Summary
כאן, פרוטוקול להחיל מתח על פתרון במהלך פיזור אור דינמי מדידות גודל החלקיקים עם כוונה לחקור את ההשפעה של מתח שינויי טמפרטורה על צבירת פולימר מוצג.
Abstract
פיזור אור דינמי (DLS) הוא שיטה נפוצה לאפיון התפלגות הגודל של פולימרים, חלבונים וננו-מיקרוחלקיקים אחרים. מכשור מודרני מאפשר מדידה של גודל החלקיקים כפונקציה של זמן ו/או טמפרטורה, אבל כרגע אין שיטה פשוטה לביצוע מדידות התפלגות גודל DLS בנוכחות של מתח שיושם. היכולת לבצע מדידות כאלה תהיה שימושית בפיתוח של פולימרים אלקטרואקטיביים, מגיבים גירויים ליישומים כגון חישה, רובוטיקה רכה ואחסון אנרגיה. כאן, טכניקה באמצעות מתח מיושם בשילוב עם DLS ושיפוע הטמפרטורה כדי להתבונן שינויים מצבור וגודל החלקיקים בפולימרים התרמותרמיים עם ובלי מונמרים אלקטרואקטיבית מוצג. השינויים בהתנהגות הצבירה שנצפו בניסויים אלה היו אפשריים רק באמצעות היישום המשולב של מתח ובקרת טמפרטורה. כדי להשיג את התוצאות הללו, היה מחובר לקובט שונה כדי להחיל מתח על פתרון. שינויים בגודל חלקיקים פולימריים היו במעקב באמצעות DLS בנוכחות מתח קבוע. בו בזמן, הנתונים הנוכחיים יוצרו, שניתן להשוותו לנתוני גודל החלקיקים, כדי להבין את הקשר בין התנהגות הזרם הנוכחי לבין החלקיקים. (Pniפם) הפולימר הפולימרי (שימש כפולימר לטכניקה זו), כמענה לטמפ ' של pniפם לטמפרטורה הוא לומד היטב. שינויים באופן הפעולה הגבוה ביותר בטמפרטורת הפתרון הקריטי (LCST) של pNIPAM ו-pvc (N-איזופסילאמיל)-בלוק-פולי (מתיונין מתיל), בלוק אלקטרו-כימית פעיל, בנוכחות מתח מיושם נצפו. הבנת המנגנון מאחורי שינויים כאלה תהיה חשובה כאשר מנסים להשיג מבנים פולימריים הפיך בנוכחות מתח מיושם.
Comments
The authors have performed additional experiments affecting the interpretation of the results in this paper. While the protocol and data remain sound and reproducible, we believe we have disconfirmed the proposed hypothesis that applied voltage affects pNIPAM aggregation behavior directly. Rather, we have reason to believe that our observed voltage-dependent process occurs specifically with the use of copper tape electrodes. We tested alternate electrode materials and did not recapitulate the voltage-dependent effects on pNIPAM. These results have been published in ECS Transactions and submitted to PubMed Central: J. LaFreniere, E. Roberge, T. Ren, W. R. Seitz, E. R. M. Balog and J. M. Halpern, ECS Trans., 2020, 97, 709–715. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/09707.0709ecst/pdf.
Introduction
פיזור אור דינמי (DLS) הוא טכניקה כדי לקבוע את גודל החלקיקים באמצעות שינויים אקראיים באינטנסיביות של אור הפזורים באמצעות פתרון1. DLS מסוגל למדוד את צבירת הפולימרים באמצעות קביעת גודל החלקיקים. עבור ניסוי זה, DLS היה בשילוב עם שינויי טמפרטורה מבוקרת להתבונן כאשר אגרגטים פולימר אשר מעיד על חריגה טמפרטורת הפתרון הקריטי נמוך (lcst)2,3. מתחת ל-LCST קיים שלב אחד של נוזל הומוגנית; מעל LCST, הפולימר הופך פחות מסיסים, אגרגטים, ו מתעבה מתוך הפתרון. מתח מיושם (כלומר, מיושם פוטנציאל או שדה חשמלי) הוצג על פני שדה הפיזור כדי לבחון את ההשפעות של השדה החשמלי על התנהגות הצבירה ו-LCST. היישום של מתח במידות שינוי החלקיקים מאפשר תובנות חדשות להתנהגות החלקיקים והיישומים הבאים בתחומים של חיישנים, אחסון אנרגיה, מערכות אספקת סמים, רובוטיקה רכה, ועוד.
