動的光散乱粒子径解析における電圧の応用
Summary
ここでは、動的光散乱粒子径測定時に、ポリマー凝集に対する電圧及び温度変化の影響を探ることを目的として、溶液に電圧を印加するプロトコルを提示する。
Abstract
動的光散乱(DLS)は、ポリマー、タンパク質、その他のナノ粒子および微粒子のサイズ分布を特徴付けるための一般的な方法です。現代の計測では、時間や温度の関数として粒径の測定が可能ですが、現在は印加電圧の存在下でDLS粒子径分布測定を行う簡単な方法はありません。このような測定を行う能力は、センシング、ソフトロボット、エネルギー貯蔵などのアプリケーションに対する電気活性、刺激応答性ポリマーの開発に役立ちます。ここでは、DLSと結合した印加電圧と温度ランプを用いて、電気活性モノマーの有無にかかわらず熱応答性ポリマーにおける凝集および粒子サイズの変化を観察する手法が提示される。これらの実験で観察された凝集動作の変化は、電圧と温度制御の組み合わせによる応用によってのみ可能であった。これらの結果を得るために、ポテンショスタットを溶液に電圧を印加するために修正されたキュベットに接続した。ポリマー粒子径の変化は、定電圧の存在下でDLSを用いてモニタリングした。同時に、現在のデータを生成し、粒子サイズデータと比較して、現在と粒子の挙動の関係を理解した。ポリマーポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)(pNIPAM)は、温度に対するpNIPAMの応答が十分に研究されているように、この技術の試験ポリマーとして役立った。pNIPAMおよびポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)の低臨界溶液温度(LCST)凝集挙挙の変化は、電気化学的に活性なブロックコポリマーであるブロック-ポリ(フェロセニルメチルメタクリレート)、適用電圧の存在下で観察される。このような変化の背後にあるメカニズムを理解することは、印加電圧の存在下で可逆性ポリマー構造を達成しようとする際に重要です。
Introduction
動的光散乱(DLS)は、溶液1を通じて散乱する光の強度のランダムな変化を用い、粒子サイズを決定する技術である。DLSは、粒子サイズを決定することによってポリマーの凝集を測定することができる。この実験では、DLSを制御温度変化と組み合わせることで、低臨界溶液温度(LCST)2,3を超えることを示すポリマー凝集体を観察した。LCSTの下には、均質な液相が1つ存在する。LCSTの上に、ポリマーは溶けにくくなり、凝集し、溶液から凝縮する。散乱場全体に印加電圧(電位や電界)を導入し、電界が散乱挙動やLCSTに及ぼす影響を観察しました。粒子サイジング測定における電圧の適用は、センサー、エネルギー貯蔵、薬物送達システム、ソフトロボティクスなどの分野における粒子挙動とその後の応用に関する新たな洞察を可能にします。
このプロトコルでは、2つの例のポリマーが使用された。ポリ(N−イソプロピルアクリルアミド)、またはpNIPAMは、高分子鎖4、5上に親水性アミド基と疎水性イソプロピル基の両方を含む熱感受性ポリマーである。pNIPAMのような熱応答性ポリマー材料は、近年3、4において、制御薬物放出、生化学的分離、および化学センサーに広く使用されている。pNIPAMのLCST文献値は30〜35°C4の程度である。pNIPAMは、典型的には電気化学的に活性ではない。そこで、第2の試料ポリマーとして、電気化学的に活性なブロックをポリマーに添加した。具体的には、フェロセニルメチルメタクリル酸エステルを用いて、ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)-ブロック-ポリ(フェロセニルメチルメタクリレート)ブロックコポリマー、またはp(NIPAM-b-FMMA)6,7を作成した。いずれの例のポリマーも、制御された鎖長8、9、10で連鎖移動重合を可逆的付加的に付加して合成した。非電気化学的活性ポリマーを、pNIPAM、純粋なpNIPAM100マーとして合成した。電気化学的に活性なポリマーp(NIPAM-b-FMMA)も100のメル鎖長で、4%のフェロセニルメチルメタクリル酸エステル(FMMA)および96%NIPAMを含む。
本稿では、高分子凝集に対する印加電圧の影響を調べるためのプロトコルと方法論を示す。この方法は、タンパク質の折り畳み/展開、タンパク質とタンパク質の相互作用、静電荷電粒子の凝集の分析など、DLSの他の用途にも拡張することができます。試料を20°Cから40°Cまで加熱し、1Vの適用フィールドの存在がないLCSTを同定した。次いで、試料を40°Cから20°Cまで冷却し、適用フィールドを破壊することなく、任意のヒステリティックまたは平衡効果を研究した。
Protocol
Representative Results
Discussion
pNIPAMまたはp(NIPAM-b-FMMA)溶液に電圧を印加すると、温度に応じてポリマー凝集挙が変化しました。両方の材料で、印加電圧が存在する場合、溶液がLCST以下で冷却されてもポリマーの体積サイズは高いままでした。これは、電圧のない試験でポリマーが元のサイズに戻ることを示したため、予想外の結果でした。これらの実験により、温度範囲に対して、加えられる電圧では、pNIPAMに追加…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、NSF(CBET 1638893)、(CBET 1638896)、NIH(P20 GM113131)、およびUNHのハーメル学部研究センターからの財政支援を認めたいと思います。さらに、著者らは、DLSへのアクセスのためのケーブル配線とスコット・グリーンウッドの支援のためのダーシー・フルニエの支援を認識したいと考えています。
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).
