Protocol
1. Framställning av emulsion
- Emulsions Innehåll
- Mäss en lämplig mängd salt för att producera 10 ml av 0,03-M lösning. För platina (IV) klorid åtgärd 0,101 g, för zink (II) klorid (ZnCl2) åtgärd 0,032 g och natriumklorid (NaCl) åtgärd 0,018 g.
- I enskilda provrör, upplösa varje salt i 10 ml DI-vatten. Ställ åt sidan för senare användning.
- Använd en 20-ml, förslutbara glasampuU för innehållet under hela detta förfarande. Tarera en balans i glasflaskan.
- Väg vinylterminerad polydimetylsiloxan genom att långsamt hälla den över en omrörningsstav och in i glasflaska vilar på Nollad skala. Väg upp 1,02 g (ekvivalent med 1.080 ml).
OBS: Den höga viskositeten hos denna polymer gör pipettering opraktiskt. - Pipettera 1,02 ml n-heptan för att flaskan. Tillsätt 2 droppar av icke-jonisk surfaktant (sorbitanmonoleat) till flaskan. Pipett 0,3 ml saltlösning och 0,45 ml DI-vatten till flaskan.
- Täta glasflaskan genom att skruva på locket ordentligt. Skaka kraftigt i 60 sekunder för att initiera emulsionen innan ultraljudsbehandling.
- Konstruktion av vatten-badsonikator Apparatus
- Fyll sonikator med vatten upp till minimipåfyllningsstrecket. Tillsätt 250 ml kranvatten till en 400 ml-bägare. Fyll 400 ml-bägare med is, så att vattennivån är just vid fälgen.
- Placera bägaren inuti vatten badsonikator. Kontrollera fill-linjen på sonicator, justera om det behövs. Placera en ring stå direkt intill vatten badsonikator.
- Använda två ring stå klämmor, placera dem så att en arm förlängs ut, vinkelrätt mot ringen stå och annan förlängs mot vattenbadet så att det pekar nedåt i bägaren fylld med isvatten. Bifoga en annan klämma till ringen står med en termometer i 400 ml-bägare så att temperaturen kan övervakas hela ultraljudsbehandling.
- Emulsifblue Procedur
- Placera emulsionsinnehållande ampullen så att den är helt nedsänkt i 400 ml-bägare genom att fästa den i klämman skjuter ut ner i bägaren.
- Se till att glasflaska innehållande PDMS blandningen inte vidrör sidorna av bägaren för att eliminera värme som orsakas av friktion.
- Slå på sonikator och ställa sonikeringstid under 7 min. Eftersom emulsionen är mycket värmekänsligt, se till att temperaturen inne i bägaren är mellan 0 och 5 ° C under ultraljudsbehandling. Börja sonikering när temperaturen inuti bägaren är önskvärd.
- Efter 7 minuter av sonikering, ta bort flaskan och skaka försiktigt / snurra i 1 minut, håller upp flaskan för att eliminera eventuella klumpar som kan bildas i emulsionen.
- Kassera innehållet i bägaren. Fyll på med 250 ml vatten och tillsätt is till fyllningen till inom 1 cm upp i bägaren.
- Placera flaskan igen klämman. Sänk den under isvatten för resume ultraljudsbehandling under 7 min.
- Upprepa steg 1.3.3 till 1.3.6 i totalt åtta, 7-min sonication perioder, eller tills sonikering synes vara homogen och inga klumpar är närvarande. Förvara vid RT.
OBS: Emulgeringen bör vara stabila under flera dagar, men kan utvinnas genom sonikering såsom ovan i 7-min intervaller tills den visas homogen. Förvara vid RT.
2. Tvärbindning
- Setup för Tillsats av trietoxisilan / surfaktantlösning
- Pipettera 5,4 ml trietoxisilan i ett provrör. Placera i en provrörsställ under huven för senare användning.