בפרוטוקול זה, נעשה שימוש בשני פולימרים לדוגמה. פולי (N-איזופרופיל), או pniפם, הוא פולימר רגיש למדי, אשר מכיל גם קבוצה הידרופילי amide ו קבוצה הידרופובי איזופרופילי בשרשרת macromolecular4,5. חומרים פולימריים לתגובה תרמית כמו pnipam היו בשימוש נרחב שחרור סמים מבוקרת, הפרדה ביוכימית, וחיישנים כימיים בשנים האחרונות3,4. ערך הספרות LCST של pNIPAM הוא סביב 30-35 ° c4. . בדרך כלל לא פעיל באלקטרוכימית לכן, כמו פולימר לדוגמה השני בלוק הפעיל אלקטרוכימית-כימית נוספה הפולימר. באופן ספציפי, שימש ליצירת מיתרבלוק(N-איזוסטטים)-גוש-פולי (מתיונין) בלוק-קופולימר, או p (nipam-b-fmma)6,7. שני פולימרים לדוגמה היו מסונתז על ידי פיצול תוספת הפיך שרשרת העברת העברה עם אורך שרשרת מבוקרת8,9,10. הפולימר הפעיל בלתי כימית, pNIPAM, היה מסונתז כמו 100 mer הטהורה pNIPAM. פולימר פעיל אלקטרו כימית, p (NIPAM-b-fmma), היה גם 100 mer אורך שרשרת, אשר מכיל 4% פרומטמתיל מתיונין (fmma) ו 96% nipam.
במאמר זה, פרוטוקול ומתודולוגיה לחקר האפקט של מתח מיושם על צבירת פולימר מוצג. שיטה זו יכולה גם להיות מורחבת ליישומים אחרים של DLS, כגון ניתוח של קיפול חלבון/התפתחות, חלבון חלבונים האינטראקציות, והוצאת חלקיקים טעונים אלקטרוסטטית על שם כמה. הדגימה הייתה מחוממת מ-20 ° צ' עד 40 ° צ' כדי לזהות את ה-LCST בהעדר ובנוכחות של שדה מוחל של 1 V. לאחר מכן, הדגימה הייתה מקורר מ-40 ° c עד 20 ° c מבלי לשבש את השדה שהוחל על מנת לחקור היסטריה או השפעות שיווי משקל.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. ההכנות לדוגמה פולימר
- pNIPAM סינתזה פולימר
הערה: הכנה זו מייצרת 10 מ"ל של 1 g/L פתרון, אשר מספיק עבור 3-4 ניסויים.- . הכן את מכשיר הקווים השלנק ודא שהמלכודת הקרה מלאה בבקבוקון של קרח יבש ואצטון, או אם נעשה שימוש במלכודת קירור מכנית, וודא כי המלכודת הגיעה לטמפרטורה המתאימה.
- בבקבוקון באורך 50 מ ל, הוסף 0.566 g של N-איזוצילאמיד (ניפם) מונומר, 0.016 g של הפיך בתוספת פיצול העברת שרשרת פולימור (רפסודה) סוכן (phthalimidomethyl בוטיל trithiocarbonate), 0.0008 g של 2, 2-azobis (2-methylpropionitrile) (aibn) ו-10 מ"ל של 1, 4-dioxane. . שים בר-מהומה בבקבוקון לאטום את הבקבוקון עם מחיצת הגומי, לעטוף בקלטת ויניל, ולפזר את המונמרים ב-1, 4-dioxane.
- בצע הקפאה-משאבת הפשרה הקפאת כדלקמן: להקפיא את הפתרון על ידי הפשרת הבקבוקון עגול-תחתון בבקבוקון Dewar המכיל שלווה של קרח יבש מתנול. ברגע שכל החומר מוקפא, השתמשו ביריעה ואקום של קו שלנק כדי לפנות את הבקבוקון ללחץ פנימי תחת 100 kPa. לבודד את הבקבוקון, ולהפשיר תחת ואקום סטטי, באמצעות מים חמים. החזר את הבקבוקון ללחץ אטמוספרי באמצעות סעפת החנקן של קו שלנק.
- חזור על השלב 1.1.3 שלוש פעמים כדי למזער את ריכוז החמצן הפנימי.
- Sparge הפתרון עם חנקן כדי לאזן את הלחץ לאטמוספירה. מחממים את התערובת ל 85 ° c באמצעות אמבט שמן ומערבבים ב-200 סל ד עבור 36 h.
- לגביע 50 מ ל, הוסיפו 40 מ ל של הקסאן. לאחר מכן להוסיף את התערובת פולימר ההקאן dropwise. הפניפם צריכה להיות. מחייבת להיות לבנה
הערה: NIPAM מונומר הוא מסיס ב הקסאן, אבל pNIPAM יש מסיסות המסכן בהקאן. - יוצקים את תערובת מעונן לתוך משפך Büchner כדי לאסוף את אבקת pNIPAM לבן. להעביר את האבקה ל 20 מ ל בקבוקון ולשים אותו בתנור ואקום ללילה כדי להסיר את שאריות הממס. אחסן במיכל אטום בטמפרטורת החדר עד לצורך.
