Zastosowanie napięcia w dynamicznej analizie wielkości cząstek rozpraszających światło
24 stycznia 2020
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.
Nasz protokół bada zmiany w polimerach reagujących na bodźce, które są stosowane w czujnikach elektrochemicznych pod przyłożonym napięciem w roztworze i umożliwia obserwację wpływów w polimerach reagujących na bodźce. Zaletą tej technologii jest to, że jest prosta i może być używana do obserwacji dynamiki poli-NIPAM z przyłożonym napięciem. Analiza polimerów i cząstek pod przyłożonym napięciem ma zastosowanie w czujnikach, miękkiej robotyce i magazynowaniu energii.
Nowi stażyści powinni zadbać o staranne przygotowanie próbki i unikanie pęcherzyków powietrza podczas korzystania z kuwety w celu optymalnego pozyskiwania danych. Łatwo jest być nieostrożnym w przypadku prostych technik analitycznych, więc należy zachować ostrożność, ponieważ małe zmiany w protokole mogą prowadzić do zmiennych danych. Aby przygotować próbki do analizy DLS, rozpuść 10 miligramów proszku polimerowego w 10 mililitrach przefiltrowanej wody dejonizowanej i przechowuj mieszaninę w temperaturze czterech stopni Celsjusza przez noc.
Aby przygotować kuwetę DLS, wytnij dwa kawałki o wymiarach 6,3 milimetra na 7 centymetrów z jednostronnej taśmy miedzianej i za pomocą pęsety przyklej każdy kawałek taśmy po przeciwnych stronach wnętrza kuwety DLS na próbkę prostopadłą do ścieżki światła z dnem taśmy w pobliżu dna kuwety. Złóż krawędzie taśmy miedzianej na górze kuwety, upewniając się, że taśma miedziana znajduje się blisko górnej części kuwety, aby zapewnić dobry kontakt elektryczny. Następnie umyj kuwetę trzykrotnie wodą dejonizowaną, usuwając nadmiar wody chusteczką laboratoryjną po ostatnim praniu.
Aby skonfigurować sterowanie instrumentem DLS, następnego ranka dodaj 1,5 mililitra wody dejonizowanej do przygotowanej kuwety i dodaj dwie krople roztworu wzorcowego do kuwety. Włóż kuwetę do uchwytu kuwety, uważając, aby mała strzałka na górze kuwety była wyrównana z uchwytem kuwety i zamknij pokrywę. Wybierz pomiar w oprogramowaniu przyrządu i ustaw temperaturę na eksperymentalny punkt początkowy.
Po pomiarze przepłukać kuwetę i przefiltrować przygotowany polimerowy roztwór testowy do kuwety. Następnie załaduj i zmierz kuwetę, jak pokazano poniżej. Należy obserwować wyraźny pomiar początkowego roztworu badanego.
Aby skonfigurować protokół pomiarowy DLS, w oprogramowaniu przyrządu wybierz file i new, aby skonfigurować nową standardową procedurę operacyjną, a następnie kliknij typ pomiaru, aby wybrać trend, temperaturę i rozmiar. W obszarze Materiał wybierz odpowiedni materiał i współczynnik załamania światła. W obszarze dyspergatora wybierz odpowiedni rozpuszczalnik.
W obszarze sekwencja ustaw temperaturę początkową i końcową zarówno dla eksperymentów z ogrzewaniem, jak i chłodzeniem. Następnie odznacz pole powrotu do temperatury początkowej. Wybierz interwał dla każdej zmiany kroku temperatury i w obszarze pomiaru wielkości ustaw czas równowagi.
Wybierz trzy pomiary w trybie automatycznym dla czasu trwania pomiaru. Następnie zapisz protokół i zamknij plik. Jeśli ma być użyte przyłożone napięcie, wybierz dwa przewody, które są wystarczająco cienkie, aby zmieścić się w małej szczelinie w prawym górnym rogu obszaru uchwytu kuwety DLS.
