שליטה על גודל, צורה ויציבות של פולימרים מולקולריים במים

המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לשלוט בגודל, בצורה וביציבות של ננו-חלקיקים דינמיים סופר-מולקולריים במים. זה מושג על ידי תכנון של מגברות דיכוטיות בהרכבה עצמית או פילמור שהמבנה המולקולרי שלהן מצופה לאינטראקציות אטרקטיביות ודוחות כאחד. התוצאה היא מנגנון צמיחה מתוסכל המניב ננו-חלקיקים בהרכבה עצמית במים בעלי צורה כדורית מבוקרת.

כשלב שני, ריכוז המלח של התמיסה המימית מוגבר, מה שמחליש את האינטראקציות הדוחות המקודדות במבנה המולקולרי של אמפי הדיסקו. זה גורם למעבר כדור למוט, חקירות מעגליות תלויות טמפרטורה או חקירות ספקטרוסקופיות CD או מבוצעות כדי לחשוף את המנגנונים הבסיסיים של מעבר כדור זה למוט. בנוסף, שילוב של טכניקות אנליטיות כגון מיקרוסקופ אלקטרונים שידור קריוגני ותהודה מגנטית גרעינית משמשים למדידה והדמיה של המעבר מסוג אחד של אגרגט לשני מתקבלות תוצאות המראות שהמעבר בין כדור למוט מתבטא בקואופרטיב משופר בפילמור הסופר מולקולרי.

מקורו במעבר מתהליך אנטי-שיתופי בננו-חלקיקים בגודל מוגבל למנגנון התארכות גרעין שיתופי לחלוטין שמוביל לפולימרים סופרמולקולריים גדולים מאוד במקרה זה, מוטות ננו דינמיים. היתרון העיקרי בשילוב טכניקות ספקטרוסקופיות כמו ספקטרוסקופיה CD, פיזור קרני רנטגן אנולרי קטן ו-MR עם טכניקה מיקרוסקופית כמו קריו הוא שהוא מאפשר למדוד ולדמיין מעברים של פולימרים סופר מולקולריים במים. פולימרים דינמיים אלה יכולים להגיב לגירויים חיצוניים כמו שינויים בטמפרטורה, שינויים בעוצמת ה-OnX או שינויים ב-pH.

השילוב של שיטות אלו ישים באופן נרחב ויכול לעזור לענות על שאלות מפתח בתחומי הכימיה המולקולרית וננו-חומרים בהרכבה עצמית. לדוגמה, ניתן לחקור את המתאם בין ממדי האגרגטים הנוצרים על ידי הרכבה עצמית של אבני בניין מולקולריות קטנות לבין מנגנוני ההיווצרות הבסיסיים. ההשלכות של מתודולוגיה זו משתרעות על מגוון רחב של יישומים ביו-ננו-טכנולוגיים.

התענייננו במיוחד בתחום ההדמיה הביו-רפואית ובפיתוח חומרי ניגוד ננו חלקיקים בהרכבה עצמית, כאשר איזון עדין בין יציבות הצבירה, הניגודיות הגבוהה והיכולת להפריש את חומרי הניגוד בהרכבה עצמית הוא בעל חשיבות עליונה להצלחת השימוש הקליני. לראשונה עלה לנו הרעיון לשלב טכניקות אפיון כאשר הבנו ששינויים עדינים במבנה המולקולרי של אבני הבניין בהרכבה עצמית יכולים להוביל להבדלים מהותיים במנגנון הפילמור הסופר-מולקולרי. מי שידגים את ההליך יהיה פול בומונט, שהוא המומחה והאחראי על מתקני קריו 10 באוניברסיטה הטכנית של טרובן.

התחל פרוטוקול זה על ידי הכנת תמיסת BTA גדוליניום DTPA במאגר ציטראט של 100 מילימולר כמתואר בפרוטוקול הכתוב. בליווי סרטון זה, מלאו וטרינר UV Q בסנטימטר אחד בתמיסה. הכנס את הווטרינר למחזיק ה-qve בספקטרומטר העורב העגול D.