- מחסום מגנטי (p (NIפם-b-fmma) סינתזה של פניפם-בלוק-קופולימר
הערה: הכנה זו מייצרת 10 מ"ל של 1 g/L פתרון, אשר מספיק עבור 3-4 ניסויים.- . הכן את מכשיר הקווים השלנק ודא שהמלכודת הקרה מלאה בבקבוקון של קרח יבש ואצטון, או אם נעשה שימוש במלכודת קירור מכנית, וודא כי המלכודת הגיעה לטמפרטורה המתאימה.
- ב 50 mL בבקבוקון עגול, להוסיף 0.057 g של פרוסנלמתיל מתיונין (FMMA) monomer, 0.016 g של הסוכן רפסודה, 0.0008 g של AIBN ו 10 מ ל 1, 4-dioxane. . שים בר-מהומה בבקבוקון לאטום את הבקבוקון עם מחיצת הגומי, לעטוף בקלטת ויניל, ולפזר את המונמרים ב-1, 4-dioxane.
- בצע הקפאה-משאבת הפשרה הקפאת כדלקמן: להקפיא את הפתרון על ידי הפשרת הבקבוקון עגול-תחתון בבקבוקון Dewar המכיל שלווה של קרח יבש מתנול. ברגע שכל החומר מוקפא, השתמשו ביריעה ואקום של קו שלנק כדי לפנות את הבקבוקון ללחץ פנימי תחת 100 kPa. לבודד את הבקבוקון, ולהפשיר תחת ואקום סטטי, באמצעות מים חמים. החזר את הבקבוקון ללחץ אטמוספרי באמצעות סעפת החנקן של קו שלנק.
- חזור על השלב 1.2.3 שלוש פעמים כדי למזער את ריכוז החמצן הפנימי.
- Sparge הפתרון עם חנקן כדי לאזן את הלחץ לאטמוספירה. מחממים את התערובת ל85 מעלות צלזיוס באמצעות אמבט שמן ומערבבים במשך 10 שעות.
- לפזר 0.543 g של NIPAM ו 0.0002 g של AIBN ל 3 מ ל 1, 4-dioxane. להוסיף את הפתרון לתוך הבקבוקון תחת חנקן ו sparge עבור 30 דקות. מחממים את התערובת עד 85 ° c באמצעות אמבט שמן ומערבבים אותו ב 200 rpm עבור עוד 36 h.
- להוסיף 40 mL של הקסאן לגביע 50 mL. לאחר מכן להוסיף את התערובת פולימר ההקאן dropwise. P (nipam-b-fmma) צריך לזרז כמו אבקה חום כי ה-fmma מונומר יש צבע צהוב כהה.
הערה: nipam ו-fmma ונומרים מסיסים ב הקסאן, אבל p (nipam-b-fmma) יש מסיסות העניים ב הקסאן. - יוצקים את תערובת מעונן צהובה לתוך משפך Büchner לאסוף חום p (NIPAM-b-fmma) אבקה. להעביר את האבקה ל 20 מ ל בקבוקון ולשים אותו בתנור ואקום לילה כדי להסיר את שאריות הממס. אחסן במיכל אטום בטמפרטורת החדר עד לצורך.
2. DLS לדוגמא והכנה לקובט
הערה: סעיף זה מכין את הקובט עבור מתח מיושם ומדגם עבור מדידות DLS.
- מדידה 10 מ ג של אבקת פולימר ולפזר 10 מ ל של מים מסוננים (DI) מסונן. הניחו את התערובת במקרר למשך הלילה. כאשר מוכנים להתחיל את הניסוי, לשמור את המדגם על קרח.
הערה: הריכוז הפולימרי המשמש בניסויים אלה היה 1 g/L, אך הטווח האופטימלי של ריכוזי עבור כל מדגם יהיה ייחודי. גם, השיטה הטובה ביותר היא לשמור את הפולימר מתחת LCST עד שהוא מוכן לבדיקה. - חותכים שתי חתיכות של 6.3 mm x 7 ס מ של קלטת נחושת חד צדדית (איור 1). השתמש בפינצטה כדי לתקוע כל חתיכה לצדדים מנוגדים של החלק הפנימי של DLS לדוגמה קובט, בניצב לנתיב האור. החלק התחתון של הקלטת אמור להגיע לתחתית הקובט. מקפלים את הקצוות של קלטת הנחושת מעל החלק העליון של קובט. ודא שהקלטת הנחושת קרובה/עטופה בחלק העליון של המדגם קובט כדי להבטיח מגע חשמלי טוב. כמו כן, ודא כי קלטת הנחושת אינה מתחברת עם אנשי הקשר המתכת הקשורים לציוד DLS המשמש למדידות פוטנציאליות של זטה.
- רוחצים את הקובט עם מים די שלוש פעמים, ואז לטפוח על המים העודפים עם Kimwipe.
3. DLS בקרות כלי נגינה והגדרת
הערה: מומלץ לבצע שלושה פקדים לפני הפעלת כל ניסוי DLS: (1) מענה למים ריקים; (2) בגודל סטנדרטי; (3) מדידה של הפולימר לפני תחילת כבש הטמפרטורה או מתח מיושם. נא עיין במדריך ההדרכה לפני הפעולה להדרכה על הכנת מדגם, בחירת הגדרות והערכת דגימה ואיכות נתונים.
