Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Kontrolowana synteza i śledzenie fluorescencji wysoce jednorodnych mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych)

9.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54419

⸱

8 września 2016

 ,  ,  ,  , 
1Institute of Physical Chemistry, RWTH Aachen University

W tym artykule

Podsumowanie

Polimeryzacja wytrącająca bez mieszania zapewnia szybkie, powtarzalne podejście do prototypowania syntezy wrażliwych na bodźce mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych) o wąskim rozkładzie rozmiarów. W tej syntezie protokołu demonstruje się charakterystykę rozpraszania światła i śledzenie fluorescencji pojedynczych cząstek tych mikrożeli w mikroskopii szerokokątnej.

Streszczenie

Mikrożele z poli(N-izopropylolakrylamidu) (PNIPAM) wrażliwe na bodźce mają różne potencjalne zastosowania praktyczne i zastosowania w badaniach podstawowych. W tej pracy wykorzystujemy śledzenie pojedynczych cząstek znakowanych fluorescencyjnie mikrożeli PNIPAM jako pokaz dostrajania wielkości mikrożelu za pomocą szybkiej procedury polimeryzacji strąceniowej bez mieszania. Podejście to doskonale nadaje się do prototypowania nowych kompozycji i warunków reakcji lub do zastosowań, które nie wymagają dużych ilości produktu. Synteza mikrożelu, określanie wielkości cząstek i struktury za pomocą dynamicznego i statycznego rozpraszania światła jest szczegółowo opisane w protokole. Wykazano, że dodanie funkcjonalnych komonomerów może mieć duży wpływ na zarodkowanie i strukturę cząstek. Śledzenie pojedynczych cząstek za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej o szerokim polu widzenia pozwala na badanie dyfuzji znakowanych mikrożeli znacznikowych w skoncentrowanej matrycy nieznakowanych mikrożeli, co nie jest łatwe do zbadania innymi metodami, takimi jak dynamiczne rozpraszanie światła.

Wprowadzenie

Mikrożele z poli(N-izopropylacrylamidu) (PNIPAM) wrażliwe na bodźce 1,2 cieszyły się nieustannym zainteresowaniem w ciągu ostatnich dwóch dekad ze względu na ich potencjał w różnych inteligentnych zastosowaniach. Zademonstrowane przypadki użycia obejmują przełączane stabilizatory emulsji 3-8, mikrosoczewki 9, substraty do hodowli komórkowych do łatwego pobierania komórek 10,11 oraz inteligentne nośniki do związków o niskiej masie cząsteczkowej i innych zastosowań biomedycznych 12. Z punktu widzenia badań podstawowych udowodniono, że cząstki te są przydatne do badania takich tematów, jak oddziaływania koloidalne 13-15 i interakcje polimer-rozpuszczalnik 16-18.

Udane wykorzystanie mikrożeli PNIPAM i ich pochodnych w dowolnym zastosowaniu zazwyczaj wymaga wiedzy na temat średniej wielkości cząstek i szerokości rozkładu wielkości cząstek. W celu prawidłowej interpretacji wyników eksperymentalnych z udziałem mikrożeli PNIPAM musi być znana struktura cząstek, na którą mogą wpływać funkcjonalne komonomery. Dynamiczne i statyczne rozpraszanie światła (odpowiednio DLS i SLS) są wyjątkowo odpowiednie do pozyskiwania tych informacji, ponieważ metody te są szybkie i stosunkowo łatwe w użyciu; i nieinwazyjnie badają właściwości cząstek w ich naturalnym środowisku (dyspersja). DLS i SLS zbierają również dane z ogromnej liczby cząstek, unikając odchylenia wynikającego z małych rozmiarów próbek, typowego dla metod mikroskopowych. Dlatego pierwszym celem tej pracy jest wprowadzenie dobrych praktyk dotyczących rozpraszania światła dla praktyków początkujących w charakterystyce koloidalnej.

Zazwyczaj polimeryzacja wytrącająca jest przeprowadzana w skali laboratoryjnej, a znalezienie odpowiednich warunków reakcji dla określonych właściwości cząstek może być pracochłonne i wymagać wielu powtórzeń syntezy. W przeciwieństwie do syntezy dużych partii, polimeryzacja strąceniowa bez mieszania 19,20 jest szybką procedurą, w której partie o różnym składzie reagentów mogą być polimeryzowane jednocześnie, dając cząstki o wąskim rozkładzie wielkości. Jednoczesna polimeryzacja minimalizuje zmienność eksperymentalną, a duża wydajność oznacza, że można szybko znaleźć odpowiednie warunki do reakcji w celu zwiększenia skali reakcji. Stąd naszym drugim celem jest wykazanie przydatności polimeryzacji wytrącającej bez mieszania w prototypowaniu oraz w zastosowaniach, które nie wymagają dużej ilości produktu.

