Synteza polimerów cyklicznych i charakterystyka ich ruchu dyfuzyjnego w stanie stopionym na poziomie pojedynczej cząsteczki

Ogólnym celem tego eksperymentu jest scharakteryzowanie ruchu dyfuzyjnego polimerów topologicznych, zwłaszcza polimerów cyklicznych, w warunkach splątanych na poziomie pojedynczej cząsteczki. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie fizyki polimerów, takie jak zależna od topologii dynamika przestrzenno-czasowa polimerów. Główną zaletą tej techniki jest to, że dyfuzję heterogeniczną można ilościowo scharakteryzować na poziomie pojedynczego łańcucha, który zwykle jest ukryty na pewnym poziomie.

Aby rozpocząć tę procedurę, rozpuść sól diimidu perylenu w 150 mililitrach wody, a następnie rozpuść monofunkcyjny poli(THF) w czterech milimetrach acetonu. Dodawać kroplami roztwór acetonu do energicznie wymieszanego roztworu wodnego. Zebrać utworzony osad przez filtrację próżniową.

Następnie przygotuj roztwór osadu w toluenie o stężeniu pięciu miligramów na mililitr. Refluksuj roztwór przez cztery godziny. Po pozostawieniu roztworu do ostygnięcia, całkowicie usunąć rozpuszczalnik pod zmniejszonym ciśnieniem przez odparowanie obrotowe.

Po zakończeniu rozpuść pozostałość w mieszaninie n-heksanu:acetonu w stosunku 2:1 i przefiltruj powstały roztwór przez korek z żelu krzemionkowego. Następnie dodaj przefiltrowany roztwór do lodowatej wody, aby wytrącić produkt. Aby przygotować próbkę stopionego polimeru, dodaj 100 mikrolitrów nieznakowanego liniowego poli(THF) do szklanej butelki i podgrzej ją do około 25 stopni Celsjusza za pomocą suszarki do włosów.

Przygotować roztwór 10 do minus sześć molowych roztworu polimeru z fluoroforem w chloroformie. Następnie dodaj jeden mikrolitr tego roztworu do 100 mikrolitrów nieznakowanego liniowego poli(THF)melt. Po dokładnym wymieszaniu próbki z końcówką pipety, odparować chloroform, ogrzewając suszarką do włosów.

Za pomocą mikropipety umieścić 10 mikrolitrów próbki na oczyszczonym szkiełku nakrywkowym. Umieść kolejne oczyszczone szkiełko nakrywkowe na próbce i delikatnie ściśnij oba szkiełka nakrywkowe za pomocą plastikowej pęsety. Następnie przymocuj grzałkę obiektywu do soczewki obiektywu odwróconego mikroskopu i ustaw temperaturę na 30 stopni Celsjusza.

Umieść jedną kroplę olejku immersyjnego na soczewce i zamontuj próbkę na stoliku mikroskopu. Upewnij się, że grubość próbki wynosi około 10 mikrometrów, sprawdzając położenie osiowe dolnej i górnej powierzchni próbki. Następnie ustaw ostrość mikroskopu na kilka mikrometrów powyżej dolnej powierzchni próbki.

Następnie zastosuj zwielokrotnienie elektronów lub wzmocnienie EM do kamery CCD, aby uzyskać wysokiej jakości obraz fluorescencyjny pojedynczego fluoroforu. Teraz ustaw obszar zainteresowania za pomocą oprogramowania sterującego kamerą. Aby zoptymalizować warunki eksperymentalne, dostosuj obszar oświetlenia próbki do średnicy około 20 mikrometrów za pomocą membrany umieszczonej na ścieżce wiązki wzbudzenia.

Ustaw moc lasera wzbudzającego na próbce na cztery do ośmiu miliwatów, ręcznie wybierając odpowiedni filtr o neutralnej gęstości umieszczony na ścieżce wiązki wzbudzenia. Na koniec zarejestruj od 500 do 1000 sekwencji obrazów fluorescencyjnych polimeru włączonego do fluoroforu w stanie stopionym z częstotliwością odświeżania od 100 do 200 herców. Zmierzono poklatkowe obrazy florescencji pojedynczej cząsteczki dla polimerów czteroramiennych i ośmioramiennych i pokazują przestrzennie izolowane jasne i ostre plamy spowodowane włączeniem do łańcuchów wysoce fluorescencyjnego fluoroforu diimidu perylenu.

Histogramy częstości współczynnika dyfuzji wyznaczonego za pomocą analizy przemieszczenia średniokwadratowego wykazują szerokie rozkłady wynikające zarówno z błędu statystycznego analizy, jak i niejednorodności dyfuzji. Histogramy częstości wykazują wyraźne odchylenia od modelu dyfuzji jednorodnej, który pokazuje niejednorodną dyfuzję cząsteczek polimeru. Pojedyncze i podwójne modele Gaussa dobrze trafiają w uzyskane doświadczalnie funkcje rozkładu skumulowanego i pokazują, że dyfuzja utworzonego polimeru jest opisana przez szeroki rozkład współczynnika dyfuzji, podczas gdy polimer w kształcie ósemki wykazuje dwa odrębne tryby dyfuzji.

Po opanowaniu synteza polimerów może zostać przeprowadzona w ciągu sześciu godzin, a eksperyment zanurzenia pojedynczej cząsteczki można przeprowadzić w ciągu kilku godzin, jeśli zostaną przeprowadzone prawidłowo. Po jej opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się nauką o polimerach do badania dynamiki polimerów w zatłoczonych środowiskach. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak scharakteryzować ruch dyfuzyjny polimerów topologicznych w warunkach splątanych na poziomie pojedynczego łańcucha.

Nie zapominaj, że praca z laserami i rozpuszczalnikami organicznymi może być bardzo niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podejmować środki ostrożności, takie jak bezpieczeństwo lasera i przegląd karty charakterystyki.