- העברת 1.5 mL של הממס מסוננים קובט. . תשתמש במים של די
- הכנס את הקובט למחזיק הקובט, וודא שהחץ הקטן שבראש הקובט מיושר עם בעל הקובט. . סגור את המכסה
- בתוך תוכנת Zetasizer, בחר מדידה בסרגל הכלים. מדידות ידניות הוגדרו עבור הפקדים. הגדר את הטמפרטורה לנקודת ההתחלה הניסיונית. בחר 20 ° c עבור ניסוי זה.
- לאחר הטקסט בתחתית החלון אומר, להוסיף תא ולחץ להתחיל כאשר מוכן, ללחוץ על כפתור ההתחלה המשולש הירוק בחלק העליון של המסך. זה מתחיל את הניסוי, ואת המחזיק קובט לא צריך להיפתח אחרי זה.
- לחץ על הכרטיסיה ריבוי תצוגות כדי להתבונן בתוצאות בזמן אמת. נטר ברציפות את המדגם ואיכות הנתונים על-ידי התבוננות בקצב הספירה ובפונקצית המתאם. כי המדגם הזה הוא רק ממיס, לא אות ברור המתאים לנוכחות של חלקיקים צריך להיות נצפתה.
- הוסיפו שתי טיפות של פתרון סטנדרטי לקובט או פשוט השתמשו בבקרת המים וחזרו על שלבים 3.2-3.6. השתמש בסטנדרט בגודל של. פוליסטירן מוקצף לניסוי הזה
הערה: אם בקרת התקן המים או הפתרון הסטנדרטי מציגים נתונים שאינם עקביים עם התוצאות הצפויות, פתור את השגיאה וחזור על כך עד שהפקדים יקראו כמצופה. - שטפו את הקובט והוסיפו את פתרון הפולימר/בדיקה המסונן. חזור על שלבים 3.2-3.5. יש להקפיד על מדידה ברורה של פתרון הבדיקה הראשונית. מומלץ לעשות זאת לפני כל מכבש הטמפרטורה או מתח שהוחל על מדידה בסיסית.
4. DLS SOP הגדר
הערה: סעיף זה מתייחס במיוחד לפעולת הטמפרטורה של מלוורן זטפצר DLS המכשיר. לפני התחלת ניסויים, מומלץ מאוד להתייעץ עם המכשיר באופן מקיף להדרכה על בחירת תא, הכנת מדגם, בחירת הגדרות מדידה, והערכת דגימה ואיכות נתונים.
- בתוך תוכנת Zetasizer (גירסה 7.11), בחר קובץ, ולאחר מכן לחץ על חדש כדי להגדיר SOP חדש (איור 2).
- לחץ על סוג מדידה כדי לבחור מגמה ≫ טמפרטורה > גודל.
- בחומר, בחר את החומר המתאים ואת מדד השבירה. בחר חלבון ואת מדד השבירה (RI) של 1.450 עבור ניסוי זה. אם הערכים המדויקים עבור מדד השבירה רצוי לחישוב מדויק יותר של הפצת נפח, הניסויים צריכים לקבוע את מדד השבירה של המדגם שלהם.
- בשנת דיסנט, בחר את הממס המתאים. לבחור מים כממס בניסוי זה.
- בתא, בחר את הקובט שבשימוש. השתמש בכלי כלים חד פעמיים (DTS0012) לניסוי זה.
- ברצף, הגדר את טמפרטורת ההתחלה וטמפרטורת הקצה. לניסויים בחימום, קבעו את טמפרטורת ההתחלה ב -20 ° c וקבעו את טמפרטורת הקצה כ-40 ° c. לניסויים מצוננים, בחרו בהיפך. בטל את הסימון של תיבת החזרה אל הטמפרטורה ההתחלתית .
- בחר מרווח עבור כל שינוי בשלב הטמפרטורה. לניסויים אלה, בחרו 1.5 ° c.
- במידה מדידה , קבע את זמן הequiציה. עבור ניסויים אלה, לקבוע את המשך ל 120 s. בחר במספר המידות. בחר 3 מדידות ואוטומטי למשך מדידה.
- הצילי את SOP ולאחר מכן סגור את הקובץ.
- אם יש להשתמש במתח מיושם, הגדר את הפוטנציאל (סעיף 5) לפני שתמשיך.
- לאחר הגדרת הפוטנציאל, או אם לא נעשה שימוש במתח שהוחל, חזור לתוכנת Zetasizer ולחץ על מדידה בסרגל הכלים ולאחר מכן לחץ על התחל SOP.
- לאחר הטקסט בחלק התחתון של החלון SOP אומר, להוסיף תא ולחץ להתחיל כאשר מוכן, ללחוץ על כפתור ההתחלה המשולש הירוק בחלק העליון של המסך. זה מתחיל את הניסוי, ואת המחזיק קובט לא צריך להיפתח אחרי זה.
