Summary
פרוטוקול עבור המדידה הישירה של התפלגות גודל חלקיקי תמיסות מרוכזות באמצעות מיקרוסקופ פיזור אור דינאמי מוצג.
Protocol
לדוגמא הכנה 1.
- טיהור של מונומרים הטמפרטורה המגיבים
- ממיסים 20 גרם של N -isopropylacrylamide (ניפה) ב 100 מ"ל של טולואן.
- סנן את הפתרון תחת יניקה לחסל אבק.
- מערבבים את תסנין עם 500 מ"ל של האתר נפט.
- מניחים את כלי התגובה באמבט קרח-מים.
- מערבב את הפתרון עד מונומרים הם זרזו (בדרך כלל 30 דקות).
- סנן את הפתרון תחת יניקה להשיג את מונומרים זרז.
- ייבש את מונומרים בלחץ מופחת (100 אבא) הלילה.
- הכנת תמיסת פולימר הטמפרטורה המגיבים
- דגה 20 מ"ל של מים ללא יונים עבור 1.0 דקות באמצעות משאבת דיאפרגמה.
- ממיסים 780.8 מ"ג של ניפה מטוהרים ב 9.5 מ"ל של מים degassed ו deionized.
- מניחים את כלי התגובה באמבט קרח-מים.
- הגן על התגובהאור על ידי כיסוי המנגנון ברדיד אלומיניום.
- מערבבים בעדינות את הפתרון במשך 10 דקות תוך כדי החדרת הזרימה מתונה של גז Ar בעדינות באמצעות קצה פיפטה מצורף בלון גז עם צינור.
- להוסיף 11.9 μL של N, N, N ', N' -tetramethylethylenediamine לפתרון באמצעות micropipette.
- מערבב את הפתרון עבור 1.0 דקות תוך החדרת גז Ar, כאמור בשלב 1.2.5.
- תוך ערבוב המדגם, לפזר 4.0 מ"ג של persulfate אמוניום ב 0.5 מ"ל של מים degassed ו deionized.
- מערבב את הפתרון המדגם (משלב 1.2.7) ופתרון persulfate אמוניום (משלב 1.2.8).
- מערבב את הפתרון עבור 30 שניות תוך החדרת גז Ar, כאמור בשלב 1.2.5.
- מכסה את הפתרון עם רדיד אלומיניום ולשמור אותו במקרר (4 ° C) הלילה.
- הכנת mounts מדגם
- מניחים 60 μL של פתרון המדגם (מצעד 1.2.11) ב שקופית חלל.
- מכסה את הפתרון עם מכסה זכוכית עגולה. היזהר שלא בועות אוויר מלכודת.
- הסר פתרון עודף באמצעות מגבונים micropipette ומעבדה.
- חותם את המדגם עם דבק. תנו יבש דבק בטמפרטורת החדר (בדרך כלל 6 שעות).
- כן אחר שקופית מלאה 0.1% WT פוליסטירן לטקס (קוטר חלקיקים 100 ננומטר) השעיה על ידי ביצוע שלבי 1.3.1-1.3.4. שקופית זו משמשת כסטנדרט.
2. מדידת גודל חלקיקים עם מיקרוסקופ פיזור אור דינאמי
- אופטימיזציה של המכשיר
- מניח את שקף השעיה לטכס קלקר (משלב 1.3.5) על הבמה של מיקרוסקופ ההפוכה. צד זכוכית המכסה צריך פנים למטה.
- מניח מנחת קורה מול הגלאי (photodiode מפולת וכן autocorrelator).
- החל קרן לייזר (לייזר מצב מוצק, λ = 488 ננומטר, 30 mW, רציפהגל) המדגם דרך עדשה אובייקטיבית (10 ×). חלק מן האור המוחזר עובר דרך מראה ההשקה של המיקרוסקופ היא נצפתה על ידי מצלמת CCD רכוב בנמל בצד של המיקרוסקופ (איור 1).
- התאם את גובה של העדשה אובייקטיבי להגדיר את מוקד ב ההשעיה מדגם ידי הסטה את גובה העדשה אובייקטיבי מעמדת נמוכה עד גבוהה. במהלך הליך זה, הבבואה מתמקדת שלוש פעמים: על פני השטח של הזכוכית המכסה, על קו התפר בין הזכוכית המכסה ואת המדגם, על קו התפר בין המדגם לבין זכוכית שקופית חור. הגדר את המוקד בין הנקודות השניות ושלישיות.
- להחליש את עוצמת האור הפזורה על ידי שינוי כוח הליזר.
