Kontrolowanie wielkości, kształtu i stabilności polimerów supramolekularnych w wodzie

Celem tego eksperymentu jest określenie i kontrola rozmiaru, kształtu i stabilności samodzielnie składających się dyskotycznych amfifilów w wodzie. W przypadku wodnych polimerów supramolekularnych taki poziom kontroli jest bardzo trudny. Stosujemy strategię wykorzystującą zarówno odpychające, jak i atrakcyjne interakcje. Techniki eksperymentalne zastosowane do scharakteryzowania tego systemu mają szerokie zastosowanie.

Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest kontrola rozmiaru, kształtu i stabilności supermolekularnych dynamicznych nanocząstek w wodzie. Osiąga się to poprzez zaprojektowanie samoorganizujących się lub polimeryzujących amplifikatorów dychotycznych, których struktura molekularna jest pokryta zarówno dla oddziaływań przyciągających, jak i odpychających. Powoduje to sfrustrowany mechanizm wzrostu, w wyniku którego w wodzie powstają samoorganizujące się nanocząstki o kontrolowanym kulistym kształcie.

W drugim etapie zwiększa się stężenie soli w roztworze wodnym, co osłabia oddziaływania odpychające zakodowane w strukturze molekularnej amfii dyskotekowej. Powoduje to przejście sfery do pręcika, zależne od temperatury kołowe di crowism lub badania spektroskopowe CD lub wykonywane w celu ujawnienia podstawowych mechanizmów tego przejścia sfery do pręcika. Ponadto do pomiaru i wizualizacji przejścia z jednego rodzaju agregatu do drugiego wykorzystuje się kombinację technik analitycznych, takich jak kriogeniczna transmisyjna mikroskopia elektronowa i magnetyczny rezonans jądrowy, uzyskuje się wyniki, które pokazują, że przejście sfery do pręta wyraża się we wzmocnionej współpracy w polimeryzacji supermolekularnej.

Wynika to z przejścia od procesu antykooperacyjnego w nanocząstkach o ograniczonych rozmiarach do w pełni kooperatywnego mechanizmu wydłużania zarodkowania, który prowadzi do powstania bardzo dużych polimerów supramolekularnych, w tym przypadku dynamicznych nanoprętów. Główną zaletą połączenia technik spektroskopowych, takich jak spektroskopia CD, małe pierścienie, rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego i MR z technikami mikroskopowymi, takimi jak krio, jest to, że pozwala to na pomiar i wizualizację przemian polimerów supermolekularnych w wodzie. Te dynamiczne polimery mogą reagować na bodźce zewnętrzne, takie jak zmiany temperatury, zmiany siły OnX lub zmiany pH.

Połączenie tych metod ma szerokie zastosowanie i może pomóc w znalezieniu odpowiedzi na kluczowe pytania w dziedzinie chemii molekularnej i samoorganizujących się nanomateriałów. Na przykład można zbadać korelację między wymiarami agregatów powstałych w wyniku samoorganizacji małych molekularnych bloków budulcowych a mechanizmami leżącymi u ich podstaw. Implikacje tej metodologii rozciągają się na szeroki zakres zastosowań bio nanotechnologii.

Szczególnie interesował nas obszar obrazowania biomedycznego i rozwoju samoorganizujących się nanocząsteczkowych środków kontrastowych, w przypadku których delikatna równowaga między stabilnością agregatu, wysokim kontrastem i zdolnością do wydalania samoorganizujących się środków kontrastowych ma ogromne znaczenie dla ich sukcesu w zastosowaniu klinicznym. Po raz pierwszy wpadliśmy na pomysł połączenia technik charakteryzacji, gdy zdaliśmy sobie sprawę, że subtelne zmiany w strukturze molekularnej samoorganizujących się bloków budulcowych mogą prowadzić do fundamentalnych różnic w mechanizmie polimeryzacji supermolekularnej. Procedurę zademonstruje Paul Beaumont, który jest ekspertem odpowiedzialnym za urządzenia do kriogeniczności 10 na Uniwersytecie Technicznym w Trovan.

