RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Neus Vilanova1,4, Isja De Feijter1,2,4, Ilja K. Voets1,3,4
1Laboratory of Macromolecular and Organic Chemistry,Eindhoven University of Technology, 2Laboratory of Chemical Biology,Eindhoven University of Technology, 3Laboratory of Physical Chemistry,Eindhoven University of Technology, 4Institute for Complex Molecular Systems,Eindhoven University of Technology
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Opisano protokół syntezy i charakterystyki koloidów pokrytych cząstkami supramolekularnymi. Te supramolekularne koloidy ulegają samoorganizacji po aktywacji wiązań wodorowych między cząsteczkami zakotwiczonymi na powierzchni przez światło UV.
Kontrola nad montażem koloidalnym ma ogromne znaczenie dla rozwoju funkcjonalnych materiałów koloidalnych o dostosowanych właściwościach strukturalnych i mechanicznych do zastosowań w fotonice, dostarczaniu leków i technologii powlekania. Tutaj przedstawiamy nową rodzinę koloidalnych bloków budulcowych, ukutych koloidów supramolekularnych, których samoorganizacja jest kontrolowana poprzez funkcjonalizację powierzchni za pomocą ugrupowania supramolekularnego pochodzącego z benzenu-1,3,5-trikarboksyamidu (BTA). Takie BTA oddziałują poprzez kierunkowe, silne, ale odwracalne wiązania wodorowe z innymi identycznymi BTA. W niniejszym artykule przedstawiono protokół, który opisuje, w jaki sposób sprzęgnąć te BTA z koloidami i jak określić ilościowo liczbę miejsc sprzężenia, co określa wielowartościowość koloidów supramolekularnych. Pomiary rozpraszania światła pokazują, że współczynnik załamania światła koloidów jest prawie identyczny z indeksem rozpuszczalnika, co znacznie zmniejsza siły van der Waalsa między koloidami. Przed fotoaktywacją koloidy pozostają dobrze rozproszone, ponieważ BTA są wyposażone w grupę fotolabilną, która blokuje tworzenie wiązań wodorowych. Kontrolowane deprotekcja światłem UV aktywuje wiązania wodorowe krótkiego zasięgu między BTA, co powoduje samoorganizację koloidalną. Ewolucję od stanu rozproszonego do stanu klastrowego monitoruje się za pomocą mikroskopii konfokalnej. Wyniki te są następnie określane ilościowo za pomocą analizy obrazu za pomocą prostych procedur przy użyciu ImageJ i Matlab. To połączenie chemii supramolekularnej i nauk koloidalnych oferuje bezpośrednią drogę do światłoczułego i termoczułego zespołu koloidalnego zakodowanego w monowarstwie szczepionej powierzchniowo.
Solidna platforma koloidów supramolekularnych musi spełniać trzy główne wymagania. Po pierwsze, sprzężenie ugrupowania supramolekularnego powinno odbywać się w łagodnych warunkach, aby zapobiec degradacji. Po drugie, siły powierzchniowe przy separacjach większych niż kontakt bezpośredni powinny być zdominowane przez motywy na uwięzi, co oznacza, że niepowlekane koloidy powinny oddziaływać prawie wyłącznie poprzez oddziaływania o wyłączonej objętości. Dlatego właściwości fizykochemiczne koloidów powinny być dostosowane do tłumienia innych oddziaływań nieodłącznie związanych z układami koloidalnymi, takich jak van der Waalsa lub siły elektrostatyczne. Po trzecie, charakterystyka powinna pozwolić na jednoznaczne przypisanie zespołu do obecności ugrupowań supramolekularnych. Aby spełnić te trzy warunki wstępne, opracowano solidną dwuetapową syntezę koloidów supramolekularnych (ryc. 1a). W pierwszym etapie przygotowuje się hydrofobowe cząstki krzemionki funkcjonalizowane NVOC do dyspersji w cykloheksanie. Grupa NVOC może być łatwo rozszczepiona, dając cząstki funkcjonalizowane aminami. Wysoka reaktywność amin umożliwia prostą postfunkcjonalizację z pożądaną cząstką supramolekularną przy użyciu szerokiego zakresu łagodnych warunków reakcji. W tym miejscu otrzymujemy koloidy supramolekularne poprzez funkcjonalizację kulek krzemionkowych alkoholem stearylowym i pochodną benzeno-1,3,5-trikarboksyamidu (BTA)20. Alkohol stearylowy odgrywa kilka ważnych ról: sprawia, że koloidy są organofilne i wprowadza odpychanie steryczne krótkiego zasięgu, co pomaga zmniejszyć niespecyficzne oddziaływanie między koloidami21,22. Siły van der Waalsa są dodatkowo zmniejszone ze względu na ścisłe dopasowanie między współczynnikiem załamania koloidów a rozpuszczalnikiem23. Lekkie i termoczułe siły przyciągania powierzchniowego krótkiego zasięgu są generowane przez włączenie BTA 20 chronionych o-nitrobenzylem. Ugrupowanie O-nitrobenzylowe jest grupą fotorozszczepialną, która blokuje tworzenie wiązań wodorowych między sąsiednimi BTA, gdy jest włączona do amidów w dyskotykach (ryc. 1b). Po fotorozszczepieniu przez światło UV, BTA w roztworze jest w stanie rozpoznać i oddziaływać z identycznymi cząsteczkami BTA poprzez 3-krotny układ wiązań wodorowych, o sile wiązania, która jest silnie zależna od temperatury17. Ponieważ przyciąganie van der Waalsa jest minimalne dla cząstek krzemionki pokrytej stearylem w cykloheksanie, a także niezależne od światła i temperatury, obserwowany zespół koloidalny reagujący na bodźce musi być pośredniczony przez BTA.
Ten szczegółowy film pokazuje, jak syntetyzować i charakteryzować koloidy supramolekularne oraz jak badać ich samoorganizację po naświetlaniu promieniowaniem UV za pomocą mikroskopii konfokalnej. Ponadto przedstawiono prosty protokół analizy obrazu w celu odróżnienia koloidalnych singletów od koloidów skupionych oraz określenia ilości koloidów w klastrach. Wszechstronność strategii syntezy pozwala na łatwą zmianę wielkości cząstek, pokrycia powierzchni, a także wprowadzonego ugrupowania wiążącego, co otwiera nowe możliwości rozwoju dużej rodziny koloidalnych bloków budulcowych dla zaawansowanych materiałów mezostrukturalnych.
1. Synteza cząstek krzemionki typu core-shell
Uwaga: Cząstki krzemionki są syntetyzowane zgodnie z następującą procedurą, która opiera się na metodzie Stöbera24,25.
2. Funkcjonalizacja koloidów krzemionkowych
3. Statyczne pomiary rozpraszania światła (SLS)
Uwaga: Używaj cząstek niefluorescencyjnych, ponieważ rdzeń fluorescencyjny pochłania światło o tej samej długości fali, co padające światło laserowe konwencjonalnych urządzeń do rozpraszania światła.