- הצג את האור המפוזר לתוך הגלאי על ידי הסרה מנחת הקורה מול הגלאי. יחידה זו מודדת את מתאם הזמן של עוצמת האור.
- הגדרה (מיקרומטר φ = 50) חריר between המיקרוסקופ הגלאי כדי להשיג את האפקט confocal. התאם את המיקום של החריר כדי למקסם את עוצמת האור על הגלאי.
- מדוד את פונקצית קורלציה הזמן של עוצמת אור פזורה למשך 30 שניות על ידי ייזום המבצע של קורלטור באמצעות מחשב. פונקציית המתאם הנמדדת מתבטאת לעתים קרובות ככל g (2) (t) - 1, כאשר t הוא מתאם הזמן 4 ו
. הנה, אני (t) היא עוצמת האור המפוזרת בזמן t ו (•••) T הוא מיצוע זמן. שעת הריקבון תעמוד על כ 0.1 ms. - התאם את המוקד להשיג מגוון רחב של משרעת הראשונית של פונקצית קורלציה הזמן (g (2) (t = 0) - 1).
הערה: משרעת הראשונית מושפעת במידה רבה על ידי כמות האור המוחזר. באמצעות הזזת גרירת המוקדARD הממשק בין הזכוכית מכסה את המדגם, בסך של עליות אור מוחזרות. עבור מפזרי אור חזקים, כגון לטקס קלקר, משרעת הראשונית ניתן לשנות מ -0 עד 1. עם זאת, קשה להגדיר את משרעת הראשונית קרובה ל -1 לפתרונות פולימר נפוצים יותר בגלל עוצמת האור המוחזר היא גבוהה בהרבה זה של האור המפוזר. - החל את ההופכי של טרנספורמציית Laplace (באמצעות התכנית להסדרה המוגבלת Contin 13,14) לפונקצית קורלציה זמן המתקבלת לרכוש את פונקציית התפלגות גודל. במקרים בהם משרעת הראשונית מוגדר פחות מ 0.2, פונקצית ההתפלגות של רדיוס הידרודינמית יראה פסגה חדה סביב 100 ננומטר, שהוא כפול רדיוס בפועל (ראה דיון לפרטים נוספים).
- מדידת מדגם
- הגדר את הטמפרטורה הבמה כדי 25 מעלות צלזיוס.
- מקום שקופיות מוכנות עם פולי-ניפיתי (PNIPA) solutיון (שלב 1.3.4) על הבמה של המיקרוסקופ.
- מדוד את פונקצית קורלציה הזמן של עוצמת האור מפוזרים על ידי ביצוע השלבים 2.1.4-2.1.8. אם משרעת הראשונית גדולה מ 0.2, להתאים את המוקד להפוך את משרעת הראשונית של פונקצית קורלציה הזמן פחות מ -0.2 ידי ביצוע צעד 2.1.9. משרעת ראשונית קטנה מפשטת את הניתוח.
- הגדר את הטמפרטורה הבמה כדי 35 מעלות צלזיוס ולחכות עד הפתרון הופך עכור. טמפרטורת הפתרון הקריטית הנמוך (LCST) של פתרון PNIPA היא 32 ° C 15.
- מדוד את פונקצית קורלציה העת על ידי השלבים הבאים 2.1.4-2.1.8. אם הדבר אפשרי, להתאים את המיקום של נקודת המוקד על מנת להפוך את משרעת הראשונית של פונקצית קורלציה זמן פחות מ -0.2. לקבלת פתרונות עכורים, אמפליטודות הראשונית שלהם נוטה להגדיל, מאז עוצמת עליות האור המפוזרות ואילו זה של האור המוחזר נשאר קבוע.
- החל ההופכי Laplace transformatiאל פונקציות קורלציה הזמן להשיג כדי להשיג את פונקציות התפלגות גודל. ראוי לציין, כי הגודל האמיתי הוא מחצית הערך המתקבל במקרים בהם משרעת הראשונית היא פחות מ -0.2.
