Синтез и характеристика супрамолекулярных коллоидов

Мезоструктурированных коллоидные материалы находят широкое применение в науке и технике, в качестве модельных систем для фундаментальных исследований атомных и молекулярных материалов ^1,2, в качестве фотонных материалов ^3,4, в качестве систем доставки лекарственных средств ^5,6, в качестве покрытий ⁷ и в литографии для поверхностного паттернирования ^8,9. Так как лиофобные коллоидами являются метастабильные материалы, которые в конечном итоге агрегирующие необратимо благодаря вездесущим ван-дер-Ваальса, их манипуляции в конкретных целевых структур, как известно, трудно. Многочисленные стратегии были разработаны для управления коллоидный самосборки включая использование добавок для настройки электростатические ^10,11 или износом взаимодействий ^12,13, или внешние триггеры , такие как магнитные ¹⁴ или ¹⁵ электрических полей. Сложная альтернативная стратегия для достижения контроля над структурой, динамика и механика этих систем является их функционализация остроумиеМолекулы ч взаимодействующих между собой посредством конкретных и направленных сил. Супрамолекулярная химия предлагает полный набор инструментов малых молекул , демонстрирующих на конкретных участках, направленный и сильные все же обратимых взаимодействий, которые могут быть модулированы в силе по полярности растворителя, температуры и ¹⁶ света. Так как их свойства были изучены в натуральном и в растворе, эти молекулы являются привлекательными кандидатами для структурирования мягких материалов в экзотические фазы предсказуемым образом. Несмотря на явный потенциал такого комплексного подхода к оркестрировать коллоидный узел с помощью супрамолекулярной химии, эти дисциплины редко сопряжен адаптировать свойства мезоструктурированных коллоидных материалов ^17,18.

Сплошная платформа супрамолекулярных коллоидов должна отвечать трем основным требованиям. Во-первых, связывание надмолекулярной фрагмента должно быть сделано в мягких условиях-в целях предотвращения деградации. Во-вторых, поверхностные силы в separatiДополнения больше, чем непосредственный контакт должен быть во власти привязных мотивов, а это значит, что непокрытые коллоидов должны почти исключительно взаимодействовать с помощью исключенного объемных взаимодействий. Таким образом, физико-химические свойства коллоидов должны быть приспособлены для подавления других взаимодействий, присущих коллоидных системах, таких как ван-дер-Ваальса или электростатических сил. В-третьих, характеристика должна позволять однозначному атрибуции сборки в присутствии супрамолекулярных фрагментов. Чтобы удовлетворить эти три предпосылки, надежный двухступенчатый синтез супрамолекулярных коллоидов был разработан (рисунок 1а). На первой стадии, гидрофобные частицы диоксида кремния NVOC-функционализированного подготовлены к дисперсии в циклогексан. Группа NVOC может быть легко расщеплен, получая частицы, аминные функционализированные. Высокая реакционная способность аминов позволяет прямой пост-функционализации с желаемым супрамолекулярного фрагмента, используя широкий спектр мягких условиях реакции. При этом мы ргepare супрамолекулярных коллоидов путем функционализации кремнезема шариков с стеариловый спирт и бензол-1,3,5-tricarboxamide (БТА) производной ^20. Стеариловый спирт играет несколько важных ролей: он делает коллоидов органофильные и вводит ближнего радиуса действия стерических отталкивание , которое помогает уменьшить неспецифическое взаимодействие между коллоидов ^21,22. ван - дер - ваальсовы силы дополнительно снижается из-за близкого соответствия между показателем преломления коллоидов и растворитель ^23. Свето- и thermoresponsive ближнего радиуса действия привлекательные поверхностные силы генерируются путем включения O нитробензил защищенного ДТС ^20. O нитробензил фрагмент представляет собой фото-расщепляться группа , которая блокирует образование водородных связей между соседними ДТС при включении на амидов в дискотиках (1б). При photocleavage УФ-светом, ВТА в растворе способен распознавать и взаимодействовать с идентичными молекулами ВТА через 3-кратном чydrogen массив облигаций, со связывающим силой, которая сильно зависит от температуры ^17. Так как Ван-дер-Ваальса достопримечательности являются минимальными для стеариловых покрытием частиц диоксида кремния в циклогексане, а также свето- и не зависит от температуры, наблюдаемая раздражители реагирующих коллоидный сборка должна быть БТА-опосредованной.