- Fyll en 400 ml-bägare med isvatten och placera den under huven. Bredvid 400-ml bägare ställe ett ringstativ med en klämma fäst förlängde direkt över öppningen av bägaren. Detta kommer att vara isbad under tillsättning av trietoxisilan.
- Placera en varm platta på den andra sidan av ringen stativet. Fyll en 800 ml-bägare med cirka 700 ml avkranvatten. Placera den på den varma plattan.
- Slå på den varma plattan och hålla en temperatur på 75 till 85 ° C inne i 800-ml bägare. Fäst en klämma med en termometer för att ringen stativet så att temperaturen på vattnet inne i 800-ml bägare kan övervakas.
- Producera den ytaktiva lösningen genom upplösning 0,5 g natriumdodecylsulfat till 375 ml vatten (4,62 mM). Tillsätt ca 10 ml ytaktiv lösning till en ren, tom provrör.
- Fäst en annan klämma till ringen stå under huven med det ytaktiva medlet provrör säkrade så att dess vätskenivån är under vattenytan inuti 800-ml bägare. Låt 10 minuter för termisk jämvikt.
- Blöt en bit filterpapper och placera den i toppen av en liten tratt. Placera trattens skaft inuti en 250-ml Erlenmeyer-kolv och placera kolven under huven.
- Tillsats av trietoxisilan
- Placera emulsions flaskan i klämman över isvatten näbber inne i huvan. Placera PDMS blandningen i klämman så att flaskans innehåll är under ytan av vattnet. Tillsatsen av trietoxisilan orsakar en exoterm reaktion, så emulsionen måste hållas kallt för att bibehålla sin struktur.
- Ta bort locket från glasflaskan för att undvika gasformig bygga upp.
- Häll långsamt provröret som innehåller trietoxisilan ned i glasampullen i en kontinuerlig ström över en period av approximativt 10 sek (ca 0,5 ml / sek).
VARNING: Tillsatsen av trietoxisilan initierar en exoterm reaktion och frisläppandet av frätande väteklorid (HCl) gas. Flaskan blir extremt varma och en giftig gas kommer att utvecklas från blandningen. Rör inte innehållet under tillsats av trietoxisilan. - Efter tillsats av trietoxisilan helt försiktigt rör innehållet med en glas uppståndelse stav iklädd en värmeskyddande handske. Vänta 2 minuter eller tills gas slutar utvecklas från flaskan.
- Follgrund tvärbindning, finns det ingen fasseparation synlig i provet. Om klumpar är närvarande, täta flaskan och skaka noggrant under 20 sekunder medan du håller flaskan med locket.
- Pärlor produktion
- Använd en ren, glas pasteurpipett att dra tvärbundna emulsion från glasflaskan. Lägg den tvärbundna emulsions droppvis till lösningen ytaktivt ämne (som skall hållas mellan 75 och 85 ° C) i provröret tar så lite tid som möjligt mellan droppar.
- 30 sek till 1 min efter tillsatsen av emulsionen, kommer det ytaktiva lösningen långsamt börjar att utvecklas gas som fasta substanser börjar bildas inne i provröret.
- Iklädd värme skyddshandskar, ta provröret ur klämman och häll hela dess innehåll i filtreringsapparaten under huven. Filter för 5 minuter. Avlägsna filterpapper från filtret.
- Överför filtrerade fasta på ett urglas och separata pärlor för O / N torkning under hood. Rengöring av pärlorna kan skjutas upp på obestämd tid. Butikstorkade kornen vid RT i en förseglad glasflaska tills det behövs, och rena omedelbart före användning.
- Pärlor Rengöring
- Skapa en annan filtreringsanordning under huven och placera de torkade pärlorna inuti tratten på toppen av filterpapper.
- Använd en plasttvättflaska fylld med DI-vatten för att skölja pärlorna försiktigt, flytta dem runt något för att säkerställa att alla pärlorna sköljs.