Różne aspekty syntezy i charakterystyki łączą się w przykładzie zastosowania znakowanych fluorescencyjnie mikrożeli PNIPAM w badaniach oddziaływań koloidalnych. W tym przypadku wykorzystujemy bardzo dokładne śledzenie pojedynczych cząstek, aby zbadać dyfuzję znakowanych mikrożeli znacznikowych w dyspersji nieznakowanych mikrożeli o matrycy w szerokim zakresie stężeń matrycy i rozwiązać efekt klatki w skoncentrowanej dyspersji koloidalnej. Mikroskopia fluorescencyjna o szerokim polu widzenia dobrze nadaje się do tego celu, ponieważ może scharakteryzować specyficzne zachowanie kilku cząsteczek znacznikowych wśród dużej liczby potencjalnie różnych gatunków matryc. Jest to przeciwieństwo technik takich jak DLS, SLS i reologia, które mierzą średnie właściwości układów i dlatego nie są w stanie określić zachowania małej liczby cząstek sondy w dużym układzie. Co więcej, w tym konkretnym przykładzie konwencjonalne metody rozpraszania światła nie mogą być stosowane również ze względu na wysokie stężenie cząstek, co prowadzi do silnego rozpraszania wielokrotnego, unieważniającego jakąkolwiek standardową analizę. Wykorzystanie zautomatyzowanego przetwarzania danych i metod statystycznych umożliwia analizę ogólnego zachowania systemu, również w przypadku śledzenia pojedynczych cząstek, po uśrednieniu na dużych próbach.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Synteza mikrogelu

UWAGA: N-izopropylakrylamid (NIPAM) został rekrystalizowany z n-heksanu. Pozostałe odczynniki wykorzystano bez dodatkowej puryfikacji.

  1. Konwencjonalna synteza okresowa mikrogeli matrycy Poly(NIPAM)
    1. Rozpuścić 1,8 g NIPAM i 24 mg N,N'-bisakryloamidu (BIS) w 245 ml filtrowanej (filtr membranowy z regenerowanej celulozy (RC) 0,2 µm) wody dwukrotnie destylowanej w 500 ml kolbie okrągłodennej trójszyjnej wyposażonej w chłodnicę zwrotną, mieszadło i septę gumową.
    2. Wprowadzić termometr oraz igłę 120 mm do doprowadzenia azotu przez septę.
    3. Podgrzać roztwór do 60 °C przy jednoczesnym mieszaniu. Odgazować roztwór poprzez przepłukiwanie azotem przez 40 min.
    4. Równocześnie przygotować roztwór inicjatora z 155 mg persiarczanu potasu (KPS) w 5 ml filtrowanej wody dwukrotnie destylowanej i napowietrzyć roztwór azotem w celu usunięcia tlenu.
    5. Przenieść cały roztwór KPS (5 ml) do przemytej azotem strzykawki wyposażonej w igłę 120 mm.
    6. Unieść igłę z azotem powyżej poziomu roztworu w kolbie trójszyjnej i szybko dodać roztwór KPS do reaktora przez septę gumową.
    7. Pozostawić polimeryzację na 1 hr w przepływie azotu i przy powolnym mieszaniu w temperaturze 60 °C.
    8. Użyć lejka Büchnera i papieru filtracyjnego do przefiltrowania gorącego roztworu reakcyjnego w celu usunięcia dużych agregatów. Pozostawić dyspersję do ostygnięcia.
    9. Odwirować i ponownie zdyspergować dyspersję trzykrotnie przez 40 min przy 257,000 x g, a następnie zdyspergować osad w minimalnej niezbędnej ilości wody dwukrotnie destylowanej. Zazwyczaj jest to 2-4 ml.
    10. Liofilizować dyspersję w celu przechowywania.
  2. Synteza bez mieszania fluorescencyjnie znakowanych mikrogeli Poly(NIPAM)
    1. Odważyć 257,7 mg NIPAM, 3,5 mg BIS oraz 1,5 mg metakryloksyetylotiokarbamoilorodaminy B (barwnik) do naczynia szklanego i dodać 10 ml filtrowanej wody dwukrotnie destylowanej.
    2. Poddać roztwór barwnika i monomeru ultradźwiękom przez 15 min, aby rozpuścić barwnik w wodzie.
    3. Przygotować analogiczny roztwór bez barwnika w osobnym naczyniu szklanym.
    4. Przygotować różne rozcieńczenia roztworu monomeru z barwnikiem, używając roztworu monomeru bez barwnika, aby uzyskać serię stężeń z różnymi zawartościami barwnika. W niniejszej pracy zastosować barwnik w zakresie stężeń 0,02-0,1 mmol/L.
    5. Rozpuścić 8,4 mg KPS w 10 ml filtrowanej wody dwukrotnie destylowanej w celu otrzymania roztworu inicjatora.
    6. Przenieść 0,5 ml z serii stężeń oraz 0,5 ml roztworu KPS do probówek o średnicy 10 mm, aby otrzymać końcowe roztwory reakcyjne, i zamknąć je septami gumowymi.
    7. Podgrzać łaźnię olejową w dwuściennym naczyniu szklanym podłączonym do cyrkulatora grzewczego do 63 °C.
    8. Odgazować roztwory reakcyjne poprzez przepłukiwanie azotem przez igły 120 mm przez 20 min.
    9. Wstawić probówki do pływającej platformy i zanurzyć platformę w podgrzanej łaźni olejowej. Ustawić temperaturę na 60 °C. Początkowo wyższa temperatura w łaźni jest konieczna, ponieważ roztwory o temperaturze pokojowej ochładzają łaźnię. Dla wysokiej precyzji dostrajania wielkości cząstek kontrola temperatury podczas początkowej reakcji musi być rygorystyczna, zazwyczaj ±0,1 °C.
    10. Pozostawić reakcję na odpowiedni czas. Zazwyczaj wystarczy 1 hr.
    11. Szybko przenieść probówki reakcyjne do pieca w temperaturze 60 °C i dodać jedną kroplę gorącej dyspersji do 10 ml filtrowanej wody dwukrotnie destylowanej, podgrzanej powyżej temperatury przejścia fazowego objętościowego (VPTT, 32-34 °C) PNIPAM 1, do charakterystyki DLS w stanie skurczonym.
    12. Pozostawić resztę dyspersji do ostygnięcia do temperatury pokojowej i przenieść je do probówek wirówkowych.
    13. Odwirować roztwór trzykrotnie przez 40 min przy 257,000 x g i ostatecznie rozcieńczyć mikrogele w 2 ml filtrowanej wody dwukrotnie destylowanej do wykorzystania jako cząstki znacznika.

