Protocol
1. Utarbeidelse av Emulsion
- Emulsjon Innhold
- Masse en passende mengde salt for å fremstille 10 ml 0,03 M-løsning. For platina (IV) klorid måler 0,101 g, for sink (II) klorid (ZnCl2) måler 0,032 g, og natriumklorid (NaCl) måler 0,018 g.
- I enkelte prøverør, oppløse hvert salt i 10 ml DI-vann. Sett til side for senere bruk.
- Bruker en 20-ml, forseglbar glassflaske for innholdet i denne prosedyren. Tare en balanse til hetteglass.
- Vei vinyl-terminert polydimethylsiloxan ved langsomt å helle den over en rørestang og inn i glassampullen hviler på nullstilt skala. Vei ut 1,02 g (tilsvarende 1,080 ml).
MERK: Den høye viskositet denne polymer gjør pipettering upraktisk. - Pipetter 1,02 ml n-heptan til ampullen. Tilsett 2 dråper av ikke-ionisk overflateaktivt middel (sorbitan-monooleat) til ampullen. Pipetter 0,3 ml saltløsning og 0,45 ml DI-vann til ampullen.
- Forsegle hetteglass ved å skru lokket godt på. Rist kraftig i 60 sekunder for å initiere emulsjonen før begynnelsen sonikering.
- Bygging av vannbad sonicator Apparatus
- Fyll sonikator med vann opp til linjen minimal fylling. Tilsett 250 ml vann fra springen til et 400 ml begerglass. Fyll 400 ml begerglass med is, slik at vannstanden er bare på felgen.
- Plasser begerglass av denne inne i vannbad sonikator. Sjekk fill-linjen på sonicator, justere hvis nødvendig. Sett en ring stå rett ved siden av vannbad sonicator.
- Ved hjelp av to ring stå klemmer, plassere dem slik at en arm er trukket ut, perpendikulært på ringen stå og en annen er utvidet mot vannbadet, slik at den peker nedover i begerglasset fylt med isvann. Fest en annen klemme til ringen stativ med et termometer ned i 400 ml begerglass, slik at temperaturen kan overvåkes gjennom ultralydbehandling.
- Emulsification Prosedyre
- Plasser emulsjonen holdige ampullen, slik at den er helt nedsenket i 400 ml begerglass ved å feste den til klemmen utstikkende ned i begerglasset.
- Påse at glasset hetteglasset med PDMS blandingen ikke berører sidene av begeret til å eliminere varme forårsaket av friksjon.
- Slå på sonicator og satt ultralyd tid for 7 min. Fordi emulsjonen er svært varmefølsomt, sikre at temperaturen inne i begeret er mellom 0 og 5 ° C i hele lydbehandling. Begynn sonikering når temperaturen inne i begeret er ønskelig.
- Etter 7 min av lydbehandling, fjerne glasset og rist / virvel i 1 min, holder toppen av hetteglasset for å eliminere eventuelle klumper som kan dannes i emulsjonen.
- Kast av innholdet i begeret. Påfyll med 250 ml vann og tilsett is til fyllet til innenfor 1 cm toppen av begeret.
- Plasser hetteglasset tilbake i braketten. Senk den under isvann til resume sonikering i 7 min.
- Gjenta trinn 1.3.3 til 1.3.6 for en total på åtte, syv-min sonikering perioder, eller til ultralydbehandling synes å være homogen og uten klumper er til stede. Oppbevar ved romtemperatur.
MERK: emulgeringen skal være stabil i flere dager, men kan utvinnes ved ultralydbehandling som ovenfor i 7-minutters intervaller til det vises homogen. Oppbevar ved romtemperatur.
2. Cross-linking
- Oppsett for Tilsetting av trietoksysilan / surfaktantoppløsning
- Pipetter 5,4 ml trietoksysilan inn i et reagensrør. Sett i et reagensrør stativ under panseret for senere bruk.
- Fyll en 400-ml beger med isvann og legg den under panseret. Ved siden av 400 ml begerglass sted en ring stå med en klemme festet, utvidet rett over åpningen av begeret. Dette vil være isbadet for tillegg av triethoxysilane.