מדוד ספקטרום CD בין 230 ל-350 ננומטר. לאחר מכן מדוד עקומת קירור CD ברצועת CD בעוצמה הגבוהה ביותר מ-363 עד 283 קלווין בקצב של קלווין אחד לדקה. לאחר מכן, הוסף את אותו נפח של שתי תמיסות חוצץ נתרן כלוריד מולארי לתמיסה המאגרת ציטראט של BTA גדוליניום DTPA.

זה יגדיל את החוזק היוני לנתרן כלורי מולארי אחד וידלל את הדיסקוטקים למחצית הריכוז. מערבולת התמיסה עם חוזק יוני מוגבר למשך 40 שניות לאחר העלייה בחוזק היוני, מדוד מחדש ספקטרום CD מ-230 ל-350 ננומטר. לאחר מכן מדוד עקומת קירור CD ברצועת CD בעוצמה הגבוהה ביותר מ-363 עד 283 קלווין בקצב של קלווין אחד לדקה.

ייצא את נתוני התקליטור הגולמיים למקור 8.5. נרמל את הספקטרום על ידי הגדרת אפקט ה-CD בטמפרטורה הגבוהה ביותר שנמדדה כשווה לאפס, ואפקט ה-CD בטמפרטורה הנמדדת הנמוכה ביותר שווה לאחד מכיוון שגודל אפקט ה-CD פרופורציונלי למידת הצבירה, עקומות ה-CD המנורמלות פרופורציונליות למידת הצבירה. הנתונים המנורמלים מותאמים באמצעות אפשרות התאמת עקומה לא ליניארית במקור Pro 8.5 עם דגם הרכבה עצמית תלוי טמפרטורה.

במודל זה נבדלים גרעין ומשטר התארכות. ראשית, התאימו את מידת הצבירה במשטר ההתארכות. במשוואה זו, T מייצג את הטמפרטורה המשתנה.

PHI N היא הליסיטי נטו, שהיא פרופורציונלית למידת הצבירה, ו-HE היא האנתלפיה המולקולרית של ההתארכות. T TE מייצג את טמפרטורת ההתארכות, שהיא הטמפרטורה שבה ההרכבה העצמית מתחילה להיות חיובית מבחינה תרמודינמית. פיאט גורם הנורמליזציה מוצג כדי להבטיח ש-Phi N על פיאט לא יעלה על האחדות, הנובעת מהאילוץ שמידת הצבירה לא יכולה לחרוג

התאמת האחדות מאפשרת לחלץ את האנתלפיה של התארכות בתכשיטים לכל שומה ואת טמפרטורת ההתארכות בקלווין המאפיינת את ההרכבה העצמית של המולקולות לריכוז נתון. בעת ההתאמה יש לציית לאיפוק שיש להתאים רק את מידת הצבירה בטמפרטורות מתחת ל-TE מכיוון שהמשוואה תקפה רק במשטר ההתארכות לאחר התאמת המשוואה הראשונה, הפרמטר היחיד הלא ידוע במשוואת משטר הגרעין הוא קבוע ההפעלה ka, המתאר את שיתוף הפעולה של הפילמור העל-מולקולרי. כדי למצוא את התאמת קבוע ההפעלה, מידת הצבירה שנמצאה בניסוי לטמפרטורות מעל TE במשטר הגרעין

התחל בהכנת פתרונות למיקרוסקופ אלקטרונים כמתואר בטקסט. הכינו בקצרה שני חוצצים, מאגר ציטראט של 100 מילי-מולאר, ומאגר ציטראט של 100 מילי-מולרי עם התמוססות של חמישה נתרן כלורי מולארי, BTA גדוליניום DTPA ב-0.1 מיליליטר מכל אחד מהמאגרים המוכנים כדי להשיג ריכוז דקו של מילימול אחד. הפלזמה הבאה מטפלת ברשת מצופה פחמן בנייר כסף קוונטי באמצעות מתקן פחמן C Resington 2 0 8 הפועל בחמישה מיליאמפר למשך 40 שניות.

הליך הזיגוג הוא שלב מכריע של קריו מכיוון שהוא מבטיח ששכבה דקה של ISIS מבריק המיוצרת ב מתאימה לניתוח TAM. התמיסה המימית מיושמת על הרשת במהלך הזיגוג על בוט אוטומטי של FEI vitro. זה כרוך ביישום הדגימה על הרשת, ספיגת עודפי נוזל ליצירת סרט דק של התמיסה המימית על הרשת, וזיגוג לאחר מכן על ידי טבילת הרשת במהירות רבה בנוזל איתן.

