Kontrollert Syntese og Fluorescence Sporing av Highly Uniform Poly (<em> N</em> -isopropylacrylamide) mikrogeler
Summary
Ikke-omrørt utfellingspolymerisering tilveiebringer en rask, reproduserbar prototyping tilnærming til syntese av stimuli-sensitive poly (N -isopropylacrylamide) mikrogeler av snever størrelsesfordeling. I denne protokollen syntese, er lysspredning karakterisering og enkelt partikkel fluorescens sporing av disse mikrogeler i et bredt felt mikroskopi oppsett demonstrert.
Abstract
Stimuli-sensitive poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) mikrogeler ha ulike potensielle praktiske anvendelser og bruker i grunnleggende forskning. I dette arbeidet bruker vi enkelt partikkel sporing av fluorescensmerkede PNIPAM mikrogeler som et utstillingsvindu for tuning mikrogelstørrelse av en rask ikke-rørt utfellingspolymerisering prosedyre. Denne tilnærmingen er godt egnet for prototyping nye reaksjons komposisjoner og betingelser eller for applikasjoner som ikke krever store mengder produkt. Mikrogel syntese, partikkelstørrelse og strukturbestemmelse av dynamisk og statisk lysspredning er beskrevet i protokollen. Det er vist at tilsetningen av funksjonelle komonomerer kan ha en stor innvirkning på partikkel nukleasjon og struktur. Enkelt partikkel sporing av bred-felt fluorescensmikroskopi muliggjør en undersøkelse av diffusjonen av merket tracer mikrogeler i en konsentrert matrise av ikke-merkede mikrogeler, ikke et system lett undersøkt ved åandre metoder som dynamisk lysspredning.
Introduction
Stimuli-sensitive poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) mikrogeler 1,2 har tiltrukket seg kontinuerlig interesse i løpet av de siste to tiårene på grunn av sitt potensial i ulike smarte programmer. Demonstrert bruk tilfeller inkluderer valgbar emulsjonsstabilisatorer 3-8, mikrolinser 9, cellekultur underlag for enkel celle høsting 10,11, og smarte bærere for lavmolekylære forbindelser og andre biomedisinske anvendelser 12. Fra en grunnleggende forskning synspunkt disse partiklene har vist seg å være nyttig for å undersøke fag som kolloidale interaksjoner 13-15 og polymer-løsemiddel interaksjoner 16-18.
Vellykket bruk av PNIPAM mikrogeler og deres derivater i en hvilken som helst gitt anvendelse vanligvis krever kunnskap om den midlere partikkelstørrelse og bredden på partikkelstørrelsesfordelingen. For den riktige tolkningen av de eksperimentelle resultatene som involverer PNIPAM microgeler, har partikkelstruktur, noe som kan bli påvirket av funksjonelle komonomerer, for å være kjent. Dynamisk og statisk lysspredning (DLS og SLS, henholdsvis) er unikt egnet for å innhente denne informasjonen fordi disse metodene er rask og forholdsvis enkel å bruke; og de sondere partikkelegenskaper non-invasiv i sitt opprinnelige miljø (spredning). DLS og SLS samler også data fra stort antall partikler unngå skjevhet som oppstår fra små utvalgsstørrelser, typisk for mikroskopi metoder. Derfor er første Målet med dette arbeidet er å introdusere god praksis når det gjelder lysspredning for utøvere nye til kolloidalt karakterisering.
Typisk utfelling polymerisasjonen utført i laboratorieskala og å finne de riktige reaksjonsbetingelser for spesifikke partikkelegenskaper kan være arbeidskrevende og krever mange repetisjoner av syntesen. I motsetning til store satssyntese, ikke-omrørt utfellingspolymerisering 19,20 er arAPID prosedyre som satser av forskjellig sammensetning reaktant kan polymeriseres samtidig ettergivende partikler av snever størrelsesfordeling. Simultan polymerisering minimerer eksperimentell variasjon og stor produksjon innebærer at riktige reaksjonsbetingelser kan bli funnet raskt for oppskalering reaksjonen. Derfor er vårt andre mål å demonstrere nytten av ikke-omrørt utfellingspolymerisering i prototyping og i anvendelser som ikke krever en stor mengde av produktet.