Это подробное видео показано, как синтезировать и охарактеризовать супрамолекулярных коллоидов и как изучать их самосборки при УФ-облучении с помощью конфокальной микроскопии. Кроме того, простой протокол анализа изображений отличить коллоидные синглеты от сгруппированных коллоидов и для определения количества коллоидов в кластерах сообщается. Универсальность стратегии синтеза позволяет легко варьировать размер частиц, покрытие поверхности, а также введенную связывающий фрагмент, который открывает новые возможности для развития большого семейства коллоидных строительных блоков для мезоструктурированных современных материалов.

1. Синтез ядро-оболочка частиц кремнезема

Примечание: частицы диоксида кремния синтезировали в соответствии со следующей процедурой, которая основана на методе Stober ^24,25.

1. Синтез флуоресцентных семян кремнезема
   1. Растворить 105 мг (0,27 ммоль) флуоресцеином изотиоцианатом в 5 мл этанола.
   2. Добавляют 100 мкл (3-аминопропил) триэтоксисилана (APTES, 0,43 ммоль) к предыдущему раствору.
   3. Разрушать ультразвуком раствор в течение 5 мин, и пусть она реагировать в течение ночи в атмосфере аргона при комнатной температуре при перемешивании. Краситель функционализованных APTES комплекс используют без дополнительной очистки.
   4. В 1 л круглодонную колбу, смесь 2,5 мл красителя функционализованных APTES 25 мл аммиака (25% в воде) и 250 мл этанола.
   5. Добавьте 10 мл тетраэтилортосиликата (ТЭОС) под мениском предыдущей реакционной смеси с помощью стеклянной пипетки whilе перемешивании магнитной мешалкой.
   6. Аналогичным образом, после того, как 5 ч, добавить еще 1,75 мл ТЭОС и перемешивали смесь в течение ночи в атмосфере аргона.
   7. Налейте дисперсию в несколько 45 мл пробирки.
   8. Центрифуга трубки (350 XG, 30 мин), удалить супернатант и добавляют 30 мл свежего этанола в каждую пробирку. Разрушать ультразвуком новые дисперсии в течение 3 мин, и центрифуга снова, чтобы удалить супернатант. Повторите эти шаги стирки 3 раза.
   9. Хранить флуоресцентные семена в этаноле в концентрации приблизительно от 13,6 мг / мл и в темноте (во избежание попадания света).
   10. Готовят нефлуоресцентном семена, следуя той же процедуре, исключив добавление флуоресцентного красителя.
       Примечание: После этой процедуры получают семена около 100 нм в радиусе.
2. Синтез частиц кремнезема ядро-оболочка
   1. Наполните 1 л круглодонную колбу с 51 мл этанола, 17 мл деионизированной воды, 3,4 мл аммиака (25% в воде) и 4мл дисперсии семян (54,4 мг флуоресцентных семян приблизительно).
   2. Заполните пластиковый шприц с 5 мл TEOS и 10 мл этанола.
   3. Заполните второй пластиковый шприц с 1,34 мл аммиака (25% в воде), 3,4 мл деионизированной воды и 10,25 мл этанола.
   4. Подключите оба шприцы с круглым дном колбу с пластиковой трубкой.
   5. Оборудуйте колбу с потоком аргона и магнитной мешалкой. Впуск аргона должен быть рядом с выходным отверстием второго шприца, чтобы избежать контакта между аммиаком газами, поступающими из капель Теос, чтобы предотвратить вторичное зародышеобразование.
   6. Добавьте содержание обоих шприцев одновременно при 1,7 мл / ч с использованием перистальтических насосов при перемешивании смеси. Убедитесь в том, чтобы получить свободные капли при падении, чтобы избежать скользя на стенах и, следовательно, вторичного зародышеобразования.
   7. Прекратить добавление после 7 ч, с получением частиц ядро-оболочка из приблизительно 300 нм в радиусе.
   8. Залить содержимое колбы в несколько 45 мл пробирки.
   9. Центрифуга трубки (350 XG, 30 мин), удалить супернатант и добавляют 30 мл свежего этанола в каждую пробирку. Разрушать ультразвуком новую диспергированием в течение 3 мин и центрифугируют еще раз, чтобы удалить надосадочную жидкость. Повторите эти шаги стирки 3 раза.
   10. Держите частицы ядро-оболочка в этаноле и в темноте (во избежание воздействия света).
   11. Приготовьте нефлуоресцентной частицы кремнезема следуя той же процедуре, но с использованием нефлуоресцентной семян.