. הנה, אני (t) היא עוצמת האור המפוזרת בזמן t ו (•••) T הוא מיצוע זמן. שעת הריקבון תעמוד על כ 0.1 ms. Representative Results
זמן פונקציות קורלציה של עוצמת האור התפזרו לבתיהם השעיה לטקס קלקר (רדיוס החלקיק: 50 ננומטר) נמדדו בנקודות מוקד שונים, כפי שמוצג באיור 2 (א). פונקציות קורלציה אלה הוסבו פונקציות ההתפלגות של רדיוס הידרודינמית ידי טרנספורמציה Laplace ההופכי (עיין איור 2 (ב) ו- (ג)). שימוש באותו הליך, פונקציות קורלציה זמן פונקציות ההפצה של רדיוס הידרודינמית של הפתרון PNIPA התקבלו במהירות של 25 ° C ו -35 ° C, בהתאמה. איורים 3 (א) ו- (ב) להראות את פונקציות קורלציה הזמן של עוצמת האור המפוזרת פונקציות התפלגות גודל מקביל פתרון PNIPA להלן (25 ° C) ומעלה (35 ° C) את LCST. תפקידי התפלגות הגודל התקבלו על ידי הפיכת Laplace הפוך ואחריותיקון של heterodyne חלקית. רדיוס הידרודינמית הממוצע מתחת LCST הוא כמה עשרות ננומטרים, אשר אופיינית עבור פתרונות פולימר. לעומת זאת, רדיוס הידרודינמית מעל LCST הוא כ 1.0 מיקרומטר. תוצאה זו עולה בקנה אחד עם העובדה כי הפתרון הוא עכור מעל LCST. הקווים האדומים וכחולים באיור 3 מייצגים את התפלגות הגודל של פתרונות PNIPA מתקבלים מייד לאחר ו -20 דקות לאחר הפתרון הפכו עכורות, בהתאמה. איור 3 (ב) מצביע בבירור על הגידול של הצבירה.
באיור 1. שרטוטים של המיקרוסקופ פיזור אור דינאמי. חריר (PH), קרן splitter (BS), מקטב (Pol), ו photodiode מפולת (APD). אנא לחץ כאן לצפייהגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2. תוצאות עבור נציג השעית לטקס קלקר. (א) פונקציות קורלציה זמן של עוצמת אור הפזורה השעייתו לטקס קלקר. הרדיוס הנקוב הוא 50 ננומטר ואת הריכוז הוא 0.1% WT. שני מערכי נתונים התקבלו נקודות פיזור שונות. (ב), (ג) פונקציות התפלגות הגודל מתאימות עבור ההשעיה לטכס קלקר שהשיגו שינוי Laplace ההופכי של (א). הקו האדום תואם את פונקצית קורלציה שזמנה משרעת ראשוני הוא כ 1.0, ואת הקו הכחול שקולה לזו עם משרעת ראשונית כי הוא כ 0.2. הציר האופקי חושב ללא (ב) ועם (ג) בהתחשב השפעת אִבּוּך חלקית (PHD) כאשר << ; 1. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 3. תוצאות עבור נציג פתרון PNIPA. (א) פונקציות קורלציה זמן של עוצמת אור הפזורה לפתרון PNIPA. (ב) תפקידי התפלגות הגודל מתאימים פתרון PNIPA שהשיג שינוי Laplace ההופכי של (א). הציר האופקי חושב בהתחשב השפעת אִבּוּך חלקית עבור כל קבוצת נתונים. הקו השחור מייצג את הנתונים שהתקבלו על 25 מעלות צלזיוס. הקו האדום מייצג את הנתונים שהתקבלו רק לאחר הפתרון פנה עכור (35 מעלות צלזיוס). הקו הכחול מייצג את הנתונים המתקבלים לאחר מדידה של 20 דק 'של הקו האדום./54885/54885fig3large.jpg "Target =" _ blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Discussion
משרעת הראשונית של פונקצית קורלציה הזמן תלוי בכבדות על מוקד, כפי שמוצג באיור 2 (א). זה לכאורה סותר את העובדה שהפתרון הוא הומוגני (למעט שכבה דקה על הממשק) 8. וריאציה זו משרעת הראשונית מיוחסת וריאציה בסך של אור מוחזר. התיאוריה heterodyne חלקית 16 צופה כי משרעת הראשונית, A, עוצמת אור מפוזר, אני s, ואת עוצמת האור המוחזר, I r, יקיימו את הנוסחה 1
