מאוד יציבים, חלקיקים שעירים פונקציונליים Biopolymers סיבי עץ: לקראת ננוטכנולוגיה קיימא

תאי, כמו biopolymer הנפוץ ביותר בעולם, כבר שמש לאחרונה כחומר גלם עיקרי להניב חלקיקים גבישיים בשם תאי nanocrystalline (NCC, הידוע גם בשם nanocrystals התאית CNC) ^1. כדי להבין את המנגנון של סינתזה NCC, מבנה סיבי תאית צריך להיחקר. תאית היא פולימר ליניארי polydispersed המהווים-בטא פולי (1,4) שאריות-גלוקוז -D ^2. טבעות הסוכר מונומר אחד מחוברות דרך חמצן glycosidic להקים רשתות של (1-1.5) x 10 ⁴ יחידות glucopyranose ^2,3, מציגה לסירוגין חלקי גבישים ואזורי סדר, אמורפי, דווחו לראשונה על ידי נגלי Schwendener ^2,4. בהתאם למקור, חלקי גבישים של תאית יכולים לאמץ הפולימורפים שונים ^5.

אם סיבי תאית מטופל עם חומצה חזקה, כגון חומצה גופרתית, בשלב אמורפי יכול להיות AWA הידרוליזה לחלוטיןy לשבש את הפולימר לייצר חלקיקים גבישיים של יחס ממדים שונה בהתאם למקור (למשל, עץ תשואת כותנה יותר מ -90% nanorods גבישים של רוחב ~ 5-10 ננומטר אורך ~ 100-300 ננומטר, בעוד tunicin, חיידקים, ואצות לייצר 5-60 ננומטר רחב ו 100 ננומטר עד כמה מיקרומטר ארוך NCCs) ^6. הקוראים מופנים כמות עצומה של הספרות הקיימת על היבטים מדעיים והנדסיים של ננו אלה ^2,5,7-16. למרות מאפיינים מעניינים רבים של חלקיקים אלה, יציבות קולואידים שלהם מאז ומתמיד בעיה בריכוזי מלח גבוהים pH הגבוה / נמוך בשל תכולת משטח התשלום הנמוכה יחסית שלהם (פחות מ 1 מילימול / g) ^17.

במקום הידרוליזה חומצית חזקה, סיבי תאית יכול להיות מטופלים עם סוכן חמצון (periodate), ביקוע הצמדה C2-C3 ב שאריות D-glucopyranose anhydro להקים יחידות 2,3-dialdehyde ללא תגובות לוואי משמעותיות ^18,19. אלה סיבי חמצון חלקי יכול לשמש כחומר ביניים יקר לייצר חלקיקים נושאי בשני אזורים אמורפי גבישים (celluloses nanocrystalline שעיר) באמצעות תגובות כימיות בלבד ללא כל גזירה מכאנית או ultrasonication ^20. כאשר מידת החמצון החלקה DS <2, חמצון חימום תוצאות סיבים בשלוש קבוצות של מוצרים, כלומר תאית סיבית, המים המסיסים dialdehyde nanowhiskers התאית בשם תאי nanocrystalline התייצב sterically (SNCC), ופזרה תאית השונה dialdehyde (DAMC), אשר ניתן לבודד על ידי שליטה מדויקת תוספת שיתוף ממס צנטריפוגה לסירוגין ^21.

Performing חמצון chlorite נשלט על הסיבים מתחמצן חלקית ממירה כמעט את כל הקבוצות אלדהיד כדי carboxyl יחידות, אשר יכול להציג גבוה ככל 7 מילימול קבוצות COOH לגרם של תאית nanocrystalline בהתאם לתוכן אלדהיד ¹⁸ 17. חומר זה שמש סופח יעיל ביותר כדי לחפש יונים של מתכות כבדות ^22. האישום של ננו-חלקיקים אלו ניתן לשלוט באופן מדויק על ידי שליטה על זמן התגובה periodate ^23.

למרות תגובות חמצון ידועות של תאית, לייצור SNCC ו ENCC לא דווח על ידי כל קבוצות מחקר אחרות ככל הנראה בשל אתגרי ההפרדה. הצלחנו לסנתז בהצלחה ולבודד שברים שונים של nanoproducts בצעדים בעיצוב התגובה והפרדה בדיוק. מאמר חזותי זה מדגים עם פירוט מלא כיצד להכין reproducibly ולאפיין את nanowhiskers הרומן הנ"ל נושאות הוא חלק אמורפי גבישיםים סיבי עץ. הדרכה זו עשויה להיות נכס עבור חוקרים פעילים בתחומי חומר רך, ביולוגי, ומדעים מרפאים, ננוטכנולוגיה nanophotonics, מדעי הסביבה והנדסה, פיסיקה.