- לחץ על הכרטיסיה ריבוי תצוגות כדי להתבונן בתוצאות בזמן אמת. נטר ברציפות את המדגם ואיכות הנתונים על-ידי התבוננות בקצב הספירה ובפונקצית המתאם. ראה איורים 3-5 לקבלת תוצאות נסיוניות.
5. התקנה בפוטנציאל
הערה: מומלץ להשתמש באותו מחשב עבור גודל החלקיקים ופעולות מתח שהוחלו על הזמן לסנכרן את הנתונים ובכך להקל על ההערכה מאוחר יותר. נא להתייעץ עם מדריכים מכשיר מתח יישומי להדרכה על החיווט להגדיר, ייעוץ תוכנה, ובחירת פרמטרים מתאימים. . שימש בניסויים אלה
- הכן שני חוטים דקים מספיק כדי להתאים דרך הסדק הקטן בקצה הימני העליון של אזור המחזיק קובט DLS (איור 6). בקצה אחד של החוט המוכן, להסיר את הבידוד כדי לאפשר חיבור לפוטנציאל. בקצה הנגדי, הלחמה מלחציים תנין קצר לחוט ולהתחבר לקובט. ודא שמכסה המדגם של DLS סגור.
- הצמד את ההפניה הלבנה להוביל והפוטנציאל האדום מוביל יחד לאחד החוטים המוכנים. קלאמפ להוביל את פוטנציאל העבודה הירוק ולגרום לחוש הצבע הכחול להוביל לחוט האחר המוכן. עבור ניסוי זה, לא להשתמש בחוש הדלפק הכתום ופוטנציאל הקרקע השחורה מוביל ולהשאיר אותם צף. כדי להבטיח כי המעגל אינו קצר, החוטים האלה לא צריכים לגעת כל העופרת או משטח מוליך אחר.
הערה: אין זה משנה באיזה צד כל הפניה מחובר. - בתוך סרגל הכלים של התוכנה, לחץ על ניסויולאחר מכן לחץ על אפשרות E אלקטרוכימיה פיזית, ובחר Chronoamperometry. לצורך פרוטוקול זה, השתמש במתח מיושם פשוט על-ידי החלת מתח בודד עם התגובה הנוכחית הנמדדת לאורך זמן (כלומר, chronoamperometry). מומלץ לנטר את תגובת המערכת לאורך זמן.
- הגדר לפני שלב, שלב 1 והפניה לעומת מתח שלב 2. זה יהיה מתח מיושם על פני השדה כולו/קובט. הגדר מתח 1 V לעומת הפניה לכל שלושת השלבים.
- הגדר זמן השהיה לפני שלב. עבור ניסויים אלה, מוגדר ל 0.5 s כדי לוודא שהמערכת יציבה במתח הרצוי לפני הקלטת אות.
- קבע את הזמן עבור שני השלבים פעם אחת ולשלב 2 זמן. פעולה זו שולטת במשך זמן המתח שיוחל. הגדר הן ל-14,400 s כדי לוודא שהמתח המוחל יימשך לאורך כל הניסוי DLS.
- הגדר תקופה לדוגמה. זוהי התדירות שבה הגרף יקרא וירשום ערכי זרם ומתח. השתמש 10.0 s בניסוי זה.
הערה: ההגדרות האחרות אינן משמעותיות עבור הנתונים המוצגים כאן. ערכי ברירת המחדל במערכת שימשו.
- לחץ על אישור. סרגל הכלים העליון יציג סימן פעיל , המציין את המתח המוחל. הזרם צריך לתת תגובה מתונה (μA), ולא להעמיס על הפוטנציאל. אם לא נצפתה אות או אות מוגזמת, המערכת עשויה להיות מחוברת באופן שגוי ולכן, לפתור את השגיאה ולחזור על כך עד שהזרם הצפוי נצפה.
- חזור לשלב 4.10 כדי להפעיל את ה-DLS SOP.
6. ניתוח נתונים
הערה: סעיף זה מפרט ניתוח ראשוני כדי להבין את הנתונים שהושגו.
- יבא נתונים לתוך ניתוח נתונים מועדף ותוכנת גרפים.
- עבור כל הפעלה בתוך ערכת מדידות בטמפרטורה נתונה, קבע את גודל עוצמת החלקיקים של השיא באחוז הנפח הגדול ביותר.
- חשב את סטיית הממוצע והתקן של גודל אמצעי האחסון מעל שלוש המידות המוקלטות בטמפרטורה נתונה.
- עבור כל ניסוי, התווה גודל ממוצע של ± סטיית תקן בציר-y (קנה המידה של יומן הרישום) לעומת הטמפרטורה בציר ה-x (קנה מידה ליניארי).
