Síntesis controlada y de seguimiento de la fluorescencia de muy uniforme de poli (<em> N</em> -isopropylacrylamide) microgeles
Summary
Polimerización por precipitación no agitada proporciona un enfoque de prototipado rápido, reproducible para la síntesis de los estímulos sensibles al poli (N -isopropylacrylamide) microgeles de estrecha distribución de tamaños. En esta síntesis protocolo, la caracterización de dispersión de luz y fluorescencia de seguimiento de partículas individuales de estos microgeles en una configuración de la microscopía de campo amplio se demuestran.
Abstract
Los estímulos sensibles poli (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgeles tienen diversas aplicaciones prácticas potenciales y usos en la investigación fundamental. En este trabajo, utilizamos solo rastreo de partículas microgeles de PNIPAM marcados con fluorescencia como un escaparate para el tamaño de sintonía microgel por un procedimiento de polimerización por precipitación no agitada rápida. Este enfoque es muy adecuado para la creación de prototipos nuevas composiciones y condiciones de reacción o para aplicaciones que no requieren grandes cantidades de producto. la síntesis de microgel, tamaño de partícula y la determinación de la estructura mediante dispersión de luz dinámica y estática se detallan en el protocolo. Se muestra que la adición de comonómeros funcionales puede tener una gran influencia sobre la nucleación y la estructura de las partículas. rastreo de partículas Single de campo amplio microscopía de fluorescencia permite una investigación de la difusión de microgeles trazador marcado en una matriz concentrada de microgeles no etiquetados, un sistema que no fue investigado por la facilidadotros métodos tales como dispersión de luz dinámica.
Introduction
Los estímulos sensibles poli (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgeles 1,2 han atraído el interés continuo en las últimas dos décadas debido a su potencial en diversas aplicaciones inteligentes. Casos de uso demostradas incluyen estabilizadores de emulsión conmutables 3-8, microlentes 9, sustratos de cultivo celular para facilitar la recolección de células, 10,11 y portadores inteligentes para compuestos de bajo peso molecular y otros usos biomédicos 12. Desde un punto de vista de investigación fundamental estas partículas se han demostrado ser útiles para la investigación de temas tales como las interacciones coloidales 13-15 y las interacciones de polímero-disolvente 16-18.
El uso exitoso de microgeles de PNIPAM y sus derivados en cualquier aplicación dada normalmente requiere el conocimiento del tamaño de partícula medio y la anchura de la distribución del tamaño de partícula. Para la correcta interpretación de los resultados experimentales implica PNIPAM microgeles, la estructura de las partículas, que puede ser afectada por comonómeros funcionales, tiene que ser conocida. dispersión de luz dinámica y estática (DLS y SLS, respectivamente) son especialmente adecuado para la adquisición de esta información debido a que estos métodos son rápidos y relativamente fácil de usar; y sondean las propiedades de las partículas de forma no invasiva en su ambiente nativo (dispersión). DLS y SLS también recogen datos de gran número de partículas evitando el sesgo derivado de tamaños de muestra pequeños, típicos de métodos de microscopía. Por lo tanto, el primer objetivo de este trabajo es dar a conocer las buenas prácticas en relación con la dispersión de luz de los nuevos practicantes de la caracterización coloidal.
Típicamente, la polimerización por precipitación se lleva a cabo a escala de laboratorio y encontrando las condiciones de reacción adecuadas para propiedades de las partículas específicas puede ser laborioso y requiere muchas repeticiones de la síntesis. En contraste con la síntesis de lotes grandes, polimerización no agitada precipitación 19,20 es arAPID procedimiento en el que los lotes de diferente composición de reactivo puede ser polimerizado partículas simultáneamente rendimiento de estrecha distribución de tamaños. polimerización simultánea minimiza la variación experimental y salida grande significa que las condiciones de reacción adecuadas se pueden encontrar rápida ampliación de la escala de la reacción. Por lo tanto, nuestro segundo objetivo es demostrar la utilidad de la polimerización no se agita la precipitación en la creación de prototipos y en aplicaciones que no requieren una gran cantidad de producto.
Diferentes aspectos de la síntesis y caracterización se unen en el ejemplo de aplicación de la etiqueta fluorescente microgeles de PNIPAM en la investigación de la interacción coloidal. Aquí se utiliza el seguimiento de partícula de gran precisión para investigar la difusión de microgeles trazador marcado en dispersión de microgeles de matriz no marcados en un amplio intervalo de concentración de la matriz y resolver el efecto jaula en dispersión coloidal concentrada. microscopía de fluorescencia de campo amplio es muy adecuado for este propósito, ya que puede caracterizar el comportamiento específico de unas pocas moléculas de trazador entre un gran número de especies potencialmente diferentes de la matriz. Esto está en contraste con las técnicas tales como DLS, SLS y reología, que miden las propiedades medias conjunto de sistemas y por lo tanto no puede resolver el comportamiento de pequeño número de partículas de la sonda en un sistema grande. Además, en este ejemplo específico métodos de dispersión de luz convencionales no pueden ser utilizados también debido a la alta concentración de partículas, lo que conduce a una fuerte dispersión múltiple invalidar cualquier análisis estándar. El uso de tratamiento automatizado de datos y métodos estadísticos permiten el análisis del comportamiento del sistema en general también para el rastreo de partículas individuales, promediada sobre muestras de gran tamaño.
Protocol
Representative Results
Discussion
La adición de pequeñas cantidades de comonómero funcional puede tener un efecto significativo en el tamaño de partícula y la estructura de los microgeles de PNIPAM derivada. polimerización simultánea tubo de ensayo a pequeña escala es un buen método para dar cuenta de estos cambios, y ayuda a encontrar rápidamente las composiciones de reactivos adecuados para el tamaño de partícula objetivo de ampliación de la escala de la r…
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).
