単一分子レベルでの環状ポリマーの拡散運動の合成と特性評価のためのプロトコルが提示されています。
We demonstrate a method for the synthesis of cyclic polymers and a protocol for characterizing their diffusive motion in a melt state at the single molecule level. An electrostatic self-assembly and covalent fixation (ESA-CF) process is used for the synthesis of the cyclic poly(tetrahydrofuran) (poly(THF)). The diffusive motion of individual cyclic polymer chains in a melt state is visualized using single molecule fluorescence imaging by incorporating a fluorophore unit in the cyclic chains. The diffusive motion of the chains is quantitatively characterized by means of a combination of mean-squared displacement (MSD) analysis and a cumulative distribution function (CDF) analysis. The cyclic polymer exhibits multiple-mode diffusion which is distinct from its linear counterpart. The results demonstrate that the diffusional heterogeneity of polymers that is often hidden behind ensemble averaging can be revealed by the efficient synthesis of the cyclic polymers using the ESA-CF process and the quantitative analysis of the diffusive motion at the single molecule level using the MSD and CDF analyses.
Cyclic polymers are unique in that they do not have chain ends. They often exhibit unusual behaviors which is distinct from their linear counterpart, including increased thermal stability of polymer micelles by a linear-to-cyclic conversion,1,2 and spatial organization of DNA in bacterial cells by a loop formation.3 Topological interactions between the cyclic chains are believed to be the critical factor for such unusual behaviors.4,5 Therefore, characterizing the motion and relaxation of cyclic polymers under entangled conditions has been an important research topic in polymer science for decades.6
Cyclic polymer dynamics has been investigated using both synthetic and naturally occurring molecules by means of ensemble averaged experimental methods such as nuclear magnetic resonance (NMR), light scattering, and viscosity measurements.7-9 However, these studies often suffer from impurity molecules in the samples.10 Furthermore, spatiotemporal heterogeneities of the motion of individual molecules caused by inherent structural heterogeneity of entangled polymers are often hidden behind the ensemble averaging in these studies. In order to characterize molecular level dynamics of cyclic polymers, a synthesis method that provides high purity cyclic polymers and an experimental and analysis methods that allow for quantitative characterization of molecular motion at the single molecule level have to be developed. Here, we will show a method to synthesize high-purity cyclic and dicyclic poly(THF)s that incorporate a fluorophore unit using an electrostatic self-assembly and covalent fixation (ESA-CF) process11-13 and a method to analyze the motion of the individual fluorophore-incorporated polymer chains using a combination of mean-squared displacement (MSD) and cumulative distribution function (CDF) analyses.
A proper data processing has been shown to be essential for the accurate characterization of the diffusive motion. With an adequate MSD and CDF analyses, a multiple-mode diffusion of the cyclic and dicyclic polymers in the melt and semi-dilute solution of the linear polymer chains has been revealed,14-16 suggesting the significant effects of the topological states of the polymers on the diffusive motion of the chains under entangled conditions.17 While the experimental and analytical approaches to characterize the motion of the cyclic polymers are described in this protocol, the same method can be used to quantitatively characterize the diffusive motion in many other heterogeneous systems. The approach would be especially suitable when multiple diffusion components existing in the samples are to be analyzed.