זהירות: קרא את גיליונות נתוני בטיחות חומרים (MSDS) של כל הכימיקלים לפני לגעת בהם. רבים מהכימיקלים המשמשים בעבודה זו עלולה לגרום נזקים בריאותיים חמורים. באמצעות הגנה אישית כגון חלוק מעבדה, כפפות, משקפי מגן הוא חובה. אל תשכחו כי בטיחות קודמת לכל. המים בשימוש בכל רחבי הסינתזה הוא מים מזוקקים.

1. הכנת סיבי חמצון החלקי בתור ביניים

1. קורעים 4 גרם Q-90 גליונות עיסת softwood לחתיכות קטנות של כ 2 x 2 ס"מ ^2.
2. משרה את סדיני עיסת קרוע במים למשך יום אחד לפחות.
3. לפורר את העיסה הרטובה באמצעות disintegrator מכאני כדי להשיג פיזור כמעט אחיד.
4. כדי להרכיב את מסנן האבק, לאבטח מסנן ניילון בתוך משפך בוכנר ומקום המשפך בבקבוק מסנן. לאחר מכן, לחבר את המסנן בבקבוק משאבת ואקום באמצעות צינורות נכונים. הפעל את המשאבה ויוצק פתרון העיסה התפורר בשנתי funnאל להפריד את העיסה מן הנוזל.
5. מדוד את המשקל של עיסה רטובה (מ _'1), ולחשב את כמות מים שנספגו עיסה: דקות _{w, 1} = m ₁ - 4.
6. הכנת פתרון periodate חמצון
   1. לסינתזה SNCC / DAMC: בנפרד, לפזר 2.64 periodate נתרן g (NaIO ₄₎ ו 15.48 גרם נתרן כלורי (NaCl) ב 200 מ _{'w, 1} מ"ל מים.
   2. לסינתזה ENCC / DCC: בנפרד, לפזר 5.33 periodate נתרן g (NaIO ₄₎ ו 15.6 גרם נתרן כלורי (NaCl) ב 266- מ _{'w, 1} מ"ל מים.
7. מוסיף את העיסה הרטובה בנפרד הפתרונים שהוכנו 1.6. ודא כי הסכום הכולל של המים (נספג על ידי עיסת בתוספת מים אינן במקור) שווה 200 מ"ל עבור SNCC ו -266 מ"ל על סינתזות ENCC.
8. מכסה את הכוס ביסודיות עם רדיד אלומיניום על מנת למנוע שחרור משרות periodate תוך ערבוב בסל"ד מהירות ~ 105 RT עבור כמות רצויה של tIME לפי טבלת 1 להשיג תוכן אלדהיד מועדף. כדוגמה, כדי להשיג ~ 6.5 מילימול / g אלדהיד, להגיב למשך 96 שעות.
9. כאשר זמן התגובה הוא שחלף, לפתוח את רדיד אלומיניום ולהוסיף 1 מ"ל (במקרה של סינתזה SNCC / DAMC) או 3 מ"ל (במקרה של ENCC / DCC סינתזה) אתילן גליקול לתערובת ומערבבים במשך 10 דקות כדי לעצור את חמצון תגובה על ידי מרווה periodate.
10. אסוף את העיסה מחומצן על ידי סינון ואקום (פי 1.4), redisperse אותו מיליליטר מי 500, ומערבב אותו למשך 30 דקות. חזור על שלב זה לפחות 5 פעמים כדי לנקות את העיסה מן ביסודיות periodate.
11. לאחר לשטוף במי 5 ^th על העיסה מחומצן, להפריד את העיסה מפתרון על ידי סינון ואקום ולאחסן אותו במקום קר (4 ° C).

