Kontrollierte Synthese und Fluoreszenz-Tracking von Hoch Uniform Poly (

Das übergeordnete Ziel dieser Arbeit besteht darin, das dynamische Verhalten und die Wechselwirkungen weicher kolloidaler Teilchen in Dispersionen mit unterschiedlichen Teilchendichten im Bereich der Glasübergangsregion zu untersuchen. Mikrogel sind weiche Objekte, die ihre Größe, Form und Beweglichkeit entsprechend ihrer Umgebung anpassen können. Im Gegensatz zu starren kolloidalen Teilchen gibt es bei weichen Mikrogelen noch viele offene Fragen bezüglich ihres Verhaltens.

Der Hauptvorteil der Weitfeld-Fluoreszenzmikroskopie liegt in der Möglichkeit, einzelne Mikrogele mit hoher Genauigkeit zu lokalisieren, ihre Bewegung direkt in C2 zu verfolgen und die Diffusionsmengen zu analysieren. Um die Dynamik einzelner Mikrogele in dichten Systemen zu untersuchen, müssen nur eine geringe Anzahl von Mikrogelen fluoreszenzmarkiert sein. Die nicht gerührte Fällungspolymerisation ermöglicht die parallele Synthese von Mikrogelen unter variablen Reaktionsbedingungen, um bequem die Größe der markierten und unmarkierten Mikrogele anzupassen.

Die dynamische Lichtstreuung liefert die mittleren hydrodynamischen Radien der Mikrogele mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern. Lösen Sie 1,8 Gramm NIPAM und 24 Milligramm BIS in 245 Milliliter filtriertem, doppelt destilliertem Wasser in einem 500-Milliliter-Dreihals-Rundkolben, der mit einem Rückflusskühler, einem Rührer und einem Gummiseptum ausgestattet ist. Führen Sie ein Thermometer und eine 120-Millimeter-Nadel für die Stickstoffzufuhr durch das Septum ein.

Erhitzen Sie die Lösung unter Rühren auf 60 Grad Celsius. Anschließend entziehen Sie die Lösung durch Spülen mit Stickstoff während 40 Minuten. Gleichzeitig bereiten Sie eine Initiatorlösung aus 155 Milligramm Kaliumperoxodisulfat oder KPS in fünf Milliliter filtriertem, doppelt destilliertem Wasser vor und spülen die Lösung mit Stickstoff, um Sauerstoff zu entfernen.

Als Nächstes spülen Sie eine Spritze mit Stickstoff und überführen die gesamte Fünf-Milliliter-KPS-Lösung in eine mit Stickstoff gespülte Spritze, die mit einer 120-Millimeter-Nadel ausgestattet ist. Heben Sie die Stickstoffnadel über den Lösungsspiegel im Dreihalskolben und geben Sie die KPS-Lösung schnell durch die Gummidichtung in den Reaktor. Lassen Sie die Polymerisation eine Stunde lang unter Stickstoffstrom und langsamer Rührung bei 60 Grad Celsius ablaufen.

Verwenden Sie einen Büchner-Trichter und Filterpapier, um die heiße Reaktionslösung zu filtrieren, und entsorgen Sie eventuelle große Aggregate. Nach dem Abkühlen der Dispersion diese dreimal 40 Minuten bei 257.000 × g zentrifugieren und erneut dispergieren. Schließlich das Sediment in einer minimalen Menge doppelt destilliertem Wasser resuspendieren, bevor die Dispersion zur Lagerung lyophilisiert wird. Wiegen Sie 257,7 Milligramm NIPAM, 3,5 Milligramm BIS und 1,5 Milligramm Methacryloxyethylthiocarbamoyl-Rhodamin-B-Farbstoff in ein Glasgefäß ab und geben Sie 10 Milliliter filtriertes, doppelt destilliertes Wasser hinzu.

Stellen Sie dieselbe Lösung ohne Farbstoff in einem separaten Glasgefäß her. Beschallen Sie die Farbstofflösung 15 Minuten lang, um den Farbstoff in Wasser zu lösen. Bereiten Sie verschiedene Verdünnungen der Monomerlösung mit Farbstoff vor, um eine Konzentrationsreihe zu erhalten.