- יבא את הנתונים הנוכחיים של Gamry לניתוח. התווה נתונים נוכחיים עם זמן על ציר ה-x והנוכחי (במיקרו-אמפר) על ציר ה-y.
- על מנת לקשר בין הנתונים הנוכחיים לנתוני גודל החלקיקים, השווה את חותמת הזמן של נתוני Zetasizer לחותמת הזמן הנוכחית של Gamry. הדבר אפשרי אם שני סוגי הנתונים נאספים מאותו מחשב. אחרת, התאם את הזמנים הנרשמים הטובים ביותר האפשריים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
פלט קובץ בזמן אמת של כל הפעלה בשיפוע הטמפרטורה מוצג כטבלה, כפי שנראה באיור 3. כל רשומה יכולה להיבחר באופן עצמאי כדי לראות את גודל אמצעי האחסון (איור 4) ומקדם המתאם (איור 5). התפלגות גודל חלקיק הנפח (PSD) היא הנתונים המדויקים ביותר כדי לפרש את ההתפלגות הכוללת LCST, אבל את איכות הנתונים צריך להיות מוערך באמצעות גרף המתאם (איור 5) כדי לקבוע אם יש נקודות כלשהן צריך להיות נשלל מהניתוח. תרשימי מתאם (איור 5) בעלי עקומה חלקה בדרך כלל נחשבים לאיכות טובה, כאשר גרפים לא חלקים או נתונים באיכות נמוכה צריכים להיחשב להדרה בניתוח. העיקולים ב 24.5 ° c יש כמה בליטות ופסגות מינורי בעקומות, אבל זה יכול להיות מיוחס לשינוי מהיר בצבירת פולימר, ולכן הנתונים הללו נכללו. הדבר מאשר כי נתוני DLS שנאספו במערכת שלנו ששונתה בנוכחות מתח הם באיכות שוות ערך לנתונים נורמליים DLS.
כפי שנראה באיור 7 (קווים אדומים), pNIPAM הציג lcst ב 30 ° צ', טמפרטורה קרוב הספרות תיאר ערכים4. ללא מתח, pNIPAM היה מסוגל לצבור ולשלול בתוך טווח הטמפרטורה נבדק, חוזר לגודלה המקורי והמציין הסבירות צפוי. עם מתח (איור 7, קווים שחורים) pNIPAM הלכו מלהיות מסיסים לצובר בגודל של 2000 ננומטר, אז להיות מופחת לגודל של סביב 1000 ננומטר במהלך הקירור, לעולם לא חוזר למצב מסיס המקורי. איור 8 מציג את הנתונים הנוכחיים מתוך pNIPAM עם מיושם המתח והחימום וניסויים קירור המתאימים איור 7 (קווים שחורים). הקו האדום האנכי ב -26 ° c הוא נקודת מעבר מפתח של pNIPAM שבו שינוי שלב הוא נצפתה עם DLS. הקו האנכי ב-40 ° c מראה את הטמפרטורה המקסימלית במדידה לפני מחזור הקירור.
כפי שנראה באיור 9 (קווים אדומים), p (nipam-b-fmma) פולימר המכיל בלוק fmma אלקטרואקטיבי הציגו Lcst ב 33 ° c. ללא מתח, p (NIPAM-b-fmma) הצליח לצבור ולשלול, חזרה לגודלה המקורי. עם מתח (איור 9, קווים שחורים), ה-lcst של p (nipam-b-fmma) העביר ל -28 ° c. שוב, עם מתח מיושם, p (NIPAM-b-fmma) לא היה מסוגל לשלול ולחזור לגודלה המקורי במהלך מחזור הקירור. איור 10 מציג את הנתונים הנוכחיים מ-p (nipam-b-fmma) עם מחלות מתח וחימום וצינון המתאימות לאיור 9 (קווים שחורים). הקו האדום האנכי ב -28 ° c הוא ממש מעל שינוי שלב נצפתה עם DLS. הקו האנכי ב-40 ° c הוא בטמפרטורה מקסימלית במדידה שלנו לפני הקירור.
הערכת נתוני התגובה הנוכחיים מהמתח המוחל חיונית להבנת תגובת הגודל. אם הזרם אינו מפוקח בקפידה, הנתונים יופרש באופן שגוי ועלולים להיות לא מובנים. במשפט אחד מוצג באיור 11, המתח לחתוך פנימה והחוצה כתוצאה של מעקב קצר בשוגג. כתוצאה ממעגל קצר, המתח יושם באופן אקראי ומצומצם, והדבר גרם למגמה דומה יותר למצב של חוסר מתח.