2. Charakterystyka rozpraszania światła

  1. Wyznaczanie promienia hydrodynamicznego w stanie skurczonym metodą dynamicznego rozpraszania światła
    1. Przemyj kuwety i szkło laboratoryjne oparami acetonu.
    2. Podgrzej 10 ml przefiltrowanej (np. filtr RC 200 nm lub mniejszy) wody dwukrotnie destylowanej powyżej VPTT PNIPAM.
    3. Przenieś kroplę gorącej dyspersji do przefiltrowanej wody, używając podgrzanej wcześniej igły (0,9 x 40 mm) i strzykawki (1 ml).
    4. Ustaw temperaturę kąpieli dopasowującej indeks goniometru DLS na 50 °C i przenieś próbkę do instrumentu, nie pozwalając jej ostygnąć.
    5. Wykonaj pomiary testowe, aby znaleźć największy kąt rozpraszania, przy którym natężenie rozproszonego światła jest wystarczające do uzyskania korelogramu.
      1. Włóż kuwetę z próbką (szklana rurka o średnicy 10 mm z 1 ml dyspersji cząsteczek). Przesuń ramię detektora na mały kąt rozpraszania (tutaj 30°).
      2. Sprawdź profil wiązki pod kątem rozpraszania wielokrotnego: brak poświaty wokół wiązki głównej, brak rozpraszania wielokrotnego, itp. Upewnij się, że zakres zliczeń jest odpowiedni do pomiaru przy najniższym kącie rozpraszania (w przybliżeniu między 30 a 600 kHz; prawy górny róg okna oprogramowania).
      3. Przesuń ramię goniometru na najwyższy kąt rozpraszania (wybierz tutaj 120°). Sprawdź, czy szybkość zliczeń jest nadal wystarczająco wysoka dla pomiaru (między 30 a 600 kHz). Jeśli natężenie jest zbyt niskie, przesuń ramię na mniejszy kąt rozpraszania.
    6. Obejrzyj wizualnie wiązkę przez szkło kąpieli toluenowej przy najniższym kącie rozpraszania; jeśli zaobserwowano poświatę wokół wiązki padającej, zachodzi rozpraszanie wielokrotne. W takim przypadku zmniejsz natężenie lasera lub zastosuj większe rozcieńczenie.
    7. Zarejestruj 20 korelogramów w zakresie między minimalnym a maksymalnym kątem rozpraszania (np. 30° - 140°) z minimalnym czasem akwizycji 60 s. W razie potrzeby zwiększ czas akwizycji dla dużych kątów rozpraszania o słabym natężeniu.
  2. Analiza danych 37
    1. Oblicz wartości wektora rozpraszania dla kąta rozpraszania zgodnie z Równanie dyfrakcji statycznej, q=4πn/λ₀ sin(θ/2), wzór matematyczny dla analizy rozpraszania., gdzie n jest współczynnikiem załamania światła dyspersji, Symbol lambda, λ₀, równanie, referencyjna długość fali w fizyce, optyce, analizie spektralnej. długość fali lasera w próżni oraz Symbol theta w matematyce, reprezentujący kąt lub fazę. kąt rozpraszania.
    2. W przypadku, gdy oprogramowanie pomiarowe dostarcza funkcję korelacji natężenia Wzór funkcji korelacji g^(2)(q,τ), stosowany w badaniach dynamicznego rozpraszania światła., przekształć ją w funkcję korelacji pola elektrycznego Dynamiczne rozpraszanie światła; równanie \(g^{(1)}(q,\tau)\); analiza funkcji korelacji natężenia. zgodnie z Wzór pierwiastka kwadratowego stosowany w analizie danych, widoczny w równaniu spektroskopii absorpcyjnej przejściowej. Parametr Wzór pierwiastka kwadratowego z beta, równanie algebraiczne, koncepcja matematyczna do analizy i obliczeń. jest nieistotnym parametrem instrumentalnym związanym ze stopniem spójności przestrzennej światła rozproszonego w obszarze detektora.
    3. Przeprowadź analizę kumulantową korelogramów, t.j. dopasuj wielomian drugiego stopnia do logarytmu każdej funkcji korelacji pola elektrycznego Równanie równowagi statycznej: ln(√βg(1)(q,τ)); schemat analizy matematycznej. metodą najmniejszych kwadratów. Wzór pierwiastka kwadratowego z beta, równanie algebraiczne, koncepcja matematyczna do analizy i obliczeń. pojawia się jako punkt przecięcia dopasowania i jego dokładna wartość jest nieistotna dla analizy danych. Ogranicz dopasowanie do znaczącej wartości czasu opóźnienia τ, np. takiej, dla której amplituda korelacji wynosi 10 - 20% amplitudy maksymalnej. Współczynnik wyrazu pierwszego stopnia to średnia szybkość zaniku funkcji korelacji, Wzór równowagi statycznej ΣFx=0 na schemacie wektorów sił; edukacja, fizyka, analiza wektorowa.