- Låt kulorna torka i en timme genom att placera dem på ett urglas under huven. Använd en tvättflaska fylld med hexaner för att skölja pärlorna med användning av samma metod för att skölja med vatten.
- Placera pärlorna på ett urglas. Placera urglaset och pärlorna under huven för att torka.
- Efter pärlorna är helt torra, placera dem i en liten förslutningsbar glasflaska och förvara vid rumstemperatur för framtida bruk.
- Montering av Pärlor för SEM analys och SEM inställningar
- Placera en remsa av dols ö sidiga kol ledande tejp ovanpå tappen, på vilken pärlorna kommer att monteras. Med sax, trimma runt stubben för att garantera att inga band hänger över kanterna.
- Placera ett stycke filterpapper under tappen på en plan yta. Bort det översta lagret från tejpen, så att den adhesiva undersidan exponeras.
- Häll försiktigt pärlorna över stubben. Vissa kulor fastnar på bandet, men de flesta kommer att studsa och landa på filterpapperet. Häll dessa tillbaka in i flaskan om de stannade på filterpapper. Upprepa om nödvändigt, tvätta några kulor (enligt 2.4.2 till 2.4.5) som blir kontaminerade.
- För att säkerställa pärlorna är säkra på stubben, använd en glödlampa spruta och lätt blåsa mycket noga på stubben ytan. Häll pärlor över stumpen om endast ett fåtal vidhäftade på tejpen. Se till att alla pärlor är säkra innan du placerar tappen i SEM kammaren och evakuera den.
- När proverna har monterats på rätt sätt de är nu redo att genomgå SEM anallys 15. Samla bilder i LOW VAC läge på 15 keV för att optimera upplösningen av pärla på ytegenskaper.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representativa SEM-bilder av pärlor som följer av emulsioner med olika elektrolytlösningar betingelser visas i figur 1. Figur 1A visar en vulst som liknar de som erhålles genom DuFaud, et al., 13, produceras med användning av våra förfaranden, utan tillsats av någon elektrolyt. Pärlor som visas i figur 1B-D, vilket resulterar i olika morfologier för varje metalljon. För alla bilder som visas, var 300 pl 0,03-M elektrolytlösningar användes i stället för 300 ul av DI-vatten för vattenfasen, vilket ger en elektrolytkoncentration av 0,012 M i den fasen. Högre upplösning visas i figur 2 av pärlor framställda med ingen elektrolyt (a) och med ZnCl2.
Brunauer-Emmett-Teller (BET) analys 16,17 av pärlorna utfördes med användning av kväve isotermer på fem olika tryck. Pärlorna som visas i figur 1 var t Aken från samma parti av material som används för BET-analys i varje enskilt fall. BET-analys ger kvantitativa värden för yta till volym, som anges i tabell 1.
