Síntese controlada e Fluorescência de rastreamento de Poly altamente uniforme ( N -isopropylacrylamide) microgéis

O objetivo geral deste trabalho é investigar o comportamento dinâmico e a interação de partículas coloidais moles em dispersões de várias densidades de partículas nas proximidades da transição vítrea. Microgéis são objetos macios que podem adaptar seu tamanho, forma e mobilidade de acordo com seus ambientes. Em contraste com as partículas coloidais rígidas, há muitas questões em aberto sobre o comportamento dos microgéis macios.

A principal vantagem da microscopia de fluorescência de campo amplo é a possibilidade de localizar microgéis únicos com alta precisão, acompanhar diretamente seu movimento em C2 e analisar as quantidades de difusão. Para investigar a dinâmica de microgéis únicos em sistemas densos, apenas um pequeno número de microgéis deve ser marcado com fluorescência. A polimerização por precipitação sem agitação permite a síntese paralela de microgel com condições de reação variáveis para corresponder convenientemente ao tamanho dos microgéis marcados e não marcados.

O espalhamento dinâmico de luz fornece os raios hidrodinâmicos médios dos microgéis com uma precisão de alguns nanômetros. Dissolva 1,8 gramas de NIPAM e 24 miligramas de BIS em 245 mililitros de água bidestilada filtrada em um balão de fundo redondo de 500 mililitros e três gargalos equipado com condensador de refluxo, um agitador e um septo de borracha. Insira um termômetro e uma agulha de 120 milímetros para a entrada de nitrogênio através do septo.

Aqueça a solução a 60 graus Celsius, mexendo sempre. Em seguida, desoxigene a solução purgando com nitrogênio por 40 minutos. Prepare simultaneamente uma solução iniciadora de 155 miligramas de persulfato de potássio, ou KPS, em cinco mililitros de água bidestilada filtrada e borbulhe a solução com nitrogênio para remover o oxigênio.

Em seguida, lave uma seringa com nitrogênio e transfira a solução completa de KPS de cinco mililitros para uma seringa lavada com nitrogênio equipada com uma agulha de 120 milímetros. Levantar a agulha de azoto acima do nível da solução no balão de três colos e adicionar rapidamente a solução de KPS através do septo de borracha para o reactor. Deixe a polimerização prosseguir por uma hora sob fluxo de nitrogênio e agitação lenta a 60 graus Celsius.

Use um funil de Buchner e papel de filtro para filtrar a solução de reação quente e descarte todos os agregados grandes. Depois de deixar a dispersão esfriar, centrifugue e redisperse a dispersão três vezes por 40 minutos a 257.000 vezes G. Finalmente, redisperse o sedimento em uma quantidade mínima viável de água bidestilada antes de liofilizar a dispersão para armazenamento. Pese 257,7 miligramas de NIPAM, 3,5 miligramas de BIS e 1,5 miligramas de metacriloxietil tiocarbamoil rodamina B em um recipiente de vidro e adicione 10 mililitros de água duplamente destilada com filtro.

Prepare a mesma solução sem o corante em um recipiente de vidro separado. Ultrassonice a solução de corante por 15 minutos para dissolver o corante em água. Preparar várias diluições da solução monómera com o corante para obter uma série de concentrações.

Aqui, é usado corante na faixa de concentração de 02 a 0,1 milimol por litro. Em seguida, dissolva 8,4 miligramas de KPS em 10 mililitros de água filtrada bidestilada para obter a solução iniciadora. Transferir 0,5 mililitros da série de concentrações e 05 mililitros da solução KPS para tubos de ensaio com 10 milímetros de diâmetro para obter as soluções finais de reação.

Sele os tubos com septos de borracha. Pré-aqueça um banho de óleo em um recipiente de vidro de parede dupla conectado a um circulador de aquecimento a 63 graus Celsius. Desoxigenar as soluções de reação purgando com nitrogênio através de agulhas de 120 milímetros por 20 minutos.

Em seguida, insira os tubos em uma plataforma flutuante e mergulhe a plataforma no banho de óleo pré-aquecido. Defina a temperatura para 60 graus Celsius. Para ajuste de tamanho de partícula de alta precisão, o controle de temperatura durante a reação inicial deve ser rigoroso, normalmente mais ou menos 0,1 graus Celsius.

Deixe a reação prosseguir por um período de tempo apropriado. Normalmente, uma hora é suficiente. Após a reação, transfira os tubos de reação rapidamente para um forno a 60 graus Celsius.

Coloque uma gota da dispersão quente em 10 mililitros de água bidestilada filtrada, pré-aquecida sobre a temperatura de transição de fase de volume poli-NIPAM, a fim de medir os raios hidrodinâmicos das partículas no estado colapsado. Deixe o restante das dispersões esfriar até a temperatura ambiente e transfira-as para tubos de centrífuga. Depois de centrifugar a solução, diluir os microgéis em dois mililitros de água bidestilada filtrada para usar como partículas traçadoras.