2. Функционализация кремнезема коллоидов

1. Синтез NVOC-функционализированный коллоидов
   1. Дисперсные 10 мг частиц кремнезема ядро-оболочка в 1 мл этанола вместе с 12 мг (0,03 ммоль) молекулы NVOC-С11-OH и 31 мг (0,11 ммоль) стеариловый спирт в 50-мл круглодонную колбу, (в результате в-OH NVOC-C11 молярном соотношении 20/80 / стеариловый спирт).
   2. Разрушать ультразвуком смесь в течение 10 мин, чтобы гарантировать, что все молекулы растворяются, а частицы хорошо dispersed.
   3. Добавить к смеси магнитной мешалкой и выпарить этанол с устойчивым потоком аргона при комнатной температуре. Перед тем, как продолжить, убедитесь, что нет этанол осталось, в противном случае он может вступать в реакцию с силанольными группами частиц. Для того, чтобы проверить, является ли этанол полностью испаряется необходимо обращать внимание на температуру в нижней части колбы. Если он чувствует холод, этанол еще не полностью испарилась.
   4. Нагрейте колбы до 180 ° С в течение 6 ч при непрерывном перемешивании и под непрерывным потоком аргона ^22.
   5. Пусть колбу охлаждают до комнатной температуры.
   6. Добавьте 3 мл CHCl ₃ в колбу и разрушать ультразвуком в течение 5 мин (или пока все твердое содержимое было растворено или диспергировано).
   7. Центрифуга дисперсия (2600 XG, 4 мин), удалить супернатант и добавить свежий CHCl _3. Разрушать ультразвуком новую диспергированием в течение 3 мин и центрифугируют еще раз, чтобы удалить надосадочную жидкость. Повторите эти шаги стирки 6 раз. Сухие частицы при 70 ° С в вакууме в течение ночи и хранить их в эксикаторе.
2. Синтез BTA-коллоидов
   1. Дисперсные 10 мг частиц функционализованные с 20/80 мольном соотношении NVOC-С11-ОН / стеариловый спирт в 3 мл CHCl _3.
   2. Облучать дисперсии в УФ-печи (λ _макс = 354 нм) в течение 1 часа , чтобы расщепить группу NVOC. Убедитесь, что удаление защитной группы однородна на поверхности частиц путем перемешивания дисперсии осторожно с помощью магнитной мешалки в то время как удаление защитной группы. Это дает частицы Амин-функционализированный (рис 1a).
   3. Растворите 9 мг производного бензола-1,3,5-tricarboxamide (BTA, 0,01 ммоль), 8,7 мкл N, N - диизопропилэтиламин (DIPEA, 0,05 ммоль) и 5,2 мг (бензотриазол-1-илокси) tripyrrolidinophosphonium гексафторфосфат ( РуВОР, 0,01 ммоль) в 1 мл CHCl _3.
   4. Добавить раствор в амин- функционализированного рСтатья дисперсии и перемешивают в течение ночи при комнатной температуре и в атмосфере аргона.
   5. Центрифуга дисперсия (2600 XG, 4 мин), удалить супернатант и добавляют 3 мл свежей CHCl _3. Разрушать ультразвуком новую диспергированием в течение 3 мин и центрифугируют еще раз, чтобы удалить надосадочную жидкость. Повторите эти шаги стирки 6 раз.
   6. Сухие частицы при 70 ° С в вакууме в течение 48 ч и хранить их в эксикаторе.

3. Статическое рассеяние света Измерения (SLS)

Примечание: Используйте нефлуоресцентном частицы, так как люминесцентная сердцевина поглощает свет той же длины волны, что и падающего лазерного света обычного оборудования рассеяния света.

