Anvendelse af spænding i dynamisk lysspredning partikelstørrelse analyse
Summary
Her præsenteres en protokol til anvendelse af spænding på opløsning under målinger af dynamisk lysspredningpartikelstørrelse med den hensigt at udforske effekten af spænding og temperaturændringer på polymersammenlægningen.
Abstract
Dynamisk lysspredning (DLS) er en almindelig metode til at karakterisere størrelsesfordelingen af polymerer, proteiner og andre nano- og mikropartikler. Moderne instrumentering tillader måling af partikelstørrelse som en funktion af tid og/ eller temperatur, men i øjeblikket er der ingen enkel metode til udførelse af DLS partikelstørrelse sadel målemål i overværelse af anvendt spænding. Evnen til at udføre sådanne målinger ville være nyttig i udviklingen af elektroaktive, stimuli-responsive polymerer til applikationer såsom sensing, blød robotteknologi, og energilagring. Her præsenteres en teknik, der anvender anvendt spænding kombineret med DLS og en temperaturrampe til at observere ændringer i aggregering og partikelstørrelse i termoresponsive polymerer med og uden elektroaktive monomerer. Ændringerne i aggregering adfærd observeret i disse eksperimenter var kun muligt gennem den kombinerede anvendelse af spænding og temperaturkontrol. For at opnå disse resultater, en potentiostat blev forbundet til en modificeret cuvette for at anvende spænding til en løsning. Ændringer i polymerpartikelstørrelsen blev overvåget ved hjælp af DLS i nærvær af konstant spænding. Samtidig blev de nuværende data produceret, som kunne sammenlignes med partikelstørrelsesdata, for at forstå forholdet mellem nuværende og partikeladfærd. Polymeren poly( N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) tjente som en test polymer til denne teknik, som pNIPAM’s reaktion på temperaturen er godt undersøgt. Ændringer i den lavere kritiske opløsningstemperatur (LCST) aggregering adfærd pNIPAM og poly( N-isopropylacrylamide)-blok-poly (ferrocenylmethyl methacrylate), en elektrokemisk aktiv blok-copolymer, i overværelse af anvendt spænding er observeret. Forståelse af mekanismerne bag sådanne ændringer vil være vigtigt, når de forsøger at opnå reversible polymer strukturer i overværelse af anvendt spænding.
Introduction
Dynamisk lysspredning (DLS) er en teknik til at bestemme partikelstørrelse ved hjælp af tilfældige ændringer i intensiteten af lys spredt gennem opløsning1. DLS er i stand til at måle aggregering af polymerer ved at bestemme partikelstørrelse. Til dette eksperiment blev DLS kombineret med kontrollerede temperaturændringer for at observere, når en polymer aggregater, som er tegn på at overskride den lavere kritiske opløsningtemperatur (LCST)2,3. Under LCST findes der en homogen væskefase. over LCST, polymeren bliver mindre opløselige, aggregater, og kondenserer ud af opløsning. En anvendt spænding (dvs. anvendt potentiale eller elektrisk felt) blev indført på tværs af spredningsfeltet for at observere virkningerne af det elektriske felt på aggregering adfærd og LCST. Anvendelsen af spænding i partikeldimensioneringsmålinger giver mulighed for ny indsigt i partikeladfærd og efterfølgende anvendelser inden for sensorer, energilagring, lægemiddelfremføringssystemer, blød robotteknologi og andre.
I denne protokol blev der anvendt to eksempelpolymerer. Poly( N-isopropylacrylamide), eller pNIPAM, er en termisk følsom polymer, som indeholder både en hydrofile amidgruppe og en hydrofob isopropyl gruppe på den makromolekylære kæde4,5. Termisk-lydhør polymer materialer som pNIPAM har været meget udbredt i kontrolleret lægemiddelfrigivelse, biokemisk adskillelse, og kemiske sensorer i de seneste år3,4. LCST-litteraturværdien af pNIPAM er omkring 30-35 °C4. pNIPAM er typisk ikke elektrokemisk aktiv. Derfor, som en anden prøve polymer en elektrokemisk-aktiv blok blev tilføjet til polymeren. Specifikt blev ferrocenylmethyl methacrylate brugt til at skabe et poly(N-isopropylacrylamide)-blok-poly (ferrocenylmethyl methacrylate) blok-copolymer, eller p(NIPAM- b-FMMA)6,7. Begge eksempler polymerer blev syntetiseret ved reversibel tilføjelse fragmentering kæde-overførsel polymerisation med kontrolleret kædelængde8,9,10. Den ikke-elektrokemisk aktive polymer, pNIPAM, blev syntetiseret som 100 mer ren pNIPAM. Den elektrokemisk aktive polymer, p(NIPAM- b-FMMA), var også 100 mer kædelængde, som indeholder 4% ferrocenylmethyl methacrylate (FMMA) og 96% NIPAM.
I denne artikel, en protokol og metode til at undersøge effekten af anvendt spænding på polymer sammenlægning er påvist. Denne metode kan også udvides til andre anvendelser af DLS, såsom analyse af protein foldning / udfoldelse, protein-protein interaktioner, og agglomeration af elektrostatisk ladede partikler for at nævne nogle få. Prøven blev opvarmet fra 20 °C til 40 °C for at identificere LCST i mangel og tilstedeværelse af et 1 V-anvendt felt. Derefter blev prøven afkølet fra 40 °C til 20 °C uden at forstyrre det anvendte felt for at undersøge eventuelle hysteretiske eller ligevægtseffekter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Anvendelse spænding til enten pNIPAM ellerp (NIPAM- b-FMMA) løsninger ændret polymer sammenlægning adfærd som reaktion på temperaturen. Med begge materialer, når en anvendt spænding var til stede, polymerernes volumenstørrelse forblev høj, selv når opløsningerne blev afkølet under deres LCST. Dette var et uventet resultat, da forsøgene uden spænding viste polymerer vender tilbage til deres oprindelige størrelser. Disse eksperimenter giver os mulighed for at konkludere, at for vores temperaturomr?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende den finansielle støtte fra NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131), og Hamel Center for Undergraduate Research på UNH. Endvidere vil forfatterne gerne anerkende bistand darcy Fournier for bistand i kabler og Scott Greenwood for adgang til 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).