Para a determinação do raio hidrodinâmico no estado colapsado por dispersão dinâmica da luz, lavar primeiro as cubetas e os artigos de vidro com vapor de acetona. Transferir cerca de um mililitro de dispersão de partículas diluídas para uma cubeta de medição. Tempere o banho de correspondência do índice do goniômetro dinâmico de espalhamento de luz para 50 graus Celsius e transfira a amostra para o instrumento sem deixá-la esfriar.

Insira a cubeta de amostra e mova o braço do detector para o pequeno ângulo de dispersão. Depois de verificar o perfil do feixe e a faixa de contagem conforme descrito no protocolo de texto, mova o braço do goniômetro para o ângulo de dispersão mais alto. Verifique se a taxa de contagem ainda é alta o suficiente para a medição.

Se a intensidade for muito baixa, mova o braço para um ângulo de dispersão mais baixo. Em seguida, verifique o feixe visualmente através do vidro do banho de tolueno no ângulo de dispersão mais baixo. Se for observado brilho ao redor do feixe incidente, ocorre uma dispersão múltipla.

Adquira 20 correlogramas entre o ângulo de dispersão mínimo e máximo com um tempo mínimo de aquisição de 60 segundos. Aumente o tempo de aquisição para ângulos de grande dispersão de baixa intensidade, se necessário. Use uma lente objetiva apropriada com a ampliação e abertura desejadas para excitação dos traçadores e coleta simultânea de fluorescência da amostra.

Neste trabalho, é utilizada uma lente objetiva de imersão em óleo de abertura numérica de 100X e 1,3. Coloque a câmara de umidade em uma mesa XYZ pi-SO que se encaixa em um microscópio. Para evitar que a amostra seque, coloque uma lamínula limpa com plasma na câmara de umidade e pipete 10 microlitros da concentração desejada de dispersão de poli-NIPAM.

Dependendo dos espectros de excitação e emissão do corante fluorescente, use um laser adequado para excitação e ajuste a potência do laser adequadamente. Um laser de estado sólido com bomba de diodo de 561 nanômetros é usado aqui com uma potência de laser constante de 16 miliwatts. Para obter uma iluminação homogênea da amostra, acople o laser em uma fibra multimodo, agite a fibra usando um vórtice para calcular temporariamente a média dos pontos do laser e projete a extremidade da fibra no plano da amostra.

Calibre a distância Z do reflexo traseiro da lamínula e concentre vários micrômetros na amostra movendo a objetiva ligeiramente para cima e fixe a posição Z usando um compensador Z. Isso evita quaisquer efeitos de interface com a lamínula. Ajuste os parâmetros do detector, como tempo de exposição, à intensidade do sinal fluorescente.

Neste caso, uma câmera EMCCD é usada com um tempo de exposição de 0,1 segundos no modo de multiplicação de elétrons e um ganho de 50. Adquira vários filmes com o número adequado de quadros para obter um tempo de atraso adequado para calcular o deslocamento quadrático médio dos microgéis em diferentes regiões da amostra. Oito lotes de microgel marcados foram sintetizados.

Para seis lotes, as taxas de decaimento do corlograma aumentam linearmente em relação ao quadrado da magnitude do vetor de espalhamento, o que indica uma distribuição de tamanho estreita. Um ajuste através da origem indica apenas difusão translacional. Para dois lotes, observa-se um comportamento não linear.

O desvio é causado por uma ampla distribuição de tamanho e um fator de forma mínimo de partícula, que coincide com a faixa do vetor de espalhamento. Para obter uma melhor estimativa do coeficiente de difusão médio das partículas, exclua esses pontos do ajuste. A alta relação sinal-ruído permite o rastreamento de microgéis fluorescentes.

Sua difusão é restrita pela matriz de microgel não marcada. Concentrações mais altas de matriz de microgel não rotulada à direita levam a um efeito de gaiola pronunciado, onde os microgéis fluorescentes ficam presos em uma matriz não marcada de microgéis. Em baixas concentrações de matriz de mircogel não marcada, os microgéis traçadores exibem difusão normal, o que é inferido a partir do aumento linear do deslocamento quadrático médio com o tempo de latência.

No entanto, em altas concentrações próximas à transição vítrea coloidal, eles exibem difusão não linear, representada pela evolução temporal não linear dos deslocamentos quadráticos médios. Em maior concentração de matriz de microgel não marcada, os microgéis traçadores são presos por vizinhos não marcados em gaiolas transitórias, conforme ilustrado por trilhas agrupadas para 12 microgéis. A síntese paralela em pequena escala permite a experimentação rápida com diferentes parâmetros de reação.

Isso também minimiza qualquer variação experimental indesejada devido a diferenças de temperatura de reação. Em combinação com a cuidadosa caracterização dinâmica de espalhamento de luz, as condições de reação para o tamanho correto do microgel podem ser encontradas rapidamente. Neste vídeo, demonstramos como a síntese controlada de microgéis nos permite investigar a difusão de microgéis únicos em soluções concentradas de microgel por microscopia de fluorescência de campo amplo.

Seguindo este procedimento, será possível entender como a estrutura dos microgéis controla suas propriedades. Isso abrirá a porta para o design de novas matérias interativas suaves.