Voorbereiding van de Light-responsieve membranen door een gecombineerde oppervlakte-enting en Postmodification Proces

Het algemene doel van het volgende experiment is om de permeabiliteit van polymerenmembranen met sporenranden in UV- of wit licht te veranderen door het oppervlak te modificeren met fotochromische moleculen. Dit wordt bereikt door het polymeermembraan eerst te behandelen met plasma om radicalen op het oppervlak te induceren. De tweede stap is het toevoegen van een monomeeroplossing in methanol om de oppervlakte-geïnitieerde polymerisatie op het membraan uit te voeren.

Vervolgens wordt het getransplanteerde polymeer post-gemodificeerd met photochrome stoffen. Uiteindelijk worden permeabiliteitsmetingen van de lichtgevoelige membranen gebruikt om aan te tonen hoe UV-licht de permeabiliteit van cafeïne door het membraan verandert. Het belangrijkste voordeel van de plasma-geïnduceerde polymerisatie is dat covalent gebonden coatings op membranen eenvoudig, homogeen en op een reproduceerbare wijze kunnen worden gecreëerd.

Een visuele demonstratie is cruciaal, zoals in onze ADE-opstelling. De membranen mogen polymeriseren direct na de plasmabehandeling en onder inerte omstandigheden. Deze methode helpt bij het beantwoorden van kernvragen over de snelle coating van oppervlakken en brengt covalent gebonden functionalisering aan op het oppervlak.

We kregen voor het eerst het idee voor deze methode tijdens gesprekken met specialisten op het gebied van plasmacoating. Voorafgaand hadden we onsuccesvolle pogingen gedaan met klassieke coatingmethoden zoals spin-coating en dip-coating. Over het algemeen zullen personen die nieuw zijn met deze methode moeite hebben, aangezien plasmafunctionalisering een complexe technologie is vanwege de vele parameters die kunnen worden aangepast.

De procedure zal worden gedemonstreerd door Karin Dreher, een student, een technicus en Karin ler, een wetenschapper van mijn groep. Los eerst 100 milliliters 2-hydroxyethylmethacrylaat of Hema op in 200 milliliters water. Nadat het mengsel naar een scheidtrechter is overgebracht, wordt het drie keer gewassen met 100 milliliters hexaan, waarna de hexaanwasbeurten worden verwijderd. Verzadig de waterfase met natriumchloride en extraheer de hema met 50 milliliters diethyléther.

Na verwijdering van de waterige fase wordt de organische fase overgebracht naar een rondbodemkolf van 500 milliliter en gedroogd over magnesiumsulfaat. Na filtratie wordt het oplosmiddel in vacuo verwijderd.

Destilleer na voltooiing de hema onder reduced pressure. Bereid een 0,62 molaire methanoloplossing van de inhibitorvrije Hema door 2,3 milliliter Hema toe te voegen aan 27,7 milliliter methanol in een eenhalskolf. Nadat de kolf met een septum is afgesloten, wordt zuurstof verwijderd door gedurende één uur Argonne door de oplossing te borrelen.

Plaats vervolgens twee polycarbonaatmembranen naast elkaar in de plasmakamer. Sluit de plasmakamer vijf minuten lang aan op een hoogvacuüm, waarbij de glanzende zijde van elk membraan naar de gasfase is gericht. Open na het sluiten van de vacuümklep de klep die verbonden is met argon- en zuurstofgas om de kamer twee uur lang te spoelen met dit mengsel, met 15 SCCM argon en 2,5 SCCM zuurstof.

Start het plasma en verlaag het vermogen naar 12 watt voor de polycarbonaatmembranen. Behandel de membranen vervolgens gedurende vier minuten met het plasma; schakel daarna het plasma uit en vacuüm het compartiment door eerst de klep naar het gasmengsel en vervolgens de klep naar de oliepompsluiting te sluiten. Sluit in de volgende stap de monomeeroplossing aan op het compartiment.

Verbind de monomeeroplossing met de kamer door de overeenkomstige klep te openen en giet de oplossing in de kamer. Nadat is vastgesteld dat de membranen bedekt zijn met de monomeeroplossing, opent u de klep die verbonden is met argongas en bewaart u het reactiemengsel 12 uur bij kamertemperatuur. Na het verwijderen van de monomeeroplossing wast u de membranen gedurende vijf minuten met 100 milliliters methanol in een ultrasoonbad.

Herhaal na voltooiing de wasprocedure met 100 milliliters water. Droog de membraan vervolgens in vacuo over moleculaire zeven gedurende twee uur en los 100 milligrams spirobenzoinverbinding 1, 55 milligrams nn-cyclohexylcarbodiimide en 33 milligrams 4-dimethylaminopyridine op in 12 milliliters tert-butylmethylether. Plaats vervolgens een roerkolfje en een beschermrooster in een rondbodemkolf.

