Introduction
חומרים קולואידים Mesostructured למצוא יישום נרחב בתחומי מדע וטכנולוגיה, כמו מערכות מודל לימודי יסוד על חומרים אטומיים ומולקולריים 1,2, כחומרי פוטוניים 3,4, כמו מערכות אספקת סמי 5,6, כמו ציפויים 7 וב ליתוגרפיה עבור דפוסי שטח 8,9. מאז קולואידים lyophobic הם חומרי metastable כי בסופו של דבר לצבור באופן בלתי הפיך בשל האינטראקציות ואן דר ואלס בכל מקום, המניפולציה שלהם לתוך מבני יעד ספציפיים היא קשה לשמצה. רבים אסטרטגיות פותחו לשלוט הרכבה עצמית קולואידים כולל שימוש ותוספות לכוון את האינטראקציות 10,11 או דלדול אלקטרוסטטית 12,13, או גורמים חיצוניים כגון 14 מגנטי או חשמלי 15 שדות. אסטרטגיה חלופית מתוחכמת כדי להשיג שליטה על המבנה, דינמיקה ומכניקה של מערכות אלה היא שנינות functionalization שלהםמולקולות h אינטראקציה באמצעות כוחות ספציפיים כיוונית. כימיה מולקולרית מציעה ארגז כלים מקיף של מולקולות קטנות שמציגות אתר ספציפי, כיוונית ואינטראקציות חזקות עדיין הפיכות, אשר יכול להיות מווסתת בחוזק ידי קוטביות ממסה, טמפרטורת 16 אור. מאז תכונותיהם נחקרו רבות בכמויות בתמיסה, מולקולות אלה הן מועמדים אטרקטיביים לבנות חומרים רכים לשלבים אקזוטיים באופן צפוי. למרות הפוטנציאל הברור של גישה משולבת כגון לתזמר הרכבה קולואידים באמצעות כימיה מולקולרית, דיסציפלינות אלה להתממשק כמעט ולא להתאים את תכונותיהם של חומרים קולואידים mesostructured 17,18.
פלטפורמה מוצקה של קולואידים מולקולריים חייבת למלא שלוש דרישות עיקריות. ראשית, צימוד של המחצית המולקולרית צריך להיעשות בתנאים-מתונים כדי למנוע שפלה. שנית, כוחות פני השטח separations גדול יותר מגע ישיר צריכים להיות נשלט על ידי המוטיבים הקשורים, כלומר קולואידים ציפוי צריכים כמעט באופן בלעדי אינטראקציה באמצעות אינטראקציות בנפח נשלל. לכן, הגודל הפיסיקלי הכימי של קולואידים צריך להיות מותאם לדכא אינטראקציות אחרות טבועות במערכות קולואידים, כגון ואן דר ואלס או כוחות אלקטרוסטטיים. שלישית, אפיון צריך לאפשר ייחוס חד-משמעי של האסיפה לנוכחות של moieties המולקולרי. כדי לעמוד בשלושה תנאים מוקדמים אלה, סינתזה שני שלבים חזקים של קולואידים מולקולריים פותחה (איור 1 א). בצעד ראשון, חלקיקי סיליקה NVOC הפונקציונלית הידרופובי מוכנים עבור פיזור cyclohexane. קבוצת NVOC ניתן בקעה בקלות, מניב חלקיקים פונקציונליים אמינים. תגובתיות הגבוהה של אמינים מאפשרת-functionalization פוסט פשוט עם המחצית המולקולרית הרצוי באמצעות מגוון רחב של מצבי תגובה חריפים. בזאת, אנו יחסי ציבורepare קולואידים מולקולריים ידי functionalization של חרוזים סיליקה עם אלכוהול Stearyl וכן בנזן-1,3,5-tricarboxamide (BTA) נגזרים 20. אלכוהול Stearyl משחק מספר תפקידים חשובים: הוא הופך את organophilic קולואידים וזה מציג repulsions הסטרית לטווח קצר אשר מסייעת להפחית את האינטראקציה הספציפית בין קולואידים 21,22. ואלס כוחות ואן דר מופחתים נוספים בגלל ההתאמה הקרובה בין מקדם השבירה של קולואידים ואת 23 הממס. אור-ו thermoresponsive לטווח קצר כוחות משטח אטרקטיבי מופקים על ידי שילוב של o -nitrobenzyl מוגן BTAs 20. O -nitrobenzyl מחצית היא קבוצה צילום cleavable שחוסמת את היווצרות קשרי מימן בין BTAs הסמוך כאשר המאוגדת ואימידים ב discotics (איור 1b). עם photocleavage ידי אור UV, BTA בתמיסה הוא מסוגל לזהות ולתקשר עם מולקולות BTA זהות דרך ע"ה פי 3מערך אג"ח ydrogen, עם כוח מחייב כי הוא טמפרטורה מאוד תלויה 17. מאז ואן דר ואלס אטרקציות הן מינימאליות עבור חלקיקי סיליקה מצופה Stearyl ב cyclohexane וכן אור וטמפרטורה-עצמאי, הרכבת קולואידים הגירויים מגיבים ציינה חייבת להיות בתיווך BTA.
