Toepassing van spanning in dynamic light scattering particle size analysis

Samenvatting

Hier wordt een protocol gepresenteerd om spanning toe te passen op oplossing tijdens metingen van dynamische lichtverstrooiingdeeltjes met de bedoeling het effect van spannings- en temperatuurveranderingen op polymeeraggregatie te onderzoeken.

Samenvatting

Dynamische lichtverstrooiing (DLS) is een veel gebruikte methode voor het karakteriseren van de grootteverdeling van polymeren, eiwitten en andere nano- en microdeeltjes. Moderne instrumentatie maakt het mogelijk de deeltjesgrootte te meten als functie van tijd en/of temperatuur, maar momenteel is er geen eenvoudige methode voor het uitvoeren van DLS deeltjesgrootteverdelingsmetingen in aanwezigheid van toegepaste spanning. De mogelijkheid om dergelijke metingen uit te voeren zou nuttig zijn bij de ontwikkeling van elektroactieve, stimuli-responsieve polymeren voor toepassingen zoals sensing, zachte robotica en energieopslag. Hier wordt een techniek gepresenteerd met toegepaste spanning in combinatie met DLS en een temperatuurhelling om veranderingen in aggregatie en deeltjesgrootte in thermoresponsieve polymeren met en zonder elektroactieve monomeren te observeren. De veranderingen in aggregatiegedrag die in deze experimenten werden waargenomen waren slechts mogelijk door de gecombineerde toepassing van spanning en temperatuurcontrole. Om deze resultaten te verkrijgen, werd een potentiostat aangesloten op een gemodificeerde cuvette om spanning toe te passen op een oplossing. Veranderingen in de grootte van polymeerdeeltjes werden gecontroleerd met DLS in aanwezigheid van constante spanning. Tegelijkertijd werden de huidige gegevens geproduceerd, die kunnen worden vergeleken met deeltjesgroottegegevens, om de relatie tussen stroom- en deeltjesgedrag te begrijpen. De polymeerpoly( N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) diende als testpolymeer voor deze techniek, omdat de reactie van pNIPAM op temperatuur goed bestudeerd is. Veranderingen in het lagerkritische oplossingstemperatuur (LCST) aggregatiegedrag van pNIPAM en poly(N-isopropylacrylamide)-blok-poly(ferrocenylmethyl methacrylaat), een elektrochemisch actief blok-copolymeer, in aanwezigheid van toegepaste spanning worden waargenomen. Inzicht in de mechanismen achter dergelijke veranderingen zal belangrijk zijn bij het proberen omkeerbare polymeer structuren te bereiken in aanwezigheid van toegepaste spanning.

Inleiding

Dynamische lichtverstrooiing (DLS) is een techniek om de deeltjesgrootte te bepalen door het gebruik van willekeurige veranderingen in intensiteit van licht verspreid door oplossing¹. DLS is in staat om aggregatie van polymeren te meten door de deeltjesgrootte te bepalen. Voor dit experiment werd DLS gekoppeld aan gecontroleerde temperatuurveranderingen om waar te nemen wanneer een polymeer aggregaat dat wijst op overschrijding van de lagere kritische oplossingstemperatuur (LCST)^2,3. Onder de LCST bestaat één homogene vloeibare fase; boven de LCST wordt het polymeer minder oplosbaar, aggregaten en condenseert het uit de oplossing. Over het verstrooiingsveld werd een toegepaste spanning (d.w.z. toegepast potentieel of elektrisch veld) geïntroduceerd om de effecten van het elektrische veld op aggregatiegedrag en LCST te observeren. De toepassing van spanning in deeltjesmaten metingen zorgt voor nieuwe inzichten in deeltjesgedrag en latere toepassingen op het gebied van sensoren, energieopslag, drug delivery systemen, zachte robotica, en anderen.