Forskjellige aspekter ved syntese og karakterisering kommer sammen i det eksempel på anvendelse av fluorescensmerkede PNIPAM mikrogeler i kolloidal interaksjon forskning. Her bruker vi svært nøyaktig enkelt partikkel sporing for å undersøke spredningen av merket tracer mikrogeler i spredning av umerkede matrise mikrogeler over et bredt matrise konsentrasjonsområde og løse buret effekt i konsentrert kolloiddispergeringen. Wide-field fluorescens mikroskopi er godt egnet for dette formål som det kan karakterisere den spesifikke oppførselen til et par sporstoffmolekyler blant et stort antall potensielt forskjellige matrise arter. Dette er i motsetning til teknikker som DLS, SLS og reologi, som måler ensemblet gjennomsnittlige egenskaper av systemer og kan derfor ikke løse problemet på lite antall av sonde partikler i et stort system. Videre er det i dette spesielle eksempelet konvensjonell lysspredning fremgangsmåter kan ikke benyttes også på grunn av høy partikkelkonsentrasjon, noe som fører til sterk multippel spredning ugyldiggjør en standard analyse. Bruk av automatisert databehandling og statistiske metoder muliggjøre analyse av totale systemet oppførsel også for enkelt partikkel sporing, når midlet over store utvalgsstørrelser.
Protocol
Representative Results
Discussion
Tilsetning av små mengder av funksjonell komonomer kan ha en betydelig effekt på partikkelstørrelse og struktur av de PNIPAM avledet mikrogelene. Samtidig småskala reagensrør polymerisasjon er en god metode for å ta høyde for slike endringer, og bidrar til å raskt finne de riktige reaktant komposisjoner til mål partikkelstørrelse for oppskalering reaksjonen etter behov. Massen av partiklene er tilnærmet eksponensielt avhengig …
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 |
References
- Pelton, R. Temperature-sensitive aqueous microgels. Adv. Colloid Interfac. 85, 1-33 (2000).
- Pich, A., Richtering, W. Microgels by Precipitation Polymerization: Synthesis, Characterization and Functionalization. Adv. Polym. Sci. 234, 1-37 (2010).
- Richtering, W. Responsive Emulsions Stabilized by Stimuli-Sensitive Microgels: Emulsions with Special Non-Pickering Properties. Langmuir. 28 (50), 17218-17229 (2012).
- Wiese, S., Spiess, A. C., Richtering, W. Microgel-Stabilized Smart Emulsions for Biocatalysis. Angew. Chem. Int. Edit. 52 (2), 576-579 (2012).
- Schmitt, V., Ravaine, V. Surface compaction versus stretching in Pickering emulsions stabilised by microgels. Curr. Opin. Colloid In. 18 (6), 532-541 (2013).
- 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).
- 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).
- 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).
- Serpe, M. J., Kim, J., Lyon, L. A. Colloidal Hydrogel Microlenses. Adv. Mater. 16 (2), 184-187 (2004).
- 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).
- Xia, Y., He, X., et al. Thermoresponsive Microgel Films for Harvesting Cells and Cell Sheets. Biomacromolecules. 14 (10), 3615-3625 (2013).
- Guan, Y., Zhang, Y. PNIPAM microgels for biomedical applications: from dispersed particles to 3D assemblies. Soft Matter. 7 (14), 6375 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Glatter, O. A new method for the evaluation of small-angle scattering data. J. Appl. Crystallogr. 10 (5), 415-421 (1977).
- Svergun, D. I. Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria. J. Appl. Crystallogr. 25 (4), 495-503 (1992).
- 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).
- Glatter, O., Hainisch, B. Improvements in Real-Space Deconvolution of Small-Angle Scattering Data. J. Appl. Crystallogr. 17, 435-441 (1984).
- 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).
- 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).
- Saxton, M. J., Jacobson, K. Single-particle tracking: Applications to membrane dynamics. Annu. Rev. Bioph. Biom. 26, 373-399 (1997).
- Pusey, P. N., van Megen, W. Detection of small polydispersities by photon correlation spectroscopy. J. Chem. Phys. 80 (8), 3513 (1984).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- . FitIt! (Version 1.1.4) Available from: https://www.github.com/ovirtanen/fitit (2015)
- 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).
- Holtzer, L., Meckel, T., Schmidt, T. Nanometric three-dimensional tracking of individual quantum dots in cells. Appl. Phys. Lett. 90 (5), 053902-053904 (2007).
- 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).
- Lindner, P., Zemb, T. . Neutrons, X-rays and Light: Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. , (2002).