Hier wird Farbstoff im Konzentrationsbereich von 0,2 bis 0,1 Millimol pro Liter verwendet. Lösen Sie anschließend 8,4 Milligramm KPS in 10 Millilitern filtriertem, doppelt destilliertem Wasser, um die Initiatorlösung herzustellen. Geben Sie 0,5 Milliliter der Konzentrationsreihe und 0,5 Milliliter der KPS-Lösung in Reagenzgläser mit einem Durchmesser von 10 Millimetern, um die endgültigen Reaktionslösungen zu erhalten.

Verschließen Sie die Röhrchen mit Gummisepten. Heizen Sie ein Ölbad in einem doppelwandigen Glasgefäß, das mit einem Heizthermostaten verbunden ist, auf 63 Grad Celsius vor. Entfernen Sie Sauerstoff aus den Reaktionslösungen, indem Sie 20 Minuten lang mit Stickstoff über 120-Millimeter-Nadeln spülen.

Danach die Röhrchen in eine schwimmende Plattform einsetzen und die Plattform in das vorgewärmte Ölbad eintauchen. Die Temperatur auf 60 Grad Celsius einstellen. Für eine hochpräzise Einstellung der Partikelgröße muss die Temperaturkontrolle während der anfänglichen Reaktion streng erfolgen, typischerweise plus oder minus 0,1 Grad Celsius.

Lassen Sie die Reaktion für einen geeigneten Zeitraum ablaufen. In der Regel ist eine Stunde ausreichend. Nach der Reaktion überführen Sie die Reaktionsgefäße umgehend in einen Ofen bei 60 Grad Celsius.

Geben Sie einen Tropfen der heißen Dispersion in 10 Milliliter gefiltertes, doppelt destilliertes Wasser, das über der volumetrischen Phasenübergangstemperatur von poly-NIPAM vorgewärmt wurde, um die hydrodynamischen Radien der Teilchen im kollabierten Zustand zu messen. Lassen Sie den Rest der Dispersionen auf Raumtemperatur abkühlen und überführen Sie sie in Zentrifugenröhrchen. Verdünnen Sie nach der Zentrifugation der Lösung die Mikrogelteilchen in zwei Milliliter gefiltertem, doppelt destilliertem Wasser, um sie als Tracerteilchen zu verwenden.

Um den hydrodynamischen Radius im kollabierten Zustand mittels dynamischer Lichtstreuung zu bestimmen, spülen Sie zunächst die Küvetten und das Glasgerät mit Aceton-Dampf. Geben Sie etwa ein Milliliter verdünnte Partikeldispersion in eine Messküvette. Temperieren Sie das Immersionsbad des dynamischen Lichtstreu-Goniometers auf 50 Grad Celsius und überführen Sie die Probe ohne Abkühlung in das Gerät.

Setzen Sie die Probenküvette ein und bewegen Sie den Detektorarm auf den kleinen Streuwinkel. Nachdem Sie das Strahlprofil und den Zählbereich wie im Textprotokoll beschrieben überprüft haben, bewegen Sie den Goniometerarm auf den höchsten Streuwinkel. Stellen Sie sicher, dass die Zählrate für die Messung immer noch ausreichend hoch ist.

Falls die Intensität zu gering ist, bewegen Sie den Arm zu einem kleineren Streuwinkel. Überprüfen Sie dann den Strahl visuell durch das Glas des Toluolbades beim kleinsten Streuwinkel. Wenn ein Leuchten um den einfallenden Strahl beobachtet wird, findet Mehrfachstreuung statt.

Erwerben Sie 20 Korrelogramme zwischen dem minimalen und maximalen Streuwinkel mit einer minimalen Aufnahmezeit von 60 Sekunden. Erhöhen Sie die Aufnahmezeit bei schwacher Intensität und großen Streuwinkeln gegebenenfalls. Verwenden Sie ein geeignetes Objektiv mit der gewünschten Vergrößerung und Apertur zur Anregung der Tracer und gleichzeitigen Sammlung der Fluoreszenz vom Probenmaterial.

In dieser Arbeit wird ein 100×, 1,3 numerische Apertur, Öl-Immersion-Objektiv verwendet. Stellen Sie die Feuchtigkeitskammer auf einen XYZ pi-SO-Tisch, der in ein Mikroskop passt. Um zu verhindern, dass die Probe austrocknet, geben Sie eine plasmagereinigte Deckglasplatte in die Feuchtigkeitskammer und pipettieren Sie 10 µL der gewünschten Konzentration der Poly-NIPAM-Dispersion.