    4. Wyznacz najbardziej prawdopodobną wartość średniego współczynnika dyfuzji Równowaga statyczna; równania ΣFx=0, ΣFy=0; schemat; analiza równowagi, wektory sił. cząsteczek poprzez liniowe dopasowanie metodą najmniejszych kwadratów do Równanie Γ₂=Dq²; koncepcja równowagi statycznej; analiza wzoru fizycznego. Jeśli zależność Wzór równowagi statycznej ΣFx=0 na schemacie wektorów sił; edukacja, fizyka, analiza wektorowa względem Wzór równania kwadratowego q², symbol matematyczny dla wyrażeń algebraicznych. nie jest liniowa i nie przechodzi przez początek układu współrzędnych w granicach błędu, rozkład wielkości cząsteczek jest szeroki, a promień hydrodynamiczny będzie słabo zdefiniowany.
    5. Oblicz średni promień hydrodynamiczny z relacji Stokesa-Einsteina Równanie Stokesa-Einsteina, RH=kBT/6πηD, wzór na współczynnik dyfuzji, obliczenia naukowe., gdzie Symbol stałej Boltzmanna \( k_B \), istotny w termodynamice i mechanice statystycznej. jest współczynnikiem Boltzmanna, Równanie przedstawiające napięcie w fizyce, symbol "T". temperatura bezwzględna oraz Symbol η, litera grecka w równaniach, obliczenia równowagi statycznej, zastosowanie edukacyjne. lepkość dyspersji przy Równanie przedstawiające napięcie w fizyce, symbol "T".. Przenieś odchylenie standardowe Równowaga statyczna; równania ΣFx=0, ΣFy=0; schemat; analiza równowagi, wektory sił. na Równanie chromatograficzne R_H, schemat metody, analiza rozdziału białek, zasób edukacyjny..
  3. Wyznaczanie struktury cząsteczek metodą statycznego rozpraszania światła
    1. Przemyj kuwety i szkło laboratoryjne oparami acetonu. Użyj kuwet o średnicy 20 mm lub większej, aby zminimalizować efekt soczewki cylindrycznej.
    2. Przefiltruj (filtr RC 200 nm lub mniejszy) około 20 ml wody dwukrotnie destylowanej do szklanej fiolki i przenieś kroplę oczyszczonej dyspersji do fiolki. Przed użyciem do przygotowania próbki przemyj filtr 10 ml wody, aby usunąć zanieczyszczenia pozostałe z procesu produkcji.
    3. Sprawdź próbkę pod kątem dowolnego zewnętrznego źródła światła. Jeśli zaobserwowano niebieski odcień, próbka jest prawdopodobnie zbyt stężona. Odpowiednio ją rozcieńcz.
    4. Przygotuj próbkę tła z wody, płucząc kuwetę wielokrotnie przefiltrowaną wodą, a następnie napełnij ją do odpowiedniej objętości próbki, w zależności od kuwety i pozycji lasera w instrumencie. Laser musi przechodzić przez próbkę bez ugięcia na menisku.
    5. Zkalibruj instrument, używając próbki toluenu.
    6. Zmierz rozpraszanie wody (tło) w całym dostępnym zakresie kątowym.
    7. Zmierz natężenie rozpraszania z próbki w całym dostępnym zakresie kątowym, najlepiej przy kilku długościach fali. Wzór rozpraszania znormalizowany do natężenia rozpraszania w przód nazywany jest czynnikiem kształtu.
    8. Jeśli struktura cząsteczek jest znana, użyj odpowiedniego wyrażenia modelowego, aby obliczyć dopasowanie globalne do zbiorów danych zmierzonych przy różnych długościach fali.
    9. W przypadku nieznanej struktury cząsteczek zastosuj zregularizowaną procedurę bezpośrednią (taką jak FitIt! 33) lub bardziej ogólną procedurę pośredniej odwrotnej transformaty Fouriera 21,22 w połączeniu z dekonwolucją funkcji rozkładu odległości par (tylko dla cząsteczek sferycznych) 23,24 w celu przybliżonej klasyfikacji typu cząsteczek.
    10. W przypadku, gdy procedura dopasowania lub inwersji dostarcza szacunek funkcji rozkładu promienia cząsteczek, oblicz indeks polidyspersyjności (odchylenie standardowe rozkładu podzielone przez jego średnią).