Nadat de kolf is afgesloten en gedroogd terwijl deze is gevuld met argongas, wordt de spirobenzopyraan-oplossing in de kolf gegoten, gevolgd door het gecoate membraan. Roer het mengsel vervolgens voorzichtig 12 uur lang bij kamertemperatuur.

Verwijder vervolgens het membraan uit de kolf en was het membraan gedurende vijf minuten in een ultrasoonbad met 50 milliliter tert-butylethylether. Na het herhalen van de wasprocedure met telkens 100 milliliter ethanol en water, wordt het membraan gedurende twee uur in vacuo gedroogd over moleculaire zeven. Plaats het membraan vervolgens op een ruwe doek.

Plaats een druppel nanopure water op het membraanoppervlak. Meet vervolgens de contacthoek op vijf verschillende plaatsen van het membraan om de langetermijnstabiliteit van de monsters te testen. Meet de contacthoeken op drie verschillende plaatsen van de membranen na 0, 1, 2, 3, 7, 14 en 21 dagen.

Vul vervolgens de receptorchamber van een Franz-diffusiecel met 12 milliliter water. Bevestig het membraan in de Franz-diffusiecel en zorg ervoor dat dit in contact staat met het water in de receptorchamber. Vul de donorchamber of de kamer bovenop het membraan met 3,0 milliliter van een 20 millimolaire waterige cafeïneoplossing.

Bestraal het membraan vanuit de bovenkant van de donorchamber met wit licht. Verzamel na afloop monsters van 200 µL uit de receptorkamer. Herhaal het experiment zoals eerder beschreven, maar bestraal het membraan gedurende de gehele permeabiliteitstest met UV-licht van 366 nm en 80 W/m².

Om de cafeïneconcentratie in de verzamelde monsters te bepalen, wordt met een UV-vis-spectrometer een kalibratiecurve opgesteld met 15 verschillende cafeïneconcentraties tussen 0,05 millimolar per liter en 1,5 millimolar per liter. Bepaal vervolgens aan de hand van deze kalibratiecurve de concentratie van elk van de verzamelde monsters. Zet daarna de bepaalde concentratie uit tegen de tijd van de verzamelde monsters.

Maak een lineaire fit door de punten en bepaal delta C uit de helling. Zoals hier te zien is, zijn de rand-snelheden voor polyester-, polyvinyl-, aine-, fluoride- en polycarbonaatmembranen lineair, wat kan worden bepaald uit de helling van de lineaire correlatie van de ET-tijd tegenover het massaverlies. De polycarbonaatmembranen vertonen de laagste rand-snelheid van de drie polymeermembranen.

De contacthoek van een waterdruppel verandert wanneer de poreuze polycarbonaatmembranen worden gecoat met polyhema via plasmainducerende polymerisatie. Het verschil in de contacthoek tussen de ongecoate membranen en de met polyhema gegrafted membranen met poriediameters van 0,2 µm en 1 µm wordt hier getoond. Het is duidelijk zichtbaar dat de contacthoek van een met polyhema gecoat polycarbonaatmembraan in de loop van de tijd niet verandert, wat een indicatie is voor een stabiele coating op de lange termijn.

De postmodificatie met spirobenzopyraan-verbinding één verhoogt de contacthoek naar 100 graden. Echter, spirobenzopyraan kan worden omgezet in de meer polaire merocyanine-soort door bestraling met UV-licht, en deze transformatie verlaagt de contacthoek van het membraanoppervlak naar 90 graden. De permeabiliteit van de membranen wordt gemeten met een Frans-diffusiecel.

De weerstand van de permeabiliteitsverandering neemt met 97% af wanneer het membraan wordt belicht met wit licht, wat de aanwezigheid van een lichtrespons van het membraan aantoont. Zodra deze techniek onder de knie is, kan deze in enkele uren worden uitgevoerd mits er correct wordt gewerkt. Na deze procedure kunnen andere functionalisaties op het oppervlak worden aangebracht, zoals temperatuur- of pH-responsieve coatings. Na het bekijken van deze video zou u een goed inzicht hebben in het produceren van plasma-geïnduceerde lichtresponsieve coatings.

De lichtgevoelige membranen vormen een interessant systeem om foto-omische eigenschappen te onderzoeken, zoals kleuromschakeling onder UV- en wit licht, of de vervagingssnelheid van de gekleurde toestand. Om de permeabiliteit van de membranen tijdens de polymerisatiestap te beheersen, is het essentieel om in een inerte atmosfeer te werken. Houd er rekening mee dat werken met elektroden onder hoge spanning extreem gevaarlijk kan zijn; voorzorgsmaatregelen, zoals een beschermend schild tussen de operator en de plasmakamer, moeten altijd worden getroffen tijdens het uitvoeren van deze procedure.