Figur 1. SEM-bilder av hela pärlor. SEM-bilder av PDMS pärlor produceras av mikrobubblor tillverkningstekniken som beskrivs här. Pärlor som framställts utan tillsats av någon elektrolyt till det vattenhaltiga skiktet (A) är uteslutande konvex porositet. Längdskalor för alla bilder ges av skalan bar på figuren. De tillverkas med en netto koncentration av 0,012 M metallkoncentration för PtCl 4 (B), ZnCl2 (C), och NaCl (D) visar olika morfologier, inklusive betydande tillskott av konkava porer på grund av mikrobubblor bildning, enligt vad som anges i det inringade område.les / ftp_upload / 53440 / 53440fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Detaljerade SEM bilder. Closer SEM bilder av (A) kulor som produceras utan elektrolyt tillsattes, och (B) med ZnCl2. Utan tillsats av elektrolyt, sfäriska delstrukturer är i allmänhet större och mer tätt packade än med tillsats av ZnCl2, som väsentligt bidrar till ökningen av ytarea-till-volymförhållande. Längdskalor för alla bilder ges av skalan bar på figuren. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Salt tillsätts | BET-SAV Förhållande (cm 2 / cm 3) | SAV förbättring (i förhållande till kontroll) |
| Ingen (kontroll) | 361,6 | 1 |
| PtCl 4 | 1849 | 5,1 |
| ZnCl2 | 11.060 | 30,6 |
| NaCI | 298,9 | 0,83 |
Tabell 1. BET-analys. Ytarea-till-volym (SAV) -förhållanden, som bestäms av Brunauer-Emmett-Teller (BET) isoterm analys, för materialen som framställts med användning av vattenhaltiga faser med 0,012-M vattenhaltiga lösningar av olika elektrolyter. Första kolumnen bokstäver indikerar motsvarande bildpanelen i figur 1. SAV förhållanden är baserade på den totala ytan per massenhet, massan av provet, och den totala kalla fritt utrymme av provet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Pärlorna produceras med hjälp av detta protokoll (och genom att justera elektrolytkoncentrationen och identitet) är fundamentalt annorlunda från de som produceras med en låg jonstyrka emulsion, som kan ses genom jämförelse av Figur 1A till andra SEM-bilder i figur 1. Vår första rapport används PtCl 4 med avsikten att ytterligare katalysera polymerisationen tvärbindning vid den vattenhaltiga-alifatisk gränssnittet 14. I denna rapport, var stora konkava fördjupningar sett. Sedan den rapporten har vi förfinat våra rutiner för att optimera för SAV förhållande. Utan tvättning av pärlorna, elementaranalys av domäner inom SEM-bilder visar att platina befanns nästan uteslutande inom de konkava porer som återfinns i hela vulsten strukturen. Eftersom detta platina lätt avlägsnas genom omröring av pärlorna i vatten, vi konstaterade i vår ursprungliga rapport att platina var helt enkelt rest på PDMS ytan, snarare än att vara incorporated i polymeren. Detta innebar en katalytisk roll för platina i härdningsprocessen. Pärlorna som visas i figur 1 kännetecknas av uppkomsten av sfäriska substrukturer, till stor del konvexa, men de som produceras med tillsatt elektrolyt innehåller också konkava sfäriska regioner som det inringade partiet i fig 1B. Närvaron av elektrolyt verkar reducera storleken av mikrobubblorna i emulsionen. Detaljerade bilder tyder på att, baserat på storleken på de sfäriska understrukturer, bubblorna i emulsionen är i storleksordningen 0,2 | im till 2 ^ m i diameter med ZnCl2, men är mer vanligt 1-10 pm i diameter utan elektrolyt (i enlighet med tidigare arbete av DuFaud, et al., 13).
De data som presenteras här tyder på att billigare och jord riklig metaller kan användas i stället för de ursprungliga PtCl 4: konkava porositet pärlor framställs oberoende av identten av metalljonen används, dock i avsevärt olika grad. Användning av ZnCl2 ger en drastisk ökning av SAV förhållandet, sex gånger så hög som för PtCl 4, och cirka 30 gånger så hög som för kontrollförfarandet, som inte innehåller någon elektrolyt. Bet resultat är i utmärkt överensstämmelse med SEM-bilder: för ZnCl2, många konkava fickor, några mikrometer i diameter, ses distribueras genom hela strukturen. De detaljerade bilder i figur 2B visar också att det finns ett betydligt mer inre utrymme när pärlor framställs i närvaro av ZnCl2. Båda dessa funktioner platser tjänar till att öka den tillgängliga ytan för adsorption, en funktion som är mycket önskvärt för separationer där PDMS används som en stationär fas.