3. Śledzenie cząstek za pomocą szerokopolowej mikroskopii fluorescencyjnej

UWAGA: Do śledzenia cząsteczek wykorzystano cząsteczki znacznika i macierzy o promieniach hydrodynamicznych odpowiednio 465 ± 7 nm i 405 ± 7 nm w temperaturze 20 °C.

  1. Przygotowanie próbek
    1. Przygotować stężoną dyspersję mikrogelu matrycy poprzez redispersję znanej ilości liofilizowanego nieznakowanego mikrogelu w znanej ilości wody dwukrotnie destylowanej. Dodać niewielką objętość znakowanych cząsteczek tracera.
    2. Potwierdzić odpowiednie stężenie mikrogelu tracera pod mikroskopem. Optymalne stężenie stanowi kompromis między jednoczesnym zarejestrowaniem maksymalnej liczby trajektorii a utrzymaniem stężenia tracera na poziomie na tyle niskim, aby prawdopodobieństwo przecięcia się trajektorii cząsteczek tracera podczas akwizycji było pomijalne.
    3. Przygotować stężone dyspersje poprzez odparowanie wody w piecu. Wyznaczyć stężenie masowe, porównując masę dyspersji z pierwotną masą próbki przed odparowaniem.
  2. Akwizycja i analiza danych
    1. Użyć odpowiedniego obiektywu o pożądanym powiększeniu i aperturze do wzbudzenia tracerów oraz jednoczesnego zbierania fluorescencji z próbki. W niniejszej pracy należy użyć obiektywu imersyjnego olejowego 100X/1.3 NA.
    2. Umieścić komorę wilgotnościową na stole xyz-piezo, który pasuje do mikroskopu komercyjnego.
    3. Aby zapobiec wysychaniu próbki, umieścić oczyszczone plazmą szkiełko nakrywkowe w komorze wilgotnościowej i nanieść pipetą 10 µl dyspersji poly(NIPAM) o pożądanym stężeniu na szkiełko.
    4. W zależności od widm wzbudzenia i emisji barwnika fluorescencyjnego, użyć odpowiedniego lasera do wzbudzenia i odpowiednio dostosować jego moc. Intensywność powinna być wystarczająco niska, aby uniknąć szybkiego fotoblaknięcia barwników, ale jednocześnie wystarczająco silna do dokładnego pozycjonowania pojedynczych cząsteczek (patrz poniżej). W niniejszej pracy użyto lasera półprzewodnikowego ze stanu stałego o długości fali 561 nm i utrzymano stałą moc lasera na poziomie 16 mW (ok. 0.5 kW cm-2 w próbce) dla wszystkich pomiarów.
    5. W celu uzyskania jednorodnego oświetlenia próbki, zastosować układ oświetlenia krytycznego opisany w niniejszym opracowaniu. W tym celu wprowadzić wiązkę lasera do światłowodu wielomodowego (NA 0.22 ± 0.02, średnica rdzenia 0.6 mm), potrząsać światłowodem za pomocą wstrząsarki typu vortex, aby czasowo uśrednić plamki laserowe, i skierować koniec światłowodu w płaszczyznę próbki.
    6. Zkalibrować odległość z na podstawie odbicia tylnego od szkiełka nakrywkowe i ustawić ostrość kilka mikrometrów wewnątrz próbki, przesuwając obiektyw lekko w górę, a następnie ustalić pozycję z za pomocą kompensatora z. Pozwala to uniknąć efektów interfejsowych na styku ze szkiełkiem nakrywowym.
    7. Dostosować parametry detektora, takie jak czas ekspozycji, do natężenia sygnału fluorescencji. W tym przypadku użyto kamery EMCCD z czasem ekspozycji 0.1 s, w trybie mnożenia elektronów i przy wzmocnieniu 50.
    8. Nagrać kilka filmów z odpowiednią liczbą klatek, aby uzyskać dostateczny czas opóźnienia do obliczenia średniokwadratowego przesunięcia mikrogeli w różnych obszarach próbki. W niniejszej pracy zastosowano liczbę klatek akwizycyjnych wynoszącą 500 lub 1 000.
    9. Przeanalizować dane, wyznaczając pozycje cząsteczek w każdej klatce za pomocą dopasowania gaussowskiego 25 i zastosować odpowiedni algorytm śledzenia cząsteczek 26 w celu uzyskania średniokwadratowego przesunięcia. 27 Obliczyć wartości średnie i odchylenie standardowe poprzez uśrednienie wszystkich trajektorii we wszystkich filmach. Obliczyć współczynniki dyfuzji dla długich czasów opóźnienia za pomocą regresji liniowej z Wzór na równowagę statyczną ⟨r²⟩=4Dτ; współczynnik dyfuzji; równanie fizyczne; zastosowanie edukacyjne., gdzie Wzór na średniokwadratowe przesunięcie 〈r²〉 stosowany w analizie dyfuzji cząsteczek i badaniach chemii fizycznej. jest średniokwadratowym przesunięciem, D średnim współczynnikiem dyfuzji, a τ czasem opóźnienia.
    10. Oszacować parametr anomalii γ z równania dyfuzji anomalnej Równanie dyfuzji ⟨r²⟩=4Dτα; wzór do analizy średniokwadratowego przesunięcia. poprzez przekształcenie danych na skalę logarytmiczną, co daje Równanie do analizy współczynnika dyfuzji; logarytmicznie przekształcone średniokwadratowe przesunięcie.. Parametr anomalii Wzór na równowagę statyczną \(a(τ)\); wykres ilustrujący zależność przyspieszenia kątowego od czasu. jest dany przez pochodną wykresu. Pochodną można oszacować za pomocą różnic skończonych punktów danych lub dopasowując punkty danych funkcjami wielomianowymi i różniczkując analitycznie. Wyznaczyć wystarczający stopień funkcji dopasowania wielomianowego poprzez wykreślenie residuów dopasowania i normy residuów dla zwiększającego się stopnia wielomianu.
    11. Powtórzyć tę samą procedurę dla różnych stężeń matryc mikrogelu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Liczba cząsteczek mikrożelu PNIPAM w partii, a tym samym końcowa objętość cząsteczek, jest określana we wczesnej fazie reakcji podczas etapu nukleacji 20. Hydrofobowy kopolimer barwnikowy, methacryloxyethyl thiocarbamoyl rhodamine B, wpływa na nukleację poprzez zmniejszenie gęstości liczbowej cząsteczek w partii. Spadek stężenia cząsteczek dla dwóch różnych początkowych stężeń NIPAM objawia się jako wzrost średniej k...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Dodanie niewielkich ilości funkcjonalnego komonomeru może mieć znaczący wpływ na rozmiar cząstek i strukturę mikrogeli pochodnych PNIPAM. Równoczesna polimeryzacja w małej skali w probówkach jest dobrą metodą uwzględnienia takich zmian i pomaga szybko dobrać odpowiedni skład substratów dla docelowego rozmiaru cząstek w celu ewentualnego przeskalowania reakcji. Masa cząstek zależy w przybliżeniu wykładniczo od temperatury polimeryzacji,...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) jest uznawany za wsparcie finansowe w ramach Sonderforschungsbereich SFB 985 "Funkcjonalne mikrożele i systemy mikrożelowe".

