- Stieger, M., Pedersen, J. S., Richtering, W., Lindner, P. Small-angle neutron scattering study of structural changes in temperature sensitive microgel colloids. J. Chem. Phys. 120 (13), 6197-6206 (2004).
- Wu, X., Pelton, R. H., Hamielec, A. E., Woods, D. R., McPhee, W. The kinetics of poly(N-isopropylacrylamide) microgel latex formation. Colloid Polym. Sci. 272, 467-477 (1994).
- Weeks, E. R., Weitz, D. A. Subdiffusion and the cage effect studied near the colloidal glass transition. Chem. Phys. 284 (1-2), 361-367 (2002).
- Ernst, D., Köhler, J., Weiss, M. Probing the type of anomalous diffusion with single-particle tracking. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (17), 7686-7691 (2014).
- . FitIt! (Version 1.1.4) Available from: https://www.github.com/ovirtanen/fitit (2015)
- Provencher, S. W. A Constrained Regularization Method For Inverting Data Represented By A Linear Algebraic or Integral Equations. Comput. Phys. Commun. 27 (3), 213-227 (1982).
- Holtzer, L., Meckel, T., Schmidt, T. Nanometric three-dimensional tracking of individual quantum dots in cells. Appl. Phys. Lett. 90 (5), 053902-053904 (2007).
- Diezmann, A. V., Lee, M. Y., Lew, M. D., Moerner, W. E. Correcting field-dependent aberrations with nanoscale accuracy in three-dimensional single-molecule localization microscopy. Optica. 2 (11), 985-989 (2015).
- Lindner, P., Zemb, T. . Neutrons, X-rays and Light: Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. , (2002).
