Контроль размера, формы и стабильность супрамолекулярных полимеров в воде

Общая цель следующего эксперимента — контроль размера, формы и стабильности сверхмолекулярных динамических наночастиц в воде. Это достигается за счет конструирования самоорганизующихся или полимеризующихся дихотических усилителей, молекулярная структура которых покрыта покрытием как для притягивающих, так и для отталкивающих взаимодействий. Это приводит к нарушенному механизму роста, производящему самоорганизующиеся наночастицы в воде с контролируемой сферической формой.

На втором этапе концентрация соли в водном растворе увеличивается, что ослабляет отталкивающие взаимодействия, закодированные в молекулярной структуре диско-амфи. Это индуцирует переход от сферы к палочке, зависящий от температуры круговой дикроуизм или спектроскопические исследования CD или выполняется для выявления основных механизмов перехода этой сферы к палочке. Кроме того, комбинация аналитических методов, таких как криогенная просвечивающая электронная микроскопия и ядерный магнитный резонанс, используется для измерения и визуализации перехода от одного типа агрегата к другому; получены результаты, которые показывают, что переход от сферы к палочке выражается в усиленном кооперативе в сверхмолекулярной полимеризации.

Это происходит при переходе от антикооперативного процесса в наночастицах ограниченного размера к полностью кооперативному механизму удлинения зародышей, который приводит к образованию очень больших супрамолекулярных полимеров, в данном случае динамических наностержней. Основное преимущество сочетания спектроскопических методов, таких как CD-спектроскопия, малый ануляр, рентгеновское рассеяние и МРТ с микроскопическими методами, такими как крио, заключается в том, что это позволяет измерять и визуализировать переходы супермолекулярных полимеров в воде. Эти динамические полимеры могут реагировать на внешние раздражители, такие как изменения температуры, изменения силы OnX или изменения pH.

Комбинация этих методов широко применима и может помочь ответить на ключевые вопросы в области молекулярной химии и самоорганизующихся наноматериалов. Например, можно исследовать корреляцию между размерами агрегатов, образованных в результате самосборки малых молекулярных строительных блоков, и лежащими в их основе механизмами формирования. Применение этой методологии распространяется на широкий спектр био-нанотехнологических приложений.

Мы были особенно заинтересованы в области биомедицинской визуализации и разработки самоорганизующихся наноконтрастных веществ, где тонкий баланс между совокупной стабильностью, высокой контрастностью и способностью выводить самоорганизующиеся контрастные вещества имеет первостепенное значение для их успеха в клиническом использовании. Впервые у нас появилась идея комбинировать методы характеризации, когда мы поняли, что тонкие изменения в молекулярной структуре самоорганизующихся строительных блоков могут привести к фундаментальным различиям в механизме сверхмолекулярной полимеризации. Демонстрировать процедуру будет Пол Бомонт, эксперт и ответственный за установки крио 10 в техническом университете Трована.

Начните этот протокол с приготовления раствора БТА гадолиния DTPA в 100 миллимолярном цитратном буфере, как описано в письменном протоколе. В сопровождении этого видео заполните раствором ветеринарный прибор UV Q размером в один сантиметр. Вставьте ветеринарный прибор в держатель qve на круглом D-образном кроуизм-спектрометре.

Измерение спектра CD от 230 до 350 нанометров. Затем измерьте кривую охлаждения CD в диапазоне максимальной интенсивности CD от 363 до 283 кельвинов со скоростью один кельвин в минуту. Далее добавьте такой же объем двухмолярного буферизованного раствора хлорида натрия в буферизованный раствор БТА гадолиния DTPA.

Это позволит увеличить ионную силу до одного моляра хлорида натрия и разбавить дискотеки до половины концентрации. Вихревой раствор с повышенной ионной силой в течение 40 секунд после увеличения ионной силы повторно измеряют спектр CD от 230 до 350 нанометров. Затем измерьте кривую охлаждения CD в диапазоне максимальной интенсивности CD от 363 до 283 кельвинов со скоростью один кельвин в минуту.

Экспорт необработанных данных CD в исходный код 8.5. Нормализуйте спектры, определив эффект CD при самой высокой измеренной температуре равным нулю, а эффект CD при самой низкой измеренной температуре равным единице, поскольку величина эффекта CD пропорциональна степени агрегации, нормализованные кривые CD пропорциональны степени агрегации. Нормализованные данные подгоняются с помощью опции нелинейной аппроксимации кривой в исходном Pro 8.5 с температурно-зависимой моделью самосборки.