סינתזה 2. SNCC ו DAMC

1. מחלק את העיסה הרטובה חמצון החלקי (מ _'1), שהושגה 1.11, על ידי ארבעה: דקות ₂ = מ _1/4,ולמדוד את המשקל של המים נספגים: דקות _{w, 2} = m ₂ - 1.
2. לפזר את העיסה ב (100 - מ _{w, 2)} מים גרמו בבקבוק תחתי עגול (תכולת מים הכולל = 100 גרם).
3. מניח את הבקבוק התחתי העגול באמבט שמן ומחממי עיסה מחומצן חלקית על 80 מעלות צלזיוס במשך 6 שעות תוך ערבוב בעדינות.
   הערה: אם עיסת הוא מתחמצן לחלוטין עם periodate (DS = 2), למשל, על ידי מגיבים עיסת 1 גרם עם 1.85 גרם NaIO ₄ (8.65 מילימול) בתמיסה המורכבת 3.87 גרם NaCl (8.64 מילימול) ו -65 מ"ל מים תוך ערבוב במשך 6 ימים, תלוי בזמן מצב ומגורים חימום במים, הנכס של תאית dialdehyde (DAC) משתנה (טבלה 2).
4. להתקרר פתרון RT.
5. צנטריפוגה הפתרון ב 18,500 XG במשך 10 דקות. המשקע הוא תאית unfibrillated (חלק 1).
6. הפרד את supernatant בזהירות ולשקול אותו (א).
7. להוסיף 1.7 (א) גרם propanolכדי supernatant שהושג 2.6 תוך ערבוב כדי לזרז SNCC. פרטים על SNCC מופרד propanol הוסיף זמינים באיור 1.
8. צנטריפוגה הפתרון biphasic ב 3000 XG במשך 10 דקות, ולהפריד את המשקע דמוי ג'ל הביא (שבריר שנייה, SNCC) על ידי decantation, שהוא מוכן להיות redispersed ו dialyzed לטיהור נוסף (סעיף 4) ואפיון (סעיף 5).
9. כדי supernatant שהושגו 2.8, להוסיף 3.5 (א) גרם propanol להניב משקע לבן (חלק שלישי, DAMC).
10. צנטריפוגה הפתרון של 2.9 ב 3000 XG במשך 10 דקות, לאסוף את משקע DAMC דמוי ג'ל (על ידי מזיגת supernatant בכוס נפרדת) מוכנה להיות redispersed במים, מטוהר על ידי דיאליזה (פירוט אפשרי בסעיף 4), ומאופיין (סעיף 5).

3. סינתזה של ENCC ו DCC

1. הכן פתרון של 0.5 M נתרן הידרוקסידי (NaOH) על ידי המסת ~ 2 גרם NaOH ב 100 מ"למים לשמור בצד זה. זה ישמש בשלב 3.7.
2. מחלקים את עיסת חמצון רטוב, שהושגו 1.11, על ידי ארבע: דקות ₃ = ₁ מ '/ 4, ולמדוד את המשקל של המים נספגים: דקות _{w, 3} = m 1 - _3.
3. בנפרד, להוסיף נתרן כלורי 2.93 גרם (NaCl) ו 1.41 chlorite נתרן (NaClO ₂₎ עד (50 - מ _{w, 3)} מים מ"ל ומערבבים לפזר.
4. להשעות מ ₃ גרם של עיסת חמצון רטובה (המכילה ~ 1 גרם יבש עיסת חמצון) בפתרון שהושג 3.3. ראוי לציין, כי ריכוז העיסה הסופי הוא 1 גרם מים הכוללים 50 מ"ל זמינים (חינם וספג מים).
5. מניחים מד pH בתמיסה של 3.4.
6. להוסיף 1.41 מי חמצן גרם (H ₂ O ₂₎ לתערובת של שלב 3.4 dropwise.
7. מערבבים את ההשעיה של 3.6 למשך 24 שעות ב RT ב 105 סל"ד תוך שמירה על pH ~ 5 על ידי הוספת בהדרגה 0.5 M נתרן הידרוקסידי (NaOH) מוכן בשלב 3.1.
   הערה: pH מתחיל יורד במהירות לאחר ~ 15 דק 'מתחילת התגובה, ואת זה צריך להיות כל הזמן משתנה והוא עומד על 5 לפחות שעה 4 הראשון של התגובה. לנוחיותכם, הוא רמז כי התגובה הוא התחיל ב -1 ואת pH נשלטת עד 5 בערב, אז התגובה נשאר O ​​/ N ו- מוקדם בבוקר ה- pH עלה ל 5 שוב. אחרי כל כך הרבה זמן, ירידת pH לא תהיה משמעותית, המציין כי רוב המרה מושגת. עכשיו, כמעט ולא מוצק ניתן לצפות הפתרון (סיבים גדולים מפורקים לתוך חלקיקים). שים לב שאם התגובה נשארה למשך זמן ארוך יותר, חלק הגבישים עשוי להיות מופר.
8. מחלק את ההשעיה המתקבל 3.7 לתוך צינורות צנטריפוגות צנטריפוגות משוקללים באותה מידה 27,000 XG במשך 10 דקות, ולהפריד את supernatant (ENCC + DCC) מן משקע מייקרו סיבי.
9. לשקול את supernatant המתקבל 3.8 ולקרוא מסת הפתרון (B).
10. לאט לאט מוסיפים 0.16 (B) g ethanol לפתרון של 3.9 תוך ערבוב כדי ליצור משקע לבן (חלק שני, ENCC).
11. צנטריפוגה הפתרון של 3.10 ב -3,000 XG במשך 10 דקות, ולהפריד את המשקע ENCC דמוי ג'ל הביא ידי decantation. ENCC הוא מוכן להיות redispersed במים, מטוהר על ידי דיאליזה (פירוט אפשרי בסעיף 4), ומאופיין (סעיף 5).
12. כדי supernatant שהושג 3.11, להוסיף מסה שווה של אתנול ככל שמסתו הפתרון להניב משקע לבן (חלק שלישי, DCC).
13. צנטריפוגה הפתרון של 3.12 ב -3,000 XG במשך 10 דקות, ולהפריד את ג'ל דמוי DCC לזרז מוכן להיות redispersed במים, מטוהרים על ידי דיאליזה (פירוט אפשרי בסעיף 4), ומאופיינת.