משוואה זו מראה כי גדול I r הופך, א הקטן הופך. לכן, הוא מופחת על ידי הגדרת מוקדי העמדה הקרובה לממשק. רשות האישורים הקבוע D דיפוזיה לכאורהn להיות מושגת על ידי התאמת פונקצית קורלציה זמן במקרה של פתרונות monodisperse:
איפה 
. במקרה זה, n היא מקדמת השבירה של הממס (מים, 1.33), θ היא הזווית המפוזרת (180 °), ו λ הוא אורך הגל של אור (514.5 nm). מאז אנחנו מוחלים גיאומטרית backscattering, הערך של q הוא קבוע. עם זאת, בשלב זה נפתר באמצעות אורכי גל שונים של אור. יש לציין כי כל סוג של מקור לייזר גל רציף זמין לבנות מיקרוסקופ DLS. הודות נפח המוקרן הקטן, גורם קוהרנטיות 17 מוערך יותר 0.99 והוא זניח. לקבלת פתרונות polydisperse, פונקצית ההתפלגות של D של מתקבלת על ידי טרנספורמציה Laplace ההפוכה. ה heterodyne חלקיתEory גם צופה כי D A אינו זהה D הדיפוזיה בפועל. קבועי דיפוזיה שני אלה יקיימו את המשוואה הבאה:
הדי דיפוזיה המתמידים מומר h הידרודינמית רדיוס R באמצעות משוואת איינשטיין-סטוקס 4. כאשר A = 1, מערכת היחסים הזאת הולכת D A = D. במקרה זה, תהליך המרת נתונים הוא זהה לזה של פיזור אור דינאמי המשותף. הקו האדום שמוצג באיור 2 (ב) מתאים במקרה זה. לעומת זאת, מערכת היחסים הזאת הולכת D A = 0.5 D על גבול A → 0. לכן, הגודל מוערך פעמים גדולות כמו הגודל האמיתי כאשר A הוא קטן (למעשה, פחות מ 0.2), כפי שמוצג על ידי הקו הכחול של איור 2 (ב) אנו יודעים כי הוא קטן משמעותי, הציר האופקי יכול להיות מוזז, כפי שמוצג באיור 2 (ג). באופן עקרוני, אנו יכולים להמיר D לתוך D עבור כל ערך של A. בפועל, עם זאת, עדיף להגדיר את משרעת הראשונית קטן מ -0.2, מאז פשוט קירוב D של ~ 0.5 D נכון.
המאפיינים הבולטים של טכניקת מיקרוסקופ פיזור אור דינאמי הודגמו באמצעות פתרון PNIPA. הקונפורמציה של PNIPA מעל ומתחת LCST נחקרה בהרחבה באמצעות נויטרונים קטן זווית פיזור 15,18. לעומת זאת, פיזור אור דינאמי לא נוצל לניתוח PNIPA מעל LCST בגלל העכירות שלה 19. בעיה זו נפתרה על ידי המיקרוסקופ פיזור אור דינאמי, כפי שמוצג איורים 3 (א) ו- (ב). גודלו של אגרגטים אלה הוא מספר &# 181; מ ', אשר לא ניתן להשיג גם על ידי פיזור קרני רנטגן / ניטרוני זווית קטנה או טכניקות פיזור אור קונבנציונליות. מדידות זמן נפתר באמצעות מערכת זו לתת מידע על תהליך הצבירה במהלך שינוי הטמפרטורה.
החיסרון של המיקרוסקופ פיזור אור דינאמי מודגם גם באיור 3. לקבלת תוצאה מתחת LCST, פונקציית המתאם זמן מושפעת במידה רבה על ידי כמות קטנה מאוד של הנוכחי אבק (הקווים השחורים באיור 3). לדוגמה, פונקציית המתאם הזמן אינו להירקב לגמרי, אפילו עם זמני מתאם בסדר גודל של 1.0 s. הסיבה לכך היא כי הנפח מוקרן עם המנגנון הזה (כ 1.0 מיקרומטר) קטן באופן משמעותי מזה מוקרן עם מנגנון פיזור אור דינאמי הרגיל (כ 100 מיקרומטר). במקרים בהם עוצמת אור מפוזר חלש, האות מוסתר על ידי רעש, כגון לנזקים שנגרמו עקב sכמויות בקניון אבק הפתרון. לכן, שלוש פסגות שמוצגות באיור 3 (ב) לא יכולות להיות חשיבות כמותית למרות הסדר הכללי של הגודל הוא משמעותי. שים לב scatterer כזה חלש יכול להימדד על ידי מנגנון פיזור אור דינאמי קונבנציונאלי.