Rozpocznij ten protokół od przygotowania roztworu BTA gadolinu DTPA w 100-milimolowym buforze cytrynianu, jak opisano w pisemnym protokole. Dołączając do tego filmu, napełnij roztworem jednocentymetrowy weterynarz UV Q. Włóż weterynarza do uchwytu qve na okrągłym spektrometrze d-krupisu.

Zmierz widmo CD od 230 do 350 nanometrów. Następnie zmierz krzywą chłodzenia CD w paśmie CD o najwyższym natężeniu od 363 do 283 kelwinów z szybkością jednego kelvina na minutę. Następnie dodać tę samą objętość dwumolowego roztworu buforowego chlorku sodu do buforowanego roztworu cytrynianu BTA gadolinu DTPA.

Zwiększy to siłę jonową do jednego molowego chlorku sodu i rozcieńczy dyskoteki do połowy stężenia. Wirować roztwór o zwiększonej sile jonowej przez 40 sekund po wzroście siły jonowej, ponownie zmierzyć widmo CD od 230 do 350 nanometrów. Następnie zmierz krzywą chłodzenia CD w paśmie CD o najwyższym natężeniu od 363 do 283 kelwinów z szybkością jednego kelvina na minutę.

Eksportuj nieprzetworzone dane z dysku CD do środowiska źródłowego 8.5. Znormalizuj widma, definiując efekt CD w najwyższej zmierzonej temperaturze jako równy zero, a efekt CD w najniższej zmierzonej temperaturze jako równy jeden, ponieważ wielkość efektu CD jest proporcjonalna do stopnia agregacji, znormalizowane krzywe CD są proporcjonalne do stopnia agregacji. Znormalizowane dane są dopasowywane przy użyciu opcji dopasowania krzywej nieliniowej w Origin Pro 8.5 z modelem samomontażu zależnym od temperatury.

W tym modelu wyróżnia się reżim zarodkowania i wydłużenia. Po pierwsze, dopasuj stopień agregacji do reżimu wydłużenia. W tym równaniu T oznacza zmienną temperaturę.

PHI N to heliczność netto, która jest proporcjonalna do stopnia agregacji, a HE to entalpia molekularna wydłużenia. T TE reprezentuje temperaturę wydłużenia, czyli temperaturę, w której samoorganizacja zaczyna stawać się korzystna termodynamicznie. Współczynnik normalizacji fiat jest wprowadzany w celu zapewnienia, że Phi N nad fiat nie przekracza jedności, co wynika z ograniczenia, że stopień agregacji nie może przekroczyć.

Dopasowanie Unity pozwala na wyodrębnienie entalpii wydłużenia w klejnotach na mol oraz temperatury wydłużenia w kelwinach, która charakteryzuje samoorganizację cząsteczek dla danego stężenia. Podczas dopasowania należy przestrzegać ograniczenia, że należy dopasować tylko stopień agregacji w temperaturach poniżej TE, ponieważ równanie jest ważne tylko w reżimie wydłużenia po dopasowaniu pierwszego równania, jedynym nieznanym parametrem w równaniu reżimu zarodkowania jest stała aktywacji ka, która opisuje kooperatywność polimeryzacji supramolekularnej. Aby znaleźć dopasowanie stałej aktywacji, eksperymentalnie stwierdzono stopień agregacji dla temperatur powyżej TE w reżimie zarodkowania.

Zacznij od przygotowania roztworów do mikroskopii elektronowej zgodnie z opisem w tekście. Krótko przygotować dwa, 100-milimolowy bufor cytrynianowy i 100-milimolowy bufor cytrynianowy z pięcioma molowymi roztworami chlorku sodu, BTA gadolinu DTPA w 0,1 mililitra każdego z przygotowanych, aby osiągnąć stężenie dekompresyjne jednego milimolowego. Następnie poddaj plazmie siatkę pokrytą folią Quanti za pomocą koera węglowego C Resington 2 0 8 działającego z prędkością pięciu miliamperów przez 40 sekund.