Zdejmij izolację z jednego końca jednego przewodu, aby ułatwić połączenie z potencjostatem. Na przeciwległym końcu tego samego drutu krótki zacisk aligatora do drutu i przymocuj zacisk do kuwety. Zacisnąć biały przewód referencyjny potencjostatu i czerwony przewód przeciwpotencjostatu do jednego z przygotowanych drutów i zacisnąć zielony przewód roboczego potencjostatu i niebieski przewód potencjostatu działającego do drugiego przygotowanego drutu.
Pozostaw pomarańczowy czujnik licznika i czarne przewody potencjostatu unoszą się na wodzie, nie dotykając żadnego innego sprzętu lub materiałów. Na pasku narzędzi oprogramowania Gamry kliknij eksperyment i elektrochemia fizyczna E, a następnie wybierz chronoamperometrię. Ustaw napięcie kroku wstępnego, kroku pierwszego i kroku drugiego w stosunku do odniesienia do przyłożonego napięcia w całym polu kuwety.
Ustaw napięcie na jeden wolt w stosunku do odniesienia dla wszystkich trzech kroków. Ustaw zarówno krok jeden, jak i krok drugi, aby kontrolować, jak długo napięcie będzie stosowane, i ustaw okres próbkowania, aby wybrać, jak często wykres będzie odczytywał i rejestrował wartości prądu i napięcia. Kliknij przycisk OK. Zostanie wyświetlony aktywny znak wskazujący, że voltage jest przykładany.
W oprogramowaniu Malvern DLS kliknij przycisk zmierz i kliknij przycisk rozpocznij SOP. Gdy tekst u dołu okna standardowego protokołu operacyjnego brzmi wstaw komórkę i naciśnij start, gdy będzie gotowy, kliknij przycisk start, aby rozpocząć eksperyment. Każde wyjście pliku w czasie rzeczywistym dla każdego przebiegu w rampie temperatury można wybrać niezależnie, aby wyświetlić rozmiar woluminu i współczynnik korelacji.
Wykresy korelacji, które mają ogólnie gładką krzywą, są uważane za dobrej jakości, podczas gdy wykresy niegładkie lub dane niskiej jakości powinny być brane pod uwagę przy wykluczaniu z analizy. Jak zaobserwowano, poli-NIPAM wykazuje LCST w temperaturze 30 stopni Celsjusza, temperaturze zbliżonej do wartości opisanych w literaturze. Bez napięcia poli-NIPAM jest w stanie agregować i dezagregować w badanym zakresie temperatur, powracając do swojej pierwotnej wielkości i wykazując oczekiwaną odwracalność.
Pod wpływem napięcia poli-NIPAM zmienia się z rozpuszczalnego na agregujący do rozmiaru 2 000 nanometrów, a następnie zmniejsza się do rozmiaru około 1 000 nanometrów podczas chłodzenia, nigdy nie wracając do pierwotnego stanu rozpuszczalnego. W tym miejscu pokazane są aktualne dane z poly-NIPAM z zastosowanym napięciem oraz eksperymentami ogrzewania i chłodzenia odpowiadającymi poprzednim danym. W tym eksperymencie 26 stopni Celsjusza było kluczowym punktem przejścia poli-NIPAM, w którym zaobserwowano zmianę fazową za pomocą DLS.
Przy 40 stopniach Celsjusza maksymalna temperatura w pomiarze została osiągnięta przed cyklem chłodzenia. Jeśli prąd nie jest dokładnie monitorowany, dane mogą zostać błędnie zinterpretowane i potencjalnie źle zrozumiane. Na przykład w tej analizie napięcie było stosowane tylko losowo i sporadycznie, co skutkowało trendem bardziej zbliżonym do stanu braku napięcia.
Standard jest użytecznym wskaźnikiem konfiguracji i jakości danych. Czyste standardowe wyniki pokazują, że eksperyment można ukończyć z większą szansą na powodzenie. Naukowcy mogą wykorzystać tę procedurę do przetestowania zachowania agregacji polimerów lub innych polimerów reagujących elektrochemicznie z przyłożonym napięciem.
