Tutaj przedstawiono protokół przykładania napięcia do roztworu podczas dynamicznych pomiarów wielkości cząstek rozpraszania światła z zamiarem zbadania wpływu zmian napięcia i temperatury na agregację polimerów.
Method Article
* These authors contributed equally
Tutaj przedstawiono protokół przykładania napięcia do roztworu podczas dynamicznych pomiarów wielkości cząstek rozpraszania światła z zamiarem zbadania wpływu zmian napięcia i temperatury na agregację polimerów.
Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) jest powszechną metodą charakteryzowania rozkładu wielkości polimerów, białek i innych nano- i mikrocząstek. Nowoczesne oprzyrządowanie pozwala na pomiar wielkości cząstek w funkcji czasu i/lub temperatury, ale obecnie nie ma prostej metody wykonywania pomiarów rozkładu wielkości cząstek DLS w obecności przyłożonego napięcia. Możliwość wykonywania takich pomiarów byłaby przydatna w opracowywaniu elektroaktywnych, reagujących na bodźce polimerów do zastosowań takich jak czujniki, miękka robotyka i magazynowanie energii. W artykule przedstawiono technikę wykorzystującą przyłożone napięcie sprzężone z DLS i rampą temperatury do obserwacji zmian agregacji i wielkości cząstek w polimerach termoczułych z monomerami elektroaktywnymi i bez nich. Zmiany w zachowaniu agregacji zaobserwowane w tych eksperymentach były możliwe tylko dzięki połączonemu zastosowaniu kontroli napięcia i temperatury. Aby uzyskać te wyniki, potencjostat podłączono do zmodyfikowanej kuwety w celu przyłożenia napięcia do roztworu. Zmiany wielkości cząstek polimeru monitorowano za pomocą DLS w obecności stałego napięcia. Równolegle uzyskano dane prądowe, które można było porównać z danymi dotyczącymi wielkości cząstek, aby zrozumieć związek między prądem a zachowaniem cząstek. Polimer poli(N-izopropyloakrylaamid) (pNIPAM) posłużył jako polimer testowy dla tej techniki, ponieważ reakcja pNIPAM na temperaturę jest dobrze zbadana. Obserwuje się zmiany w zachowaniu agregacji roztworu o niższej temperaturze krytycznej (LCST) pNIPAM i poli(N-izopropylacrylamidu)-blok-poli(metakrylanu ferrocenylmetylu), elektrochemicznie aktywnego kopolimeru blokowego, w obecności przyłożonego napięcia. Zrozumienie mechanizmów stojących za takimi zmianami będzie ważne przy próbie uzyskania odwracalnych struktur polimerowych w obecności przyłożonego napięcia.
Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) to technika określania wielkości cząstek poprzez wykorzystanie losowych zmian intensywności światła rozproszonego przez solution1. DLS jest w stanie mierzyć agregację polimerów poprzez określanie wielkości cząstek. W tym eksperymencie DLS sprzężono z kontrolowanymi zmianami temperatury, aby zaobserwować, kiedy polimer agreguje się, co wskazuje na przekroczenie dolnej temperatury roztworu krytycznego (LCST)2,3. Poniżej LCST znajduje się jedna jednorodna faza ciekła; powyżej LCST polimer staje się mniej rozpuszczalny, agreguje się i skrapla się z roztworu. Przyłożone napięcie (tj. przyłożony potencjał lub pole elektryczne) zostało wprowadzone w poprzek pola rozpraszania, aby zaobserwować wpływ pola elektrycznego na zachowanie agregacji i LCST. Zastosowanie napięcia w pomiarach wielkości cząstek pozwala na nowy wgląd w zachowanie cząstek i późniejsze zastosowania w dziedzinie czujników, magazynowania energii, systemów dostarczania leków, miękkiej robotyki i innych.
W tym protokole użyto dwóch przykładowych polimerów. Poli(N-izopropyloakrylaamid) lub pNIPAM jest wrażliwym termicznie polimerem, który zawiera zarówno hydrofilową grupę amidową, jak i hydrofobową grupę izopropylową o łańcuchu makromolekularnym4,5. Reagujące termicznie materiały polimerowe, takie jak pNIPAM, były w ostatnich latach szeroko stosowane w kontrolowanym uwalnianiu leków, separacji biochemicznej i czujnikach chemicznych3,4. Wartość LCST w literaturze pNIPAM wynosi około 30-35 °C4. pNIPAM zazwyczaj nie jest aktywny elektrochemicznie. W związku z tym, jako druga próbka polimeru, do polimeru dodano blok elektrochemicznie aktywny. W szczególności metakrylan ferrocenylmetylu został użyty do stworzenia kopolimeru blokowego poli(N-izopropylacrylamidu)-bloku-poli(metakrylanu ferrocenylmetylu) lub p(NIPAM-b-FMMA)6,7. Oba przykładowe polimery zostały zsyntetyzowane przez odwracalną polimeryzację łańcuchowo-transferową z fragmentacją addycji z kontrolowaną długością łańcucha8,9,10. Nieelektrochemicznie aktywny polimer, pNIPAM, zsyntetyzowano jako 100 mer czysty pNIPAM. Elektrochemicznie aktywny polimer p(NIPAM-b-FMMA) miał również 100 mer długości łańcucha, który zawiera 4% metakrylanu ferrocenylmetylu (FMMA) i 96% NIPAM.
