Controllo della dimensione, forma e stabilità dei polimeri supramolecolari in acqua

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di controllare le dimensioni, la forma e la stabilità delle nanoparticelle dinamiche super molecolari in acqua. Ciò si ottiene mediante la progettazione di amplificatori dicotici autoassemblanti o polimerizzanti la cui struttura molecolare è rivestita per interazioni sia attrattive che repulsive. Ciò si traduce in un meccanismo di crescita frustrato che produce nanoparticelle autoassemblate in acqua con una forma sferica controllata.

Come secondo passo, la concentrazione salina della soluzione acquosa viene aumentata, il che indebolisce le interazioni repulsive codificate nella struttura molecolare dell'anfio da discoteca. Ciò induce una transizione da sfera a bastoncello, un dirowismo circolare dipendente dalla temperatura o indagini spettroscopiche CD o eseguite per rivelare i meccanismi sottostanti di questa transizione da sfera a bastoncello. Inoltre, una combinazione di tecniche analitiche come la microscopia elettronica a trasmissione criogenica e la risonanza magnetica nucleare vengono utilizzate per misurare e visualizzare la transizione da un tipo di aggregato all'altro, si ottengono risultati che mostrano che la transizione da sfera a barra è espressa in una cooperativa potenziata nella polimerizzazione super molecolare.

Ciò ha origine in una transizione da un processo anticooperativo in nanoparticelle di dimensioni limitate a un meccanismo di allungamento della nucleazione completamente cooperativo che porta a polimeri supramolecolari molto grandi, in questo caso nano barre dinamiche. Il vantaggio principale di combinare tecniche spettroscopiche come la spettroscopia CD, la piccola anula, la diffusione di raggi X e la risonanza magnetica con tecniche microscopiche come la crioterapia è che consente di misurare e visualizzare le transizioni di polimeri super molecolari in acqua. Questi polimeri dinamici possono rispondere a stimoli esterni come variazioni di temperatura, variazioni della forza OnX o variazioni di pH.

La combinazione di questi metodi è ampiamente applicabile e può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della chimica molecolare e dei nanomateriali autoassemblati. Ad esempio, può essere studiata la correlazione tra le dimensioni degli aggregati formati dall'autoassemblaggio di piccoli blocchi molecolari e i meccanismi di formazione sottostanti. Le implicazioni di questa metodologia si estendono a un'ampia gamma di applicazioni bio nanotecnologiche.

Siamo stati particolarmente interessati all'area dell'imaging biomedico e allo sviluppo di agenti di contrasto nano particellari autoassemblati, in cui un delicato equilibrio tra la stabilità dell'aggregato, l'elevato contrasto e la capacità di espellere gli agenti di contrasto autoassemblati è di fondamentale importanza per il loro successo nell'uso clinico. Abbiamo avuto l'idea di combinare le tecniche di caratterizzazione quando ci siamo resi conto che sottili cambiamenti nella struttura molecolare dei blocchi costitutivi autoassemblanti possono portare a differenze fondamentali nel meccanismo della polimerizzazione super molecolare. A dimostrare la procedura sarà Paul Beaumont, esperto e responsabile delle strutture di crioterapia 10 presso l'Università tecnica di Trovan.

Iniziare questo protocollo preparando una soluzione DTPA di gadolinio BTA in tampone citrato da 100 millimolari come descritto nel protocollo scritto. Accompagnando questo video, riempi un veterinario UV Q da un centimetro con la soluzione. Inserire il veterinario nel supporto qve sullo spettrometro circolare a D di crowism.

Misura uno spettro CD da 230 a 350 nanometri. Quindi misurare una curva di raffreddamento CD alla banda CD di massima intensità da 363 a 283 kelvin a una velocità di un kelvin al minuto. Quindi, aggiungere lo stesso volume di due molari soluzione tamponata di cloruro di sodio alla soluzione tamponata con citrato di BTA gadolinio DTPA.

Questo aumenterà la forza ionica a un molare di cloruro di sodio e diluirà le discoteche a metà della concentrazione. Agitare la soluzione con una maggiore forza ionica per 40 secondi dopo l'aumento della forza ionica, rimisurare uno spettro CD da 230 a 350 nanometri. Quindi misurare una curva di raffreddamento CD alla banda CD di massima intensità da 363 a 283 kelvin a una velocità di un kelvin al minuto.

Esportare i dati grezzi del CD nell'origine 8.5. Normalizzare gli spettri definendo l'effetto CD alla temperatura misurata più alta come uguale a zero e l'effetto CD alla temperatura misurata più bassa come uguale a uno poiché l'entità dell'effetto CD è proporzionale al grado di aggregazione, le curve CD normalizzate sono proporzionali al grado di aggregazione. I dati normalizzati vengono adattati utilizzando un'opzione di adattamento della curva non lineare in origin Pro 8.5 con un modello di autoassemblaggio dipendente dalla temperatura.