איור 1: DLS כימיקלים חד פעמיים שונו על ידי הוספת קלטת נחושת לצדדים כדי לאפשר מתח שיושם. קלטת הנחושת משתרעת לתחתית וכרוכה סביב החלק העליון כדי להבטיח חיבור טוב. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 2: צילום מסך של התקנת DLS SOP, כולל רצף להגדיר, גודל מפרט מדידה, מגמה להגדיר הליכים. המסך המופיע כאן משמש כעמוד ראשי שבו ניתן לצפות בהיבטים האחרים ובעמודי המשנה הספציפיים יותר של הנתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 3: דוגמה לתצוגת רשומה של איסוף נתונים בתוכנת Zetasizer. רשומות אלה מכילות מדידות מעמיקות של גורמים כגון עוצמה, גודל אמצעי אחסון, נתוני מתאם ואיכות נתונים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 4: התפלגות גודל חלקיקי נפח (PSD) למדידה אחת ב -31 ° c של pNIPAM עם 1 V של מתח שיושם. ניתן לגשת למסך זה על-ידי בחירת נקודת הנתונים הרצויה הנמצאת בכרטיסיית תצוגת הרשומות (איור 4) ומספקת מידע מפורט על הגודל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 5: נתוני המתאם של ניסוי עם פונקציות מתאם מקובלות ומקבילות עבור כל טמפרטורה בנוכחות מתח שהוחל. פונקציות המתאם של שלושה מסלולים חוזרים בשלושה טמפרטורות שונות מותוות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 6: הDLS הניסוי באמצעות Gamry פוטנציאל להחיל מתח קבוע על הפתרון. תמונה זו מתארת את הגדרת החיווט ואת ההרכבה הכללית של המעגלים הדרושים עבור מערכת זו. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 7: העלילה של pNIPAM גודל החלקיקים לעומת הטמפרטורה. קווים שחורים = מתח מיושם, קווים אדומים = אין מתח, נקודות נתונים רבועים = מגמה חימום, משולש נקודות נתונים = מגמה קירור. ללא מתח מיושם, ה-LCST היה 30 ° צ' במהלך החימום ו -24 ° c במהלך הקירור. עם מתח מיושם, LCST היה 26 ° צ' במהלך החימום, לא נצפתה מצבור במהלך הקירור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 8: נתונים נוכחיים מתוך pNIPAM עם חימום וקירור. הקו האדום האנכי ב -26 ° c הוא ה-LCST של pNIPAM שבו השינוי בשלב נצפה בנתוני DLS (איור 7). הקו האנכי ב-40 ° c מציג את הזמן שבו החימום הושלם והקירור הופעל. ציר ה-x מציין את הזמן מאז תחילת הניסוי, כמו גם טמפרטורה בנקודות זמן שונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 9: מגרש של p (NIPAM-b-fmma) גודל החלקיקים לעומת הטמפרטורה. קווים שחורים = מתח מיושם, קווים אדומים = אין מתח, נקודות נתונים רבועים = מגמה חימום, משולש נקודות נתונים = מגמה קירור. ללא מתח מיושם, ה-LCST היה 33 ° צ' במהלך החימום ו -28 ° c במהלך הקירור. עם מתח מיושם, LCST היה 28 ° צ' במהלך החימום, לא נצפתה מצבור במהלך הקירור. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 10: נתונים נוכחיים מתוך p (NIPAM-b-fmma) עם חימום וקירור. הקו האדום האנכי בגובה 29 ° c הוא ממש מעל ה-LCST של p (NIPAM-b-fmma) שבו השינוי בשלב נצפה בנתוני DLS (איור 9). ציר ה-x מציין את הזמן מאז תחילת הניסוי, כמו גם טמפרטורה בנקודות זמן שונות. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
איור 11: מעגל מחובר לקוי המוביל לשגיאה בנתונים במשפט pNIPAM. הנתונים DLS, בתמונה שמאל, דומה נתונים ממבחנים ללא מתח, אשר מוסבר על ידי מעגל מנותק ולא שלם. תיאוריה זו של מעגל מחובר לקוי נתמכת על ידי הנתונים הנוכחיים הפזורים, הזכות בתמונה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
החלת מתח על pNIPAM או p (NIפם-b-fmma) פתרונות שינו את התנהגות הצבירה של הפולימר בתגובה לטמפרטורה. עם שני החומרים, כאשר היה מתח מיושם, גודל נפח הפולימרים נשאר גבוה גם כאשר הפתרונות התקררו מתחת LCST שלהם. זו הייתה תוצאה לא צפויה, מאחר והמבחנים ללא מתח הראו את הפולימרים חוזרים לגודלם המקורי. ניסויים אלה מאפשרים לנו להסיק כי עבור טווח הטמפרטורה שלנו, ועם מתח מיושם, צבירה פולימר אינו הפיך באופן מלא, ללא קשר מונמרים אלקטרואקטיביים הוסיף pNIPAM.
תוצאה מעניינת נוספת ניתן לראות על בדיקה נוספת של איור 9 ו-p (nipam-b-fmma) שינויים lcst. ללא מתח, גודל אמצעי האחסון המרבי הוא סביב 1000 ננומטר, והצבירה היא הפיכה. עם זאת, עם מתח מיושם, האגלוטת יציבה היא כ 100 ננומטר וללא הפיך. זה מעיד על מצב חדש של מדינה יציבה שנוצרה עם מתח מיושם בהשוואה להיעדר מתח.
