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.
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.
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.
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…
The authors have nothing to disclose.
The Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) is acknowledged for financial support within the Sonderforschungsbereich SFB 985 “Functional Microgels and Microgel Systems”.
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 |