4. נוהל דיאליזה כדי לטהר SNCC, DAMC, ENCC או DCC

1. Redisperse המשקע דמוי ג'ל שמקבלים בכל השלבים של 2.8 (SNCC), 2.10 (DAMC), 3.11 (ENCC), או 3.13 (DCC) ב 10 מ"ל מים על ידי ערבוב נמרץ במשך שעה 1.
2. ה מקוםפיזור דואר בתוך צינורות דיאליזה (MW קטעון = 12-14 kDa, אורך ~ 30 ס"מ, רוחב ~ 4.5 ס"מ) ולאבטח את החלק העליון והתחתון על ידי מסיכה.
3. מניח את שקית הדיאליזה מילא ~ 4 ליטר של מים מזוקקים ומערבב למשך 24 שעות כדי להוציא את המלחים.
4. לאסוף את הפתרון dialyzed במיכל ולאחסן במקום קר (4 ° C).

אפיון פוסט טיהור 5.: שלב מוצק ומדידת ריכוזי Charge

1. מדידת ריכוז
   1. לשקול 3 מיליליטר של פיזור רצוי בצלחת שקלול (כוס אלומיניום, 57 מ"מ).
   2. מניחים את צלחת שקילה המכיל את פיזור בתנור (50 מעלות צלזיוס) O / N.
   3. לשקול את הסרט היבש ולחשב את הריכוז של חלקיקים או פולימרי הפיזור:
      ריכוז (w / v%) = 100 x מונית של סרט יבש / 3, או
      ריכוז (w / w%) = 100 x מונית של סרט יבש / המוני של פיזור
2. טיטרציה קונדוקטומטריים
3. טיטרציה קונדוקטומטריים SNCC או DAMC לקבוע תוכן אלדהיד
   1. הכן 0.1 חומצה הידרוכלורית M (HCl) על ידי הוספת 0.82 מ"ל HCl 25 מ"ל מים ואחריו התאמת נפח סופי 100 מ"ל.
   2. בנפרד, להכין NaOH 0.1 M על ידי הוספת סודיום הידרוקסיד 0.4 גרם למים מזוקקים כדי להשיג 100 מ"ל הפתרון הסופי.
   3. בעקבות שיטת hydrochloride hydroxylamine ^24, להוסיף כמות ידועה של פיזור הרצוי לסכום הרצוי של מים (למשל, 0.02 גרם ב 50 מ"ל H ₂ O).
   4. התאם את ה- pH ל -3.5 באמצעות לדלל HCl (0.1 M).
   5. הוסף 10 מ"ל פתרון hydrochloride hydroxylamine (5% w / w) הפיזור.
   6. צג ה- pH ולשמור על 3.5 ידי הוספת 0.1 M NaOH עד pH הופך יציב ברמה של 3.5.
   7. באמצעות נפח נצרך של NaOH לנטרל את H ⁺ שוחרר מן התגובה של קבוצות אלדהיד ו NH ₂ OH · HCl, למדוד את אלדהיד Concentration (חפרפרת של נצרך NaOH = השומה של HCl הנוצר במהלך התגובה = השומה של קבוצות אלדהיד על SNCC).
4. טיטרציה קונדוקטומטריים ENCC או DCC כדי לקבוע את התוכן carboxyl
   1. בעקבות ספרות ^25, להוסיף מספיק כמות של פיזור רצוי לקיים 0.02 גרם של מוצק ב -140 מיליליטר מים מזוקקים.
   2. בנפרד, להכין 20 מ"מ NaCl ידי המסת 0.117 גרם NaCl במים מזוקקים כדי להשיג 100 מ"ל הפתרון הסופי. הוסף 2 מ"ל של 20 מ"מ NaCl כדי 5.2.2.1.
   3. מנמיכים את pH לכ -3 באמצעות לדלל HCl (0.1 M).
   4. בצעו את טיטרציה קונדוקטומטריים ידי הוספת סודיום הידרוקסיד סטנדרטי (NaOH, 10 מ"מ) במרווחים 0.1 מ"ל / דקה עד pH ~ 11.
   5. באמצעות נפח נצרך של NaOH לנטרל קבוצות טעונות (פרטים באיור 2), למדוד את ריכוז תשלום משטח (1 חפרפרת של בסיס נצרך שווה COOH שומה אחד על פני החלקיקים).