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AcetonVWR ChemicalsKRAF13455
BisacrylamidAppliChemA3636
n-heksanMerck104374
N-izopropylokryloamidFisher ScientificAC412785000rekrystalizowany z n-heksanu
Metakryloksyetylotiokarbamoilo-rodamina BPolysciences23591
Peroksysiarczan potasuMerck105091
Olej silikonowy 47 V 350VWR Chemicals83851
ToluenSigma Aldrich244511
F12 Cyrkulator chłodniczo-grzewczyJulabo9116612
MikroskopOlympusIX83
XY(Z) System piezoelektrycznyPhysik InstrumenteP-545.3R7
100X Obiektyw zanurzeniowy w olejuOlympusUPLSAPO
QuadLine BeamsplitterAHF AnalysentechnikF68-556T
Cobolt Jive 150 laserCobolt0561-04-01-0150-300
Wielomodowy światłowódThorlabsUM22-600
iXON Ultra 897 Kamera EMCCDAndorDU-897U-CS0-BV
Goniometr laserowySLS SystemtechnikMark III
CF40 Cyrkulator kriokompaktowyJulabo9400340
System goniometru laserowego ALV GmbHALV / CGS-8F
Koretor wielotauowyALV GmbHALV-7004
Elektronika rozpraszania światłaALV GmbHALV / LSE 5004
Moduł zliczania fotonówPerkinElmerSPCM-CD29692 jednostki w trybie pseudo korelacji krzyżowej
633 nm HeNe LaserJDS Uniphase1145P
F32 Chłodzenie/ogrzewanie cyrkulatorJulabo9312632