וידאו מפורט זו ממחיש כיצד לסנתז ולאפיין קולואידים מולקולריים ואיך ללמוד ההרכבה העצמית שלהם על-קרינת UV על ידי מיקרוסקופ confocal. בנוסף, פרוטוקול ניתוח תמונה פשוט להבחין singlets קולואידים מ קולואידים התקבצו וכדי לקבוע את הסכום קולואידים לכל אשכולות מדווחים. הרבגוניות של האסטרטגיה סינתטי מאפשרת בקלות להשתנות גודל החלקיקים, כיסוי השטח וכן מחצית מחייב הציג, אשר פותחת אפיקים חדשים לפיתוח משפחה גדולה של אבני הבניין קולואידים עבור חומרים מתקדמים mesostructured.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. סינתזה של חלקיקי סיליקה Core-פגז
הערה: חלקיקי סיליקה מסונתזים על פי הנוהל הבא, אשר מבוסס על שיטת Stöber 24,25.
- סינתזה של זרעי סיליקה ניאון
- ממיסים 105 מ"ג (0.27 מילימול) של והעמסת- isothiocyanate ב 5 מ"ל של אתנול.
- הוספת 100 μl של (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES, 0.43 מילימול) לפתרון הקודם.
- Sonicate הפתרון במהלך 5 דקות ולתת לו להגיב לילה תחת אווירה ארגון בטמפרטורת החדר תוך כדי ערבוב. מתחם APTES פונקציונלי צבע משמש ללא טיהור.
- מערבבים בבקבוק 1 ליטר מסביב לתחתית 2.5 מ"ל של APTES פונקציונליות לצבוע עם 25 מ"ל של אמוניה (25% במים) ו -250 מ"ל של אתנול.
- הוסף 10 מ"ל של tetraethylorthosilicate (TEOS) תחת המניסקוס של תערובת התגובה הקודמת עם עזרה של whil פיפטה זכוכיתדואר ערבוב עם בוחש מגנטי.
- באופן דומה, לאחר 5 שעות, להוסיף עוד 1.75 מ"ל של TEOS ומערבבים את התערובת לילה תחת אווירה ארגון.
- יוצקים את פיזור למספר 45 מ"ל צינורות.
- בצנטריפוגה צינורות (350 XG, 30 דק '), להסיר את supernatant ולהוסיף 30 מ"ל של אתנול טרי בצינור אחד. Sonicate התפוצות החדשות למשך 3 דקות, ו צנטריפוגות שוב להסיר את supernatant. חזור כביסה אלה שלבים 3 פעמים.
- שמור את הזרעים פלורסנט באתנול בריכוז של כ 13.6 מ"ג / מ"ל ו בחושך (להימנע מחשיפה לאור).
- כן זרעים ללא ניאון בעקבות אותו הליך השמטת התוספת של צבע פלואורסצנטי.
שים לב: ביצוע הליך זה, זרעים של כ -100 ננומטר רדיוס מתקבלים.
- סינתזה של חלקיקי סיליקה ליבה-פגז
- מלאו בקבוק 1 ליטר מסביב לתחתית עם 51 מ"ל של אתנול, 17 מ"ל של מים ללא יונים, 3.4 מ"ל של אמוניה (25% במים) ו -4מ"ל של פיזור זרע (54.4 מ"ג של זרעי פלורסנט כ).
- ממלאים מזרק פלסטיק עם 5 מ"ל של TEOS ו -10 מ"ל של אתנול.
- ממלאים מזרק פלסטיק השני עם 1.34 מ"ל של אמוניה (25% במים), 3.4 מ"ל מים deionized ו 10.25 מ"ל של אתנול.
- חבר את שני המזרקים אל הבקבוק מסביב לתחתית עם צינורות פלסטיק.
- לצייד את הבקבוק עם זרימת ארגון ו stirrer מגנטי. כניסת הארגון צריכה להיות ליד היציאה של המזרק השני, כדי למנוע מגע בין גזי אמוניה מן טיפות TEOS למנוע התגרענות משנית.
- מוסיפים את התוכן של שני מזרקים בעת ובעונה אחת ב 1.7 מ"ל / שעה באמצעות משאבות פריסטלטיות תוך ערבוב לתערובת. ודא להשיג טיפות נפילה חופשית כדי למנוע גלישה על הקירות ולכן התגרענות משנית.
- עצור תוספת לאחר 7 שעות כדי לקבל חלקיקי פגז ליבה של כ 300 ננומטר רדיוס.
- יוצקים את התוכן של הבקבוק למספר 45 מ"ל צינורות.