התוכן חלק המסה והמטען של כל חלק במהלך חמצון periodate ו chlorite של עיסת תלוי זמן תגובה (טבלה 1). יתר על כן, משקל מולקולרי DAC תלוי במצב חימום וזמן מגורים (לוח 2). לאחר SNCC ו DAMC נעשים, הם לזרז על ידי הוספת propanol (איור 1). כדי למדוד את התוכן האחראי ENCC, טיטרציה קונדוקטומטריים מתבצעת (איור 2). התנהגות קולואידים NCC ו ENCC מושפעת חוזק pH היוני. הגודל זטה-פוטנציאל של NCC ו ENCC לעומת ריכוז ו- pH מלח KCl מוצגים באיור 3. SNCC הוא חלקיק ניטרלי וגודלו מושפע propanol הוסיף (איור 3). במיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים (TEM) מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) תמונות של NCC, ENCC, ו SNCC (איור 4) מעידים כי לטובת חלקיקים אלה fROM גוף גבישי דומה. Bearing תוכן קבוצת carboxyl גבוהה, ENCC מסוגל להפריד כמות גבוהה של יוני נחושת ממערכות מימיות (איור 5). ספקטרה FTIR ו -13 C תמ"ג של ENCC / DCC ו SNCC לחשוף את ההבדלים המבנה הכימי עם NCC קונבנציונאלי עיסת תאית (איור 6). לבסוף, קרני ה- X עקיפה (XRD) של שברים שונים של תאית חמצון (איור 7) לשפוך אור על crystallinity של חומרים אלה.

טבלה 1. Mass חלק ותוכן הממונה על כל שבריר במהלך periodate ו chlorite חמצון של p ULP 23.

איור 1. זרז SNCC ו DAMC לעומת הוסיף propanol 21. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

הגרף טיטרציה איור 2. קונדוקטומטריים עבור ENCC. ריכוז COOH = 0.01195 (V NaOH) * 10 מ"מ (ריכוז NaOH) / 0.02 גרם (ENCC הראשונית) ~ 5.98 mmol / g. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. (א) התנהגות NCC ו ENCC בחוזק יוני גבוה 17. (ב) התפתחות גודל של SNCC לעומת הוסיף propanol 21. (C - F) NCC (עיגולים) ENCC (ריבועים) בגודל פוטנציאל זטה מול הריכוז pH מלח KCl המתקבל אלקטרוקינטיות-קוליים-משרעת (ESA) וספקטרוסקופיה הנחתה אקוסטית 17. שים לב כוכבי בלוח (C) מייצג פיזור אור דינאמי (DLS) גודל. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 4. הילוכים במיקרוסקופ אלקטרונים ( TEM) מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) תמונות של (א) NCC 21, ENCC ב (B) 0 עמודים לדקה, (C) 100 ppm, ו- (ד) ריכוזי נחושת 300 ppm 22, ו- (E & F) SNCC 21. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5. יכולת הסרת נחושת של ENCC q 'דואר לעומת ה C ריכוז נחושת שיווי משקל 22. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

3 / 54133fig6.jpg "/>
איור 6. (א) ספקטרה FTIR של עיסת תאית (א, עם תוכן תשלום 0.06 מילימול / g), החלק הראשון (ב), חלק שני (ג, כלומר, ENCC), שברים השלישי (ד, כלומר, DCC עם תשלום תוכן 3.5 מילימול / g) 23. (ב) שלב נוזל 13 C תמ"ג של DCC (תוכן תשלום 3.5 מילימול / g) 23. (C) FTIR ספקטרום של עיסת תאית, NCC, ו SNCC 21. (ד) מצב מוצק 13 C תמ"ג של עיסת תאית, NCC, ו SNCC 21. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

רנטגן איור 7. עקיפה (XRD) של שברים שונים של תאית חמצון. (א) תאי ראשוני, ( (ג) חלק שני מתאית חמצון, ו (ד) חלק שלישי מתאית חמצון (תוכן תשלום = 3.5 מילימול / g) 23. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו .

למחברים אין מה לחשוף.