Procedura witryfikacji jest kluczowym etapem krioterapii, ponieważ zapewnia, że cienka warstwa błyszczącego ISIS wyprodukowana w tym miejscu nadaje się do analizy TAM. Roztwór wodny jest nakładany na siatkę podczas witryfikacji na zautomatyzowanym robocie do in vitro FEI. Polega to na nałożeniu próbki na siatkę, osuszeniu nadmiaru cieczy w celu wytworzenia cienkiej warstwy roztworu wodnego na siatce, a następnie witryfikacji poprzez bardzo szybkie zanurzenie siatki w cieczy Etan.

Po zeszkleniu przenieś obrobioną siatkę do ciekłego azotu, aby ją zakonserwować, a następnie ręcznie przenieś siatkę próbki do kasety automatycznego podajnika, która jest również chłodzona ciekłym azotem. Następnym krokiem jest włożenie kasety do automatycznego ładowarki TUE cryo Titan, TEM. TUE Cryo Titan jest wyposażony w polowy pistolet emisyjny działający pod napięciem 300 kilowoltów.

Nagrywanie obrazów TAM wymaga doświadczenia i szybkiej obsługi. Dzieje się tak, ponieważ wiązka elektronów o wysokiej energii uszkadza próbkę podczas obrazowania Rejestruj obrazy za pomocą kamery CCD wyposażonej w pokolumnowy filtr energii gatin. Ponieważ gadolin jest wysoce paramagnetyczny, a sygnały protonowe zostałyby w ten sposób znacznie poszerzone, użyto innej dyskoteki, w której gadolin został zastąpiony dimagnetycznym itrem i roztworem atrium BT.

Przygotowywana jest DTPA. Oblicz, ile miligramów BT atrium DTPA o masie cząsteczkowej 2,979 gramów na mol jest potrzebnych do osiągnięcia docelowego stężenia jednego milimola. Przystąp do rozpuszczenia określonej ilości BT atrium DTPA w 50-milimolowym buforze bursztynianowym o obniżonej wartości znamionowej w D two O po odpipetowaniu 0,6 mililitra powstałego roztworu do wilm, probówki LABAs NMR.

Wprowadzić próbkę do spektrometru Nova 500 o jedności wariantowej wyposażonej w pięciomilimetrową sondę I-D-P-F-G firmy Varian. Eksperymenty DOI należy przeprowadzić zgodnie z opisem w tekście po zarejestrowaniu standardowego NMR protonu, dostosowując impuls 90 stopni i odpowiednio optymalizując czas mieszania. Jednorazową sekwencję impulsów DOI stosuje się po określeniu samodyfuzji HDO w jajnikowej sondzie referencyjnej, a w próbce określa się współczynnik dyfuzji agregatów, na podstawie którego można obliczyć promień hydrodynamiczny.

Na koniec oblicz promienie hydrodynamiczne RH agregatów za pomocą zależności Stokesa Einsteina dla dyfuzji cząstki sferycznej. Jonowy charakter obwodowych kompleksów DTPA gadolinu wprowadza frustrację w jednowymiarowym wzroście monomerów dyskotekowych, których rdzeń jest zaprojektowany do polimeryzacji w wydłużone agregaty przypominające pręty. Równowaga pomiędzy oddziaływaniami przyciągającymi i odpychającymi steruje wielkością i kształtem agregatów.

Potężną techniką określania wielkości i kształtu cząstek i roztworu jest źródło synchrotronowe. Rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego pod małym kątem lub ssanie. BTA gadolin DTPA rozpuszczono w roztworze buforowym cytrynianu, a profile ssania zarejestrowano w dwóch różnych stężeniach.

Nachylenie zbliżające się do zera w dolnym obszarze Q wskazuje na brak kształtu i izotropii w zagregowaniu, co sugeruje obecność obiektów sferycznych. Dane mierzone przy różnych stężeniach zostały dopasowane przy użyciu jednorodnego monodyspersyjnego sferycznego współczynnika kształtu, co doprowadziło do obliczonego promienia 3,2 nanometra. Obliczony promień geometryczny monomerycznej dyskoteki, gadolinu BTA DTPA wynosi 3,0 nanometrów, co w przypadku obecności agreguje się ze współczynnikiem kształtu zbliżonym do jednego, aby dostarczyć dalszych dowodów na kulisty kształt i nanometrowy rozmiar samoorganizujących się obiektów.