Obecnie badamy, dlaczego następuje przesunięcie LCST i dlaczego występuje nieodwracalne zachowanie agregacji. Oczekujemy, że to naukowe pytanie dostarczy więcej informacji na temat zachowania LCST.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy protokół bada wpływ przyłożonego napięcia na polimery reagujące na bodźce, stosowane w czujnikach elektrochemicznych. Pozwala on na obserwację dynamiki polimerów w zmiennych warunkach napięcia i temperatury.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauka o polimerach
- Elektrochemia
- Dynamiczne rozpraszanie światła
Wstęp
- Polimery reagujące na bodźce są kluczowe w wielu zastosowaniach.
- Zrozumienie ich zachowania pod wpływem bodźców elektrycznych może usprawnić technologię czujników.
- Poly-NIPAM jest kluczowym polimerem badanym w tym kontekście.
- Przygotowanie próbek jest krytyczne dla dokładnego pozyskiwania danych.
Cel badania
- Zbadanie wpływu napięcia na agregację polimeru.
- Obserwacja dynamiki poly-NIPAM pod wpływem przyłożonego napięcia.
- Pogłębienie zrozumienia zachowania polimerów w zastosowaniach czujnikowych.
Zastosowane metody
- Rozpuszczanie proszku polimerowego w filtrowanej wodzie dejonizowanej.
- Przechowywanie mieszaniny w temperaturze 4 °C przez noc.
- Wykorzystanie dynamicznego rozpraszania światła (DLS) do analizy.
- Zapewnienie starannego przygotowania próbek w celu uniknięcia pęcherzyków powietrza.
Główne wyniki
- Przyłożenie napięcia wpływa na zachowanie agregacji polimeru.
- Dynamiczne zmiany w poly-NIPAM mogą być skutecznie obserwowane.
- Wyniki mają znaczenie dla czujników, miękkiej robotyki oraz magazynowania energii.
- Ścisłe przestrzeganie protokołu jest niezbędne dla uzyskania wiarygodnych danych.
Wnioski
- Protokół dostarcza informacji na temat polimerów reagujących na bodźce.
- Napięcie oraz temperatura znacząco wpływają na dynamikę polimerów.
- Przyszłe zastosowania w różnych dziedzinach mogą wykorzystać zdobytą wiedzę.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Metoda ta umożliwia zespołom badawczo-rozwojowym w sektorze biofarmaceutycznym ocenę zachowania polimerów reagujących na bodźce pod wpływem połączonego oddziaływania elektrycznego i termicznego, co wspiera walidację celów dla elektroaktywnych biomateriałów. Poprzez korelację zmian wielkości cząsteczek w czasie rzeczywistym z sygnałami elektrochemicznymi, metoda ta pozwala na mechanistyczną redukcję ryzyka w przypadku platform sensorowych lub systemów dostarczania leków opartych na polimerach. Podejście to wypełnia krytyczną lukę w ocenie agregacji zależnej od napięcia, która jest kluczowym aspektem w opracowywaniu programowalnych biomateriałów do zastosowań terapeutycznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Wartość naukowa: Weryfikuje hipotezy terapeutyczne, wykazując, w jaki sposób przyłożone napięcie zmienia agregację polimerów oraz zachowanie LCST w systemach reagujących na bodźce.
- Wartość operacyjna: Umożliwia walidację funkcjonalną celów poprzez bezpośrednią obserwację wpływu monomerów elektroaktywnych na dynamikę cząsteczek w kontrolowanych warunkach.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Przygotowuje zwalidowane układy biologiczne do dalszych etapów analizy poprzez ustanowienie profili odpowiedzi napięciowo-temperaturowej jako powtarzalnych wyników testu.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację i skalowalność testów dzięki zdefiniowanym protokołom przygotowania kuwety, integracji potencjostatu oraz pomiarów DLS.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Łączy odkrycia z ciągłością przedkliniczną poprzez modelowanie odpowiedzi elektroaktywnych kopolimerów blokowych na połączone bodźce napięciowe i termiczne, istotne w warunkach in vivo.