Bibliografia

  1. Pelton, R. Temperature-sensitive aqueous microgels. Adv. Colloid Interfac. 85, 1-33 (2000).
  2. Pich, A., Richtering, W. Microgels by Precipitation Polymerization: Synthesis, Characterization and Functionalization. Adv. Polym. Sci. 234, 1-37 (2010).
  3. Richtering, W. Responsive Emulsions Stabilized by Stimuli-Sensitive Microgels: Emulsions with Special Non-Pickering Properties. Langmuir. 28 (50), 17218-17229 (2012).
  4. Wiese, S., Spiess, A. C., Richtering, W. Microgel-Stabilized Smart Emulsions for Biocatalysis. Angew. Chem. Int. Edit. 52 (2), 576-579 (2012).
  5. Schmitt, V., Ravaine, V. Surface compaction versus stretching in Pickering emulsions stabilised by microgels. Curr. Opin. Colloid In. 18 (6), 532-541 (2013).
  6. Wellert, S., Richter, M., Hellweg, T., von Klitzing,, R,, Hertle, Y. Responsive Microgels at Surfaces and Interfaces. Z. Phys. Chem. 229 (7-8), 1-26 (2015).
  7. Li, Z., Harbottle, D., Pensini, E., Ngai, T., Richtering, W., Xu, Z. Fundamental Study of Emulsions Stabilized by Soft and Rigid Particles. Langmuir. 31 (23), 6282-6288 (2015).
  8. Deshmukh, O. S., van den Ende, D., Stuart, M. C., Mugele, F., Duits, M. H. G. Hard and soft colloids at fluid interfaces: Adsorption, interactions, assembly & rheology. Adv. Colloid Interfac. 222, 215-227 (2015).
  9. Serpe, M. J., Kim, J., Lyon, L. A. Colloidal Hydrogel Microlenses. Adv. Mater. 16 (2), 184-187 (2004).
  10. Schmidt, S., Zeiser, M., Hellweg, T., Duschl, C., Fery, A., Möhwald, H. Adhesion and Mechanical Properties of PNIPAM Microgel Films and Their Potential Use as Switchable Cell Culture Substrates. Adv. Func. Mater. 20 (19), 3235-3243 (2010).
  11. Xia, Y., He, X., et al. Thermoresponsive Microgel Films for Harvesting Cells and Cell Sheets. Biomacromolecules. 14 (10), 3615-3625 (2013).
  12. Guan, Y., Zhang, Y. PNIPAM microgels for biomedical applications: from dispersed particles to 3D assemblies. Soft Matter. 7 (14), 6375(2011).
  13. Yunker, P. J., Chen, K., Gratale, M. D., Lohr, M. A., Still, T., Yodh, A. G. Physics in ordered and disordered colloidal matter composed of poly(N-isopropylacrylamide) microgel particles. Rep. Prog. Phys. 77 (5), 056601-056629 (2014).
  14. Lohr, M. A., Still, T., et al. Vibrational and structural signatures of the crossover between dense glassy and sparse gel-like attractive colloidal packings. Phys. Rev. E. 90 (6), 062305(2014).
  15. Dreyfus, R., Xu, Y., Still, T., Hough, L. A., Yodh, A. G., Torquato, S. Diagnosing hyperuniformity in two-dimensional, disordered, jammed packings of soft spheres. Phys. Rev. E. 91 (1), 012302-012312 (2015).
  16. Kojima, H., Tanaka, F. Reentrant volume phase transition of cross-linked poly(N-isopropylacrylamide) gels in mixed solvents of water/methanol. Soft Matter. 8 (10), 3010-3011 (2012).
  17. Hofmann, C. H., Plamper, F. A., Scherzinger, C., Hietala, S., Richtering, W. Cononsolvency Revisited: Solvent Entrapment by N-Isopropylacrylamide and N, N-Diethylacrylamide Microgels in Different Water/Methanol Mixtures. Macromolecules. 46 (2), 523-532 (2013).
  18. Bischofberger, I., Calzolari, D. C. E., Trappe, V. Co-nonsolvency of PNiPAM at the transition between solvation mechanisms. Soft Matter. 10 (41), 8288-8295 (2014).
  19. Virtanen, O. L. J., Richtering, W. Kinetics and particle size control in non-stirred precipitation polymerization of N-isopropylacrylamide. Colloid Polym. Sci. 292 (8), 1743-1756 (2014).