In questo modello, si distinguono un regime di nucleazione e uno di allungamento. Innanzitutto, adattare il grado di aggregazione nel regime di allungamento. In questa equazione, T rappresenta la temperatura variabile.

PHI N è l'elicità netta, che è proporzionale al grado di aggregazione, e HE è l'entalpia molecolare dell'allungamento. T TE rappresenta la temperatura di allungamento, che è la temperatura alla quale l'autoassemblaggio inizia a diventare termodinamicamente favorevole. Il fattore di normalizzazione fiat viene introdotto per garantire che Phi N su fiat non superi l'unità, che deriva dal vincolo che il grado di aggregazione non può superare.

L'accoppiamento unitario consente di estrarre l'entalpia di allungamento nei gioielli per mole e la temperatura di allungamento in Kelvin che caratterizza l'autoassemblaggio delle molecole per una data concentrazione. Quando si esegue l'adattamento, si rispetta il vincolo che solo il grado di aggregazione a temperature inferiori a TE dovrebbe essere adattato poiché l'equazione è valida solo nel regime di allungamento dopo l'adattamento della prima equazione, l'unico parametro sconosciuto nell'equazione del regime di nucleazione è la costante di attivazione ka, che descrive la cooperativa della polimerizzazione supramolecolare. Per trovare l'adattamento della costante di attivazione, il grado di aggregazione trovato sperimentalmente per temperature superiori a TE nel regime di nucleazione.

Inizia preparando le soluzioni per la microscopia elettronica come descritto nel testo. Preparare brevemente due tamponi, un tampone citrato da 100 millimolari e un tampone citrato da 100 millimolari con cinque molari di cloruro di sodio disciolto, BTA gadolinio DTPA in 0,1 millilitri di ciascuno dei tamponi preparati per ottenere una concentrazione deco di un millimolare. Successivamente, il plasma tratta una griglia rivestita di carbonio con foglio di carbonio utilizzando un coer di carbonio C Resington 2 0 8 che funziona a cinque milliampere per 40 secondi.

La procedura di vitrificazione è una fase cruciale della criogenica poiché garantisce che un sottile strato di ISIS lucido prodotto sia adatto per l'analisi TAM. La soluzione acquosa viene applicata sulla griglia durante la vetrificazione su un robot in vitro FEI automatizzato. Ciò comporta l'applicazione del campione sulla griglia, il blotting del liquido in eccesso per creare un film sottile della soluzione acquosa sulla griglia e la successiva vetrificazione immergendo la griglia molto rapidamente nell'Ethan liquido.

Dopo la vetrificazione, trasferire la griglia trattata in azoto liquido per preservarla, quindi trasferire manualmente la griglia del campione in una cassetta di caricamento automatico, anch'essa raffreddata con azoto liquido. Il passaggio successivo consiste nell'inserire la cassetta nel TUE cryo Titan, TEM auto Loader. Il TUE Cryo Titan è dotato di una pistola a emissione di campo funzionante a 300 kilovolt.

La registrazione delle immagini TAM richiede esperienza e rapidità di gestione. Questo perché il fascio di elettroni ad alta energia danneggia il campione durante l'imaging Registra le immagini utilizzando una telecamera CCD dotata di un filtro di energia gatin post colonna. Poiché il gadolinio è altamente paramagnetico e i segnali protonici sarebbero quindi ampliati in modo significativo, è stata utilizzata una discoteca diversa in cui il gadolinio è stato sostituito con ittrio diamagnetico e una soluzione di atrio BT.

Il DTPA è preparato. Calcola quanti milligrammi di DTPA nell'atrio BT a un peso molecolare di 2.979 grammi per mole sono necessari per raggiungere una concentrazione target di un millimolare. Procedere alla dissoluzione della quantità determinata di DTPA nell'atrio BT in un tampone succinato declassato da 50 millimolari in D due O dopo aver pipettato 0,6 millilitri della soluzione risultante in una provetta NMR LABAs.

Inserire il campione in una variante unitaria nello spettrometro Nova 500 dotato di una sonda I-D-P-F-G da cinque millimetri di Varian. Eseguire gli esperimenti DOI come discusso nel testo dopo aver registrato un NMR protonico standard adattando l'impulso di 90 gradi e ottimizzando di conseguenza i tempi di miscelazione. La sequenza di impulsi one-shot DOI da viene utilizzata dopo aver determinato l'autodiffusione dell'HDO nella sonda di riferimento ovarica e nel campione viene determinato il coefficiente di diffusione degli aggregati da cui è possibile calcolare il raggio idrodinamico.

Infine, calcolare i raggi idrodinamici RH degli aggregati utilizzando la relazione di Stokes Einstein per la diffusione di una particella sferica. Il carattere ionico dei complessi DTPA periferici del gadolinio introduce frustrazione nella crescita unidimensionale dei monomeri da discoteca il cui nucleo è progettato per polimerizzare in aggregati allungati a forma di bastoncelli. L'equilibrio tra interazioni attrattive e repulsive controlla la dimensione e la forma degli aggregati.

