Anvendelse av spenning i dynamisk lys spredning partikkel størrelse analyse
Summary
Her presenteres en protokoll for å bruke spenning på løsning under dynamiske målinger av partikkelstørrelse med den hensikt å utforske effekten av spenning ser ut til å være en del av polymeraggregasjonen.
Abstract
Dynamisk lysspredning (DLS) er en vanlig metode for å karakterisere størrelsesfordelingen av polymerer, proteiner og andre nano- og mikropartikler. Moderne instrumentering tillater måling av partikkelstørrelse som en funksjon av tid og/eller temperatur, men for tiden er det ingen enkel metode for å utføre DLS partikkelstørrelsedistribusjonsmålinger i nærvær av påført spenning. Evnen til å utføre slike målinger ville være nyttig i utviklingen av elektroaktive, stimuli-responsive polymerer for applikasjoner som sensing, myk robotikk og energilagring. Her presenteres en teknikk ved hjelp av påført spenning kombinert med DLS og en temperaturrampe for å observere endringer i aggregering og partikkelstørrelse i termoresponspolymerer med og uten elektroaktive monomerer. Endringene i aggregasjonsatferd observert i disse eksperimentene var bare mulig gjennom kombinert bruk av spenning og temperaturkontroll. For å oppnå disse resultatene ble en potensat koblet til en modifisert cuvette for å bruke spenning på en løsning. Endringer i polymerpartikkelstørrelse ble overvåket ved hjelp av DLS i nærvær av konstant spenning. Samtidig ble gjeldende data produsert, som kan sammenlignes med partikkelstørrelsesdata, for å forstå forholdet mellom gjeldende og partikkelvirkemåte. Polymerpolyen(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) fungerte som en testpolymer for denne teknikken, da pNIPAms respons på temperatur er godt studert. Endringer i den lavere kritiske løsningstemperaturen (LCST) aggregeringsatferd av pNIPAM og poly( N-isopropylacrylamide)-blokk-poly(ferrocenylmethyl metakryllate), observeres en elektrokjemisk aktiv blokkkopolymer, i nærvær av påført spenning. Å forstå mekanismene bak slike endringer vil være viktig når du prøver å oppnå reversible polymerstrukturer i nærvær av påført spenning.
Introduction
Dynamisk lysspredning (DLS) er en teknikk for å bestemme partikkelstørrelse gjennom bruk av tilfeldige endringer i lysintensiteten spredt gjennom løsning1. DLS er i stand til å måle aggregering av polymerer ved å bestemme partikkelstørrelse. For dette eksperimentet ble DLS kombinert med kontrollerte temperaturendringer for å observere når en polymeraggregater som indikerer overskridelse av lavere kritisk løsningstemperatur (LCST)2,3. Under LCST finnes det en homogen væskefase; over LCST blir polymeren mindre løselig, aggregater og kondenserer ut av løsningen. En påført spenning (dvs. brukt potensial eller elektrisk felt) ble introdusert over spredningsfeltet for å observere effekten av det elektriske feltet på aggregeringsatferd og LCST. Anvendelsen av spenning i partikkelstørrelsesmålinger gir ny innsikt i partikkelatferd og påfølgende applikasjoner innen sensorer, energilagring, narkotikaleveringssystemer, myk robotikk og andre.
I denne protokollen ble to eksempelpolymerer brukt. Poly( N-isopropylacrylamide), eller pNIPAM, er en termisk sensitiv polymer, som inneholder både en hydrofil amidgruppe og en hydrofob isopropylgruppe på makromolekylær kjede4,5. Termisk-responsive polymermaterialer som pNIPAM har blitt mye brukt i kontrollert legemiddelfrigjøring, biokjemisk separasjon og kjemiske sensorer de siste årene3,4. LCST litteraturverdien av pNIPAM er rundt 30-35 °C4. pNIPAM er vanligvis ikke elektrokjemisk aktiv. Derfor, som en annen prøve polymer en elektrokjemisk aktiv blokk ble lagt til polymer. Spesielt ferrocenylmethyl metakrylat ble brukt til å lage en poly( N-isopropylacrylamide)-blokk-poly(ferrocenylmethyl metakrylat) blokkkopolymer, eller p(NIPAM-b-FMMA)6,7. Begge eksempelpolymerene ble syntetisert ved reversibel addisjonsfragmenteringskjedeoverføringspolymerisering med kontrollert kjedelengde8,9,10. Den ikke-elektrokjemisk aktive polymeren, pNIPAM, ble syntetisert som 100 ren pNIPAM. Den elektrokjemisk aktive polymeren, p(NIPAM-b-FMMA), var også 100 mer kjedelengde, som inneholder 4% ferrokenylmetylmetakrylat (FMMA) og 96% NIPAM.
I denne artikkelen er en protokoll og metodikk for å studere effekten av påført spenning på polymeraggregasjon demonstrert. Denne metoden kan også utvides til andre anvendelser av DLS, for eksempel analyse av proteinfolding / utfoldelse, protein-proteininteraksjoner og agglomerering av elektrostatisk ladede partikler for å nevne noen. Prøven ble oppvarmet fra 20 °C til 40 °C for å identifisere LCST i fravær og tilstedeværelse av et 1 V-anvendt felt. Deretter ble prøven avkjølt fra 40 °C til 20 °C uten å forstyrre det anvendte feltet for å studere hysteretiske eller likevektseffekter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bruk av spenning på enten pNIPAM- eller p(NIPAM-b-FMMA)-løsninger endret polymeraggregasjonsatferden som svar på temperatur. Med begge materialene, når en påført spenning var til stede, forble polymerenes volumstørrelse høy selv når løsningene ble avkjølt under LCST. Dette var et uventet resultat, da forsøkene uten spenning viste at polymerene vendte tilbake til sine opprinnelige størrelser. Disse eksperimentene tillater oss å konkludere med at for vårt temperaturområde, og med en påført spenni…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å anerkjenne den økonomiske støtten fra NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131), og Hamel Center for Undergraduate Research ved UNH. Videre ønsker forfatterne å anerkjenne hjelp fra Darcy Fournier for hjelp til kabling og Scott Greenwood for tilgang 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).