- Plasser en varm plate på den andre siden av ringen stativet. Fylle en 800-ml beger med ca 700 mlSpring vann. Plasser den på den varme platen.
- Slå på varmeplaten og opprettholde en temperatur på 75 til 85 ° C inne i 800-ml begerglass. Feste en klemme med et termometer til ringen stativet slik at temperaturen i vannet inne i 800-ml beger kan overvåkes.
- Fremstille overflateaktive oppløsning ved å oppløse 0,5 g natrium-dodecyl-sulfat til 375 ml vann (4,62 mm). Tilsett ca 10 ml av overflateaktiv oppløsning til en ren, tom reagensrør.
- Fest en annen klemme til ringen stå under panseret med det overflateaktive prøverøret festet slik at dens væskenivået er under overflaten av vannet i 800 ml begerglass. Tillat 10 min for termisk likevekt.
- Fukt et stykke filterpapir og legg den i toppen av en liten trakt. At således spindelen av trakten i en 250-ml Erlenmeyerkolbe og plassere kolben under panseret.
- Tilsetting av trietoksysilan
- Plasser emulsjonen hetteglasset i en klemme over isvann nebber inne i hetten. Plasser PDMS blandingen i braketten, slik at ampulleinnholdet er under overflaten av vannet. Tilsetningen av trietoksysilan fører til en eksoterm reaksjon, slik at emulsjonen må holdes kald for å opprettholde sin struktur.
- Fjern lokket fra glassflaske for å unngå gass bygge opp.
- Hell sakte reagensglasset som inneholder silan inn i hetteglass i en kontinuerlig strøm i løpet av en periode på ca 10 sek (ca. 0,5 ml / sek).
FORSIKTIG: Tillegg av triethoxysilane initierer en eksoterm reaksjon og frigjøring av kaustisk hydrogenklorid (HCl) gass. Ampullen blir svært varme, og en giftig gass vil utvikle seg fra blandingen. IKKE STIR innholdet mens legge triethoxysilane. - Etter å legge triethoxysilane helt, forsiktig røre innholdet med et glass oppsikt stang mens iført en varme beskyttende hanske. Vent i 2 minutter eller inntil gass stopper utvikling fra hetteglasset.
- Føllpå grunn av tverrbinding, er det ingen faseseparasjon synlig i prøven. Hvis klumper er til stede, forsegle flasken og rist grundig for 20 sek mens du holder hetteglasset ved lokket.
- Perlene produksjon
- Bruk en ren, glass Pasteur pipette for å trekke det kryssbundne emulsjon fra hetteglass. Legge til den kryssbundne emulsjon dråpevis til den overflateaktive oppløsning (som bør holdes mellom 75 og 85 ° C) til testrøret tar så kort tid som mulig mellom dråpene.
- 30 sekunder til 1 minutt etter tilsetningen av emulsjonen, vil den overflateaktive løsningen langsomt begynner å utvikle gass som faste stoffer begynner å dannes inne i prøverøret.
- Mens iført varmebeskyttelseshansker, ta prøverør ut av klemmen og hell hele innholdet i filtreringsapparatet under panseret. Filter i 5 min. Fjern filterpapiret fra filteret.
- Overfør de filtrerte faste stoffer på en klokke glass og separate perler for O / N tørking under hood. Rengjøring av perlene kan utsettes på ubestemt tid. Lagres tørkede kuler ved RT i en lukket glassflaske inntil nødvendig, og rent umiddelbart før bruk.
- Perlene Rengjøring
- Lag en annen filtreringsapparatet under panseret og plassere de tørkede perler inni trakten på toppen av filterpapiret.
- Bruk en plastvaskeflaske fylt med DI-vann for å skylle perlene forsiktig, flytte dem rundt litt for å sikre at alle kulene skylles.
- La perlene tørke i en time ved å plassere dem på en klokke glass under panseret. Bruk en vaskeflaske fylt med heksaner for å skylle perlene ved hjelp av den samme metode for skylling med vann.
