Kontrollü Sentezi ve yüksek Düzgün Poli Floresan Takibi (<em> K</em> -isopropylacrylamide) Mikrojeller
Summary
Sigara karıştırıldı çökelti polimerizasyonu uyaranlara duyarlı poli (N -isopropylacrylamide) dar bir boyut dağılımı mikrojelleri sentezi için hızlı, kopyalanabilir bir prototip bir yaklaşım sağlar. Bu protokol sentezinde, ışık saçılması karakterizasyonu ve geniş alan mikroskopisi kurulumunda bu mikrojellerin tek parçacık floresan izleme gösterilmiştir.
Abstract
Uyaranlara duyarlı poli (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) mikrojeller çeşitli prospektif pratik uygulamalar ve temel araştırma kullanır. Bu çalışmada, hızlı bir olmayan karıştırılmış yağış polimerizasyon prosedürü ile ayarlama mikrojel boyutu için bir vitrin olarak bir floresan etiketli PNIPAM jellerinin izleme tek parçacık kullanın. Bu yaklaşım, yeni reaksiyon bileşimlerini ve koşullannı prototip ya da ürünün büyük miktarlarda ihtiyaç uygulamalar için son derece uygundur. dinamik ve statik ışık saçılması ile mikrojel sentezi, partikül büyüklüğü ve yapısı belirlenmesi protokolde ayrıntılı olarak verilmiştir. Fonksiyonel komonomerlerin ilavesi partikül çekirdeklenme ve yapısı üzerinde büyük bir etkiye sahip olduğunu gösterilir. geniş alan floresan mikroskobu ile tek parçacık izleme olmayan etiketli mikrojellerin konsantre matris içinde etiketli izleyici mikrojellerin difüzyon soruşturma izin veren bir sistem tarafından kolaylıkla araştırılmamıştırDinamik ışık saçılımı gibi diğer yöntemler.
Introduction
Uyaranlara duyarlı poli (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) mikrojeller 1,2 nedeniyle çeşitli akıllı uygulamalar kendi potansiyeline son yirmi yılda sürekli ilgi çekmiştir. Kanıtlanmış kullanım durumları değiştirilebilir emülsiyon dengeleyiciler 3-8, mikromercekleri 9, kolay bir hücre hasat 10,11 hücre kültürü substratlar, ve düşük molekül ağırlıklı bileşikler için, akıllı taşıyıcılar ve diğer biyomedikal 12 kullanımları içerir. Görünüşünün temel araştırma açısından bu parçacıklar koloidal etkileşimleri 13-15 ve polimer-solvent etkileşimleri 16-18 gibi konuları araştırmak için yararlı olduğu kanıtlanmıştır.
Herhangi bir uygulamada PNIPAM mikrojelleri ve türevleri başarılı kullanımı, tipik olarak parçacık büyüklüğü dağılımının ortalama parçacık boyutu ve genişliği bilgi gerektirir. PNIPAM mikro içeren deneysel sonuçların doğru yorumlanması içinjeller, fonksiyonel komonomer etkilenebilir parçacık yapısı, bilinen edilmesi gerekir. Dinamik ve statik ışık saçılımı (DLS ve sırasıyla SLS) bu yöntemlerin hızlı ve kullanımı nispeten kolay, çünkü bu bilgileri elde etmek için benzersiz uygundur; ve onların doğal ortamından (dağılım) 'de non-invaziv parçacık özelliklerini sınayın. DLS ve SLS da mikroskopi yöntemleri için tipik küçük örneklem büyüklükleri, doğan önyargı kaçınarak parçacıkların çok sayıda veri toplamak. Bu nedenle, bu çalışmanın ilk amacı kolloidal karakterizasyonu yeni uygulayıcılar için ışık saçılmasına ilişkin iyi uygulama tanıtmaktır.
Tipik olarak, yağış polimerizasyon laboratuvar ölçeğinde yürütülen ve belirli parçacık özellikleri zahmetli olması ve sentez birçok tekrarlar gerektirebilir için doğru reaksiyon koşulları bulgudur. Büyük toplu sentezi aksine olmayan karıştırıldı çökelti polimerizasyonu 19,20 arAPID prosedür farklı reaktif bileşimin toplu dar bir boyut dağılımı aynı zamanda verimli partikülleri polimerize edilebilir. Aynı anda polimerizasyonu deney varyasyonu en aza indirir ve büyük çıkış doğru reaksiyon koşulları, reaksiyon upscaling hızlı bulunabilir anlamına gelir. Dolayısıyla, bizim ikinci amacı prototipleme ve ürünün büyük miktarda gerektirmeyen uygulamalarda olmayan karıştırılan yağış polimerizasyon yararlılığını göstermektir.
sentez ve karakterizasyonu farklı yönlerini kolloidal etkileşim araştırmalarında floresan etiketli PNIPAM mikrojellerin uygulama örneğinde bir araya gelir. Burada geniş bir matris konsantrasyon aralığında etiketsiz matris mikrojellerin dağılım etiketli izleyici mikrojellerin difüzyon araştırmak ve konsantre kolloidal dispersiyon kafes etkisi çözmek için son derece doğru tek parçacık izleme özelliğini kullanabilirsiniz. Geniş alan floresan mikroskopi iyi fo uygundurr bunun bu amaç potansiyel olarak farklı matris türlerinin çok sayıda arasında bir kaç izleyici moleküllerin belirli davranışını karakterize edebilir. Bu büyük bir sistemde prob parçacıkların az sayıda davranışını çözemeyen, bu nedenle sistemin topluluk ortalama özelliklerini ölçmek ve DLS, SLS ve reoloji gibi tekniklerle, aksine bulunmaktadır. Bundan başka, bu özel örnekte, geleneksel ışık saçılma yöntemleri nedeniyle herhangi bir standart analiz geçersiz mutlaka çok dağılmasına neden olur, yüksek partikül konsantrasyonu, aynı zamanda kullanılan olamaz. otomatik veri işleme ve istatistiksel yöntemlerin kullanılması büyük örnek boyutları üzerinde ortalama tek parçacık takibi için de genel sistem davranışı, analiz sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
fonksiyonel komonomer küçük miktarlarının eklenmesi PNIPAM türetilmiş mikrojelleri parçacık boyutu ve yapısı üzerinde büyük bir etkiye sahip olabilir. Eşzamanlı küçük ölçekli test tüpü polimerizasyon tür değişiklikleri açıklamak için iyi bir yöntem olduğunu ve hızla gerektiği gibi bir tepki upscaling için hedef partikül büyüklüğü için doğru tepkin kompozisyonlar bulmak için yardımcı olur. Par?…
Disclosures
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 |
References
- 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).