1. не функционализации 10 мг нефлуоресцирующих частиц кремнезема с стеариловый спирт только (без NVOC-C11-OH) в соответствии с процедурой, описанной в разделе 2.1.
2. Подготовить 500 мкл дисперсии 0,033 мг / мл, не являющихся функционализированных частиц в воде и длДругой 2 мг / мл частиц спиртовых покрытием стеариловых в циклогексан.
3. Разрушать ультразвуком обе дисперсии в течение не менее 20 мин, чтобы гарантировать, что частицы хорошо разошлись.
4. Измерьте интенсивность рассеянного обеих дисперсий, растворителей и эталонного растворителя от 30 ° до 120 ° с шагом 5 °.
5. Участок интенсивность образца (I _{образца)} как функция д
   (Уравнение 1) д = 4π п грешить _{растворителя} (θ / 2) / λ _O
   с углом рассеяния & thetas, показатель преломления растворителя п _{растворителя} и длины волны лазерного Х _о.
6. Установите данные по следующему уравнению с использованием программного обеспечения (например, происхождение)
   (Уравнение 2) I _{образец} = CP (Qr)
   где С является константой и форм - фактор P (Qr) задается
   (Уравнение 3) <IMG Alt = "Уравнение 3" SRC = "/ файлы / ftp_upload / 53934 / 53934eq3.jpg" />
   
   в котором средний радиус сферической коллоидов R.
7. Извлечение R от припадков для каждой дисперсии.
8. Рассчитать отношение Рэлея (R _q), которая является абсолютной мерой для интенсивности рассеянного света, в соответствии со следующим уравнением, для каждого & thetas.
   (Уравнение 4)
   
   с интенсивностью образца, растворитель и ссылка, я _{образец,} я _{растворителю} и я _{сослаться} соответственно, показатель преломления растворителя и опорный н _{растворитель} и п _{ссылка,} соответственно, и Рэлея Отношение _ссылки ссылка R. Здесь используют толуол в качестве ссылки, Такое , что п _вода = 1,332, п = 1,497 _{толуол, циклогексан} п = 1,426; R = 2.74x10 _толуол ^-3 м ^{-1 26.}
9. Вычисляют средний показатель преломления коллоидов (п _{коллоидов)} от R & _thetas и формуле 5.
   (Уравнение 5)
   
   с числом частиц в единице объема N, объем частицы об _{частицы} заданной об _{частицы} = 4/3 πR ^3, и предполагая , что структурный фактор S (Q) ~ 1, что является пределом невзаимодействующих частиц.

4. Количественная оценка числа активных центров на одну частицу

Примечание: Используйте мелкие частицы 13 нм в радиусе (с большей поверхностью для-Соотношение объемов).

1. Функционализации маленькие коммерчески доступные частицы с 20/80 мольном соотношении NVOC-C11-OH / стеариловый спирт, следуя процедуре, описанной в Разделе 2.1.
2. Дисперсные 20 мг мелких частиц, функционализированных в 1 мл CHCl ₃ и облучать дисперсии в УФ-печи (l _макс = 354 нм) в течение 1 ч , чтобы расщепить группу NVOC. Перемешивать дисперсию осторожно с магнитной мешалкой во время снятия защиты. Таким образом, коллоиды не оседают, а их поверхность остается воздействию УФ-света, следовательно, обеспечивает однородное удаление защитных групп.
3. Спин вниз полученных частиц аминные функционализованных (3,400 XG, 10 мин) и удалить супернатант.
4. Сухие частицы при 70 ° С в течение 2 часов.
5. Растворить 0,50 мг сукцинимидил-3- (2-пиридилдитио) пропионата (СПДП, 0,0016 ммоль) в 200 мкл диметилформамида (ДМФ).
6. Добавить раствор SPDP до 20 мг высушенных частиц амин-функционализированные и воронкаСистема в течение 30 мин. В течение этого времени все доступные первичные амины на коллоидов прореагирует с SPDP.
7. Промыть частицы с 1 мл ДМФ в течение 6 раз (или до тех пор, ни один свободный СПДП не обнаружено в надосадочной жидкости с помощью УФ-видимой спектроскопии при λ = 375 нм). В последней стадии промывки попытаться удалить как можно больше супернатант насколько это возможно.
8. Растворить 0,53 мг дитиотреитола (DTT, 0,0034 ммоль) в 50 мкл ДМФА. Добавить раствор DTT к частицам и вихревые дисперсию в течение 30 мин. В течение этого времени группа пиридин-2-тиона расщепляется.
9. Определить абсорбцию свободного пиридин-2-тиона, высвобождаемого в надосадочной жидкости при λ = 293 нм с микрообъема УФ-Вид спектрофотометр.
10. Построить калибровочную кривую для определения коэффициента экстинкции ɛ (~ 12.1x10 ³ М ^-1 см ^-1) пиридин-2-тиона в ДМФА путем измерения поглощения серии разведений различных известных количеств SPDP с избытком ДТТ ,
11. C _P2T, которая отщепляется от частиц с использованием закона Ламберта-Бера:
    (Уравнение 6) Abs = C _P2T ε л
    с молярной концентрацией пиридин-2-тиона C _P2T, коэффициент экстинкции ɛ и длины пути л.
12. Подсчитайте число активных участков (аминов) на одну частицу со следующим уравнением:
    (Уравнение 7)
    с массой одной частицы М _{частицы} то есть М _{частица} = 4 / 3πR ³ ρ, с ρ = 1,295 г / см ^3, общая взвешенная масса частиц М _общей (20 мг) , а общий объем V _общей (50 мкл). Это уравнение предполагает, что все имеющиесяамины вступают в реакцию с SPDP и ДТТ уменьшает все молекулы SPDP прикрепленные к частицам.