В этой модели различают режим зарождения и удлинения. Во-первых, подгонка степени агрегации в режиме удлинения. В этом уравнении T представляет переменную температуру.

PHI N — суммарная спиральность, пропорциональная степени агрегации, а HE — молекулярная энтальпия удлинения. T TE представляет собой температуру удлинения, то есть температуру, при которой самосборка начинает становиться термодинамически благоприятной. Нормализующий коэффициент fiat вводится для того, чтобы Phi N над фиатом не превышал единицу, что следует из ограничения, которое степень агрегирования не может превышать.

Единичная аппроксимация позволяет извлечь энтальпию удлинения в драгоценных камнях на моль и температуру удлинения в Кельвинах, характеризующую самосборку молекул для заданной концентрации. При подгонке следует соблюдать ограничение, согласно которому следует подгонять только степень агрегации при температурах ниже TE, поскольку уравнение справедливо только в режиме удлинения после подгонки первого уравнения, единственным неизвестным параметром в уравнении режима зародышеобразования является константа активации ka, которая описывает кооператив супрамолекулярной полимеризации. Для нахождения соответствия константы активации экспериментально найдена степень агрегации для температур выше TE в режиме зародышеобразования.

Начните с приготовления растворов для электронной микроскопии, как описано в тексте. Кратко приготовьте два буфера, 100 миллимолярный цитратный буфер и 100 миллимолярный цитратный буфер с пятью молярами растворения натрия хлорида, БТА гадолиния DTPA в 0,1 миллилитра каждого из приготовленных буферов для достижения декоконцентрации в один миллимоляр. Затем плазма обрабатывает сетку с углеродным покрытием из фольги с помощью угольного коэра C Resington 2 0 8, работающего при мощности пять миллиампер в течение 40 секунд.

Процедура витрификации является важным этапом криокриологии, поскольку она гарантирует, что тонкий слой глянцевого ISIS, полученный на принтере, подходит для анализа TAM. Водный раствор наносится на сетку во время остекловывания на автоматизированном роботе FEI vitro. Это включает в себя нанесение образца на сетку, промокание от лишней жидкости для создания тонкой пленки водного раствора на сетке и последующую витрификацию путем очень быстрого погружения сетки в жидкость Ethan.

После остекловывания обработанную сетку переносят в жидкий азот для ее сохранения, затем вручную переносят сетку для проб в кассету автозагрузчика, которая также охлаждается жидким азотом. Следующим этапом является вставка кассеты в TUE cryo Titan, TEM auto Loader. TUE Cryo Titan оснащен полевой эмиссионной пушкой, работающей под напряжением 300 киловольт.

Запись изображений TAM требует опыта и быстрой обработки. Это связано с тем, что высокоэнергетический электронный пучок повреждает образец во время визуализации Записывайте изображения с помощью ПЗС-камеры, оснащенной фильтром энергии Гатина после колонны. Поскольку гадолиний обладает высокой парамагнитной способностью и протонные сигналы были бы значительно расширены, была использована другая дискотека, где гадолиний был заменен диамагнитным иттрием и раствором BT-атриума.

Готовится DTPA. Рассчитайте, сколько миллиграммов DTPA BT atrium при молекулярной массе 2,979 грамма на моль необходимо для достижения целевой концентрации в один миллимоляр. Приступают к растворению определенного количества BT atrium DTPA в 50 миллимолярном дефорсированном сукцинатном буфере в D two O после пипетирования 0,6 мл полученного раствора в вильм, ЯМР-пробирку LABAs.

Вставьте образец в вариант единицы в спектрометре Nova 500, оснащенном пятимиллиметровым зондом I-D-P-F-G от Varian. Проведите эксперименты с DOI, как описано в тексте, после записи стандартного протонного ЯМР, адаптируя импульс 90 градусов и соответствующим образом оптимизируя время смешивания. Последовательность одноимпульсных импульсов DOI используется после определения самодиффузии HDO в яичниковом эталонном зонде, и в образце определяется коэффициент диффузии агрегатов, по которому можно рассчитать гидродинамический радиус.

Наконец, рассчитайте гидродинамические радиусы RH агрегатов, используя соотношение Стокса Эйнштейна для диффузии сферической частицы. Ионный характер периферических комплексов гадолиния DTPA вносит фрустрацию в одномерный рост диско-мономеров, ядро которых предназначено для полимеризации в удлиненные стержнеобразные агрегаты. Баланс между притягивающими и отталкивающими взаимодействиями контролирует размер и форму агрегатов.