- בצנטריפוגה צינורות (350 XG, 30 דק '), להסיר את supernatant ולהוסיף 30 מ"ל של אתנול טרי בצינור אחד. Sonicate הפיזור חדש למשך 3 דקות, ו צנטריפוגות שוב להסיר את supernatant. חזור כביסה אלה שלבים 3 פעמים.
- שמור את חלקיקי-פגז הליבה באתנול בחושך (להימנע מחשיפה לאור).
- כן חלקיקי סיליקה ללא ניאון בעקבות ההליך אותו אבל באמצעות הזרעים ללא ניאון.
2. Functionalization של קולואידים סיליקה
- סינתזה של קולואידים NVOC פונקציונליות
- לפזר 10 מ"ג של חלקיקי סיליקה הליבה-פגז ב 1 מ"ל של אתנול יחד עם 12 מ"ג (0.03 מילימול) של המולקולה NVOC-C11-OH ו -31 מ"ג (0.11 מילימול) של אלכוהול Stearyl בתוך 50 מ"ל בבקבוק מסביב לתחתית (וכתוצאה מכך ב טוחנת יחס אלכוהול 20/80 NVOC-C11-OH / Stearyl).
- Sonicate את התערובת במשך 10 דקות על מנת להבטיח כי כל המולקולות, נמוגות החלקיקים הם גם dispersed.
- להוסיף לתערובת בר בוחש מגנטי להתאדות אתנול עם זרם יציב של ארגון בטמפרטורת החדר. לפני שאתה ממשיך, להבטיח שאין אתנול שמאל, אחרת זה יכול להגיב עם קבוצות silanol של חלקיקים. כדי לבדוק אם אתנול הוא התאדה לחלוטין לשים לב לטמפרטורה של החלק התחתון של הבקבוק. אם זה מרגיש קר, אתנול עדיין לא התפוגג לחלוטין.
- מחמם את הבקבוק עד ל -180 מעלות צלזיוס במשך 6 שעות תחת בחישה מתמדת ותחת זרם יציב של ארגון 22.
- תנו את הבקבוק להתקרר לטמפרטורת החדר.
- הוסף 3 מיליליטר של CHCl 3 לתוך הבקבוק sonicate במשך 5 דקות (או עד שכל התוכן המוצק כבר מומס או מתפזר).
- צנטריפוגה הפיזור (2,600 XG, 4 דק '), להסיר את supernatant ולהוסיף CHCl 3 הטרי. Sonicate הפיזור חדש למשך 3 דקות, ו צנטריפוגות שוב להסיר את supernatant. חזור כביסה אלה שלבים 6 פעמים. ייבש את החלקיקים על 70 מעלות צלזיוס ב vacuo לילה ולאחסן אותם ייבוש.
- סינתזה של-קולואידים BTA
- לפזר 10 מ"ג של חלקיקים פונקציונליים עם יחס 20/80 טוחן של אלכוהול NVOC-C11-OH / Stearyl ב 3 מיליליטר של CHCl 3.
- מקרין את הפיזור בתוך (ננומטר λ מקסימום = 354) UV-בתנור במשך שעה 1 לדבוק בקבוצת NVOC. ודא כי deprotection היא הומוגנית על פני השטח של החלקיקים על ידי ערבוב הפיזור בעדינות עם בוחש מגנטי תוך deprotecting. זה מניב החלקיקים פונקציונליות אמין (איור 1 א).
- ממיסים 9 מ"ג של הנגזר בנזן-1,3,5-tricarboxamide (BTA, 0.01 מילימול), 8.7 μl של N, N -diisopropylethylamine (DIPEA, 0.05 מילימול) ו -5.2 מ"ג (benzotriazol-1-yloxy) tripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate ( PyBOP, 0.01 מילימול) ב 1 מ"ל של CHCl 3.
- מוסיף את פתרון p הפונקציונלית amine-פיזור מאמר ומערבבים לילה בטמפרטורת החדר ותחת אווירה ארגון.
- צנטריפוגה פיזור (2,600 XG, 4 דק '), להסיר את supernatant ולהוסיף 3 מ"ל של CHCl טרי 3. Sonicate הפיזור חדש למשך 3 דקות, ו צנטריפוגות שוב להסיר את supernatant. חזור כביסה אלה שלבים 6 פעמים.
- ייבש את החלקיקים על 70 מעלות צלזיוס ב vacuo במשך 48 שעות ולאחסן אותם ייבוש.
3. מדידות פיזור אור סטטי (SLS)
הערה: חלקיקים שאינם ניאון השתמש, מאחר שעצם העניין פלורסנט סופג אור מאותו הגל כמו אור הלייזר האירוע של ציוד פיזור אור קונבנציונאלי.
- Functionalize 10 מ"ג של חלקיקי סיליקה ללא ניאון עם אלכוהול Stearyl בלבד (ללא NVOC-C11-OH) הנוהל המתואר בסעיף 2.1.
