制御された合成および均一性の高いポリの蛍光トラッキング（ N -isopropylacrylamide）ミクロゲル

この研究の全体的な目標は、ガラス転移の近傍でさまざまな粒子密度の分散体における軟質コロイド粒子の動的挙動と相互作用を調査することです。マイクロゲルは、環境に応じてサイズ、形状、可動性を適応させることができる柔らかい物体です。硬質コロイド粒子とは対照的に、ソフトマイクロゲルの挙動については多くの未解決の問題があります。

広視野蛍光顕微鏡法の主な利点は、単一のマイクロゲルを高精度で局在化し、C2での動きを直接追跡し、拡散量を分析できることです。高密度システムにおける単一のマイクロゲルのダイナミクスを調べるには、少数のマイクロゲルのみを蛍光標識する必要があります。攪拌を伴わない沈殿重合により、標識マイクロゲルと非標識マイクロゲルのサイズを簡便に一致させるため、反応条件が変化するマイクロゲルの並行合成が可能になります。

動的光散乱は、マイクロゲルの平均流体力学的半径を数ナノメートルの精度で提供します。1.8グラムのNIPAMと24ミリグラムのBISを245ミリリットルのろ過済み二重蒸留水に溶かし、還流コンデンサー、スターラー、ゴム製セプタムを備えた500ミリリットルの3ネック丸底フラスコに溶解します。セプタムから窒素を入力するための温度計と120ミリメートルの針を挿入します。

攪拌しながら溶液を摂氏60度に加熱します。次に、窒素で40分間パージすることにより、溶液を脱酸素します。5ミリリットルのろ過済み二重蒸留水に155ミリグラムの過硫酸カリウム(KPS)の開始剤溶液を同時に調製し、溶液を窒素で泡立てて酸素を除去します。

次に、シリンジを窒素で洗浄し、完全な5ミリリットルのKPS溶液を120ミリメートル針を備えた窒素洗浄シリンジに移します。窒素針を3ネックフラスコの溶液レベルより上に持ち上げ、KPS溶液をゴムセプタムから反応器に急速に追加します。窒素の流れの下で1時間重合を進め、摂氏60度でゆっくりと攪拌します。

ブフナー漏斗と濾紙を使用して高温の反応溶液をろ過し、大きな凝集体は廃棄します。分散液を冷ました後、遠心分離機にかけ、分散液を257,000回G.Finallyで40分間3回遠心分離し、再分散させてから、分散液を凍結乾燥して保存する前に、最小実行可能な量の二重蒸留水で沈殿物を再分散させます。257.7ミリグラムのNIPAMと3.5ミリグラムのBIS、および1.5ミリグラムのメタクリロキシエチルチオカルバモイルローダミンB染料をガラス容器に秤量し、10ミリリットルのフィルター二重蒸留水を追加します。

染料を含まない同じ溶液を別のガラス容器に調製します。染料溶液を15分間超音波処理して、染料を水に溶解します。モノマー溶液を染料でさまざまな希釈液で調製して、濃度シリーズを得ます。

ここでは、1リットルあたり02〜0.1ミリモルの濃度範囲の染料が使用されます。次に、8.4ミリグラムのKPSを10ミリリットルのろ過された二重蒸留水に溶解して、開始剤溶液を得ます。0.5ミリリットルの濃度シリーズと05ミリリットルのKPS溶液を直径10ミリメートルの試験管に移して、最終反応溶液を得ます。

チューブをゴム製のセプタムで密封します。加熱サーキュレーターに接続された二重壁のガラス容器内のオイルバスを摂氏63度に予熱します。120ミリメートルの針を通して窒素で20分間パージすることにより、反応溶液を脱酸素します。

次に、チューブをフローティングプラットフォームに挿入し、プラットフォームを予熱したオイルバスに浸します。温度を摂氏60度に設定します。高精度な粒度調整のためには、初期反応時の温度制御を厳格に行う必要があり、通常は摂氏マイナス0.1度

適当な時間、反応を進行させます。通常、1時間で十分です。反応後、反応チューブを摂氏60度のオーブンに急速に移します。

濾過した二重蒸留水10ミリリットルに熱分散液を1滴入れ、poly-NIPAM体積相転移温度で予熱して、崩壊状態の粒子の流体力学的半径を測定します。残りの分散液を室温まで冷まし、遠心分離管に移します。溶液を遠心分離した後、マイクロゲルを2ミリリットルのろ過済み二重蒸留水で希釈してトレーサー粒子として使用します。