4. Kwantyfikacja liczby miejsc aktywnych na cząstkę
Uwaga: Używaj małych cząstek o promieniu 13 nm (o większym stosunku powierzchni do objętości).
5. Monitorowanie montażu koloidalnego za pomocą mikroskopii konfokalnej
Uwaga: Użyj cząsteczek krzemionki z rdzeniem (z rdzeniem fluorescencyjnym i powłoką niefluorescencyjną).
6. Analiza obrazu
Biorąc pod uwagę, że dwuetapowa procedura stosowana do syntezy koloidów supramolekularnych (Rysunek 1a), łączy pochodne BTA (Rysunek 1b) w drugim etapie w temperaturze pokojowej i w warunkach łagodnej reakcji, jej stabilność jest zapewniona.

Rysunek 1. Schemat syntezy koloidów supramolekularnych. A) Sprzężenie alkoholu stearylowego i łańcucha alkilowego chronionego przez NVOC z koloidami krzemionkowymi, a następnie deprotekcja amin po napromieniowaniu światłem UV w piecu UV, a następnie sprzężenie cząsteczki BTA. B) Struktura zastosowanej pochodnej benzeno-1,3,5-trikarboksyamidu (BTA). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Poprzez dopasowanie danych statycznego rozpraszania światła (SLS) uzyskuje się współczynnik załamania światła koloidów pokrytych gołym i stearyloalkoholem. Znajdujemy nkrzemionki = 1,391 i nsilica@stearyl alkoholu = 1,436 (rysunek 2). To wyraźnie pokazuje, że funkcjonalizacja powierzchni ma wpływ na współczynnik załamania światła koloidów. Skład chemiczny monowarstwy koloidów pokrytych alkoholem stearylowym i koloidów BTA jest bardzo podobny, ponieważ frakcja molowa BTA wynosi co najwyżej 0,2. Dlatego zakładamy, że współczynnik załamania światła koloidów BTA jest bliski nsilica@stearyl alkohol = 1,436.

Rysunek 2. Statyczne pomiary rozpraszania światła koloidów krzemionkowych. Natężenie światła rozproszonego w funkcji kąta detekcji θ dla A) gołych cząstek krzemionki w wodzie i B) cząstek pokrytych alkoholem stearylowym w cykloheksanie. Linie przerywane są dopasowaniami do eksperymentalnych punktów danych. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Korzystając ze schematu reakcji pokazanego na rysunku 3, małe cząstki funkcjonalizowane stosunkiem molowym 20/80 NVOC-C11-OH/stearyl alkoholu dają 1 aminę na 46,4 nm2 na ich powierzchni. Liczba ta może być z kolei skorelowana z liczbą cząstek supramolekularnych, które mogą być sprzężone, co nazywamy wielowartościowością cząstek.

