Dinamik Işık Saçılma Parçacık Boyut Analizinde Gerilim Uygulaması
Summary
Burada, gerilim ve sıcaklık değişikliklerinin polimer agregasyonu üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla dinamik ışık saçılma parçacık boyutu ölçümleri sırasında çözeltiye gerilim uygulamak için bir protokol sunulmuştur.
Abstract
Dinamik ışık saçılımı (DLS), polimerlerin, proteinlerin ve diğer nano ve mikro partiküllerin boyut dağılımını karakterize etmek için yaygın bir yöntemdir. Modern enstrümantasyon zaman ve / veya sıcaklık bir fonksiyonu olarak parçacık boyutunun ölçümü izin verir, ancak şu anda uygulanan gerilim varlığında DLS parçacık boyutu dağıtım ölçümleri gerçekleştirmek için basit bir yöntem yoktur. Bu tür ölçümleri yapabilme yeteneği, algılama, yumuşak robotik ve enerji depolama gibi uygulamalar için elektroaktif, uyarıcı duyarlı polimerlerin geliştirilmesinde yararlı olacaktır. Burada, elektroaktif monomerler olan ve olmayan termoduyarlı polimerlerde agregasyon ve parçacık boyutundaki değişiklikleri gözlemlemek için DLS ile birleşen uygulamalı gerilim ve sıcaklık rampası kullanan bir teknik sunulmuştur. Bu deneylerde gözlenen toplama davranışındaki değişiklikler ancak gerilim ve sıcaklık kontrolünün kombine uygulaması ile mümkündür. Bu sonuçları elde etmek için, bir çözüme voltaj uygulamak için değiştirilmiş bir cuvette’ye bir potansiyostat bağlandı. Polimer partikül boyutundaki değişiklikler sabit gerilim varlığında DLS kullanılarak izlendi. Aynı anda, mevcut ve parçacık davranışı arasındaki ilişkiyi anlamak için parçacık boyutu verileriile karşılaştırılabilir mevcut veriler üretildi. Polimer poli(N-izopropilarilamid) (pNIPAM) bu teknik için bir test polimeri olarak görev yaptı, çünkü pNIPAM’ın sıcaklığa tepkisi iyi çalışılmıştır. Uygulanan gerilim varlığında elektrokimyasal olarak aktif blok kopolimer olanpNIPAMve poli(N-izopropilarilamid)- blok -poli (ferrocenylmethyl metakrilat) düşük kritik çözelti sıcaklığında (LCST) agregasyon davranışında değişiklikler gözlenir. Bu değişikliklerin arkasındaki mekanizmaların anlaşılması, uygulanan gerilim varlığında geri döndürülebilir polimer yapılar elde etmeye çalışırken önemli olacaktır.
Introduction
Dinamik ışık saçılımı (DLS), çözelti1’dendağılmış ışığın yoğunluğundaki rastgele değişikliklerin kullanılmasıyla parçacık boyutunu belirleyen bir tekniktir. DLS, partikül boyutunu belirleyerek polimerlerin agregasyonunu ölçebilme yeteneğine sahiptir. Bu deney için, DLS düşük kritik çözelti sıcaklığı (LCST)2,3aşan göstergesi dir bir polimer agregalar gözlemlemek için kontrollü sıcaklık değişiklikleri ile birleştiğinde . LCST’nin altında homojen bir sıvı faz vardır; LCST üzerinde, polimer daha az çözünür hale gelir, agregalar, ve çözelti dışında yoğunlaşır. Elektrik alanının toplama davranışı ve LCST üzerindeki etkilerini gözlemlemek için dağılım alanına uygulamalı bir gerilim (yani uygulamalı potansiyel veya elektrik alanı) tanıtıldı. Parçacık boyutlandırma ölçümlerinde gerilimin uygulanması, parçacık davranışı ve sensörler, enerji depolama, ilaç dağıtım sistemleri, yumuşak robotik ve diğerleri alanlarındaki sonraki uygulamalar hakkında yeni bilgiler sağlar.
Bu protokolde iki örnek polimer kullanılmıştır. Poli(N-izopropilarilamid), veya pNIPAM, makromoleküler zincir4,5üzerinde hidrofilik amid grubu ve hidrofobik izopropil grubu içeren termal duyarlı polimerdir. pNIPAM gibi Termal duyarlı polimer malzemeler yaygın kontrollü ilaç salınımı, biyokimyasal ayırma ve kimyasal sensörler son yıllarda kullanılmaktadır3,4. PNIPAM’ın LCST literatür değeri 30-35 °C4civarındadır. pNIPAM genellikle elektrokimyasal olarak aktif değildir. Bu nedenle ikinci örnek polimer olarak polimere elektrokimyasal olarak aktif bir blok eklenmiştir. Özellikle, ferrocenylmetil metakrilat bir poli oluşturmak için kullanılmıştır(N-izopropilarilamid)-blok-poli (ferrocenylmethyl metakrilat) blok-kopolimer, veya p(NIPAM-b-FMMA)6,7. Her iki örnek polimerler kontrollü zincir uzunluğu8,9,10ile geri dönüşümlü ek parçalanma zinciri transfer polimerizasyonu ile sentezlendi. Elektrokimyasal olarak aktif olmayan polimer pNIPAM 100 mer saf pNIPAM olarak sentezlendi. Elektrokimyasal olarak aktif polimer olan p(NIPAM-b-FMMA) da %4 ferrocenylmethyl metakrilat (FMMA) ve %96 NIPAM içeren 100 mer zincir uzunluğundaydı.
Bu makalede, uygulanan gerilimin polimer agregasyonu üzerindeki etkisini inceleyen bir protokol ve metodoloji gösterilmiştir. Bu yöntem aynı zamanda protein katlama/açılma, protein-protein etkileşimleri ve elektrostatik yüklü parçacıkların birkaç isim aglomerasyonu gibi DLS’nin diğer uygulamalarına da genişletilebilir. Örnek, 1 V uygulanan alanın yokluğunda ve varlığında LCST’yi tanımlamak için 20 °C’den 40 °C’ye Kadar ısıtıldı. Daha sonra numune 40 °C’den 20 °C’ye kadar soğutularak histeretik veya denge etkilerini incelemek için uygulanan alanı bozmadan soğutuldu.
Protocol
Representative Results
Discussion
PNIPAM veya p(NIPAM-b-FMMA) çözeltilerine gerilim uygulanması, polimer toplama davranışını sıcaklığa göre değiştirdi. Her iki malzemede de, uygulamalı bir gerilim mevcutolduğunda, çözeltiler LCST’lerinin altında soğutulsa bile polimerlerin hacim boyutu yüksek kalmıştır. Bu beklenmeyen bir sonuçoldu, çünkü voltajsız denemeler polimerlerin orijinal boyutlarına geri döndüğünü gösterdi. Bu deneyler, sıcaklık aralığımız için ve uygulanan bir gerilimle, pNIPAM’a eklenen elektr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM1113131) ve UNH’daki Hamel Lisans Araştırma Merkezi’nden gelen mali desteği kabul etmek isterler. Ayrıca, yazarlar DLS erişim için kablolama ve Scott Greenwood yardım için Darcy Fournier yardım tanımak istiyorum.
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).