För alla elektrolyter som hittills testats, finns det en optimal koncentration av salt, en som maximerar ytporositeten av pärlorna produceras, ennd det verkar vara en total koncentration av 0,012 M, oberoende av metall motjon. Under och över denna optimala koncentrationen är SAV förhållandet mindre än den maximala, och verkar minska monotont från maximum i endera riktningen. Detta beroende av saltkoncentration, i stället för att enbart bygger på närvaro av en katalytiskt aktiv metalljoner i lösning, tyder på att effekten av elektrolyt på mikrobubblor tillverkning är att ändra egenskaperna för emulsionen. Utan tillsatt salthalt emulsionen bäst beskrivas som håligheter av alifatiska (dvs polymerinnehållande) fasen inbäddade i en mer kontinuerlig vattenfas. När salt tillsätts, är ytspänningen förändras på ett sådant sätt att den alifatiska fasen är kontinuerlig på vissa ställen, med spridda vattenbubblor. När emulsionen är plötsligt upphettas i det ytaktiva badet, bibehåller droppen denna struktur som PDMS härdar. Detta resulterar i pärlor som har mindre sfäriska former, men är imbäddsrum med hål på grund av närvaron av vatten fickor, även för metallklorider av natrium, som inte kan förväntas ha en betydande katalytisk effekt. Fastän vilken som helst vattenlösligt salt bör arbeta i princip för att uppnå denna effekt, och vi noterar att det är minimal beroende av den optimala koncentrationen på metalljon identitet, finns det en klar fördel att metaller som är kända för att katalysera organiska kol-kol-kopplingsreaktioner. Detta tyder på att, under det att förändringen i jonstyrka som behövs för att bringa fasinversion, är den primära avgörande faktorn i att justera SAV förhållandet förmågan hos metallen att verka som en katalysator för tvärbindning av enskilda polymersträngar, styra den att inträffa företrädesvis vid den vattenhaltiga / alifatiska gränssnitt.
Den mest kritiska aspekten av våra protokoll är att sonikering processen och tillsatsen av trietoxisilan både kan generera stora mängder värme, om inte kontrolleras noggrant. Denna värme kan orsaka solids för att bilda i förtid, vilket kommer att göra alstringen av de önskade pärlorna omöjlig. Sonication problem har i stor utsträckning av användningen av en sonikator av badtyp, och införandet av is i badet för att reglera denna temperatur. De 7 min sonication perioder befanns vara optimal för att minska oönskad klumpning av emulsionen, delvis på grund efter cirka 7 min av sonikering, de flesta av isen i badet har smält. Tillsats av trietoxisilan måste göras med aktiv omröring och med blandningen nedsänkt i ett isbad.
Jämfört med den ursprungliga rapporten producerar konvexa porositet PDMS pärlor, visar våra protokoll en betydande fördel i SAV kvoten för produkten. Vi har visat att tillsatsen av till och med billiga salter till den vattenhaltiga fasen av en emulsion som används i mikrobubbel tillverkning av porösa polymerpärlor kan leda till drastiska förändringar i morfologin hos slutmaterialet. Medan närvaron av något salt verkarresulterar i en emulsion, i vilken den alifatiska fasen kan bli kontinuerlig, endast genom tillsats av katalytiskt aktiva metalljoner är SAV förhållandet ökade med en faktor på 30. Även om vi inte har testat detta protokoll på någon annan polymer, förväntar vi oss att alla polymer som är tvärbunden och värmehärdas (begränsningar av våra protokoll) kan användas med denna process för att generera konkav-porositet mikrostrukturerade pärlor. I en sådan utvidgning, är det troligt att de specifika elektrolytkoncentrationer måste optimeras för emulsionen som används för att säkerställa att den alifatiska fasen är kontinuerlig, och den vattenhaltiga fasen är diskret.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Detta arbete har stötts av Western Kentucky University s Ogden College of Science and Engineering, inklusive interna stöd från institutionen för kemi och från Office of Research (RCAP 13-8032). Biståndet av Dr John Andersland på WKU Microscopy Facility (SEM-bilder) och docent Yan Cao i WKU Institute for Combustion Science and Engineering (BET-analys) har varit centralt för att genomföra detta arbete.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(dimethylsiloxane), vinyl terminated | Sigma-Aldrich | 68083-19-2 | |
| n-Heptane | Sigma-Aldrich | 142-82-5 | Flammable |
| Triethoxysilane | Sigma-Aldrich | 998-30-1 | Flammable, Accutely Toxic |
| Sorbitan Monoleate (Span-80) | Fluker | 1338-43-8 | |
| Platinum(IV) Chloride | Sigma-Aldrich | 13454-96-1 | Accutely Toxic |
| Zinc(II) Chloride | Sigma-Aldrich | 7646-85-7 | |
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | |
| 2.8 L Water Bath Sonicator | VWR | 97043-964 |
References
- Pedraza, E., Brady, A. C., Fraker, C. A., Stabler, C. L. Synthesis of macroporous poly(dimethylsiloxane) scaffolds for tissue engineering applications. J. Biomater. Sci., Polym. Ed. 24 (9), 1041-1056 (2013).