Wykonano spektroskopię NMR uporządkowaną dyfuzją protonów. DOI NMR pozwala na wyznaczenie współczynników dyfuzji agregatów supercząsteczkowych, na podstawie których można obliczyć ich promień hydrodynamiczny. Współczynnik dyfuzji zagregowanego diamagnetycznego amplifikacji dychotycznej w deuterowanym buforze bursztynianowym określono na 0,69 razy 10 do potęgi minus 10 metrów kwadratowych na sekundę za pomocą relacji Stokesa Einsteina.

Promień hydrodynamiczny wynoszący 2,9 nanometra został obliczony dla dyskretnych obiektów o rozmiarach sferycznych. Ten rozmiar jest doskonale zgodny z wartością uzyskaną z danych SOX dla gadolinu BTA DTPA. Dalsze dowody na skuteczną kontrolę nad jednowymiarową długością stosu uzyskano z mikrofotografii cryo TEM.

Gadolin BTA DTPA wytwarza oczekiwane obiekty sferyczne o średnicach bliskich sześciu nanometrom przy stężeniu jednego milimola, co potwierdza wyniki pomiarów so i DOI. Tworzenie prętów o wysokim współczynniku kształtu, takich jak polimery supramolekularne, jest wyraźnie obserwowane na mikrofotografiach kriogenicznych przy wysokiej sile jonowej. Badania elektrostatyczne są najbardziej prawdopodobnym wyjaśnieniem tego odkrycia.

Kształt zmienia się z kulistego agregatu o średnicy około sześciu nanometrów na wydłużone pręty o średnicy sześciu nanometrów i długości do kilkuset nanometrów. Widma CD BTA Gadolinu DTPA w temperaturze pokojowej wraz ze wzrostem stężenia soli przedstawiono tutaj. Stężenie DTPA gadolinu BTA wynosi osiem razy 10 do potęgi minus trzy milimole przy niskiej sile jonowej i cztery razy 10 do mocy minus trzy milimole przy wysokiej sile jonowej.

Chociaż do pomiarów CD stosuje się znacznie niższe stężenie, wyraźny efekt bawełny wskazuje na obecność nienaruszonych agregatów nawet przy stężeniach mikromolowych. Kształt widma CD zmienia się wraz ze wzrostem stężenia soli, co jest dobrym wskaźnikiem do zmniejszenia oddziaływań odpychających na obrzeżach stosów i lepszego upakowania dekozy. Ponadto krzywe chłodzenia płyt CD w tych samych roztworach wykazują wyraźne różnice w kształcie.

Temperatura, w której rozpoczyna się agregacja, przechodzi w wyższe temperatury przy wyższym stężeniu soli. Coraz bardziej kooperatywny mechanizm staje się również widoczny jako charakteryzujący się bardziej nagłym wzrostem efektu CD, podczas gdy krzywa chłodzenia przy zerowym molowym chlorku sodu jest najlepiej opisana przez smicowy model samoorganizacji ISO, wskazujący na proces antykooperacyjny. Krzywa chłodzenia przy 1,0 molowym chlorku sodu jest typowa dla kooperatywnego procesu samoorganizacji i może być opisana za pomocą modelu wydłużenia zarodkowania, określającego ilościowo parametry termodynamiczne samoorganizacji gadolinu BTA DTPA przy zerowym i jednym molowym chlorku sodu.

Użycie modelu kooperatywnego wyraźnie ujawnia spadek ka, który jest aktywacją bezwymiarową. Stały. Niższe wartości KA wskazują na wyższy stopień kooperacji w procesie samoorganizacji, który wyraża się w tworzeniu wysoce wydłużonych polimerów supramolekularnych. Jak zaobserwowano w cryo TEM Próbując zademonstrowanych technik eksperymentalnych, należy pamiętać, że tylko połączenie metod eksperymentalnych doprowadzi do znaczącego ogólnego opisu badanych dynamicznych nanomateriałów.

Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak szerokie zastosowanie ma nasze połączone podejście eksperymentalne i jak może ono pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie samoorganizujących się nanomateriałów i super wierszy.