- Plassere perler på en klokke glass. Plasser urglass og perlene under panseret til tørk.
- Etter perlene er helt tørre, plassere dem i en liten lukkbar hetteglass og oppbevar ved RT for fremtidig bruk.
- Montering av Perler for SEM analyse og SEM Innstillinger
- Plasser en stripe av doÜble idet karbon Ledende bånd på toppen av stussen på hvilke kulene skal bli montert. Ved hjelp av saks, trim rundt stubben for å sikre at ingen tape henger over kantene.
- Legg et stykke filterpapir under spire på et flatt underlag. Fjerne det øverste laget fra båndet, slik at limet undersiden er utsatt for.
- Forsiktig helle perlene over spire. Noen perler vil holde seg til tape, men de fleste vil sprette av og lande på filterpapiret. Hell disse tilbake i glasset hvis de oppholdt seg på filterpapiret. Gjenta om nødvendig, vaske noen perler (i henhold til 2.4.2 til 2.4.5) som blir forurenset.
- For å sikre perlene er sikre på stubben, bruk en pære sprøyte og lett blåse svært tett til stubben overflaten. Hell flere perler over spire hvis bare noen få levd opp til båndet. Sørg for at alle perlene er sikker før du legger stussen inn i SEM kammeret og evakuere den.
- Når prøvene er montert riktig de er nå klare til å gjennomgå SEM analysis 15. Samle bildene i LOW VAC-modus på 15 keV å optimalisere oppløsningen av perle overflatetrekk.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Representative SEM bilder av perler som følge av emulsjoner med forskjellige elektrolytt betingelser er vist i figur 1. Figur 1A viser en vulst som ligner på de som ble oppnådd ved DuFaud, et al. 13, produsert ved hjelp av våre fremgangsmåter, uten tilsetning av noe elektrolytt. Perler vist i Figur 1B-D, noe som resulterer i forskjellige morfologi for hvert metallion. For alle bildene som er vist, ble 300 ul av 0,03 M-elektrolyttoppløsninger anvendt i stedet for 300 pl DI vann til den vandige fase, noe som gir en elektrolyttkonsentrasjon på 0,012 M i den fasen. Bilder med høyere oppløsning er vist i figur 2 av perler produsert uten elektrolytt (a) og med ZnCl2.
Brunauer-Emmett-Teller (BET) analyse 16,17 av perlene ble utført ved anvendelse av nitrogen isotermer ved fem forskjellige trykk. Kulene er vist på figur 1 var t Aken fra samme parti av materialer som brukes for BET-analyse i hvert tilfelle. BET-analyse gir kvantitative verdier for overflateareal til volum-forhold, som er oppført i tabell 1.
Figur 1. SEM bilder av hele perler. SEM bilder av PDMS perler produsert av mikroboblefremstillingsteknikken som er beskrevet her. Perler fremstilt uten tilsetning av en hvilken som helst elektrolytt til det vandige lag (A) er utelukkende konvekse porøsitet. Lengdeskala for alle bildene er gitt av skalaen bar på figuren. De som er produsert med en netto konsentrasjon på 0,012 M metallkonsentrasjon for PtCl 4 (B), ZnCl2 (C), og NaCl (D) viser forskjellige morfologi, herunder vesentlig tilsetning av konkave porene på grunn av mikrobobledannelse, som angitt i sirklet område.les / ftp_upload / 53440 / 53440fig1large.jpg "target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Detaljerte SEM bilder. Nærmere SEM bilder av (A) perler fremstilt uten tilsatt elektrolytt, og (B) med ZnCl2. Uten tilsetning av elektrolytt, sfæriske understellene er generelt større og mer tettpakket enn med tilsetning av ZnCl2, noe som i betydelig grad bidrar til økningen i overflateområdet til volumforhold. Lengdeskala for alle bildene er gitt av skalaen bar på figuren. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Salt lagt | BET SAV Ratio (cm 2 / cm 3) | SAV Forbedring (i forhold til kontroll) |