אנחנו הוכחנו כי מיקרוסקופ פיזור אור דינאמי מאפשר לנו למדוד הן דגימות שקופות עכורות עם אותו ההתקנה. מאז המרחק האופטי בדגימות הוא קצר, טכניקה זו יכולה להיות מיושמת על דגימות אור קליטות חזקות, כגון השעיות-צינורות פחמן 20. בנוסף, בשל ברזולוציה מרחבית גבוהה, טכניקה זו יכולה להיות מיושמת על תאים ביולוגיים. עבור היישום שלה לביולוגיה, שיטה זו יכולה גם להיות משולבת עם שיטות הדמיה אחרות, כגון קרינת הדמית ראמאן. לפיכך, אנו סבורים כי מיקרוסקופ פיזור אור דינאמי הוא כלי רב עוצמה עבור מגוון רחב של תחומי מחקר.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| N-isopropylacrylamide, 98% | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. | I0401 | |
| toluene, 99% | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 201-01876 | |
| petroleum ether, distillation temperature 30 ~ 60 °C | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 169-22565 | |
| N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine, 99% | Sigma | T9281 | |
| ammonium persulfate, 98% | Sigma | 248614 | |
| polystyrene latex suspension, 1 wt% | Duke Scientific Corporation | 3500A | |
| argon | Koike Sanso Kogyo Co., Ltd. | purity > 99.999 vol.% | |
| cavity slide | Matsunami Glass Ind.,Ltd. | 83-0336 | |
| inverted microscope | Nikon Instech Co., Ltd. | ECLIPSE Ti-U | |
| Thermo Plate | Tokai Hit CO.,Ltd | TP-108R-C | |
| Solid-state laser | Coherent | OBIS 488LX | |
| avalanche photodiode | ALV-GmbH | ALV-High Q.E. Avalanche Photo Diode | |
| correlator | ALV-GmbH | ALV-5000/EPP |
References
- Hiroi, T., Shibayama, M. Dynamic Light Scattering Microscope: Accessing Opaque Samples with High Spatial Resolution. Opt. Express. 21, 20260-20267 (2013).
- Barth, H. G., Flippen, R. B.
- Liu, Y., Wang, Z., Zhang, X.
- Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering with Applications to Chemistry, Biology and Physics. , Dover Publications, Inc. (2000).
- Phillies, G. D. J. Experimental demonstration of ruultiple-scattering suppression in quasielastic-light-scattering spectroscopy by homodyne coincidence techniques. Phys. Rev. A. 24, 1939-1943 (1981).
- Phillies, G. D. J. Suppression of multiple scattering effects in quasielastic light scattering by homodyne crosscorrelation techniques. J. Chem. Phys. 74, 260-262 (1981).
- Ishii, K., Yoshida, R., Iwai, T. Single-scattering spectroscopy for extremely dense colloidal suspensions by use of a low-coherence interferometer. Opt. Lett. 30, 555-557 (2005).
- Xia, H., Ishi, K., Iwai, T. Hydrodynamic Radius Sizing of Nanoparticles in Dense Polydisperse Media by Low-Coherence Dynamic Light Scattering. Jpn. J. Appl. Phys. 44, 6261-6264 (2005).
- Maret, G., Wolf, P. E. Multiple light scattering from disordered media. The effect of brownian motion of scatterers. Z. Phys. B. 65, 409-413 (1987).
- Pine, D. J., Weitz, D. A., Chaikin, P. M., Herbolzheimer, E.
- Cerbino, R., Trappe, V. Differential Dynamic Microscopy: ProbingWave Vector Dependent Dynamics with a Microscope. Phys. Rev. Lett. 108, 188102 (2012).
- Lu, P. J., et al. Characterizing Concentrated, Multiply Scattering, and Actively Driven Fluorescent Systems with Confocal Differential Dynamic Microscopy. Phys. Rev. Lett. 108, 218103 (2012).
- Provencher, S. W. A constrained regularization method for investing data represented by linear algebraic or integral equations. Comp. Phys. Comm. 27, 213-227 (1982).
- Provencher, S. W., Stepanek, P. Global analysis of dynamic light scattering autocorrelation functions. Part. Part. Syst. Charact. 13, 291 (1996).
- Takata, S., Norisuye, T., Shibayama, M. Small-angle Neutron Scattering Study on Preparation Temperature Dependence of Thermosensitive Gels. Macromolecules. 35, 4779-4784 (2002).
- Pusey, P. N., van Megen, W. Dynamic Light Scattering by Non-Ergodic Media. Physica A. 157, 705-741 (1989).
- Chu, B. Laser Light Scattering. 2nd Ed. , Academic Press. (1991).
- Shibayama, M., Tanaka, T., Han, C. C. Small-Angle Neutron-Scattering Study on Poly(N-Isopropyl Acrylamide) Gels near Their Volume-Phase Transition-Temperature. J. Chem. Phys. 97, 6829-6841 (1992).
- Tanaka, T., Sato, E., Hirokawa, Y., Hirotsu, S., Peetermans, J. Critical Kinetics of Volume Phase Transition of Gels. Phys. Rev. Lett. 55, 2455-2458 (1985).
- Hiroi, T., Ata, S., Shibayama, M. Transitions of Aggregation States for Concentrated Carbon Nanotube Dispersion. J. Phys. Chem. C. 120, 5776-5782 (2016).