Je nach Anregungs- und Emissionsspektrum des fluoreszierenden Farbstoffs verwenden Sie einen geeigneten Laser zur Anregung und stellen die Laserleistung entsprechend ein. Hier wird ein 561-Nanometer-Dioden-pumplasergestützter Festkörperlaser mit einer konstanten Laserleistung von 16 Milliwatt verwendet. Um eine homogene Probenausleuchtung zu erzielen, koppeln Sie den Laser in eine Multimode-Faser ein, schütteln die Faser mithilfe eines Vortexers, um Laser-Speckles vorübergehend zu mitteln, und projizieren das Faserende in die Probenebene.

Kalibrieren Sie den Z-Abstand anhand der Rückreflexion des Deckgläschens und fokussieren Sie einige Mikrometer in die Probe hinein, indem Sie das Objektiv leicht nach oben bewegen. Fixieren Sie die Z-Position mithilfe eines Z-Kompensators. Dadurch werden störende Grenzflächeneffekte mit dem Deckgläschen vermieden. Passen Sie die Detektorparameter, wie beispielsweise die Belichtungszeit, an die Stärke des fluoreszierenden Signals an.

In diesem Fall wird eine EMCCD-Kamera im Elektronenvervielfachungsmodus mit einer Belichtungszeit von 0,1 Sekunden und einer Verstärkung von 50 verwendet. Nehmen Sie mehrere Aufnahmen mit einer geeigneten Anzahl von Einzelbildern auf, um eine ausreichende Verzögerungszeit zu erhalten, um die mittlere quadratische Verschiebung der Mikrogele in verschiedenen Bereichen der Probe zu berechnen. Es wurden acht markierte Mikrogelchargen synthetisiert.

Bei sechs Chargen steigt die Abklingrate der Korrelogramme linear mit dem Quadrat des Streuvektors, was auf eine enge Größenverteilung hinweist. Eine Ausgleichsgerade durch den Ursprung deutet ausschließlich auf translatorische Diffusion hin. Bei zwei Chargen wird ein nichtlineares Verhalten beobachtet.

Die Abweichung wird durch eine breite Größenverteilung und ein Minimum des Partikelformfaktors verursacht, das mit dem Bereich des Streuvektors zusammenfällt. Um eine bessere Schätzung für den mittleren Diffusionskoeffizienten der Partikel zu erhalten, schließen Sie diese Punkte aus der Anpassung aus. Ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis ermöglicht die Verfolgung fluoreszierender Mikrogel-Partikel.

Ihre Diffusion wird durch die unlabeled Microgel-Matrix eingeschränkt. Höhere Konzentrationen der unlabeled Microgel-Matrix rechts führen zu einem ausgeprägten Käfigeffekt, bei dem die fluoreszierenden Microgels in einer unlabeled Matrix aus Microgels eingesperrt sind. Bei niedrigen Konzentrationen der unlabeled Microgel-Matrix zeigen die Tracer-Microgels eine normale Diffusion, was aus dem linearen Anstieg der mittleren quadratischen Verschiebung mit der Verzögerungszeit geschlossen wird.

Jedoch zeigen sie bei hohen Konzentrationen nahe der kolloidalen Glasübergangs-Konzentration eine nichtlineare Diffusion, dargestellt durch die nichtlineare zeitliche Entwicklung der mittleren quadratischen Verschiebungen. Bei höherer Konzentration der nicht markierten Mikrogel-Matrix werden die Tracer-Mikrogele durch nicht markierte Nachbarn in vorübergehende Zellen eingesperrt, wie durch die gruppierten Spuren für 12 Mikrogele veranschaulicht. Die parallele Synthese im kleinen Maßstab ermöglicht eine schnelle Experimentierung mit verschiedenen Reaktionsparametern.

Dies minimiert zudem jegliche unerwünschte experimentelle Variationen aufgrund von Unterschieden in der Reaktionstemperatur. In Kombination mit der sorgfältigen dynamischen Lichtstreuungs-Charakterisierung können die Reaktionsbedingungen für die gewünschte Mikrogel-Größe schnell ermittelt werden. In diesem Video zeigen wir, wie die gezielte Synthese von Mikogelen es uns ermöglicht, die Diffusion einzelner Mikogele in konzentrierten Mikogel-Lösungen mittels Weitfeld-Fluoreszenzmikroskopie zu untersuchen.

Nach Durchführung dieses Verfahrens wird es möglich sein zu verstehen, wie die Struktur von Mikrogelen ihre Eigenschaften bestimmt. Dies wird den Weg zur Entwicklung neuer weicher, interaktiver Materialien ebnen.