5. Монитор коллоидное Ассамблеи конфокальной микроскопией

Примечание: частицы Используйте ядро-оболочка с диоксидом кремния (с флуоресцентным сердцевиной и нефлуоресцентном оболочки).

1. Подготовьте 400 мкл дисперсии 0,1 вес% от ВТА-функционализированных частиц в циклогексан и разрушать ультразвуком образца в течение 20 мин.
2. Облучают пробирку образца в УФ - печи (λ _макс = 354 нм) , чтобы расщепить от Выходов нитробензил группу БТА. Возьмите 25 мкл аликвоты в разное время облучения, например, от 0 до 30 мин, чтобы следить за процессом кластеризации.
3. Поместите различные аликвоты на различных стеклах с помощью спейсера и закройте камеры с покровным стеклом (размер камера диаметр 13 мм × высота 0,12 мм). После закрытия камеры, поверните покровное вниз головой, чтобы частицы осадка и adsorВ на стекле, что облегчает визуализацию.
4. Возьмем несколько изображений каждого образца с конфокальной микроскопии как можно скорее после приготовления образца для каждого времени облучения.

6. Изображение

1. Количественное числа синглета с ImageJ
   Примечание: Все команды, используемые для написания сценария описаны в руководстве ImageJ:
   http://imagej.nih.gov/ij/docs/guide/user-guide.pdf
   1. Гладкая конфокальной изображения, чтобы удалить отдельные пиксели из краев и заполнить небольшие отверстия, работающих под управлением "Smooth" функцию.
   2. Принимая во внимание, что только ядра являются люминесцентные, не расширяют яркие области до края частиц, принадлежащих к одному кластеру ощупь и частицы сливаются. Сделайте это с помощью фильтра "Разбавить". С частицами с толщиной оболочки примерно 180 нм, а также фотографий с разрешением 0,02 мкм / пиксель, два шага растяжения достаточно.
   3. Преобразование изображенияв двоичную картину под управлением "Сделать двоичный" функцию.
   4. Установите масштаб, запустив инструмент "" Set Scale ... ", расстояние = 1 = 0,02, известный пиксель = 1 единица = ит" "для снимков, сделанных с разрешением 0,02 мкм / пиксель, например.
   5. Применить пороговый размер, чтобы различать шум и вне фокуса частиц из в находящихся не в фокусе частиц. Например, с фотографий, сделанных с разрешением 0,02 мкм / пиксель, все области меньше, чем 0,2 пикселей исключены. Делайте это с помощью «Анализируй частицы ..." команду, "размер = 0,2-бесконечность".
   6. Создание all.jpg изображение и файл all.txt с размером всех ярких областей на изображении (кластеров и синглета) с помощью команды "" результаты ", _all.txt" "и" "JPEG", "все" ".
   7. Предположим , что все светлые области от 0.2 до 0.7 пикселей по размеру и с округлости (округлости = 4 π Область / Периметр ²⁾ между 0,7 и 1,0 являютсяфуфайки, выполнив команду "Анализ частиц ...", "округлость = 0.7-1.0".
   8. Создайте singlets.jpg изображение и singlets.txt файл с информацией о всех светлых областей, которые фуфайки с помощью команд "" результатов ", _singlets.txt" "и" "JPEG", "синглеты" ".
2. Обрабатывать информацию с Matlab
   1. Прочитайте файл .txt синглетный и вычислить средний размер синглета на картину _{(синглет).}
   2. Используйте средний размер синглетного вычислить число частиц в кластере (А _дублет = 2А _{синглет, триплет} = 3A _{синглетный} ...) , а общее число частиц в картине из другого файла all.txt.
   3. Вычислить долю частиц в синглеты для каждого времени экспозиции: F _{синглетами} = количество синглетами / всех частиц
   4. Вычислить долю дублеты, триплеты и т.д.: F _{дублетов} = 2 * число дублетов / всех частиц и т.д.