התגובה הנוכחית של המתח המוחל הקבוע עשויה גם לספק תובנות לתגובת צבירה. מכיוון שהקבצים מוחתם בזמן, ניתן להתאים את הזרם עם השינויים היחסיים בטמפרטורה, למרות שאין מרווח שווה בין הטמפרטורה והשעה עקב המיטוב האוטומטי בכל שלב בהתבסס על עוצמת הפיזור וההנחתה הגדרות ב-DLS. הנתונים שלנו מצביעים על עליות הנוכחי עם הטמפרטורה, ואז מתחיל להקטין מיד לאחר העברת LCST. מגמות ברורות משויכות לזמן הצבירה המשוער, המראה התנגדות נמוכה בפתרון, וכתוצאה מכך הוא פחות עדכני. במהלך הקירור, עליות הנוכחי, אבל לא להגדיל במהירות כפי שהוא עשה במהלך החימום. הנתונים הנוכחיים מוסיפים מידע ותובנות אפשריות להתנהגות הפולימר.
המתודולוגיה של החלת מתח עד דינמי פיזור אור מדידות התפלגות גודל החלקיקים היה מוצלח. הבדלים בהתנהגות של צבירת פולימרים המשויכים למידות הפצת גודל החלקיקים נצפו כאשר מתח שהוחל נמצא במהלך מגמה של מכבש הטמפרטורה בהשוואה למקרה ללא מתח. ההתנהגות הנצפתה היתה קיימת רק כאשר נעשה שימוש במתח שהוחל ובשיפוע הטמפרטורה שהוחלו.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
המחברים אינם מצהירים על ניגודי אינטרסים.
Acknowledgments
המחברים רוצים להכיר בתמיכה הפיננסית מ-NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131), ומרכז האמל למחקר לימודי לתואר ראשון. יתר על כן, המחברים רוצים להכיר את הסיוע של דארסי פורנייר לסיוע בכבלים ו סקוט גרינווד עבור גישה DLS.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| N-Isopropylacrylamide | Tokyo Chemical Industry CO., LTD | I0401-500G | |
| 1,4-Dioxane | Alfa Aesar | 39118 | |
| 2,2"-Azobis(2-methylpropionitrile) | SIGMA-ALDRICH | 441090-100G | |
| Cuvette | Malvern | DTS0012 | |
| Dynamic Light Scattering | Malvern | Zetasizer NanoZS | |
| Ferrocenylmethyl methacrylate | ASTATECH | FD13136-1G | |
| Phthalimidomethyl butyl trithiocarbonate | SIGMA-ALDRICH | 777072-1G | |
| Potentiostat | Gamry | Reference 600 |
References
- Xu, R. Particuology Light scattering : A review of particle characterization applications. Particuology. 18, 11-21 (2015).
- Szczubiałka, K., Nowakowska, M. Response of micelles formed by smart terpolymers to stimuli studied by dynamic light scattering. Polymer. 44 (18), 5269-5274 (2003).
- Kotsuchibashi, Y., Ebara, M., Aoyagi, T., Narain, R. Recent Advances in Dual Temperature Responsive Block Copolymers and Their Potential as Biomedical Applications. Polymers. 8, 380 (2016).
- Lanzalaco, S., Armelin, E. Poly(N-isopropylacrylamide) and Copolymers: A Review on Recent Progresses in Biomedical Applications. Gels. 3, 36 (2017).
- Lessard, D. G., Ousalem, M., Zhu, X. X., Eisenberg, A., Carreau, P. J. Study of the phase transition of poly(N,N-diethylacrylamide) in water by rheology and dynamic light scattering. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 41, 1627-1637 (2003).
- Garner, B. W., Cai, T., Hu, Z., Neogi, A. Electric field enhanced photoluminescence of CdTe quantum dots encapsulated in poly (N-isopropylacrylamide) nano-spheres. Optics express. 16, 19410-19418 (2008).
- Gallei, M., Schmidt, B. V. K. J., Klein, R., Rehahn, M. Defined Poly[styrene- block -(ferrocenylmethyl methacrylate)] Diblock Copolymers via Living Anionic Polymerization. Macromolecular Rapid Communications. 30, 1463-1469 (2009).
- Grenier, C., Timberman, A., et al. High Affinity Binding by a Fluorescein Templated Copolymer Combining Covalent, Hydrophobic, and Acid-Base Noncovalent Crosslinks. Sensors. 18, 1330 (2018).
- Chiefari, J., Chong, Y. K. B., et al. Living Free-Radical Polymerization by Reversible Addition−Fragmentation Chain Transfer: The RAFT Process. Macromolecules. 31, 5559-5562 (1998).
- Perrier, S. 50th Anniversary Perspective : RAFT Polymerization-A User Guide. Macromolecules. 50, 7433-7447 (2017).