In dit protocol werden twee voorbeeldpolymeren gebruikt. Poly( N-isopropylacrylamide), of pNIPAM, is een thermisch gevoelig polymeer, dat zowel een hydrofiele amidegroep als een hydrofobe isopropylgroep op de macromoleculaire keten^4,5bevat. Thermisch-responsieve polymeer materialen zoals pNIPAM zijn op grote schaal gebruikt in gecontroleerde drug release, biochemische scheiding, en chemische sensoren in de afgelopen jaren^3,4. De LCST literatuurwaarde van pNIPAM ligt rond de 30-35 °C⁴. pNIPAM is meestal niet elektrochemisch actief. Daarom werd als tweede monsterpolymeer een elektrochemisch actief blok aan het polymeer toegevoegd. Met name ferrocenylmethylmethacrylaat werd gebruikt om een poly te maken(N-isopropylacrylamide)-blok-poly(ferrocenylmethyl methacrylaat) blok-copolymeer, of p(NIPAM-b-FMMA)^6,7. Beide voorbeeldpolymeren werden gesynthetiseerd door omkeerbare toevoegingfragmentatie ketting-overdracht polymerisatie met gecontroleerde kettinglengte^8,9,10. Het niet-elektrochemisch actieve polymeer, pNIPAM, werd gesynthetiseerd als 100 mer pure pNIPAM. Het elektrochemisch actieve polymeer, p(NIPAM- b-FMMA), was ook 100 mer kettinglengte, die 4% ferrocenylmethyl methacrylaat (FMMA) en 96% NIPAM bevat.

In dit artikel wordt een protocol en methodologie gedemonstreerd om het effect van toegepaste spanning op polymeeraggregatie te bestuderen. Deze methode kan ook worden uitgebreid tot andere toepassingen van DLS, zoals de analyse van eiwit vouwen / ontvouwen, eiwit-eiwit interacties, en agglomeratie van elektrostatisch geladen deeltjes om er een paar te noemen. Het monster werd verwarmd van 20 °C tot 40 °C om de LCST te identificeren bij afwezigheid en aanwezigheid van een 1 V toegepast veld. Vervolgens werd het monster gekoeld van 40 °C naar 20 °C zonder het toegepaste veld te verstoren om eventuele hysteretische of evenwichtseffecten te bestuderen.

