יישום מתח בניתוח מידת החלקיקים של פיזור אור דינמי
Summary
כאן, פרוטוקול להחיל מתח על פתרון במהלך פיזור אור דינמי מדידות גודל החלקיקים עם כוונה לחקור את ההשפעה של מתח שינויי טמפרטורה על צבירת פולימר מוצג.
Abstract
פיזור אור דינמי (DLS) הוא שיטה נפוצה לאפיון התפלגות הגודל של פולימרים, חלבונים וננו-מיקרוחלקיקים אחרים. מכשור מודרני מאפשר מדידה של גודל החלקיקים כפונקציה של זמן ו/או טמפרטורה, אבל כרגע אין שיטה פשוטה לביצוע מדידות התפלגות גודל DLS בנוכחות של מתח שיושם. היכולת לבצע מדידות כאלה תהיה שימושית בפיתוח של פולימרים אלקטרואקטיביים, מגיבים גירויים ליישומים כגון חישה, רובוטיקה רכה ואחסון אנרגיה. כאן, טכניקה באמצעות מתח מיושם בשילוב עם DLS ושיפוע הטמפרטורה כדי להתבונן שינויים מצבור וגודל החלקיקים בפולימרים התרמותרמיים עם ובלי מונמרים אלקטרואקטיבית מוצג. השינויים בהתנהגות הצבירה שנצפו בניסויים אלה היו אפשריים רק באמצעות היישום המשולב של מתח ובקרת טמפרטורה. כדי להשיג את התוצאות הללו, היה מחובר לקובט שונה כדי להחיל מתח על פתרון. שינויים בגודל חלקיקים פולימריים היו במעקב באמצעות DLS בנוכחות מתח קבוע. בו בזמן, הנתונים הנוכחיים יוצרו, שניתן להשוותו לנתוני גודל החלקיקים, כדי להבין את הקשר בין התנהגות הזרם הנוכחי לבין החלקיקים. (Pniפם) הפולימר הפולימרי (שימש כפולימר לטכניקה זו), כמענה לטמפ ‘ של pniפם לטמפרטורה הוא לומד היטב. שינויים באופן הפעולה הגבוה ביותר בטמפרטורת הפתרון הקריטי (LCST) של pNIPAM ו-pvc (N-איזופסילאמיל)-בלוק-פולי (מתיונין מתיל), בלוק אלקטרו-כימית פעיל, בנוכחות מתח מיושם נצפו. הבנת המנגנון מאחורי שינויים כאלה תהיה חשובה כאשר מנסים להשיג מבנים פולימריים הפיך בנוכחות מתח מיושם.
Introduction
פיזור אור דינמי (DLS) הוא טכניקה כדי לקבוע את גודל החלקיקים באמצעות שינויים אקראיים באינטנסיביות של אור הפזורים באמצעות פתרון1. DLS מסוגל למדוד את צבירת הפולימרים באמצעות קביעת גודל החלקיקים. עבור ניסוי זה, DLS היה בשילוב עם שינויי טמפרטורה מבוקרת להתבונן כאשר אגרגטים פולימר אשר מעיד על חריגה טמפרטורת הפתרון הקריטי נמוך (lcst)2,3. מתחת ל-LCST קיים שלב אחד של נוזל הומוגנית; מעל LCST, הפולימר הופך פחות מסיסים, אגרגטים, ו מתעבה מתוך הפתרון. מתח מיושם (כלומר, מיושם פוטנציאל או שדה חשמלי) הוצג על פני שדה הפיזור כדי לבחון את ההשפעות של השדה החשמלי על התנהגות הצבירה ו-LCST. היישום של מתח במידות שינוי החלקיקים מאפשר תובנות חדשות להתנהגות החלקיקים והיישומים הבאים בתחומים של חיישנים, אחסון אנרגיה, מערכות אספקת סמים, רובוטיקה רכה, ועוד.
בפרוטוקול זה, נעשה שימוש בשני פולימרים לדוגמה. פולי (N-איזופרופיל), או pniפם, הוא פולימר רגיש למדי, אשר מכיל גם קבוצה הידרופילי amide ו קבוצה הידרופובי איזופרופילי בשרשרת macromolecular4,5. חומרים פולימריים לתגובה תרמית כמו pnipam היו בשימוש נרחב שחרור סמים מבוקרת, הפרדה ביוכימית, וחיישנים כימיים בשנים האחרונות3,4. ערך הספרות LCST של pNIPAM הוא סביב 30-35 ° c4. . בדרך כלל לא פעיל באלקטרוכימית לכן, כמו פולימר לדוגמה השני בלוק הפעיל אלקטרוכימית-כימית נוספה הפולימר. באופן ספציפי, שימש ליצירת מיתרבלוק(N-איזוסטטים)-גוש-פולי (מתיונין) בלוק-קופולימר, או p (nipam-b-fmma)6,7. שני פולימרים לדוגמה היו מסונתז על ידי פיצול תוספת הפיך שרשרת העברת העברה עם אורך שרשרת מבוקרת8,9,10. הפולימר הפעיל בלתי כימית, pNIPAM, היה מסונתז כמו 100 mer הטהורה pNIPAM. פולימר פעיל אלקטרו כימית, p (NIPAM-b-fmma), היה גם 100 mer אורך שרשרת, אשר מכיל 4% פרומטמתיל מתיונין (fmma) ו 96% nipam.
במאמר זה, פרוטוקול ומתודולוגיה לחקר האפקט של מתח מיושם על צבירת פולימר מוצג. שיטה זו יכולה גם להיות מורחבת ליישומים אחרים של DLS, כגון ניתוח של קיפול חלבון/התפתחות, חלבון חלבונים האינטראקציות, והוצאת חלקיקים טעונים אלקטרוסטטית על שם כמה. הדגימה הייתה מחוממת מ-20 ° צ’ עד 40 ° צ’ כדי לזהות את ה-LCST בהעדר ובנוכחות של שדה מוחל של 1 V. לאחר מכן, הדגימה הייתה מקורר מ-40 ° c עד 20 ° c מבלי לשבש את השדה שהוחל על מנת לחקור היסטריה או השפעות שיווי משקל.
Protocol
Representative Results
Discussion
החלת מתח על pNIPAM או p (NIפם-b-fmma) פתרונות שינו את התנהגות הצבירה של הפולימר בתגובה לטמפרטורה. עם שני החומרים, כאשר היה מתח מיושם, גודל נפח הפולימרים נשאר גבוה גם כאשר הפתרונות התקררו מתחת LCST שלהם. זו הייתה תוצאה לא צפויה, מאחר והמבחנים ללא מתח הראו את הפולימרים חוזרים לגודלם המקורי. ניסויים …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר בתמיכה הפיננסית מ-NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131), ומרכז האמל למחקר לימודי לתואר ראשון. יתר על כן, המחברים רוצים להכיר את הסיוע של דארסי פורנייר לסיוע בכבלים ו סקוט גרינווד עבור גישה 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).