- הכן 500 μl של פיזור של 0.033 מ"ג / מ"ל של חלקיקים שאינם פונקציונליות במים וכןבאחת מ -2 מ"ג / מ"ל השני של חלקיקים אלכוהול מצופה Stearyl ב cyclohexane.
- Sonicate היא תפוצות במשך 20 דקות לפחות על מנת להבטיח כי החלקיקים מפוזרים היטב.
- למדוד את העוצמת המפוזרת של שני התפוצות, ממס ואת ממס ההפניה מ -30 ° עד 120 ° בצעדים של 5 מעלות.
- מגרש את עוצמת (מדגם I) מדגם כפונקציה של q
(משוואה 1) q = 4π n חטא ממס (θ / 2) / λ o
עם θ זווית פיזור, מקדם השבירה של הממס n הממס ואת אורך הגל של o λ לייזר. - להתאים את הנתונים למשוואה הבאה באמצעות תוכנה (למשל, מוצא)
(משוואה 2) אני לטעום = CP (QR)
כאשר C הוא קבוע ואת טופס גורם P (QR) ניתן על ידי
(משוואה 3) <img alt = "משוואה 3" src = "/ files / ftp_upload / 53,934 / 53934eq3.jpg" />
שבה את הרדיוס הממוצע של קולואידים הכדורי הוא R. - חלץ R מן ההתקפים לכל פיזור.
- לחשב את יחס ריילי (R θ), המהווה מדד מוחלט עבור עוצמת האור המפוזר, על פי המשוואה הבאה, לכל θ.
(משוואה 4)
עם עוצמת המדגם, הממס ואת ההתייחסות, אני לטעום, אני ממס ואני התייחסות בהתאמה, מקדם השבירה של הממס ואת ממס התייחסות n ו- n התייחסות, בהתאמה, ואת יחס ריילי ההפניה R הפניה. הנה להשתמש טולואן כהפניה, כי n מים = 1.332, n טולואן = 1.497, n cyclohexane = 1.426 כגון; R טולואן = 2.74x10 -3 מ -1 26. - חשב את מקדם השבירה הממוצע של קולואידים (n קולואידים) מ θ R ו- משוואה 5.
(משוואה 5)
עם מספר חלקיקים לכל נפח N, היקף חלקיק נ חלקיקים שנתן חלקיקי v = 4/3 πR 3, ובהנחת S גורם מבנה (q) ~ 1, המהווה את הגבול של חלקיקים שאינם אינטראקציה.
כימות 4. של מספר אתרים פעילים לכל חלקיק
הערה: חלקיקים קטנים שימוש 13 ננומטר רדיוס (עם גדול קרקע-יחס -volume).
- Functionalize קטן חלקיקים זמינים מסחרית עם יחס 20/80 טוחנת של NVOC-C11-OH / Stearyl אלכוהול הנוהל המתואר בסעיף 2.1.
- לפזר 20 מ"ג של חלקיקים קטנים, פונקציונליות ב 1 מ"ל CHCl 3 ו מקרינים את פיזור בתוך (ננומטר λ מקסימום = 354) UV-בתנור במשך שעה 1 לדבוק בקבוצה NVOC. מערבבים את פיזור בעדינות עם בר בוחש מגנטי תוך deprotecting. באופן זה קולואידים לא משקעים פני השטח שלהם נשאר חשוף לאור UV, ומכאן להבטיח deprotection הומוגנית.
- ספין למטה חלקיקים אמין פונקציונליות שיעורר (3,400 XG, 10 דקות) ולהסיר את supernatant.
- ייבש את החלקיקים על 70 מעלות צלזיוס למשך 2 שעות.
- ממיסים 0.50 מ"ג של succinimidyl 3- (2-pyridyldithio) propionate (SPDP, 0.0016 מילימול) ב 200 μl של dimethylformamide (DMF).
- מוסיפים את פתרון SPDP ל -20 מ"ג של חלקיקים יבשים פונקציונליות אמין ו המערבולתהמערכת למשך 30 דקות. בתוך פרק זמן זה, כל האמינים הראשוניים הזמינים על קולואידים הגיבו עם SPDP.
- שטפו את חלקיקי עם 1 מ"ל של DMF עבור 6 פעמים (או עד שלא SPDP חינם מזוהה supernatant ידי ספקטרוסקופיה UV-Vis ב λ = 375 ננומטר). בשלב הכביסה האחרון לנסות להסיר supernatant ככל האפשר.
- ממיסים 0.53 מ"ג של dithiothreitol (DTT, 0.0034 מילימול) ב 50 μl של DMF. מוסיפים את פתרון DTT לחלקיקים מערבולת הפיזור למשך 30 דקות. בתוך והפעם- פירידין-2-thione הוא בקע.
- קבע את הספיגה של פירידין-2-thione חינם משוחרר supernatant ב λ = 293 ננומטר עם microvolume UV-Vis ספקטרופוטומטר.