Protocol

1. Voorbeeld polymeerpreparaten

1. pNIPAM polymeersynthese
   LET OP: Dit preparaat produceert 10 mL van 1 g/L oplossing, wat voldoende is voor 3-4 experimenten.
   1. Bereid het Schlenk lijnapparaat voor. Zorg ervoor dat de koude val Dewar kolf wordt gevuld met een drijfmest van droogijs en aceton, of als een mechanische koelval wordt gebruikt, zorg ervoor dat de val een passende temperatuur heeft bereikt.
   2. In een 50 mL ronde-bodem kolf, voeg 0,566 g N-isopropylacrylamide (NIPAM) monomeer, 0,016 g omkeerbare toevoegingfragmentatie kettingoverdracht polymerisatie (RAFT) agent (phthalimidomethyl butyl trithiocarbonaat), 0,0008 g van 2,2-azobis(2-methylpropionitril) (AIBN) en 10 mL van 1,4-dioxaan. Doe een roerstaaf in de kolf. Sluit de kolf af met een rubberen septum, wikkel met vinyltape en los de monomeren op in 1,4-dioxaan.
   3. Voer vriespomp-dooi ontgassen als volgt uit: Bevries de oplossing door de kogelbodemkolf onder te dompelen in een Dewar-kolf met een drijfmest van droogijs en methanol. Zodra al het materiaal is ingevroren, gebruikt u het vacuümspruitstuk van de Schlenk-lijn om de kolf te evacueren tot een interne druk onder 100 kPa. Ois de kolf en ontdooi onder statisch vacuüm met warm water. Breng de kolf terug naar de atmosferische druk met behulp van het stikstofspruitstuk van de Schlenk-lijn.
   4. Herhaal stap 1.1.3 drie keer om de interne zuurstofconcentratie te minimaliseren.
   5. Sparde de oplossing met stikstof om de druk op de atmosfeer in evenwicht te brengen. Verwarm het mengsel tot 85 °C met een oliebad en roer bij 200 tpm gedurende 36 uur.
   6. Voeg aan een bekerglas van 50 mL 40 mL hexaan toe. Voeg vervolgens het polymeermengsel toe aan de hexaan dropwise. De pNIPAM moet neerslaan als witte floccule.
      OPMERKING: NIPAM monomeer is oplosbaar in hexaan, maar pNIPAM heeft een slechte oplosbaarheid in hexaan.
   7. Giet het troebele mengsel in een Büchner trechter om het witte pNIPAM poeder te verzamelen. Breng het poeder op een flacon van 20 mL en zet het 's nachts in een vacuümoven om overgebleven oplosmiddel te verwijderen. Bewaar in een verzegelde container op kamertemperatuur tot dat nodig is.
2. pNIPAM-blok-poly(ferrocenylmethyl methacrylaat) blok-copolymeer (p(NIPAM-b-FMMA)) synthese
   LET OP: Dit preparaat produceert 10 mL van 1 g/L oplossing, wat voldoende is voor 3-4 experimenten.
   1. Bereid het Schlenk lijnapparaat voor. Zorg ervoor dat de koude val Dewar kolf wordt gevuld met een drijfmest van droogijs en aceton, of als een mechanische koelval wordt gebruikt, zorg ervoor dat de val een passende temperatuur heeft bereikt.
   2. Voeg in een 50 mL round-bottom kolf, 0,057g ferrocenylmethyl methacrylaat (FMMA) monomeer, 0,016 g RAFT-agent, 0,0008 g AIBN en 10 mL van 1,4-dioxaan. Doe een roerstaaf in de kolf. Sluit de kolf af met een rubberen septum, wikkel met vinyltape en los de monomeren op in 1,4-dioxaan.
   3. Voer vriespomp-dooi ontgassen als volgt uit: Bevries de oplossing door de kogelbodemkolf onder te dompelen in een Dewar-kolf met een drijfmest van droogijs en methanol. Zodra al het materiaal is ingevroren, gebruikt u het vacuümspruitstuk van de Schlenk-lijn om de kolf te evacueren tot een interne druk onder 100 kPa. Ois de kolf en ontdooi onder statisch vacuüm met warm water. Breng de kolf terug naar de atmosferische druk met behulp van het stikstofspruitstuk van de Schlenk-lijn.
   4. Herhaal stap 1.2.3 drie keer om de interne zuurstofconcentratie te minimaliseren.
   5. Sparde de oplossing met stikstof om de druk op de atmosfeer in evenwicht te brengen. Verwarm het mengsel tot 85 °C met behulp van een oliebad en roer het gedurende 10 uur.
   6. Los 0,543 g NIPAM en 0,0002 g AIBN op in 3 mL van 1,4-dioxaan. Voeg de oplossing onder stikstof in de kolf toe en spare gedurende 30 min. Verwarm het mengsel tot 85 °C met behulp van een oliebad en roer het nog eens 36 uur bij 200 tpm.
   7. Voeg 40 mL hexaan toe aan een bekerglas van 50 mL. Voeg vervolgens het polymeermengsel toe aan de hexaan dropwise. De p(NIPAM-b-FMMA) moet neerslaan als bruin poeder, omdat de FMMA monomeer heeft een donkergele kleur.
      OPMERKING: NIPAM en FMMA monomeren zijn oplosbaar in hexaan, maar p(NIPAM- b-FMMA) heeft een slechte oplosbaarheid in hexaan.
   8. Giet het gele troebele mengsel in een Büchnertrechter om het bruine p(NIPAM- b-FMMA) poeder te verzamelen. Breng het poeder op een flacon van 20 mL en zet het 's nachts in de vacuümoven om overgebleven oplosmiddelen te verwijderen. Bewaar in een verzegelde container op kamertemperatuur tot dat nodig is.

2. DLS monster en cuvette voorbereiding

OPMERKING: Deze sectie bereidt de cuvette voor op toegepaste spanning en het monster voor DLS-metingen.