Una tecnica potente per determinare la dimensione e la forma delle particelle e della soluzione è la sorgente di sincrotrone. Diffusione di raggi X a piccolo angolo o aspira. Il DTPA del gadolinio BTA è stato disciolto in una soluzione tampone di citrato e i profili di aspirazione sono stati registrati a due diverse concentrazioni.

Una pendenza che si avvicina allo zero nella regione del Q basso indica una mancanza di forma e isotropia nell'aggregato, suggerendo la presenza di oggetti sferici. I dati misurati a diverse concentrazioni sono stati adattati utilizzando un fattore di forma sferico monodisperso omogeneo che porta a un raggio calcolato di 3,2 nanometri. Il raggio geometrico calcolato del disco monomerico, BTA gadolinio DTPA è di 3,0 nanometri, che la presenza di più aggrega con un rapporto di aspetto vicino a uno al fine di fornire ulteriori prove per la forma sferica e la dimensione nanometrica degli oggetti autoassemblati.

È stata eseguita la spettroscopia NMR ordinata a diffusione protonica. Il DOI NMR consente di determinare i coefficienti di diffusione degli aggregati supermolecolari da cui è possibile calcolare il loro raggio idrodinamico. Il coefficiente di diffusione dell'amplificazione dicotica diamagnetica aggregata in un tampone succinato deuterato è stato determinato essere 0,69 volte 10 alla potenza meno 10 metri quadrati al secondo tramite la relazione di Einstein di Stokes.

È stato calcolato un raggio idrodinamico di 2,9 nanometri per gli oggetti discreti di dimensioni sferiche. Questa dimensione è un ottimo accordo con il valore ottenuto dai dati SOX per il DTPA del gadolinio BTA. Un'ulteriore prova del successo del controllo sulla lunghezza della pila unidimensionale è stata ottenuta dalle micrografie criogeniche.

Il DTPA del gadolinio BTA produce gli oggetti sferici attesi con diametri vicini ai sei nanometri a una concentrazione di un millimolare, il che conferma i risultati delle misurazioni SO e DOI. La formazione di barre ad alto rapporto d'aspetto, come i polimeri supramolecolari, è chiaramente osservata nelle micrografie criogeniche ad alta forza ionica. Lo screening elettrostatico è la spiegazione più probabile per questo risultato.

La forma cambia da un aggregato sferico di circa sei nanometri di diametro a barre allungate con un diametro di sei nanometri e una lunghezza fino a diverse centinaia di nanometri. Qui sono mostrati gli spettri CD a temperatura ambiente del BTA Gadolinio DTPA con l'aumentare della concentrazione salina. La concentrazione di DTPA del gadolinio BTA è otto volte 10 alla potenza meno tre millimolari a bassa forza ionica e quattro volte 10 alla potenza meno tre millimolari ad alta forza ionica.

Sebbene per le misurazioni del CD venga applicata una concentrazione significativamente inferiore, l'effetto cotone trasparente indica la presenza di aggregati intatti anche a concentrazioni micromolari. La forma dello spettro CD cambia all'aumentare della concentrazione di sale, il che è una buona indicazione per una riduzione delle interazioni repulsive alla periferia delle pile e per un migliore impacchettamento dei deco. Inoltre, le curve di raffreddamento CD delle stesse soluzioni mostrano differenze di forma distinte.

La temperatura alla quale inizia l'aggregazione passa a temperature più elevate con una maggiore concentrazione di sale. Diventa anche evidente un meccanismo sempre più cooperativo caratterizzato da un aumento più brusco dell'effetto CD, mentre la curva di raffreddamento a zero molari di cloruro di sodio è meglio descritta da un modello di autoassemblaggio ISO smic indicativo di un processo anti cooperativo. La curva di raffreddamento a 1,0 molari di cloruro di sodio è tipica di un processo di autoassemblaggio cooperativo e può essere descritta da un modello di allungamento della nucleazione che quantifica i parametri termodinamici dell'autoassemblaggio del BTA gadolinio DTPA a zero e di un molare di cloruro di sodio.

L'uso di un modello cooperativo rivela chiaramente la diminuzione di ka, che è l'attivazione adimensionale. Costante. Valori più bassi per KA indicano un grado più elevato di cooperazione nel processo di autoassemblaggio, che si esprime nella formazione di polimeri supramolecolari altamente allungati. Come osservato nel crioTEM Mentre si tentano le tecniche sperimentali dimostrate, è importante ricordare che solo una combinazione di metodi sperimentali porterà a una descrizione complessiva significativa dei nanomateriali dinamici oggetto di indagine.

Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di quanto sia ampiamente applicabile il nostro approccio sperimentale combinato e di come possa aiutare a rispondere a domande chiave nel campo dei nanomateriali autoassemblati e delle super poesie.