- לבנות עקומת כיול כדי לקבוע את ɛ מקדם הכחדה (~ 12.1x10 3 M -1 cm -1) של פירידין-2-thione ב DMF ידי מדידה הספיגה של סדרת דילול של לסכומים ידועים שונים של SPDP עם עודף של DTT .
- לחשב את מספר אתרים הפעילים (אמין) לכל חלקיק עם המשוואה הבאה
(משוואה 7)
עם המסה של חלקיקי M חלקיק אחד כי הוא חלקיק M = 4 / 3πR 3 ρ, עם ρ = 1.295 גרם / סנטימטר 3, המסה המשוקללת בסך הכל חלקיקים M (20 מ"ג), וסך V הנפח הכולל (50 μl). משוואה זה נעשה בהנחה שכל הזמיןאמינים להגיב עם SPDP ואת DTT מפחית כל מולקולות SPDP מצורפות החלקיקים.
(משוואה 6) שרירי הבטן = C p2t ε l
עם הריכוז הטוחן של p2t C פירידין-2-thione, את ɛ מקדם הכחדה ואת l אורך דרך.
5. העצרת קולואיד צג ידי מיקרוסקופית Confocal
הערה: חלקיקי סיליקה הליבה-פגז השתמש (עם ליבה פלורסנט פגז ללא ניאון).
- כן 400 μl של פיזור של 0.1% WT של חלקיקים פונקציונליים BTA ב cyclohexane ו sonicate המדגם עבור 20 דקות.
- מקרינים את הבקבוקון מדגם בתנור UV (λ מקסימום = 354 ננומטר) לדבוק את הקבוצה o -nitrobenzyl של BTA. קח 25 aliquots μl בזמנים שונים של קרינה, למשל בין 0 עד 30 דקות, כדי לפקח על תהליך יצירת אשכולות.
- מניח את aliquots השונה בשקופיות זכוכית שונות עם העזרה של spacer ולסגור את התאים עם תלוש כיסוי (גודל חדר הוא 13 מ"מ קוטר × גובה 0.12 מ"מ). לאחר הסגירה הקאמרית, להפוך את התלוש לכסות במהופך לתת חלקיקי משקעי adsorb על משטח הזכוכית, המאפשרת הדמיה.
- קח כמה תמונות של כל דגימה עם מיקרוסקופ confocal בהקדם האפשרי לאחר הכנת המדגם עבור כל פעם הקרנה.
ניתוח תמונה 6.
- כימות מספר singlets עם ImageJ
הערה: כל הפקודות נהגו לכתוב את התסריט מתואר במדריך ImageJ:
http://imagej.nih.gov/ij/docs/guide/user-guide.pdf- להחליק את תמונות confocal להסיר פיקסלים בודדים מהקצים ולמלא חורים קטנים מפעילים את הפונקציה "החלקה".
- בהתחשב בכך רק את הליבות הם פלורסנט, להרחיב את האזורים הבהירים עד קצה החלקיקים השייכים לאותו מגע האשכול וחלקיקים למזג. האם זה להשתמש במסנן "להתרחב". עם חלקיקים בעלי עובי 180 ננומטר פגז כ, ותמונות עם רזולוציה של 0.02 מיקרומטר / פיקסל, שני צעדי התרחבות הם מספיק.
- המר את התמונותלתמונת בינארית מפעילה את הפונקציה "הפוך בינארי".
- הגדר את קנה המידה על ידי הפעלת הכלי "" גדר סולם ... ", מרחק = 1 ידוע = 0.02 פיקסל = 1 יחידה = אממ" "עבור תמונות שצולמו עם רזולוציה של 0.02 מיקרומטר / פיקסל למשל.
- החל בגודל סף להפלות רעש מחוץ פוקוס חלקיקים מן החלקיקים-של-פוקוס. למשל, עם תמונות שצולמו עם רזולוציה של 0.02 מיקרומטר / פיקסל, בכל התחומים קטנים מ -0.2 פיקסלים לשלול. לעשות זאת באמצעות "החלקיקים לנתח ...", "size = 0.2-אינפיניטי" פקודה.
- יצירת דימוי all.jpg וקובץ all.txt עם הגודל של כל האזורים הבהירים בתמונה (אשכולות singlets) באמצעות הפקודות "" תוצאות ", _all.txt" "ו" "JPEG", "כל" ".
- תניח שכל אזורים בהירים בין 0.2 ל 0.7 פיקסלים בגודל ועם המעגליות (מעגלי = 4 π האזור / Perimeter 2) בין 0.7 ו 1.0 הםsinglets הפעלת הפקודה "נתח חלקיקים ...", "מעגלי = 0.7-1.0".
- צור תמונת singlets.jpg וקובץ singlets.txt עם המידע של כל האזורים הבהירים כי הם singlets באמצעות הפקודות "" תוצאות ", _singlets.txt" "ו" "JPEG", "singlets" ".
- לעבד את המידע עם Matlab
- קראו את קובץ גופיית .txt ולחשב את הגודל הממוצע של גופייה לכל תמונה (א גופייה).
- השתמש הגודל הממוצע של גופייה כדי לחשב את מספר חלקיקים לכל אשכול (וגופיית הכפיל = 2A, שלישייה = גופיית 3A ...) לבין המספר הכולל של חלקיקים בתמונת מקובץ all.txt האחר.
- לחשב את החלק היחסי של חלקיקים בגופיות לכל זמן חשיפה: singlets f = singlets מספר / חלקיקים הכוללים
- לחשב את החלק היחסי של כפילויות, שלישי, וכו ': F כפילויות = 2 * מספר כפילויות / חלקיקים הכולל, וכו '
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
מאחר שזמן הטיפול בבקשה שני שלבים בשימוש לסנתז את קולואידים המולקולריים (איור 1 א), זוגות הנגזרים BTA- (איור 1b) בשלב שני בטמפרטורת חדר בתנאים קלה-תגובה, יציבותה מובטחת.
איור 1. תוכנית של הסינתזה של קולואידים מולקולריים. א) מצמד של אלכוהול Stearyl ושרשרת אלקיל-מוגן NVOC אל קולואידים סיליקה, ואחריו deprotection האמין על קרינה על ידי UV-אור במצמד UV בתנור ומאוחר יותר של מולקולת BTA. B) המבנה של הבנזן-1 , 3,5-tricarboxamide (BTA) נגזרים המשמשים. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
איור 2. מדידות פיזור אור סטטי של קולואידים סיליקה. עוצמת אור מפוזר כפונקציה של θ זווית גילוי של A B) Stearyl אלכוהול מצופה חלקיקי cyclohexane. קווים מקווקווים הם מתאימים לנקודות נתוני הניסוי. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
באמצעות סכימת התגובה שמוצגת באיור 3, חלקיקים קטנים פונקציונלי עם תוצאת יחס 20/80 NVOC-C11-OH / Stearyl אלכוהול טוחן ב 1 אמין לכל 46.4 ננומטר 2 על פני השטח שלהם. יכול מספר זה בתורו להיות מתואם למספר moieties המולקולרי שניתן מצמידים, אשר אנו מכנים multivalency של החלקיקים.
הערכת איור 3. מסכום אתרים פעילים לכל חלקיק נוהל. אחריו כדי לקבוע את הסכוםשל אמינים לכל חלקיק: קולואידים פונקציונליים אמינים מגיבים עם SPDP. מכאן והלאה, DTT מתווסף למערכת לדבוק את פירידין-2-thione הקבוצה, אשר יכול להיות מזוהים על ידי photospectrometry על מקסימום λ מקסימום קליטה שלה = 293 ננומטר DMF. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
ב תמונות confocal, רוב קולואידים המולקולריים של הפיזור לפני הקרנת אור UV הוא singlets (איור 4, למעלה). מעניין לציין, כי על הקרנה, אבולוציה ממדינת הגופייה למדינה התקבצה הוא ציין (באמצע איור 4 והתחתון). ניתוח תמונה משמש כדי לפקח על הקיבוץ באופן כמותי יותר. ירידה חדה במספר של singlets מ 80% עד 9% הוא ציין על UV-הקרנה בתוך 5 הראשוניםדקות.
הליך עיבוד תמונה איור 4.. תמונות מיקרוסקופיה confocal מקורי, תמונות בינאריות ואת השטח של singlets עבור דגימות deprotected עבור (למעלה) 0 דקות, (באמצע) 15 שניות (למטה) 5 דקות. סרגל הסולם ייצג 10 מיקרומטר. לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
כאשר cyclohexane, עם מקדם שבירה של 1.426, משמש כממיס לפיזור-קולואידים BTA, אינטראקציות ואן דר ואלס חלשים מאוד, שכן המדדים השבירה של קולואידים ממס הם כמעט אותו דבר. ראוי לציין, כי הריכוז של קולואידים פונקציונליים המשמש ניסויי SLS ב cyclohexane הוא הרבה יותר גבוה לעומת קולואידים סיליקה החשופים במים. הדבר נחוץ כדי להשיג פיזור מספיק חזק בגלל הקונטרסט הנמוך כמו המדדים השבירים הם כמעט מתאימים. כמויות זעירות של מים בדגימות cyclohexane מזוהות מייד, גם אם בעקיפין, על ידי אשכולות שאינם זניחים בשל כוחות נימים. לכן, זה הוא בעל חשיבות עליונה כדי להבטיח כי קולואידים חופשיים של מים במהלך כל השלבים סינתזה על ידי ייבוש אותם vacuo לתקופות זמן ארוכות כמתואר בפרוטוקול.
בהינתן כי השיטה לכמת את האמינים מנתחת את כמות thion פירידין-2דואר בקע מהחלקיקים, כך עוקף חפצים בשל פיזור של החלקיקים שאפשר מתמודדים באמצעות טכניקות אחרות כגון תמ"ג. בהנחת צפיפות משטחת שווה עבור חלקיקים קטנים וגדולים, הצפיפות האמינה המזוהית עבור החלקיקים הקטנים מתאימה כ 24,350 אמינים לכל קולואידים גדול של 300 ננומטר רדיוס. מעניין לציין, כי הגישה הציגה מאפשרת להסדיר את multivalency של קולואידים המולקולריים פשוט על ידי שינוי NVOC-C11-OH / Stearyl אלכוהול היחס הטוחן במהלך שלב functionalization הראשון. וריאציה כזו multivalency ניתן לכמת עוד יותר על ידי הליך כימות אותו אמין.
הפיזור המוצלח של קולואידים בגופיות לפני הפעלת אור, שנצפה על ידי מיקרוסקופיה confocal, עולה בקנה אחד עם אינטראקציות ואן דר ואלס חלש מאוד-מליט מימן זניח cyclohexane לפני photocleavage של הקבוצה מגן o -nitrobenzyl. לפיכך, אשכולות צילום מושרהניתן לייחס בקלות אל moieties המולקולרי. זה קריטי, מאחר שאנחנו שואפים לכוון באשכול באמצעות כוחות מולקולריים. המחשוף של קבוצת o -nitrobenzyl ידי אור UV מאפשר אכן עבור BTAs מעוגן על קולואידים שונים כדי אינטראקציה, ומכאן קידום הרכבה עצמית קולואידים כפי שאושר על ידי ההיווצרות של אשכולות.
לסיכום, יש לנו הפגינו שיטה פשוטה כדי הזוג BTA-נגזרים על חלקיקי סיליקה באופן מבוקר. ההתנהגות של קולואידים מולקולריים וכתוצאה נשלטת בהצלחה על ידי האינטראקציות האטרקטיביות בין מולקולות מורכבות פני שטח, כלומר אינטראקציות מולקולאריים מימן-מליטה. מתודולוגיה זו ניתן להרחיב בקלות לסנתז מגוון רחב של קולואידים מולקולריים שונים מעוטרים סוגים אחרים של moieties המולקולרי. לפיכך, פרוטוקול המתואר במסמך זה סוללת את הדרך לפיתוח של משפחה חדשה של אבני הבניין ליצירת קולואידים mesostructuredחומרים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
החוקרים אין לי מה לחשוף.
Acknowledgments
המחברים מודים ארגון הולנד למחקר מדעי (NWO ECHO-Stip גרנט 717.013.005, NWO vidi גרנט 723.014.006) עבור תמיכה כספית.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| APTES | Sigma-Aldrich | ||
| FTIC | Sigma-Aldrich | ||
| TEOS | Sigma-Aldrich | ||
| LUDOX AS-40 | Sigma-Aldrich | Silica particles of 13 nm in radius | |
| MilliQ | --- | --- | 18.2 MΩ·cm at 25 °C |
| Ethanol | SolvaChrom | --- | |
| Ammonia (25% in water) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Chloroform | SolvaChrom | --- | |
| Cyclohexane | Sigma-Aldrich | --- | |
| Dimethylformamide (DMF) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Stearyl alcohol | Sigma-Aldrich | --- | |
| N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Benzotriazol-1-yl-oxytripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate (PyBOP) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Succinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionate (SPDP) | Sigma-Aldrich | --- | |
| Dithiothreitol (DTT) | Sigma-Aldrich | --- | |
| NVOC-C11-OH | Synthesized | --- | I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands |
| BTA | Synthesized | --- | I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands |
| Centrifuge | Thermo Scientific | Heraeus Megafuge 1.0 | |
| Ultrasound bath | VWR | Ultrasonic cleaner | |
| Peristaltic pumps | Harvard Apparatus | PHD Ultra Syringe Pump | |
| UV-oven | Luzchem | LZC-a V UV reactor equipped with 8x8 UVA light bulbs (λmax=354 nm) | |
| Stirrer-heating plate | Heidolph | MR-Hei Standard |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Light Scattering | ALV | CGS-3 MD-4 compact goniometer system, equipped with a Multiple Tau digital real time correlator (ALV-7004) and a solid-state laser (λ=532 nm, 40 mW) | |
| UV-Vis spectrophotometer | Thermo Scientific | NanoDrop 1000 Spectrophotometer | |
| Confocal microscope | Nikon | Ti Eclipse with an argon laser with λexcitation=488 nm | |
| Slide spacers | Sigma-Aldrich | Grace BioLabs Secure seal imaging spacer (1 well, diam. × thickness 13 mm × 0.12 mm) | |
| Syringes | BD Plastipak | 20 ml syringe | |
| Plastic tubing | SCI | BB31695-PE/5 | Ethylene oxide gas sterilizable micro medical tubing |
| Pulsating vortex mixer | VWR | Electrical: 120 V, 50/60 Hz, 150 W Speed Range: 500–3,000 rpm |
References
- Wang, Y., et al. Colloids with valence and specific directional bonding. Nature. 491 (7422), 51-55 (2012).
- Klinkova, A., Therien-Aubin, H., Choueiri, R. M., Rubinstein, M., Kumacheva, E. Colloidal analogs of molecular chain stoppers. PNAS. 110 (47), 18775-18779 (2013).
- Galisteo-Lõpez, J. F., et al. Self-assembled photonic structures. Adv. Mater. 23 (1), 30-69 (2011).
- Kim, H., et al. Structural colour printing using a magnetically tunable and lithographically fixable photonic crystal. Nat. Photonics. 3 (9), 534-540 (2009).
- Dinsmore, A. D., et al. Colloidosomes: Selectively permeable capsules composed of colloidal particles. Science. 298 (5595), 1006-1009 (2002).
- Destribats, M., Rouvet, M., Gehin-Delval, C., Schmitt, C., Binks, B. P. Emulsions stabilised by whey protein microgel particles: Towards food-grade Pickering emulsions. Soft Matter. 10 (36), 6941-6954 (2014).
- Prevo, B. G., Hon, E. W., Velev, O. D. Assembly and characterization of colloid-based antireflective coatings on multicrystalline silicon solar cells. J. Mater. Chem. 17 (8), 791-799 (2007).
- Kitaev, V., Ozin, G. A. Self-assembled surface patterns of binary colloidal crystals. Adv. Mater. 15 (1), 75-78 (2003).
- Plettl, A., et al. Non-Close-Packed crystals from self-assembled polystyrene spheres by isotropic plasma etching: adding flexibility to colloid lithography. Adv. Funct. Mater. 19 (20), 3279-3284 (2009).
- Yethiraj, A., Van Blaaderen, A. A colloidal model system with an interaction tunable from hard sphere to soft and dipolar. Nature. 421 (6922), 513-517 (2003).
- Spruijt, E., et al. Reversible assembly of oppositely charged hairy colloids in water. Soft Matter. 7 (18), 8281-8290 (2011).
- Kraft, D. J., et al. Surface roughness directed self-assembly of patchy particles into colloidal micelles. PNAS. 109 (27), 10787-10792 (2012).
- Rossi, L., et al. Cubic crystals from cubic colloids. Soft Matter. 7 (9), 4139-4142 (2011).
- Erb, R. M., Son, H. S., Samanta, B., Rotello, V. M., Yellen, B. B. Magnetic assembly of colloidal superstructures with multipole symmetry. Nature. 457 (7232), 999-1002 (2009).
- Vutukuri, H. R., et al. Colloidal analogues of charged and uncharged polymer chains with tunable stiffness. Angew. Chem. Int. Edit. 51 (45), 11249-11253 (2012).
- De Greef, T. F. A., Meijer, E. W. Materials science: Supramolecular polymers. Nature. 453 (7192), 171-173 (2008).
- De Feijter, I., Albertazzi, L., Palmans, A. R. A., Voets, I. K. Stimuli-responsive colloidal assembly driven by surface-grafted supramolecular moieties. Langmuir. 31 (1), 57-64 (2015).
- Celiz, A. D., Lee, T. C., Scherman, O. A. Polymer-mediated dispersion of cold nanoparticles: using supramolecular moieties on the periphery. Adv. Mater. 21 (38-39), 3937-3940 (2009).
- Cantekin, S., De Greef, T. F. A., Palmans, A. R. A. Benzene-1,3,5-tricarboxamide: A versatile ordering moiety for supramolecular chemistry. Chem. Soc. Rev. 41 (18), 6125-6137 (2012).
- Mes, T., Van Der Weegen, R., Palmans, A. R. A., Meijer, E. W. Single-chain polymeric nanoparticles by stepwise folding. Angew. Chem. Int. Edit. 50 (22), 5085-5089 (2011).
- van Blaaderen, A., Vrij, A. Synthesis and characterization of monodisperse colloidal organo-silica spheres. J. Colloid Interf. Sci. 156 (1), 1-18 (1993).
- Van Helden, A. K., Jansen, J. W., Vrij, A. Preparation and characterization of spherical monodisperse silica dispersions in nonaqueous solvents. J. Colloid Interf. Sci. 81 (2), 354-368 (1981).
- Israelachvili, J. Intermolecular and Surface Forces. Van der Waals forces between particles and surfaces. , 3rd, Elsevier. 253-289 (2011).
- van Blaaderen, A., Vrij, A. Synthesis and characterization of colloidal dispersions of fluorescent, monodisperse silica spheres. Langmuir. 8 (12), 2921-2931 (1992).
- Giesche, H. Synthesis of monodispersed silica powders II. Controlled growth reaction and continuous production process. J. Eur. Ceram. Soc. 14 (3), 205-214 (1994).
- Wu, H. Correlations between the Rayleigh ratio and the wavelength for toluene and benzene. Chem. Phys. 367 (1), 44-47 (2010).