1. Meet 10 mg polymeerpoeder en los op in 10 mL gefilterd gedeïoniseerd (DI) water. Zet het mengsel 's nachts in de koelkast. Wanneer u klaar bent om het experiment te starten, houdt u het monster op ijs.
   OPMERKING: De polymeerconcentratie die in deze experimenten werd gebruikt, was 1 g/L, maar het optimale bereik van concentraties voor elk monster zal uniek zijn. Ook best practice is om het polymeer onder de LCST te houden totdat het klaar is om te testen.
2. Snijd twee stukken van 6,3 mm x 7 cm enkelzijdige koperen tape(figuur 1). Gebruik pincet om elk stuk aan tegenovergestelde zijden van de binnenkant van de DLS monster cuvette, loodrecht op het lichtpad te plakken. De onderkant van de tape moet bereiken in de buurt van de onderkant van de cuvette. Vouw de randen van de koperen tape over de bovenkant van de cuvette. Zorg ervoor dat de koperen tape is in de buurt / verpakt op de top van het monster cuvette om goed elektrisch contact te garanderen. Zorg er ook voor dat de koperen tape geen verbinding maakt met de metalen contacten die zijn gekoppeld aan de DLS-apparatuur die wordt gebruikt voor zeta-potentiële metingen.
3. Was de cuvette drie keer met DI-water en dep het overtollige water af met een Kimwipe.

3. DLS-instrumentbesturingselementen en -set-up

OPMERKING: Drie besturingselementen worden aanbevolen om te voltooien voordat u elk DLS-experiment uitvoert: (1) lege wateroplossing; 2. een maatnorm; (3) meting van het polymeer vóór het begin van een temperatuurhelling of toegepaste spanning. Raadpleeg de instrumentenhandleiding voor gebruik voor richtlijnen voor het opstellen van een monster, het kiezen van instellingen en het beoordelen van de monster- en gegevenskwaliteit.

1. Breng 1,5 mL gefilterd oplosmiddel over op de cuvette. Gebruik DI water.
2. Plaats de cuvette aan de cuvette houder, zodat de kleine pijl op de bovenkant van de cuvette is uitgelijnd met de cuvette houder. Doe het deksel dicht.
3. Selecteer Meten op de werkbalk in de Zetasizer-software. Voor de bedieningselementen zijn handmatige metingen ingesteld. Stel de temperatuur in op het experimentele startpunt. Selecteer 20 °C voor dit experiment.
4. Zodra de tekst onder aan het venster zegt, Steek cel in en druk op start wanneer klaar, druk op de groene driehoek startknop aan de bovenkant van het scherm. Hiermee begint het experiment en mag de cuvettehouder hierna niet meer worden geopend.
5. Klik op het tabblad Multi-view om real-time resultaten te observeren. Controleer continu de monster- en gegevenskwaliteit door de tellingssnelheid en de correlatiefunctie te observeren. Omdat dit monster slechts oplosmiddel is, mag geen duidelijk signaal worden waargenomen dat overeenkomt met de aanwezigheid van deeltjes.
6. Voeg twee druppels van een standaardoplossing toe aan de cuvette of gebruik gewoon de waterregeling en herhaal stap 3.2-3.6. Gebruik voor dit experiment een 20 nm NIST-traceerbare polystyreenmaatstandaard.
   OPMERKING: Als de water- of standaardoplossingscontrolewordt uitgevoerd, worden gegevens weergegeven die niet in overeenstemming zijn met de verwachte resultaten, lost u de fout op en herhaalt u totdat de besturingselementen zoals verwacht worden gelezen.
7. Spoel de cuvette af en voeg de gefilterde polymeer/testoplossing toe. Herhaal stap 3.2-3.5. Een duidelijke meting van de eerste testoplossing moet worden waargenomen. Het wordt aanbevolen om dit te doen voordat een temperatuurhelling of toegepaste spanning voor een nulmeting.

4. DLS SOP opgezet

OPMERKING: Deze sectie verwijst specifiek naar de temperatuur opvoeren de werking van een Malvern Zetasizer NanoZS DLS instrument. Voordat u met experimenten begint, wordt het ten zeerste aanbevolen om de instrumentenhandleiding uitgebreid te raadplegen voor begeleiding bij het selecteren van een cel, het voorbereiden van een monster, het kiezen van meetinstellingen en het beoordelen van de monster- en gegevenskwaliteit.