  20. Virtanen, O. L. J., Ala-Mutka, H. M., Richtering, W. Can the Reaction Mechanism of Radical Solution Polymerization Explain the Microgel Final Particle Volume in Precipitation Polymerization of N-Isopropylacrylamide? Macromol. Chem. Phys. 216 (13), 1431-1440 (2015).
  21. Glatter, O. A new method for the evaluation of small-angle scattering data. J. Appl. Crystallogr. 10 (5), 415-421 (1977).
  22. Svergun, D. I. Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria. J. Appl. Crystallogr. 25 (4), 495-503 (1992).
  23. Glatter, O. Convolution Square Root of Band-Limited Symmetrical Functions and Its Application to Small-Angle Scattering Data. J. Appl. Crystallogr. 14, 101-108 (1981).
  24. Glatter, O., Hainisch, B. Improvements in Real-Space Deconvolution of Small-Angle Scattering Data. J. Appl. Crystallogr. 17, 435-441 (1984).
  25. Cheezum, M. K., Walker, W. F., Guilford, W. H. Quantitative Comparison of Algorithms for Tracking Single Fluorescent Particles. Biophys. J. 81 (4), 2378-2388 (2001).
  26. Wöll, D., Kölbl, C., Stempfle, B., Karrenbauer, A. A novel method for automatic single molecule tracking of blinking molecules at low intensities. Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (17), 6196-6205 (2013).
  27. Saxton, M. J., Jacobson, K. Single-particle tracking: Applications to membrane dynamics. Annu. Rev. Bioph. Biom. 26, 373-399 (1997).
  28. Pusey, P. N., van Megen, W. Detection of small polydispersities by photon correlation spectroscopy. J. Chem. Phys. 80 (8), 3513(1984).
  29. Stieger, M., Pedersen, J. S., Richtering, W., Lindner, P. Small-angle neutron scattering study of structural changes in temperature sensitive microgel colloids. J. Chem. Phys. 120 (13), 6197-6206 (2004).
  30. Wu, X., Pelton, R. H., Hamielec, A. E., Woods, D. R., McPhee, W. The kinetics of poly(N-isopropylacrylamide) microgel latex formation. Colloid Polym. Sci. 272, 467-477 (1994).
  31. Weeks, E. R., Weitz, D. A. Subdiffusion and the cage effect studied near the colloidal glass transition. Chem. Phys. 284 (1-2), 361-367 (2002).
  32. Ernst, D., Köhler, J., Weiss, M. Probing the type of anomalous diffusion with single-particle tracking. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (17), 7686-7691 (2014).
  33. Virtanen, O. L. J. FitIt! (Version 1.1.4). , Available from: https://www.github.com/ovirtanen/fitit (2015).
  34. Provencher, S. W. A Constrained Regularization Method For Inverting Data Represented By A Linear Algebraic or Integral Equations. Comput. Phys. Commun. 27 (3), 213-227 (1982).
  35. Holtzer, L., Meckel, T., Schmidt, T. Nanometric three-dimensional tracking of individual quantum dots in cells. Appl. Phys. Lett. 90 (5), 053902-053904 (2007).
  36. Diezmann, A. V., Lee, M. Y., Lew, M. D., Moerner, W. E. Correcting field-dependent aberrations with nanoscale accuracy in three-dimensional single-molecule localization microscopy. Optica. 2 (11), 985-989 (2015).
  37. Neutrons, X-rays and Light: Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. Lindner, P., Zemb, T. , North Holland Delta Series. Amsterdam. (2002).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

mikro ele PNIPAMpolimeryzacja przez wytr canie bez mieszaniadynamiczne rozpraszanie wiat aledzenie pojedynczych cz stekszerokopolowa mikroskopia fluorescencyjnawyznaczanie promienia hydrodynamicznegodostrajanie wielko ci cz stekmikro ele znakowane fluorescencyjniekoloidalne przej cie szkliste
Kontrolowana synteza i śledzenie fluorescencji wysoce jednorodnych mikrożeli poli(N-izopropyloakrylamidowych)
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.