W tym artykule przedstawiono protokół i metodologię badania wpływu przyłożonego napięcia na agregację polimerów. Metoda ta może być również rozszerzona na inne zastosowania DLS, takie jak analiza fałdowania/rozwijania białek, interakcje białko-białko i aglomeracja cząstek naładowanych elektrostatycznie, by wymienić tylko kilka. Próbkę podgrzano z 20 °C do 40 °C w celu zidentyfikowania LCST przy braku i obecności przyłożonego pola o napięciu 1 V. Następnie próbkę schłodzono z 40 °C do 20 °C bez zakłócania zastosowanego pola w celu zbadania wszelkich efektów histeretycznych lub równowagowych.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. Przykładowe preparaty polimerowe
2. Przygotowanie próbki DLS i kuwety
UWAGA: Ta sekcja przygotowuje kuwetę do przyłożonego napięcia i próbkę do pomiarów DLS.
3. Sterowanie instrumentem DLS i konfiguracja
UWAGA: Zaleca się wykonanie trzech kontroli przed uruchomieniem każdego eksperymentu DLS: (1) roztwór czystej wody; (2) wzorzec rozmiaru; (3) pomiar polimeru przed rozpoczęciem narastania temperatury lub przyłożonego napięcia. Przed przystąpieniem do obsługi przyrządu należy zapoznać się z instrukcją obsługi przyrządu, aby uzyskać wskazówki dotyczące przygotowania próbki, wyboru ustawień oraz oceny próbki i jakości danych.
4. Konfiguracja SOP DLS
UWAGA: Ta sekcja odnosi się konkretnie do operacji zwiększania temperatury w instrumencie Malvern Zetasizer NanoZS DLS. Przed rozpoczęciem eksperymentów zdecydowanie zaleca się dokładne zapoznanie się z instrukcją obsługi przyrządu w celu uzyskania wskazówek dotyczących wyboru celi, przygotowania próbki, wyboru ustawień pomiaru oraz oceny jakości próbki i danych.
5. Konfiguracja potencjostatu
UWAGA: Zaleca się używanie tego samego komputera do operacji na wielkości cząstek i zastosowanym napięciu do synchronizacji danych w czasie, co ułatwia ich późniejszą ocenę. Proszę zapoznać się z zastosowaną objętościtagInstrukcje przyrządów w celu uzyskania wskazówek dotyczących konfiguracji okablowania, konsultacji oprogramowania i wyboru odpowiednich parametrów. W eksperymentach tych użyto potencjostatu Gamry.
6. Analiza danych
UWAGA: Ta sekcja szczegółowo opisuje wstępną analizę, aby zrozumieć uzyskane dane.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Dane wyjściowe pliku w czasie rzeczywistym z każdego przebiegu w rampie temperatury są przedstawione w formie tabeli, jak widać na Rysunek 3. Każdy rekord można wybrać niezależnie, aby zobaczyć rozmiar woluminu (Rysunek 4) i współczynnik korelacji (Rysunek 5). Objętościowy rozkład wielkości cząstek (PSD) jest najdokładniejszymi danymi do interpretacji ogólnego rozkładu i LCST, ale jakość danych powinna być oceniana za p...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Przyłożenie napięcia do roztworów pNIPAM lub p(NIPAM-b-FMMA) zmieniło zachowanie agregacji polimeru w odpowiedzi na temperaturę. W przypadku obu materiałów, gdy obecne było przyłożone napięcie, objętość polimerów pozostawała wysoka nawet wtedy, gdy roztwory były schładzane poniżej ich LCST. Był to nieoczekiwany wynik, ponieważ próby bez napięcia wykazały, że polimery wracają do swoich pierwotnych rozmiarów. Eksperymenty te pozwalają nam stwierdzić, że dla naszego zakresu temperatur i przy przyłożonym napięciu ag...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Autorzy pragną podziękować za wsparcie finansowe ze strony NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131) oraz Hamel Center for Undergraduate Research w UNH. Ponadto autorzy chcieliby podziękować Darcy'emu Fournierowi za pomoc w okablowaniu i Scottowi Greenwoodowi za dostęp do DLS.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| N-Izopropylokryloamid | Tokyo Chemical Industry CO., LTD | I0401-500G | |
| 1,4-dioksan | Alfa Aesar | 39118 | |
| 2,2"-azobis(2-metylopropionitryl) | SIGMA-ALDRICH | 441090-100G | |
| Kuweta | Malvern | DTS0012 | |
| Dynamiczne rozpraszanie światła | Malvern | Zetasizer NanoZS | |
| Metakrylan ferrhormonylu | ASTATECH | FD13136-1G | |
| Ftalimidometyl-butylotriiowęglan | SIGMA-ALDRICH | 777072-1G | |
| Potencjostat | Gamry | Reference 600 |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission