JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Chemistry

Kontrolleret Syntese og fluorescens Tracking af stærkt Uniform Poly (<em> N</em> -isopropylacrylamide) Mikrogeler

Published: September 08, 2016
doi:
10.3791/54419
, , , ,
1Institute of Physical Chemistry,RWTH Aachen University

Summary

Ikke-omrørt bundfældning polymerisation tilvejebringer en hurtig, reproducerbar prototyping tilgang til syntesen af stimuli-følsomme poly (N -isopropylacrylamide) mikrogeler af snæver størrelsesfordeling. I denne protokol syntese, er lysspredning karakterisering og enkelt partikel fluorescens sporing af disse mikrogeler i en bred felt mikroskopi setup demonstreret.

Abstract

Stimuli-følsomme poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) mikrogeler har forskellige potentielle praktiske anvendelser og anvendelser i grundforskning. I dette arbejde, bruger vi enkelt partikel sporing af fluorescens-mærkede PNIPAM mikrogeler som et udstillingsvindue for tuning mikrogel størrelse ved en hurtig ikke-rørt nedbør polymerisering procedure. Denne fremgangsmåde er velegnet til prototyper af nye reaktions- kompositioner og vilkår eller til applikationer, der ikke kræver store mængder produkt. Mikrogel syntese, partikelstørrelse og struktur bestemmelse ved dynamisk og statisk lysspredning er beskrevet i protokollen. Det er vist, at tilsætningen af ​​funktionelle comonomerer kan have en stor indflydelse på partiklen nukleering og struktur. Enkelt partikel sporing af wide-field fluorescensmikroskopi giver mulighed for en undersøgelse af udbredelsen af ​​mærkede tracer mikrogeler i en koncentreret matrix af ikke-mærkede mikrogeler, et system, der ikke let undersøgt afandre metoder såsom dynamisk lysspredning.

Introduction

Stimuli-følsomme poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) mikrogeler 1,2 har tiltrukket kontinuerlig interesse i de seneste to årtier på grund af deres potentiale i forskellige smarte applikationer. Steder har udvist anvendelse indbefatter omskiftelige emulsionsstabilisatorer 3-8, mikrolinser 9 cellekultur substrater for nem cellehøst 10,11 og smart bærere til forbindelser med lav molekylvægt og andre biomedicinske anvendelser 12. Fra et grundforskning synspunkt disse partikler har vist sig at være nyttig for at undersøge emner som kolloide interaktioner 13-15 og polymer-solvent interaktioner 16-18.

Vellykket anvendelse af PNIPAM mikrogeler og deres derivater i en given applikation kræver typisk viden om den gennemsnitlige partikelstørrelse og bredden af ​​partikelstørrelsesfordelingen. For den korrekte fortolkning af de eksperimentelle resultater involverer PNIPAM microgeler, partiklen struktur, som kan påvirkes af funktionelle comonomerer, skal være kendt. Dynamisk og statisk lysspredning (DLS og SLS, henholdsvis) er unikt egnet til at erhverve disse oplysninger, fordi disse metoder er hurtige og relativt let at bruge; og de sonde egenskaberne partikel ikke-invasivt i deres native miljø (dispersion). DLS og SLS indsamler også data fra store antal partikler undgå bias som følge af små stikprøvestørrelser, typiske til mikroskopi metoder. Derfor er det første formål med dette arbejde er at indføre god praksis for lysspredning for praktikere nye til kolloid karakterisering.

Typisk udfældning udføres polymerisationen i laboratorieskala og finde de rigtige reaktionsbetingelser for særlige partikelegenskaber kan være besværlig og kræver mange gentagelser af syntesen. I modsætning til store batch syntese, ikke-omrørt bundfældning polymerisation 19,20 er arAPID procedure, hvor partier af forskellig reaktant præparat kan polymeriseres samtidigt ydende partikler af snæver størrelsesfordeling. Samtidig polymerisering minimerer eksperimentel variation og store output betyder, at rette reaktionsbetingelser kan findes hurtigt for opskalering reaktionen. Derfor vores andet mål er at demonstrere anvendeligheden af ​​ikke-omrørt bundfældning polymerisation i prototyper og i applikationer, der ikke kræver en stor mængde af produktet.

Forskellige aspekter af syntese og karakterisering mødes i eksempel på anvendelse af fluorescerende mærkede PNIPAM mikrogeler i kolloid interaktion forskning. Her bruger vi meget præcis enkelt partikel sporing til at undersøge udbredelsen af ​​mærkede tracer mikrogeler i spredning af umærkede matrix mikrogeler over et bredt matrix koncentrationsområde og løse buret effekt i koncentreret kolloid dispersion. Wide-field fluorescensmikroskopi er velegnet for dette formål, da det kan karakterisere bestemt adfærd af nogle få tracer molekyler blandt et stort antal potentielt forskellige matrix arter. Dette er i modsætning til teknikker, såsom DLS, SLS og rheologi, der måler ensemblet gennemsnitlige egenskaber af systemer og kan derfor ikke løse adfærd lille antal probe-partikler i et stort system. Endvidere i dette specifikke eksempel konventionelle lysspredningsegenskaber metoder ikke kan også udnyttes på grund af høj partikelkoncentration, der fører til et stærkt multipel spredning ugyldiggør enhver standard analyse. Anvendelse af automatiserede databehandling og statistiske metoder gør det muligt analyse af det samlede system adfærd også for enkelt partikel sporing, når gennemsnit over store stikprøvestørrelser.

Protocol

1. mikrogel Synthesis BEMÆRK: N -isopropylacrylamide (NIPAM) blev omkrystalliseret fra n-hexan. Andre reagenser blev anvendt som modtaget. Konventionel Batch Syntese af poly (NIPAM) matrix Mikrogeler Opløs 1,8 g NIPAM og 24 mg N, N '-bisacrylamide (BIS) i 245 ml filtreret (0,2 um regenereret cellulose (RC) membranfilter) dobbelt destilleret vand i en 500 ml trehalset rundbundet kolbe udstyret med en tilbagesvaler, en omrører og en gummiskillevæg….

Representative Results

Antallet af PNIPAM mikrogel partikler i batchen, og dermed den endelige partikel volumen, bestemmes tidligt i reaktionen under nukleering fase 20 Hydrofobisk comonomer farvestof methacryloxyethyl thiocarbamoyl rhodamin B påvirker nukleering ved at reducere partikelantal densitet i batchen. Faldet i partikelkoncentrationen i to forskellige initiale koncentrationer NIPAM kan ses som stigning i den gennemsnitlige endel…

Discussion

Tilsætning af små mængder af funktionel comonomer kan have en betydelig effekt på partikelstørrelse og struktur PNIPAM afledte mikrogeler. Samtidig lille skala reagensglas polymerisation er en god metode til at tage højde for sådanne ændringer, og hjælper til hurtigt at finde de rigtige reaktant sammensætninger til target partikelstørrelse for opskalering af reaktionen efter behov. Massen af partiklerne er ca. eksponentielt af…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) is acknowledged for financial support within the Sonderforschungsbereich SFB 985 “Functional Microgels and Microgel Systems”.

Materials

Acetone VWR Chemicals KRAF13455
Bisacrylamid AppliChem A3636
n-Hexane Merck 104374
N-Isopropylacrylamide Fisher Scientific AC412785000 recrystallized from n-hexane
Methacryloxyethyl thiocarbamoyl rhodamine B Polysciences 23591
Potassium peroxodisulfate Merck 105091
Silicone oil 47 V 350 VWR Chemicals 83851
Toluene Sigma Aldrich 244511
F12 Refrigerated/heating circulator Julabo 9116612
Microscope Olympus IX83
XY(Z) Piezo System Physik Instrumente P-545.3R7
100x Oil immersion objective Olympus UPLSAPO
QuadLine Beamsplitter AHF Analysentechnik F68-556T
 Cobolt Jive 150 laser Cobolt 0561-04-01-0150-300
Multimode Fiber Thorlabs UM22-600
iXON Ultra 897 EMCCD camera Andor DU-897U-CS0-BV
Laser goniometer SLS Systemtechnik Mark III
CF40 Cryo-compact circulator Julabo 9400340
Laser goniometer system  ALV GmbH ALV / CGS-8F
Multi-tau corretator ALV GmbH ALV-7004
Light scattering electronics ALV GmbH ALV / LSE 5004
Photon counting module PerkinElmer SPCM-CD2969 2 units in pseudo cross-correlation mode
633 nm HeNe Laser JDS Uniphase 1145P
F32 Refrigerated/heating circulator Julabo 9312632
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Pelton, R. Temperature-sensitive aqueous microgels. Adv. Colloid Interfac. 85, 1-33 (2000).
  2. Pich, A., Richtering, W. Microgels by Precipitation Polymerization: Synthesis, Characterization and Functionalization. Adv. Polym. Sci. 234, 1-37 (2010).
  3. Richtering, W. Responsive Emulsions Stabilized by Stimuli-Sensitive Microgels: Emulsions with Special Non-Pickering Properties. Langmuir. 28 (50), 17218-17229 (2012).
  4. Wiese, S., Spiess, A. C., Richtering, W. Microgel-Stabilized Smart Emulsions for Biocatalysis. Angew. Chem. Int. Edit. 52 (2), 576-579 (2012).
  5. Schmitt, V., Ravaine, V. Surface compaction versus stretching in Pickering emulsions stabilised by microgels. Curr. Opin. Colloid In. 18 (6), 532-541 (2013).
  6. Wellert, S., Richter, M., Hellweg, T., von Klitzing, ., R, Y., Hertle, Responsive Microgels at Surfaces and Interfaces. Z. Phys. Chem. 229 (7-8), 1-26 (2015).
  7. Li, Z., Harbottle, D., Pensini, E., Ngai, T., Richtering, W., Xu, Z. Fundamental Study of Emulsions Stabilized by Soft and Rigid Particles. Langmuir. 31 (23), 6282-6288 (2015).
  8. Deshmukh, O. S., van den Ende, D., Stuart, M. C., Mugele, F., Duits, M. H. G. Hard and soft colloids at fluid interfaces: Adsorption, interactions, assembly & rheology. Adv. Colloid Interfac. 222, 215-227 (2015).
  9. Serpe, M. J., Kim, J., Lyon, L. A. Colloidal Hydrogel Microlenses. Adv. Mater. 16 (2), 184-187 (2004).
  10. Schmidt, S., Zeiser, M., Hellweg, T., Duschl, C., Fery, A., Möhwald, H. Adhesion and Mechanical Properties of PNIPAM Microgel Films and Their Potential Use as Switchable Cell Culture Substrates. Adv. Func. Mater. 20 (19), 3235-3243 (2010).
  11. Xia, Y., He, X., et al. Thermoresponsive Microgel Films for Harvesting Cells and Cell Sheets. Biomacromolecules. 14 (10), 3615-3625 (2013).
  12. Guan, Y., Zhang, Y. PNIPAM microgels for biomedical applications: from dispersed particles to 3D assemblies. Soft Matter. 7 (14), 6375 (2011).
  13. Yunker, P. J., Chen, K., Gratale, M. D., Lohr, M. A., Still, T., Yodh, A. G. Physics in ordered and disordered colloidal matter composed of poly(N-isopropylacrylamide) microgel particles. Rep. Prog. Phys. 77 (5), 056601-056629 (2014).
  14. Lohr, M. A., Still, T., et al. Vibrational and structural signatures of the crossover between dense glassy and sparse gel-like attractive colloidal packings. Phys. Rev. E. 90 (6), 062305 (2014).
  15. Dreyfus, R., Xu, Y., Still, T., Hough, L. A., Yodh, A. G., Torquato, S. Diagnosing hyperuniformity in two-dimensional, disordered, jammed packings of soft spheres. Phys. Rev. E. 91 (1), 012302-012312 (2015).
  16. Kojima, H., Tanaka, F. Reentrant volume phase transition of cross-linked poly(N-isopropylacrylamide) gels in mixed solvents of water/methanol. Soft Matter. 8 (10), 3010-3011 (2012).
  17. Hofmann, C. H., Plamper, F. A., Scherzinger, C., Hietala, S., Richtering, W. Cononsolvency Revisited: Solvent Entrapment by N-Isopropylacrylamide and N, N-Diethylacrylamide Microgels in Different Water/Methanol Mixtures. Macromolecules. 46 (2), 523-532 (2013).
  18. Bischofberger, I., Calzolari, D. C. E., Trappe, V. Co-nonsolvency of PNiPAM at the transition between solvation mechanisms. Soft Matter. 10 (41), 8288-8295 (2014).
  19. Virtanen, O. L. J., Richtering, W. Kinetics and particle size control in non-stirred precipitation polymerization of N-isopropylacrylamide. Colloid Polym. Sci. 292 (8), 1743-1756 (2014).
  20. Virtanen, O. L. J., Ala-Mutka, H. M., Richtering, W. Can the Reaction Mechanism of Radical Solution Polymerization Explain the Microgel Final Particle Volume in Precipitation Polymerization of N-Isopropylacrylamide?. Macromol. Chem. Phys. 216 (13), 1431-1440 (2015).
  21. Glatter, O. A new method for the evaluation of small-angle scattering data. J. Appl. Crystallogr. 10 (5), 415-421 (1977).
  22. Svergun, D. I. Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria. J. Appl. Crystallogr. 25 (4), 495-503 (1992).
  23. Glatter, O. Convolution Square Root of Band-Limited Symmetrical Functions and Its Application to Small-Angle Scattering Data. J. Appl. Crystallogr. 14, 101-108 (1981).
  24. Glatter, O., Hainisch, B. Improvements in Real-Space Deconvolution of Small-Angle Scattering Data. J. Appl. Crystallogr. 17, 435-441 (1984).
  25. Cheezum, M. K., Walker, W. F., Guilford, W. H. Quantitative Comparison of Algorithms for Tracking Single Fluorescent Particles. Biophys. J. 81 (4), 2378-2388 (2001).
  26. Wöll, D., Kölbl, C., Stempfle, B., Karrenbauer, A. A novel method for automatic single molecule tracking of blinking molecules at low intensities. Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (17), 6196-6205 (2013).
  27. Saxton, M. J., Jacobson, K. Single-particle tracking: Applications to membrane dynamics. Annu. Rev. Bioph. Biom. 26, 373-399 (1997).
  28. Pusey, P. N., van Megen, W. Detection of small polydispersities by photon correlation spectroscopy. J. Chem. Phys. 80 (8), 3513 (1984).
  29. Stieger, M., Pedersen, J. S., Richtering, W., Lindner, P. Small-angle neutron scattering study of structural changes in temperature sensitive microgel colloids. J. Chem. Phys. 120 (13), 6197-6206 (2004).
  30. Wu, X., Pelton, R. H., Hamielec, A. E., Woods, D. R., McPhee, W. The kinetics of poly(N-isopropylacrylamide) microgel latex formation. Colloid Polym. Sci. 272, 467-477 (1994).
  31. Weeks, E. R., Weitz, D. A. Subdiffusion and the cage effect studied near the colloidal glass transition. Chem. Phys. 284 (1-2), 361-367 (2002).
  32. Ernst, D., Köhler, J., Weiss, M. Probing the type of anomalous diffusion with single-particle tracking. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (17), 7686-7691 (2014).
  33. . FitIt! (Version 1.1.4) Available from: https://www.github.com/ovirtanen/fitit (2015)
  34. Provencher, S. W. A Constrained Regularization Method For Inverting Data Represented By A Linear Algebraic or Integral Equations. Comput. Phys. Commun. 27 (3), 213-227 (1982).
  35. Holtzer, L., Meckel, T., Schmidt, T. Nanometric three-dimensional tracking of individual quantum dots in cells. Appl. Phys. Lett. 90 (5), 053902-053904 (2007).
  36. Diezmann, A. V., Lee, M. Y., Lew, M. D., Moerner, W. E. Correcting field-dependent aberrations with nanoscale accuracy in three-dimensional single-molecule localization microscopy. Optica. 2 (11), 985-989 (2015).
  37. Lindner, P., Zemb, T. . Neutrons, X-rays and Light: Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. , (2002).

Tags

Poly(N-isopropylacrylamide) MicrogelsFluorescence TrackingControlled SynthesisSoft Colloidal ParticlesDynamic BehaviorGlass TransitionWide Field Fluorescence MicroscopyNon-stirred Precipitation PolymerizationDynamic Light-scatteringNIPAMBISKPSBuchner FunnelCentrifugation

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Virtanen, O. L. J., Purohit, A., Brugnoni, M., Wöll, D., Richtering, W. Controlled Synthesis and Fluorescence Tracking of Highly Uniform Poly(N-isopropylacrylamide) Microgels. J. Vis. Exp. (115), e54419, doi:10.3791/54419 (2016).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image