1. Kies Bestandin de Zetasizer-software (versie 7.11) en klik op Nieuw om een nieuwe SOP in te stellen (figuur 2).
2. Klik op Het type Meting om Trend > Temperatuur > Groottete selecteren.
3. Kies in Materiaalhet juiste materiaal en de brekingsindex. Kies Eiwit en de brekingsindex (RI) van 1.450 voor dit experiment. Als exacte waarden voor refractieve index gewenst zijn voor een nauwkeurigere berekening van de volumeverdeling, moet de experimentator de brekingsindex van zijn monster experimenteel bepalen.
4. Kies in Dispersanthet juiste oplosmiddel. Kies Water als oplosmiddel in dit experiment.
5. Kies in Cellde cuvette die wordt gebruikt. Gebruik Wegwerp cuvettes (DTS0012) voor dit experiment.
6. Stel in volgorde de starttemperatuur en de eindtemperatuurin. Stel voor verwarmingsexperimenten de starttemperatuur in op 20 °C en stel de eindtemperatuur in op 40 °C. Voor koelingexperimenten kiest u het tegenovergestelde. Schakel het selectievakje Terug naar starttemperatuur uit.
7. Selecteer een interval voor elke temperatuurstapwijziging. Selecteer voor deze experimenten 1,5 °C.
8. Stel in Groottemeting de balanstijdin . Stel voor deze experimenten de duur in op 120 s. Kies het aantal metingen. Kies 3 metingen en automatisch voor de meetduur.
9. Sla SOP op en sluit het bestand.
10. Als de toegepaste spanning moet worden gebruikt, stelt u de potentiostat(sectie 5)in voordat u verdergaat.
11. Zodra de potentiostat is ingesteld, of als toegepaste spanning niet wordt gebruikt, keert u terug naar de Zetasizer-software en klikt u op Meten op de werkbalk en klikt u op SOP starten.
12. Zodra de tekst onder aan het SOP-venster staat, voegt u de cel in en drukt u op start wanneer u klaar bent, drukt u op de startknop van de groene driehoek boven aan het scherm. Hiermee begint het experiment en mag de cuvettehouder hierna niet meer worden geopend.
13. Klik op het tabblad Multi-view om real-time resultaten te observeren. Controleer continu de monster- en gegevenskwaliteit door de tellingssnelheid en de correlatiefunctie te observeren. Zie Figuren 3-5 voor representatieve experimentele resultaten.

5. Potentiostat Setup

OPMERKING: Het wordt aanbevolen om dezelfde computer te gebruiken voor deeltjesgrootte en toegepaste spanningsbewerkingen om de gegevens te timen en daardoor gemakkelijker te evalueren. Raadpleeg de handleidingen voor het toegepaste spanningsinstrument voor richtlijnen voor het instellen van bedrading, softwareoverleg en het kiezen van de juiste parameters. Een Gamry potentiostat werd gebruikt in deze experimenten.

1. Bereid twee draden die dun genoeg zijn om door de kleine spleet aan de rechterbovenrand van het DLS cuvette-houdergebied te passen(figuur 6). Aan de ene kant van de voorbereide draad, strip uit de isolatie om voor een verbinding met de potentiostat mogelijk te maken. Aan de andere kant, soldeer een korte alligator klem aan de draad en sluit aan op de cuvette. Zorg ervoor dat het DLS-monsterdeksel gesloten is.
2. Klem de witte referentie potentiostat lood en de rode teller potentiostat samen leiden tot een van de voorbereide draden. Klem de groen werkende potentiostat lood en de blauwe werkzin potentiostat leiden tot de andere voorbereide draad. Voor dit experiment, gebruik niet de oranje teller zin en zwarte grond potentiostat leidt en laat ze zweven. Om ervoor te zorgen dat het circuit niet kort wordt, mogen deze draden geen ander lood of geleidend oppervlak raken.
   OPMERKING: Het maakt niet uit aan welke kant elk lood is verbonden.
3. Klik op de werkbalk van de software op Experimenten klik vervolgens op optie E Fysieke Elektrochemieen selecteer Chronoamperometry. Gebruik voor de toepassing van dit protocol een eenvoudige toegepaste spanning door een enkele spanning toe te passen met de huidige respons gemeten in de tijd (d.w.z. chronoamperometry). Ongeacht de specifieke elektrochemische methodologie wordt aanbevolen om de systeemrespons in de loop van de tijd te controleren.
   1. Stel Pre-step, Stap 1en Stap 2 Voltage vs Referencein. Dit zal de toegepaste spanning over het gehele veld / cuvette. Stel Voltage in op 1 V vs Reference voor alle drie de stappen.
   2. Stel vertragingstijd vooraf in. Voor deze experimenten, ingesteld op 0,5 s om ervoor te zorgen dat het systeem stabiel is op de gewenste spanning voor het opnemen van een signaal.
   3. Stel de tijd in voor zowel stap 1-tijd als stap 2-tijd. Hiermee wordt gecontroleerd hoe lang de spanning wordt toegepast. Stel beide in op 14.400 s om ervoor te zorgen dat de toegepaste spanning gedurende het DLS-experiment zal worden voortgezet.
   4. Voorbeeldperiodeinstellen . Dit is hoe vaak de grafiek huidige en spanningswaarden zal lezen en registreren. Gebruik 10.0 s in dit experiment.
      OPMERKING: De andere instellingen zijn niet significant voor de hier gepresenteerde gegevens. De standaardwaarden in het systeem zijn gebruikt.
4. Klik op OK. Op de bovenste werkbalk wordt een active teken weergegeven, wat aangeeft dat spanning wordt toegepast. De stroom moet een matige respons geven (μA) en de potentiostat niet overbelasten. Als er geen signaal of overmatig signaal wordt waargenomen, kan het systeem verkeerd worden aangesloten en daarom de fout oplossen en herhalen totdat de verwachte stroom wordt waargenomen.
5. Ga terug naar stap 4.10 om de DLS SOP te starten.