Мощным методом определения размера и формы частиц и раствора является синхротронный источник. Малый угол рассеяния рентгеновского излучения или отстой. БТА гадолиния DTPA растворяли в буферном растворе цитрата, и профили всасывания регистрировали при двух разных концентрациях.

Наклон, приближающийся к нулю в области низкой добротности, указывает на отсутствие формы и изотропности в совокупности, что предполагает наличие сферических объектов. Данные, измеренные при различных концентрациях, были подобраны с использованием однородного монодисперсного сферического форм-фактора, что привело к расчетному радиусу 3,2 нанометра. Расчетный геометрический радиус мономерной дискотеки, БТА гадолиния DTPA составляет 3,0 нанометра, что при наличии агрегатов с соотношением сторон, близким к единице, что еще раз доказывает сферическую форму и нанометровый размер самоорганизующихся объектов.

Выполнена ЯМР-спектроскопия с упорядоченной протонной диффузией. DOI NMR позволяет определить коэффициенты диффузии сверхмолекулярных агрегатов, из которых можно рассчитать их гидродинамический радиус. Коэффициент диффузии агрегированного диамагнитного дихотического усиления в дейтерированном сукцинатном буфере был определен равным 0,69 умножить на 10 к мощности минус 10 квадрат метра в секунду с помощью соотношения Стокса-Эйнштейна.

Гидродинамический радиус 2,9 нанометра был рассчитан для дискретных объектов сферического размера. Этот размер отлично согласуется со значением, полученным по данным SOX для БТА гадолиния DTPA. Еще одно доказательство успешного контроля длины одномерного стека было получено с помощью микрофотографий криоПЭМ.

Гадолиниевый DTPA ВТА создает ожидаемые сферические объекты диаметром около шести нанометров в концентрации в один миллимоляр, что подтверждает результаты измерений SO и DOI. Образование стержней с высоким аспектным отношением, подобных супрамолекулярным полимерам, отчетливо наблюдается на криоте-микрофотографиях при высокой ионной силе. Электростатический скрининг является наиболее вероятным объяснением этого вывода.

Форма меняется от сферического агрегата диаметром около шести нанометров до удлиненных стержней диаметром шесть нанометров и длиной до нескольких сотен нанометров. Здесь представлены спектры CD БТА Гадолиния ДТФА при комнатной температуре с возрастающей концентрацией солей. Концентрация гадолиния DTPA БТА составляет восемь умножить на 10 к мощности минус три миллимольяра при низкой ионной силе и четыре раза к 10 к мощности минус три миллимольяра при высокой ионной силе.

Несмотря на то, что для измерения CD применяется значительно более низкая концентрация, эффект прозрачного хлопка указывает на наличие неповрежденных агрегатов даже при микромолярных концентрациях. Форма спектра CD изменяется с увеличением концентрации соли, что является хорошим показателем уменьшения отталкивающих взаимодействий на периферии стеков и улучшения упаковки деко. Кроме того, кривые охлаждения CD одних и тех же решений показывают явные различия в форме.

Температура, при которой начинается агрегация, смещается на более высокие температуры при более высокой концентрации соли. Также становится очевидным все более кооперативный механизм, характеризующийся более резким увеличением эффекта CD, в то время как кривая охлаждения при нулевом молярном хлориде натрия лучше всего описывается моделью самосборки ISO smic, свидетельствующей об антикооперативном процессе. Кривая охлаждения при 1,0 молярном хлориде натрия типична для кооперативного процесса самосборки и может быть описана моделью удлинения зародышей, количественно определяющей термодинамические параметры самосборки БТА гадолиния DTPA при нуле и одном моляре хлорида натрия.

Использование кооперативной модели ясно показывает уменьшение ka, что является безразмерной активацией. Постоянный. Более низкие значения КА указывают на более высокую степень кооперации в процессе самосборки, что выражается в образовании сильно вытянутых супрамолекулярных полимеров. При попытке использовать продемонстрированные экспериментальные методы важно помнить, что только комбинация экспериментальных методов приведет к осмысленному общему описанию динамических наноматериалов, подлежащих исследованию.

Посмотрев это видео, вы должны хорошо понять, насколько широко применим наш комбинированный экспериментальный подход и как он может помочь ответить на ключевые вопросы в области самоорганизующихся наноматериалов и суперстихов.