| Ingen (kontroll) | 361,6 | 1 |
| PtCl 4 | 1849 | 5.1 |
| ZnCI2 | 11060 | 30.6 |
| NaCl | 298,9 | 0,83 |
Tabell 1. BET-analyse. Overflate-areal-til-volum (SAV)-forhold, bestemt ved Brunauer-Emmett-Teller (BET) isotermen analyse, av materialene fremstilt ved bruk av vandige faser med 0,012 M-vandige oppløsninger av forskjellige elektrolytter. Første kolonne bokstaver indikerer den tilsvarende bildepanelet i Figur 1. SAV prosenter er basert på det totale overflatearealet per enhet masse, massen av prøven, og den totale kalde ledig plass av prøven.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Kulene produsert ved bruk av denne protokollen (og ved justering av elektrolyttkonsentrasjonen og identitet) er fundamentalt forskjellig fra de som dannes med en lav ionestyrke emulsjon, som vist ved sammenligning av figur 1A til de øvrige SEM bilder i figur 1. Vårt første rapport brukt PtCl 4 i den hensikt å ytterligere katalysering av polymeriseringen tverrbinding ved den vandige-alifatiske grensesnitt 14. I denne rapporten ble store konkave fordypninger sett. Siden den rapporten har vi videreutviklet våre prosedyrer for å optimalisere for SAV ratio. Uten å vaske perlene, elementanalyse av domener innen SEM bilder viser at platina ble funnet nesten utelukkende innenfor den konkave porer som finnes i hele kulestrukturen. Fordi denne platina ble lett fjernet ved agitasjon av perlene i vann, konkluderte vi i våre opprinnelige rapporten at platina ble bare rester på PDMS overflaten, heller enn å være incorporated i polymeren. Det innebar en katalytisk rolle for platina i herdeprosessen. Kulene er vist på figur 1 er karakterisert ved utseendet av sfæriske underbygning, stort sett konvekse, men de som fremstilles med det tilsatt elektrolytten også inneholde konkave sfæriske regioner som sirklet del av fig 1B. Tilstedeværelsen av elektrolytt ser ut til å redusere størrelsen av mikrobobler i emulsjonen. Detaljerte bilder antyder at, basert på størrelsen av de sfæriske understrukturer, boblene i emulsjonen er av størrelsesorden 0,2 pm til 2 pm i diameter med ZnCl2, men er mer vanlig 1-10 pm i diameter uten elektrolytt (i overensstemmelse med tidligere arbeid av DuFaud, et al. 13).
Dataene presentert her antyder at billigere, mer jord-rik metaller kan benyttes i stedet for de opprinnelige PtCl 4: konkav porøsitet perler fremstilles uavhengig av identligheten av det benyttede metallion, om enn i betydelig varierende grad. Bruk av ZnCI2 gir en drastisk økning i forholdet SAV, seks ganger så høy som for PtCl 4, og omtrent 30 ganger så høy som for kontrollprosedyren, som ikke inneholder noen elektrolytt. Innsatsen resultatene er i utmerket avtale med SEM bilder: for ZnCI2, mange konkave lommer, noen få mikrometer i diameter, er sett fordelt over hele konstruksjonen. De detaljerte bildene i fig 2B viser også at det er en betydelig mer plass når den indre perler er fremstilt i nærvær av ZnCl2. Begge disse funksjoner områdene tjene til å øke det tilgjengelige overflateareal for adsorpsjon, en egenskap som er meget ønskelig for separasjoner hvor PDMS er brukt som en stasjonær fase.