Rysunek 3. Ocena ilości miejsc aktywnych na cząstkę. Procedura stosowana w celu określenia ilości amin na cząstkę: koloidy funkcjonalizowane aminami reagują z SPDP. Następnie DTT jest dodawany do systemu w celu odcięcia grupy pirydyno-2-tionowej, którą można wykryć za pomocą fotospektrometrii przy jej maksimum absorpcji λmax = 293 nm w DMF. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Na obrazach konfokalnych, większość supramolekularnych koloidów dyspersji przed naświetlaniem światłem UV to singlelety (Rysunek 4, góra). Co ciekawe, po napromieniowaniu obserwuje się ewolucję od stanu singletowego do stanu skupienia (Rysunek 4 w środku i na dole). Analiza obrazu służy do monitorowania agregacji w bardziej ilościowy sposób. Gwałtowny spadek liczby podkoszulków z 80% do 9% obserwuje się po naświetlaniu promieniami UV w ciągu pierwszych 5 minut.

Rysunek 4. Procedura przetwarzania obrazu. Oryginalne obrazy z mikroskopii konfokalnej, obrazy binarne i obszar podkoszulków dla próbek odbezpieczonych przez (góra) 0 min, (środek) 15 sekund i (dół) 5 min. Podziałka skali reprezentuje 10 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Opisano protokół syntezy i charakterystyki koloidów pokrytych cząstkami supramolekularnymi. Te supramolekularne koloidy ulegają samoorganizacji po aktywacji wiązań wodorowych między cząsteczkami zakotwiczonymi na powierzchni przez światło UV.
Autorzy dziękują Holenderskiej Organizacji Badań Naukowych (NWO ECHO-STIP Grant 717.013.005, NWO VIDI Grant 723.014.006) za wsparcie finansowe.
| APTES | Sigma-Aldrich | ||
| FTIC | Sigma-Aldrich | ||
| TEOS | Sigma-Aldrich | ||
| LUDOX AS-40 | Sigma-Aldrich | Cząstki krzemionki o promieniu 13 nm | |
| MilliQ | --- | --- | 18,2 MΩ &środkowa kropka; cm przy 25 & stopniach; C |
| Etanol | SolvaChrom | --- | |
| Amoniak (25% w wodzie) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Chloroform | SolvaChrom | --- | |
| Cykloheksan | Sigma-Aldrich | --- | |
| Dimetyloformamid (DMF) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Alkohol stearylowy | Sigma-Aldrich | --- | |
| N,N-Diizopropyloetyloamina (DIPEA) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Benzotriazol-1-yl-oksytriprolidinofosfonium heksafluorofosforan (PyBOP) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Succinimidylo3-(2-pirydyloditionio)propionian (SPDP) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Ditiothreitol (DTT) | Sigma-Aldrich | --- | |
| NVOC-C11-OH | Zsyntetyzowane | --- | I. de Feijter, 2014 Materiały responsywne z adaptacyjnych konstruktów supramolekularnych, praca doktorska, Uniwersytet Techniczny w Eindhoven, Holandia |
| BTA Zsyntetyzowane | --- | I. de Feijter, 2014 Responsywne materiały z adaptacyjnych konstruktów supramolekularnych, praca doktorska, Uniwersytet Techniczny w Eindhoven, Holandia | |
| Wirówka | Thermo Scientific | Heraeus Megafuge 1.0 | |
| Kąpiel ultradźwiękowa | VWR | Myjka ultradźwiękowa | |
| Pompy perystaltyczne Aparat | Harvarda | Pompa strzykawkowa PHD Ultra | |
| Piec UV-oven | Reaktor UV Luzchem | LZC-a V wyposażony w żarówki 8x8 UVA (λ max=354 nm) | |
| Płyta grzewcza mieszadła | Heidolph | MR-Hei Standard | |
| [nagłówek] | |||
| Rozpraszanie światła | ALV | CGS-3 MD-4 kompaktowy goniometr systemowy, wyposażony w cyfrowy korelator czasu rzeczywistego Multiple Tau (ALV-7004) i laser na ciele stałym (λ=532 nm, 40 mW) | |
| Spektrofotometr UV-Vis | Thermo Scientific | NanoDrop 1000 Spektrofotometr | |
| Mikroskop konfokalny | Nikon | Ti Eclipse z laserem argonowym z λ wzbudzenie=488 nm | |
| Przekładki przesuwne | Sigma-Aldrich | Grace BioLabs Przekładka obrazowania z bezpieczną uszczelką (1 dołek, średnica i grubość 13 mm & 0,12 mm) | |
| Strzykawki Strzykawka | BD Plastipak | 20 ml | |
| Rurka z tworzywa sztucznego | SCI | BB31695-PE/5 | Mikrorurki medyczne sterylizowane tlenkiem etylenu |
| Pulsacyjny mieszalnik wirowy | VWR | Elektryczne: 120 V, 50/60 Hz, 150 W Zakres prędkości: 500– 3 000 obr./min | |