6. Gegevensanalyse

OPMERKING: In deze sectie wordt de voorlopige analyse beschreven om inzicht te krijgen in de verkregen gegevens.

1. Importeer gegevens in voorkeursgegevensanalyse en grafische software.
2. Voor elke run binnen een reeks metingen bij een bepaalde temperatuur bepaalt u de deeltjesvolumegrootte van de piek met het grootste volumepercentage.
3. Bereken de gemiddelde en standaarddeviatie van de volumegrootte over de drie geregistreerde metingen bij een bepaalde temperatuur.
4. Plot voor elk experiment de gemiddelde grootte ± standaarddeviatie op de y-as (logschaal) versus temperatuur op de x-as (lineaire schaal).
5. Importeer gamry actuele gegevens voor analyse. Plot huidige gegevens met de tijd op de x-as en stroom (in microampère) op de y-as.
6. Om de huidige gegevens te relateren aan deeltjesgroottegegevens, vergelijkt u de tijdstempel van de Zetasizer-gegevens met de gamry huidige tijdstempel. Dit is mogelijk als de twee soorten gegevens worden verzameld van dezelfde computer. Anders, overeenkomen opgenomen tijden zo goed mogelijk.

Resultaten

De real-time bestandsuitvoer van elke run in de temperatuurhelling wordt gepresenteerd als een tabel, zoals te zien is in figuur 3. Elke record kan onafhankelijk worden gekozen om de volumegrootte (figuur 4) en correlatiecoëfficiënt(figuur 5) te zien. Volumedeeltjesgrootteverdeling (PSD) is de meest nauwkeurige gegevens om de algehele distributie en LCST te interpreteren, maar de kwaliteit van de geg...

Discussie

Het toepassen van spanning op pNIPAM-of p(NIPAM- b-FMMA)-oplossingen veranderde het polymeeraggregatiegedrag in reactie op de temperatuur. Bij beide materialen bleef de volumegrootte van de polymeren, toen er een toegepaste spanning aanwezig was, hoog, zelfs toen de oplossingen onder hun LCST werden gekoeld. Dit was een onverwacht resultaat, omdat de proeven zonder spanning toonden de polymeren terug te keren naar hun oorspronkelijke maten. Deze experimenten stellen ons in staat om te concluderen dat voor ons te...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
N-Isopropylacrylamide	Tokyo Chemical Industry CO., LTD	I0401-500G
1,4-Dioxaan	Alfa Aesar	39118
2,2"-Azobis(2-methylpropionitrile)	SIGMA-ALDRICH	441090-100G
Cuvet	Malvern	DTS0012
Dynamische lichtspreiding	Malvern	Zetasizer NanoZS
Ferrocenylmethylmethacrylaat	ASTATECH	FD13136-1G
Ftalimidometylbutyltrithiocarbonaat	SIGMA-ALDRICH	777072-1G
Potentiostat	Gamry	Reference 600