לאחר הזיגוג העבירו את הרשת המטופלת לחנקן נוזלי כדי לשמר אותה, ולאחר מכן העבירו ידנית את רשת הדגימה לקלטת טעינה אוטומטית, שמקוררת גם בחנקן נוזלי. השלב הבא הוא הכנסת הקסטה לתוך TUE cryo Titan, TEM auto Loader. ה-TUE Cryo Titan מצויד באקדח פליטת שטח הפועל ב-300 קילו-וולט.

הקלטת תמונות TAM דורשת ניסיון וטיפול מהיר. הסיבה לכך היא שקרן האלקטרונים באנרגיה גבוהה פוגעת בדגימה במהלך ההדמיה הקלט תמונות באמצעות מצלמת CCD המצוידת במסנן אנרגיית גטין עמוד. מכיוון שגדוליניום הוא פרמגנטי מאוד ואותות הפרוטונים יורחבו באופן משמעותי, נעשה שימוש בדיסקו אחר שבו הוחלף גדוליניום באיטריום דיאמגנטי ובתמיסה של אטריום BT.

DTPA מוכן. חשב כמה מיליגרם של BT atrium DTPA במשקל מולקולרי של 2, 979 גרם לשומה נחוצים כדי להשיג ריכוז יעד של מילימול אחד. המשך להמיס את הכמות שנקבעה של BT atrium DTPA במאגר סוקסינט מופחת של 50 מילימולרית ב-D two O לאחר פיפטינג של 0.6 מיליליטר מהתמיסה המתקבלת לתוך וילם, צינור תמ"ג של LABAs.

הכנס את הדגימה לאחדות וריאנט בספקטרומטר נובה 500 המצויד בבדיקה I-D-P-F-G של חמישה מילימטר מבית Varian. בצע את ניסויי ה-DOI כפי שנדון בטקסט לאחר הקלטת תמ"ג פרוטון סטנדרטי, התאמת הדופק של 90 מעלות ואופטימיזציה של זמני הערבוב בהתאם. רצף הדופק החד-פעמי של DOI משמש לאחר קביעת הדיפוזיה העצמית של HDO בבדיקת ייחוס שחלתי, ובמדגם נקבע מקדם הדיפוזיה של האגרגטים שממנו ניתן לחשב את הרדיוס ההידרודינמי.

לבסוף, חשב את הרדיוסים ההידרודינמיים RH של האגרגטים באמצעות יחס סטוקס איינשטיין לדיפוזיה של חלקיק כדורי. האופי היוני של מתחמי ה-DTPA ההיקפיים של גדוליניום מציג תסכול בצמיחה החד-ממדית של מונומרי הדיסקו שליבתם נועדה להתפלמר למוט מוארך כמו אגרגטים. האיזון בין אינטראקציות אטרקטיביות ודוחות שולט בגודל ובצורת האגרגטים.

טכניקה רבת עוצמה לקביעת גודל וצורת החלקיקים והתמיסה היא מקור סינכרוטרון. פיזור רנטגן בזווית קטנה או מבאס. BTA גדוליניום DTPA הומס בתמיסת חיץ ציטראט ופרופילי היניקה נרשמו בשני ריכוזים שונים.

שיפוע המתקרב לאפס באזור Q הנמוך מצביע על חוסר צורה ואיזוטרופיה במצטבר המרמז על נוכחות של עצמים כדוריים. הנתונים שנמדדו בריכוזים שונים הותאמו באמצעות גורם צורה כדורי מונו פיזור הומוגני המוביל לרדיוס מחושב של 3.2 ננומטר. הרדיוס הגיאומטרי המחושב של דיסקו מונומרי, BTA גדוליניום DTPA הוא 3.0 ננומטר, אשר נוכחותו מצטברת ביחס גובה-רוחב של קרוב לאחד על מנת לספק ראיות נוספות לצורה הכדורית ולגודל הננומטרי של העצמים המורכבים מעצמם.