単官能性および二官能性ポリ(THF)の1の合成
2.ペリレンの合成ジイミド内蔵4 – 武装スターと8の字型二環ポリ(THF)
3. 1分子蛍光イメージング実験
拡散運動4.分析
4-武装と8の字型ポリマーは、合成のための重要なステップであるESA-CFプロトコル( 図1)を介して調製した。12,24単官能性および二官能性直鎖ポリ(THF)類をN -phenylpiperidinium末端基としました前述の手順に従って合成。11イオン交換は、カルボン酸の過剰量を含有する水溶液にトリフレート対アニオンを有するポリマー前駆体のアセトン溶液の再沈殿により行いました。
4アーム星型ポリマーのためのイオン交換生成物の共有結合性変換を4時間還流することにより、トルエン(4.9グラム/ L)で実施しました。変換が不十分である場合、反応時間を延長します。共有結合した生成物を、水中で、アセトン/ n-ヘキサンおよび再沈殿を用いてシリカゲルカラムクロマトグラフィーにより得ました。 4アーム重合体の1 H NMRは、 図2aに示されています。ティS ESA-CFの手順では、環状ポリマーの効果的な合成を可能にします。しかしながら、このプロトコルは、環状オニウム末端基を有するポリマーに限定されます。
8状ポリマー生成のために、反応を4時間還流希釈(0.3グラム/ L)トルエン中で行い、不溶性画分の大部分の形成をもたらし、おそらく分子間に製品を反応させました。可溶性部分は、n個のヘキサン中に再沈殿させ、アセトン/ n-ヘキサンを用いてシリカゲルカラムクロマトグラフィーに付し、水で再沈殿させました。得られた粗生成物を、サイズ排除ビーズをカラムクロマトグラフィーに付し、8状ポリマー生成物の単離を可能にするためにGPCにリサイクルしました。 8状ポリマーの1 H NMRは、 図2bに示されています。このESA-CFプロトコルは、さらに複雑なトポロジカルポリマーに適用することができます。
高品質の蛍光画像であるessenti分子の拡散運動の正確な分析のためにアル。 1)蛍光不純物が試料中に存在する場合、蛍光画像が著しく劣化し、2)組み込まれ、フルオロフォアの蛍光量子収率が低く、3)画像のフレームレートは、ポリマー分子の拡散の動きよりも遅いです。室温以下の温度(20℃)で、または37°C以上に設定すると、記録された蛍光画像の品質が低下する屈折率の不一致を引き起こします。フィルターキューブに取り付けられた狭帯域発光帯域通過フィルタを使用すると、いつか蛍光画像の品質を向上させることができます。画像化実験に用いたEM-CCDカメラの露光時間は、通常、ミリ秒に制限されているので、拡散の動きが速く、この時間スケールよりも、この方法によって捕捉することができません。
MSD分析における統計誤差の影響の評価はfoの重要なステップです異質拡散の特性をrは。統計誤差を注意深く異種の拡散を議論する前に、均一な拡散モデル22を用いて拡散係数の確率分布を計算することによって評価されるべきです。異種の拡散も慎重CDF分析によって評価されるべきです。 CDFは、均質な拡散モデル( すなわち 、単一指数関数減衰曲線)から明らかな偏差を表示すると、これは、複数の拡散成分の存在を示唆しています。異種の拡散の定量的な特徴づけは、結合されたMSD、CDFを必要とし、確率分布を分析します。14,15
拡散運動を含むポリマーのダイナミクスは、例えば、NMR、7光散乱、8および粘度測定のような従来の方法ではアンサンブル平均値として記載されている。9実際、SINGLによって明らかに異種の拡散運動を電子分子イメージング16は、アンサンブル平均法で検出することはしばしば非常に困難です。ポリマーの固有の不均一な性質を考慮すると、このプロトコルで報告25-27方法は、トポロジカルポリマーの特性に制限されないが、絡み合った条件下でのポリマーのすべての種類に適用可能である。28また、このプロトコルで報告アプローチが見つかりますこのようなメソ多孔性材料を介して分子拡散などの複雑なシステム、不均質拡散の解析に広く応用。29
The authors have nothing to disclose.
<strong>Materials</strong> | |||
THF | Godo | ||
Wakosil C-300 | Wako Pure Chemical Industries | ||
Acetone | Godo | ||
Toluene | Godo | ||
<em>n</em>-Hexane | Godo | ||
CHCl<sub>3</sub> | Kanto Chemical | ||
Bio-Beads S-X1 | Bio-Rad | ||
Methyl triflate | Nacalai Tesque | ||
Triflic anhydride | Nacalai Tesque | ||
Potassium Hydroxide | Wako Pure Chemical Industries | ||
Ethanol | Wako Pure Chemical Industries | ||
Poly(tetrahydrofuran) | Aldrich | ||
Chloroform | Wako Pure Chemical Industries | ||
Immersion oil | Cargille | Type 37 / Type A | |
<strong>Equipment</strong> | |||
2-Neck 100-ml round-bottom flask | |||
Flask | |||
Beaker | |||
Funnel | |||
Filter paper | Whatman | ||
Reflux condenser | |||
Syringe | |||
Water bath | |||
Magnetic stirrer | |||
Rotary evaporator | |||
Microscope cover slips (24 x 24 mm, No. 1) | Matsunami Glass | CO22241 | |
Staining jar | AS ONE Corporation | 1-7934-01 | |
Ultrasonic cleaner | VWR International | 142-0047 | |
Inverted microscope | Olympus | IX71 | |
Ar-Kr ion laser | Coherent | Innova 70C | |
Berek compensator | Newport | 5540 | |
Excitation filter | Semrock | LL01-488-12.5 | |
Dichloric mirror | Omega optical | 500DRLP | |
Emission filter | Semrock | BLP01-488R-25 | |
Lens and mirror | Thorlabs | ||
EM-CCD camera | Andor Technology | iXon | |
Objective lens (100X, N.A. = 1.3) | Olympus | UPLFLN 100XOP | |
Objective heater | Bioptechs | ||
Preparative GPC | Japan Analytical Industry | LC-908 |