تطبيق الجهد في الضوء الديناميكي التشتت تحليل حجم الجسيمات
Summary
هنا ، يتم تقديم بروتوكول لتطبيق الجهد على الحل أثناء قياسات حجم الجسيمات المبعثرة للضوء الديناميكي بهدف استكشاف تأثير التغيرات في الجهد ودرجة الحرارة على تجميع البوليمر.
Abstract
تشتت الضوء الديناميكي (DLS) هو طريقة شائعة لتوصيف توزيع حجم البوليمرات والبروتينات والجسيمات النانوية والدقيقة الأخرى. تسمح الأجهزة الحديثة بقياس حجم الجسيمات كدالة للوقت و/ أو درجة الحرارة ، ولكن لا توجد حاليًا طريقة بسيطة لإجراء قياسات توزيع حجم الجسيمات DLS في وجود الجهد التطبيقي. وستكون القدرة على إجراء هذه القياسات مفيدة في تطوير البوليمرات النشطة بالكهرباء والمستجيبة للمحفزات لتطبيقات مثل الاستشعار والروبوتات الناعمة وتخزين الطاقة. هنا ، يتم تقديم تقنية تستخدم الجهد التطبيقي إلى جانب DLS ومنحدر درجة الحرارة لمراقبة التغيرات في التجميع وحجم الجسيمات في البوليمرات المتجاوبة حراريًا مع وبدون مونومرات نشطة كهربائيًا. وكانت التغييرات في سلوك التجميع التي لوحظت في هذه التجارب ممكنة فقط من خلال التطبيق المشترك للتحكم في الجهد ودرجة الحرارة. للحصول على هذه النتائج، تم توصيل potentiostat إلى كوفيت معدلة من أجل تطبيق الجهد على حل. تم رصد التغيرات في حجم الجسيمات البوليمر باستخدام DLS في وجود الجهد المستمر. وفي الوقت نفسه، تم إنتاج البيانات الحالية، والتي يمكن مقارنتها ببيانات حجم الجسيمات، لفهم العلاقة بين سلوك التيار وسلوك الجسيمات. البوليمر بولي(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) بمثابة البوليمر اختبار لهذه التقنية، واستجابة pNIPAM لدرجة الحرارة هو مدروسجيدا. التغيرات في درجة حرارة الحل أقل حرجة (LCST) سلوك التجميع pNIPAM وبولي(N-isopropylacrylamide)- كتلة -بولي (ferrocenylmethyl methacrylate)، لوحظ تو بوليميرليبل كتلة نشطة كهربائيا، في وجود الجهد التطبيقي. فهم الآليات الكامنة وراء هذه التغييرات سيكون من المهم عند محاولة تحقيق هياكل البوليمر عكسها في وجود الجهد التطبيقي.
Introduction
تشتت الضوء الديناميكي (DLS) هو تقنية لتحديد حجم الجسيمات من خلال استخدام التغيرات العشوائية في كثافة الضوء المتناثرة من خلال الحل1. DLS قادرة على قياس تجميع البوليمرات من خلال تحديد حجم الجسيمات. لهذه التجربة، اقترن DLS مع التغيرات في درجة الحرارة التي تسيطر عليها لمراقبة عندما المجاميع البوليمر الذي يدل على تجاوز درجة حرارة الحل الحرجة أقل (LCST)2،3. تحت LCST، هناك مرحلة سائلة متجانسة واحدة. فوق LCST ، يصبح البوليمر أقل قابلية للذوبان ، والمجاميع ، ويتكثف من الحل. تم إدخال جهد مطبق (أي مجال محتمل أو كهربائي تطبيقي) عبر مجال التشتت لمراقبة آثار المجال الكهربائي على سلوك التجميع وLCST. تطبيق الجهد في قياسات تحجيم الجسيمات يسمح لرؤى جديدة في سلوك الجسيمات والتطبيقات اللاحقة في مجالات أجهزة الاستشعار، وتخزين الطاقة، ونظم تسليم المخدرات، والروبوتات الناعمة، وغيرها.
في هذا البروتوكول، تم استخدام اثنين من البوليمرات المثال. بولي(N-isopropylacrylamide), أو pNIPAM, هو البوليمر الحرارية الحساسة, الذي يحتوي على كل من مجموعة أميد المائية ومجموعة isopropyl مسعور على سلسلة الجزيئية الكلي 4,5. وقد استخدمت على نطاق واسع مواد البوليمر الحرارية الاستجابة مثل pNIPAM في إطلاق المخدرات الخاضعة للرقابة، والفصل البيوكيميائية، وأجهزة الاستشعار الكيميائية في السنوات الأخيرة3،4. قيمة الأدب LCST من pNIPAM حوالي 30-35 درجة مئوية4. pNIPAM عادة ليست نشطة كهربائيا. لذلك ، كبوليمر عينة ثانية تمت إضافة كتلة نشطة كهربائيًا إلى البوليمر. على وجه التحديد، تم استخدامferrocenylmethyl ميثاكريلات لإنشاء بولي (N-isopropylacrylamide)- كتلة -بولي (ferrocenylmethyl methacrylate) كتلة-copolymer، أو ف (NIPAM-ب-FMMA)6،7. تم تصنيع كل من البوليمرات المثال عن طريق البلمرة القابلة للتجزئة القابلة للعكس بسلسلة نقل البلمرة مع طول السلسلة الخاضعة للرقابة8،9،10. البوليمر غير النشطة الكهروكيميائية، pNIPAM، تم تصنيعها كما 100 مير نقية pNIPAM. البوليمر النشط كهربائيا، ف (NIPAM- ب-FMMA)، وكان أيضا 100 مير طول السلسلة، والذي يحتوي على 4٪ الميثاكريلات فيروسيلميثيل (FMMA) و 96٪ NIPAM.
في هذه المقالة ، يتم عرض بروتوكول ومنهجية لدراسة تأثير الجهد التطبيقي على تجميع البوليمر. ويمكن أيضا أن تمتد هذه الطريقة إلى تطبيقات أخرى من DLS، مثل تحليل البروتين للطي / تتكشف، والتفاعلات البروتين والبروتين، وتكتل الجسيمات المشحونة كهربائيا على سبيل المثال لا الحصر. تم تسخين العينة من 20 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية لتحديد LCST في غياب ووجود حقل تطبيقي 1 V. ثم تم تبريد العينة من 40 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية دون تعطيل الحقل المطبق لدراسة أي آثار هيستيرتيتيك أو توازن.
Protocol
Representative Results
Discussion
أدى تطبيق الجهد على حلول pNIPAMأو p (NIPAM-b-FMMA) إلى تغيير سلوك تجميع البوليمر استجابة لدرجة الحرارة. مع كل من المواد، عندما كان الجهد المطبق ة موجودة، وظل حجم البوليمرات ‘حجم عالية حتى عندما تم تبريد الحلول تحت LCST بهم. وكانت هذه نتيجة غير متوقعة، حيث أظهرت التجارب مع عدم وجود الجهد البوليمرات…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
يود المؤلفون الاعتراف بالدعم المالي من NSF (CBET 1638893) و (CBET 1638896) وNIH (P20 GM113131) ومركز هامل للأبحاث الجامعية في UNH. وعلاوة على ذلك، يود صاحبا البلاغ أن يعترفا بالمساعدة التي تقدمها دارسي فورنييه للمساعدة في الكابلات وسكوت غرينوود للوصول إلى نظام الكابلات.
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).