For alle elektrolytter som hittil er testet, er det en optimal konsentrasjon av salt, en som maksimerer overflateporøsiteten av perlene som produseres, ennd det synes å være en total konsentrasjon på 0,012 M, uavhengig av metallet motionet. Under og over denne optimale konsentrasjon, er den SAV forhold som er mindre enn det maksimale, og ser ut til å avta monotont fra maksimum i begge retninger. Denne avhengighet av saltkonsentrasjon, i stedet for å være basert bare på grunnlag av en katalytisk aktiv metall-ion i oppløsning, antyder at effekten av elektrolytt på mikroboble fabrikasjon er å endre egenskapene for emulsjonen. Uten tilsatt salt-innhold, blir emulsjonen best beskrives som hulrom av alifatiske (dvs. polymer-inneholdende) fase som er innstøpt i en mer kontinuerlig vandig fase. Når salt er tilsatt, blir overflatespenningen endres på en slik måte at den alifatiske fasen er kontinuerlig på enkelte steder, med dispergerte vandige bobler. Når emulsjonen er plutselig oppvarmes i det overflateaktive badekaret, beholder rulle denne strukturen som PDMS botemidler. Dette resulterer i perler som har mindre sfærisk form, men som er imsenger med hull på grunn av tilstedeværelsen av vandige lommer, selv for metall klorider av natrium, noe som ikke ville forventes å ha en betydelig katalytisk effekt. Selv om en hvilken som helst vannoppløselig salt bør arbeide i prinsippet for å oppnå denne effekten, og vi merke til at det er minimal avhengighet av den optimale konsentrasjonen av metallion identitet, det er en klar fordel overfor metaller som er kjent for å katalysere organisk karbon-karbon koblingsreaksjoner. Dette tyder på at, mens endringen i ionestyrken er nødvendig for å bevirke at fasen inversjon, er den primære bestemmende faktor i justering av SAV forholdet evne til metallet for å virke som en katalysator for tverrbinding av de enkelte polymertråder, dirigere det å skje fortrinnsvis ved vandig / alifatiske grensesnitt.
Den mest kritiske del av vår protokoll er at sonikasjonsprosessen og tilsetningen av trietoksysilan både kan generere store mengder varme hvis den ikke kontrolleres nøye. Denne varmen kan forårsake solids for å danne for tidlig, noe som vil gjøre at genereringen av de ønskede kuler umulig. Sonication problemet er i stor grad løst ved anvendelse av en bad-sonikator typen, og inkluderingen av is i badet for å bidra til å regulere denne temperatur. De 7 min sonikering perioder ble funnet å være optimalt for å redusere uønsket klumpdannelse av emulsjonen, delvis fordi etter omtrent 7 min av sonikering, det meste av isen i badet er smeltet. Tilsetning av trietoksysilan må skje med aktiv omrøring og med blandingen neddykket i et isbad.
Sammenlignet med den opprinnelige meldingen produserende konvekse porøsitet PDMS perler, viser vår protokoll en betydelig fordel i SAV forholdet av produktet. Vi har vist at tilsetning av til og med rimelige salter til den vandige fase av en emulsjon som brukes i mikroboble fremstilling av porøse polymerperler kan føre til drastiske endringer i morfologien av ende materiale. Mens nærværet av en hvilken som helst salt virkerresulterer i en emulsjon hvor den alifatiske fasen kan bli kontinuerlig, bare ved tilsetning av katalytisk aktive metallioner er SAV forholdet økes med en faktor på 30. Selv om vi ikke har testet denne protokollen på en hvilken som helst annen polymer, forventer vi at enhver polymer som er tverrbundet og varmeherdet (begrensningene i vår protokoll) kan anvendes med denne fremgangsmåten for å generere konkav-porøsitet mikrostrukturerte perler. I en slik forlengelse, er det sannsynlig at de særskilte elektrolyttkonsentrasjonen må være optimalisert for den emulsjon som brukes for å sikre at den alifatiske fase er kontinuerlig, og den vandige fase er atskilt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Dette arbeidet har vært støttet av Western Kentucky University Ogden College of Science and Engineering, inkludert intern støtte fra Institutt for kjemi og fra Office of forskning (RCAP 13-8032). Hjelp av Dr. John Andersland på WKU Mikros Facility (SEM bilder) og førsteamanuensis Yan Cao av WKU Institutt for Combustion Science and Engineering (BET analyse) har vært sentral i å gjennomføre dette arbeidet.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(dimethylsiloxane), vinyl terminated | Sigma-Aldrich | 68083-19-2 | |
| n-Heptane | Sigma-Aldrich | 142-82-5 | Flammable |
| Triethoxysilane | Sigma-Aldrich | 998-30-1 | Flammable, Accutely Toxic |
| Sorbitan Monoleate (Span-80) | Fluker | 1338-43-8 | |
| Platinum(IV) Chloride | Sigma-Aldrich | 13454-96-1 | Accutely Toxic |
| Zinc(II) Chloride | Sigma-Aldrich | 7646-85-7 | |
| Sodium Chloride | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | |
| 2.8 L Water Bath Sonicator | VWR | 97043-964 |
References
- Pedraza, E., Brady, A. C., Fraker, C. A., Stabler, C. L. Synthesis of macroporous poly(dimethylsiloxane) scaffolds for tissue engineering applications. J. Biomater. Sci., Polym. Ed. 24 (9), 1041-1056 (2013).