動的光散乱による崩壊状態での流体力学的半径決定のためには、まずキュベットとガラス器具をアセトン蒸気で洗浄します。約1ミリリットルの希釈粒子分散液を測定キュベットに移します。動的光散乱ゴニオメーターインデックスマッチバスを摂氏50度にテンパリングし、サンプルを冷まさずに装置に移します。

サンプルキュベットを挿入し、検出器アームを小さな散乱角度に動かします。テキストプロトコルに記載されているビームプロファイルとカウント範囲を確認した後、ゴニオメーターアームを最大の散乱角度に移動します。カウントレートが測定に十分な高さであることを確認してください。

強度が低すぎる場合は、アームを低い散乱角度に動かします。次に、トルエンバスグラスを通して最も低い散乱角度でビームを視覚的に確認します。入射ビームの周囲にグローが観測されると、多重散乱が発生します。

最小散乱角と最大散乱角の間に 20 個のコレログラムを最小取得時間 60 秒で取得します。必要に応じて、弱強度の大きな散乱角度の取得時間を長くします。トレーサーの励起とサンプルからの蛍光収集を同時に行うために、所望の倍率と開口の適切な対物レンズを使用してください。

本作では、100倍、開口数1.3の油浸対物レンズを使用しています。モイスチャーチャンバーを顕微鏡に収まるXYZ pi-SOテーブルに置きます。サンプルの乾燥を防ぐために、プラズマ洗浄したカバースリップを水分チャンバーに入れ、所望の濃度のポリNIPAM分散液を10マイクロリットルピペットで移します。

蛍光色素の励起スペクトルと発光スペクトルに応じて、励起に適したレーザーを使用し、レーザー出力を適切に調整します。ここでは、561ナノメートルのダイオードポンプ固体レーザーを16ミリワットの一定のレーザー出力で使用しています。均一なサンプル照明を得るには、レーザーをマルチモードファイバーに結合し、ボルテクサーを使用してファイバーを振ってレーザースペックルを一時的に平均化し、ファイバーの端をサンプル平面に投影します。

カバースリップの後方反射からのZ距離を校正し、対物レンズをわずかに上に動かしてサンプルに数マイクロメートルの焦点を合わせ、Z補正器を使用してZ位置を固定します。これにより、カバースリップとのインターフェースの影響が回避されます。露光時間などの検出器パラメータを蛍光シグナルの強度に合わせて調整します。

この場合、EMCCDカメラは、電子増倍モードで0.1秒の露光時間、ゲイン50で使用されます。適切なフレーム数で複数の動画を取得し、サンプルの異なる領域におけるマイクロゲルの平均二乗変位を計算するための適切な遅延時間を取得します。標識されたマイクロゲルの8つのバッチを合成しました。

6 つのバッチについて、コレログラムの崩壊率は散乱ベクトルの大きさの 2 乗に対して線形上昇を示しており、これはサイズ分布が狭いことを示しています。原点を通る近似は、並進拡散のみを示します。2つのバッチについて、非線形動作が観察されます。

この偏差は、サイズ分布が広く、粒子の形状係数が最小であり、散乱ベクトル範囲と一致することによって発生します。粒子の平均拡散係数をより正確に推定するには、これらの点を近似から除外します。高いS/N比により、蛍光マイクロゲルのトラッキングが可能です。

それらの拡散は、非標識マイクロゲルマトリックスによって制限されます。右側で標識されていないマイクロゲルマトリックスの濃度が高いと、蛍光マイクロゲルが非標識マイクロゲルのマトリックスに閉じ込められるケージ効果が顕著になります。低濃度の非標識ミルコゲルマトリックスでは、トレーサーマイクロゲルは正常な拡散を示しますが、これは遅延時間に伴う平均二乗変位の線形増加から推測されます。

しかし、コロイドガラス転移に近い高濃度では、平均二乗変位の非線形時間的発展によって描かれる非線形拡散を示します。高濃度の非標識マイクロゲルマトリックスでは、トレーサーマイクロゲルは、12個のマイクロゲルのクラスター化されたトラックで示されるように、標識されていない隣接物によって一過性のケージに閉じ込められます。パラレル・スモールスケール・シンセシスにより、異なる反応パラメータでの迅速な実験が可能になります。

これにより、反応温度差による望ましくない実験変動も最小限に抑えられます。慎重な動的光散乱特性評価と組み合わせることで、適切なマイクロゲルサイズの反応条件を迅速に見つけることができます。このビデオでは、制御されたマイクロゲル合成により、広視野蛍光顕微鏡による濃縮マイクロゲル溶液中の単一マイクロゲルの拡散をどのように調査できるかを示します。

この手順に従うと、マイクロゲルの構造がそれらの特性をどのように制御するかを理解することができます。これにより、新しいソフトインタラクティブマターの設計への扉が開かれます。