Учитывая , что двухступенчатая процедура используется для синтеза супрамолекулярном коллоиды (рис 1а) соединяет производные БТА - (рисунок 1b) на второй стадии , при комнатной температуре и в условиях умеренно-реакции, ее устойчивость обеспечивается.

Рисунок 1. Схема синтеза супрамолекулярных коллоидов. А) Связывание стеариловый спирт и NVOC защищенные алкильной цепи на кремнеземных коллоидах, а затем амином снятия защиты при облучении УФ-излучением в УФ-печь и последующее связывание молекулы. В) Структура BTA бензольного-1 , 3,5-tricarboxamide (ВТА) производное используется. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

диоксид кремния и оксид кремния п @ стеариловый спирт = 1,436 (Рисунок 2). Это ясно показывает, что поверхность функционализации оказывает влияние на показатель преломления коллоидов. Химический состав монослоя стеариловый спирт коллоидов с покрытием и BTA-коллоидов весьма похожи, так как молярная доля BTA составляет не более 0,2. Таким образом, мы предполагаем , что показатель преломления БТА-коллоидов близка к п кремнезема @ стеариловый спирт = 1.436.

Рисунок 2. Статические измерения рассеяния света на основе диоксида кремния коллоидов. Интенсивность рассеянного света в зависимости от угла обнаружения для A & thetas В) стеариловый спирт покрытием в циклогексана. Пунктирные линии являются подгонку к экспериментальным точкам данных. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Используя схему реакции , показанной на рисунке 3, мелкие частицы , функционализированный с стеариловый спирт молярного результат 20/80 NVOC-С11-OH / соотношение в 1 амина на 46,4 нм 2 на своей поверхности. Это число может быть в свою очередь коррелирует с числом супрамолекулярных частей, которые могут быть связаны между собой, которое мы называем мультивалентности частиц.

Рисунок 3. Оценка количества активных участков на частицу. Процедура , чтобы определить количествоаминов на частицу: амин-функционализированные коллоиды, подвергают взаимодействию с SPDP. Здесь и далее, DTT добавляют к системе расщеплять от Пиридин-2-тион группу, которая может быть обнаружена photospectrometry на ее поглощения максимум Х макс = 293 нм в DMF. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

В конфокальных изображениях, большинство супрамолекулярных коллоидов дисперсии перед облучением ультрафиолетовым светом синглетны (рис 4, вверху). Интересно, что при облучении, эволюция из синглетного состояния в кластерном состоянии наблюдается (рис 4 средней и нижней). Анализ изображений используется для контроля агрегации в более количественном выражении. Резкое уменьшение числа синглетами от 80% до 9% наблюдается при УФ-облучении в течение первых 5минут.

Процедура Рисунок 4. Обработка изображений. Микроскопия изображения Оригинал конфокальной, бинарные изображения и площадь синглетами для образцов снимают защиту для (вверху) 0 мин, (средний) 15 сек и (внизу) 5 мин. Шкалы составляет 10 мкм. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Авторы не имеют ничего раскрывать.