בוצעה ספקטרוסקופיה של תמ"ג בהזמנת דיפוזיה של פרוטונים. DOI NMR מאפשר לקבוע את מקדמי הדיפוזיה של הצברים הסופר-מולקולריים שמהם ניתן לחשב את הרדיוס ההידרודינמי שלהם. מקדם הדיפוזיה של ההגברה הדיכוטית הדיאמגנטית המצטברת במאגר סוקסינט דוטראט נקבע כ-0.69 כפול 10 להספק מינוס 10 מטר בריבוע לשנייה באמצעות יחס סטוקס איינשטיין.

רדיוס הידרודינמי של 2.9 ננומטר חושב עבור העצמים הדיסקרטיים בגודל כדורי. גודל זה הוא התאמה מצוינת לערך המתקבל מנתוני SOX עבור BTA גדוליניום DTPA. ראיות נוספות לשליטה מוצלחת על אורך ערימה חד מימדי התקבלו ממיקרוגרפים של cryo TEM.

ה-BTA גדוליניום DTPA מייצר את העצמים הכדוריים הצפויים בקוטר הקרוב לשישה ננומטר בריכוז של מילי-מולרית אחת, מה שמאשר את התוצאות ממדידות כך ו-DOI. היווצרות מוט יחס גובה-רוחב גבוה, כמו פולימרים סופרמולקולריים, נצפית בבירור במיקרוגרפים קריו טה בעלי חוזק יוני גבוה. סינון אלקטרוסטטי הוא ההסבר הסביר ביותר לממצא זה.

הצורה משתנה מאגרגט כדורי בקוטר של כשישה ננומטר למוטות מוארכים בקוטר של שישה ננומטר ואורך של עד כמה מאות ננומטרים. ספקטרום התקליטורים בטמפרטורת החדר של BTA Gadolinium DTPA עם עלייה בריכוז המלח מוצגים כאן. ריכוז ה-BTA גדוליניום DTPA הוא שמונה פעמים 10 להספק מינוס שלושה מילימולר בעוצמה יונית נמוכה וארבע פעמים 10 להספק מינוס שלושה מילימולר בעוצמה יונית גבוהה.

למרות שריכוז נמוך משמעותית מוחל על מדידות ה-CD, אפקט הכותנה השקוף מעיד על נוכחות של אגרגטים שלמים גם בריכוזים מיקרו-מולאריים. צורת ספקטרום ה-CD משתנה עם הגדלת ריכוז המלח, המהווה אינדיקציה טובה להפחתת אינטראקציות דוחות בפריפריה של הערימות ואריזה משופרת של הדקו. בנוסף, עקומות קירור ה-CD של אותם פתרונות מראות הבדלים ברורים בצורה.

הטמפרטורה שבה מתחילה הצבירה עוברת לטמפרטורות גבוהות יותר בריכוז מלח גבוה יותר. מתגלה גם מנגנון שיתופי יותר ויותר המאופיין בעלייה פתאומית יותר באפקט ה-CD, בעוד שעקומת הקירור באפס נתרן כלורי מולארי מתוארת בצורה הטובה ביותר על ידי מודל הרכבה עצמית ISO smic המעיד על תהליך אנטי-שיתופי. עקומת הקירור בנתרן כלורי מולרי 1.0 אופיינית לתהליך הרכבה עצמית שיתופי וניתן לתאר אותה על ידי מודל התארכות גרעין המכמת את הפרמטרים התרמודינמיים של ההרכבה העצמית של BTA גדוליניום DTPA באפס ונתרן כלורי מולארי אחד.

שימוש במודל שיתופי חושף בבירור את הירידה ב-ka, שהיא ההפעלה חסרת הממד. קבוע. ערכים נמוכים יותר עבור KA מצביעים על רמה גבוהה יותר של שיתוף פעולה בתהליך ההרכבה העצמית, המתבטאת בהיווצרות פולימרים סופרמולקולריים מוארכים מאוד. כפי שנצפה ב-cryo TEM בעת ניסיון הטכניקות הניסיוניות המודגמות, חשוב לזכור שרק שילוב של שיטות ניסיוניות יוביל לתיאור כולל משמעותי של הננו-חומרים הדינמיים הנחקרים.

לאחר צפייה בסרטון זה, אתם אמורים להבין היטב עד כמה הגישה הניסויית המשולבת שלנו ישימה וכיצד היא יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום של ננו-חומרים בהרכבה עצמית ושירי-על.