- Wartość operacyjna: Dostarcza informacji do podejmowania decyzji o dalszym rozwoju z uwzględnieniem ryzyka poprzez identyfikację progów nieodwracalnej agregacji, które wpływają na odwracalność i bezpieczeństwo materiału.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum procesów badawczych, od weryfikacji hipotez we wczesnej fazie odkrywania, po przygotowanie testów do przesiewu, umożliwiając ocenę materiałów reagujących na napięcie przed identyfikacją wiodących związków.
- Biologia odkrywcza: Wspiera weryfikację hipotez i wyjaśnianie szlaków poprzez izolację napięcia jako zmiennej niezależnej w celu zbadania mechanizmów przejścia fazowego polimerów.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość do analizy poprzez ilościowe pomiary wielkości i wyniki współczynników korelacji, które gwarantują jakość danych podczas ramp temperatur.
- Analityka: Generuje zsynchronizowane odczyty prądu i wielkości cząstek, umożliwiając zespołom korelację aktywności elektrochemicznej ze zmianami strukturalnymi w celu porównawczej analizy warunków.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną poprzez modelowanie odpowiedzi polimerów elektroaktywnych pod wpływem bodźców naśladujących fizjologiczne lub wywołane przez urządzenie zmiany napięcia.
- Wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Tworzy możliwość wielokrotnego wykorzystania w ocenie dowolnego elektroaktywnego lub responsywnego na bodźce systemu polimerowego w różnych projektach dzięki standaryzowanemu zestawowi SOP.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zapewnia pewność prognostyczną w walidacji celu poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej wokół agregacji indukowanej napięciem w polimerach termowrażliwych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację, powtarzalność i skalowalność dzięki stałej modyfikacji kuwety, prowadzeniu przewodów oraz konfigurowalnym programowo stopniom napięcia.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji go/no-go poprzez identyfikację punktów nieodwracalnej agregacji, które sygnalizują ryzyko biologiczne na późnym etapie opracowywania materiałów elektroaktywnych.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko poprzez rozróżnienie odwracalnych od nieodwracalnych zachowań reagujących na napięcie, co jest kluczowe dla wykonalności terapeutycznej.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza specjalistyczna z zakresu elektrochemii i nauki o polimerach w celu konfiguracji przewodów potencjostatu oraz interpretacji powiązanych zestawów danych dotyczących natężenia prądu i rozmiaru.
- Wymagane są urządzenia umożliwiające zsynchronizowany pomiar DLS oraz pomiary elektrochemiczne, w tym zmodyfikowana kuweta z elektrodami z taśmy miedzianej oraz sterowanie za pomocą podwójnego oprogramowania.
- Wymagana jest standaryzacja przygotowania próbek w obrębie zespołów (np. 10 mg polimeru w 10 mL wody dejonizowanej, przechowywanie przez noc w temperaturze 4°C) oraz sposób obchodzenia się z kuwetą w celu uniknięcia pęcherzyków powietrza i zapewnienia kontaktu.
- W przypadku zastosowania w systemach innych niż pNIPAM należy uwzględnić modyfikacje, szczególnie w zakresie dostosowania zakresów napięcia, ramp temperatur oraz czasów osiągnięcia stanu równowagi w zależności od LCST i aktywności redoks konkretnego polimeru.
- Uwzględniono ograniczenia praktyczne, takie jak konieczność unikania sporadycznego przykładania napięcia, co może zacierać rzeczywiste trendy agregacji i utrudniać interpretację danych.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:59
Dynamic Light Scattering (DLS) Sample and Cuvette Preparation
1:55
DLS Instrument Controls and Setup
2:41
DLS Standard Operating Procedure (SOP) Setup
3:35
Potentiostat Setup
5:22
Results: Representative DLS Particle Size Analysis
7:04
Conclusion