- Ratner, B. D., Bryant, S. J. Biomaterials: Where we have been and where we are going. Annu. Rev. Biomed. Eng. 6, 41-75 (2004).
- Bélanger, M. C., Marois, Y. Hemocompatibility, biocompatibility, inflammatory and in vivo studies of primary reference materials low-density polyethylene and polydimethylsiloxane: A review. J. Biomed. Mater. 58 (5), 467-477 (2001).
- Kobayashi, T., Saitoh, H., Fujii, N., Hoshino, Y., Takanashi, M. Porous membrane of polydimethylsiloxane by hydrosilylation cure: characteristics of membranes having pores formed by hydrogen foams. J. Appl. Polym. Sci. 50 (6), 971-979 (1993).
- Yager, P., et al. Microfluidic diagnostic technologies for global public health. Nature. 442 (7101), 412-418 (2006).
- Yu, P., Lu, C. PDMS used in microfluidic devices: principles, devices and technologies. Adv. Mater. Sci. Res. 11, 443-450 (2011).
- Zhou, J., Khodakov, D. A., Ellis, A. V., Voelcker, N. H. Surface modification for PDMS-based microfluidic devices. Electrophoresis. 33 (1), 89-104 (2012).
- Spietelun, A., Pilarczyk, M., Kloskowski, A., Namieśnik, J. Polyethylene glycol-coated solid-phase microextraction fibres for the extraction of polar analytes—A review. Talanta. 87, 1-7 (2011).
- Vas, G., Vékey, K. Solid-phase microextraction: a powerful sample preparation tool prior to mass spectrometric analysis. J. Mass Spectrom. 39 (3), 233-254 (2004).
- Odziemkowski, M., Koziel, J. A., Irish, D. E., Pawliszyn, J. Sampling and Raman confocal microspectroscopic analysis of airborne particulate matter using poly(dimethylsiloxane) solid phase microextraction fibers. Anal. Chem. 73 (13), 3131-3139 (2001).
- Grosse, M. T., Lamotte, M., Birot, M., Deleuze, H.
- Sun, W., Yan, X., Zhu, X. Synthesis, porous structure, and underwater acoustic properties of macroporous cross-linked copolymer beads. Colloid Polym. Sci. 290 (1), 73-80 (2012).
- Dufaud, O., Favre, E., Sadtler, V. Porous elastomeric beads from crosslinked emulsions. J. Appl. Polym. Sci. 83 (5), 967-971 (2002).
- Farmer, B. C., Mason, M., Nee, M. J. Concave porosity non-polar beads by a modified microbubble fabrication. Mater. Lett. 98, 105-107 (2013).
- Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. J. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. 151-155 (1995).
- Brunauer, S., Emmett, P. H., Teller, E.
- Sing, K. S. W. Characterization of porous materials: past, present and future. Colloids Surf. A. 241 (1), 3-7 (2004).