- Ratner, B. D., Bryant, S. J. Biomaterials: Where we have been and where we are going. Annu. Rev. Biomed. Eng. 6, 41-75 (2004).
- Bélanger, M. C., Marois, Y. Hemocompatibility, biocompatibility, inflammatory and in vivo studies of primary reference materials low-density polyethylene and polydimethylsiloxane: A review. J. Biomed. Mater. 58 (5), 467-477 (2001).
- Kobayashi, T., Saitoh, H., Fujii, N., Hoshino, Y., Takanashi, M. Porous membrane of polydimethylsiloxane by hydrosilylation cure: characteristics of membranes having pores formed by hydrogen foams. J. Appl. Polym. Sci. 50 (6), 971-979 (1993).
- Yager, P., et al. Microfluidic diagnostic technologies for global public health. Nature. 442 (7101), 412-418 (2006).
- Yu, P., Lu, C. PDMS used in microfluidic devices: principles, devices and technologies. Adv. Mater. Sci. Res. 11, 443-450 (2011).
- Zhou, J., Khodakov, D. A., Ellis, A. V., Voelcker, N. H. Surface modification for PDMS-based microfluidic devices. Electrophoresis. 33 (1), 89-104 (2012).
- Spietelun, A., Pilarczyk, M., Kloskowski, A., Namieśnik, J. Polyethylene glycol-coated solid-phase microextraction fibres for the extraction of polar analytes—A review. Talanta. 87, 1-7 (2011).
- Vas, G., Vékey, K. Solid-phase microextraction: a powerful sample preparation tool prior to mass spectrometric analysis. J. Mass Spectrom. 39 (3), 233-254 (2004).
- Odziemkowski, M., Koziel, J. A., Irish, D. E., Pawliszyn, J. Sampling and Raman confocal microspectroscopic analysis of airborne particulate matter using poly(dimethylsiloxane) solid phase microextraction fibers. Anal. Chem. 73 (13), 3131-3139 (2001).
- Grosse, M. T., Lamotte, M., Birot, M., Deleuze, H. Preparation of microcellular polysiloxane monoliths. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem. 46 (1), 21-32 (2007).
- Sun, W., Yan, X., Zhu, X. Synthesis, porous structure, and underwater acoustic properties of macroporous cross-linked copolymer beads. Colloid Polym. Sci. 290 (1), 73-80 (2012).
- Dufaud, O., Favre, E., Sadtler, V. Porous elastomeric beads from crosslinked emulsions. J. Appl. Polym. Sci. 83 (5), 967-971 (2002).
- Farmer, B. C., Mason, M., Nee, M. J. Concave porosity non-polar beads by a modified microbubble fabrication. Mater. Lett. 98, 105-107 (2013).
- Flegler, S. L., Heckman, J. W., Klomparens, K. J. Scanning and Transmission Electron Microscopy: An Introduction. , Oxford University Press. 151-155 (1995).
- Brunauer, S., Emmett, P. H., Teller, E. Adsorption of Gases in Multimolecular Layers. J. Am. Chem. Soc. 60 (2), 309-319 (1938).
- Sing, K. S. W. Characterization of porous materials: past, present and future. Colloids Surf. A. 241 (1), 3-7 (2004).
