Summary
Här presenteras ett protokoll för att tillämpa spänning på lösning under dynamiska mätningar av ljusspridningspartikelstorlek med avsikt att utforska effekten av spänning och temperaturförändringar på polymeraggregering.
Abstract
Dynamisk ljusspridning (DLS) är en vanlig metod för att karakterisera storleksfördelningen av polymerer, proteiner och andra nano- och mikropartiklar. Modern instrumentering tillåter mätning av partikelstorlek som en funktion av tid och/eller temperatur, men för närvarande finns det ingen enkel metod för att utföra DLS partikelstorleksfördelningsmätningar i närvaro av tillämpad spänning. Förmågan att utföra sådana mätningar skulle vara användbar i utvecklingen av elektroaktiva, stimuli-lyhörda polymerer för applikationer som avsing, mjuk robotteknik och energilagring. Här presenteras en teknik med hjälp av tillämpad spänning i kombination med DLS och en temperaturramp för att observera förändringar i aggregering och partikelstorlek i termoresponspolymerer med och utan elektroaktiva monomerer. De förändringar i aggregeringsbeteende som observerades i dessa experiment var endast möjliga genom den kombinerade tillämpningen av spänning och temperaturkontroll. För att få dessa resultat, en potentiostat var ansluten till en modifierad cuvette för att tillämpa spänning på en lösning. Förändringar i polymerpartikelstorlek övervakades med DLS i närvaro av konstant spänning. Samtidigt producerades aktuella data, som kan jämföras med partikelstorleksdata, för att förstå förhållandet mellan nuvarande och partikelbeteende. Polymerpolyet(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) fungerade som en testpolymer för denna teknik, eftersom pNIPAM:s temperaturrespons är väl studerat. Förändringar i den lägre kritiska lösningstemperaturen (LCST) aggregering beteendepNIPAM och poly( N-isopropylacrylamide)-block-poly(ferrocenylmetylmetakrylat), en elektrokemiskt aktiv block-sampolymer, i närvaro av tillämpad spänning observeras. Att förstå mekanismerna bakom sådana förändringar kommer att vara viktigt när man försöker uppnå reversibla polymerstrukturer i närvaro av tillämpad spänning.
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
Dynamisk ljusspridning (DLS) är en teknik för att bestämma partikelstorlek genom användning av slumpmässiga förändringar i intensiteten av ljus spridda genom lösning1. DLS kan mäta aggregering av polymerer genom att bestämma partikelstorlek. För detta experiment kopplades DLS ihop med kontrollerade temperaturförändringar för att observera när en polymeraggregat som tyder på att den lägre kritiska lösningstemperaturen (LCST)2,3. Under LCST finns en homogen vätskefas; ovanför LCST blir polymeren mindre löslig, aggregat och kondenser av lösning. En tillämpad spänning (dvs. tillämpad potential eller elektriskt fält) introducerades över spridningsfältet för att observera effekterna av det elektriska fältet på aggregeringsbeteende och LCST. Tillämpningen av spänning i partikeldimensioneringsmätningar möjliggör nya insikter i partikelbeteende och efterföljande tillämpningar inom områdena sensorer, energilagring, läkemedelsleveranssystem, mjuk robotteknik och andra.
I detta protokoll användes två exempel polymerer. Poly( N-isopropylacrylamide) eller pNIPAM är en termisk känslig polymer, som innehåller både en hydrofil amidgrupp och en hydrofobisk isopropylgrupp på den makromolekylära kedjan4,5. Termisk-lyhörda polymermaterial som pNIPAM har använts ofta i kontrollerad läkemedelsfrisättning, biokemisk separation och kemiska sensorer under de senaste åren3,4. PNIPAM:s LCST-litteraturvärde är runt 30-35 °C4. pNIPAM är vanligtvis inte elektrokemiskt aktiv. Därför, som ett andra prov polymer en elektrokemiskt aktiv block lades till polymeren. Specifikt användes ferrocenylmetylmetakrylat för att skapa en poly( N-isopropylacrylamide)-block-poly(ferrocenylmetylmetakrylat) block-sampolymer, eller p(NIPAM-b-FMMA)6,7. Båda exemplet polymerer syntetiserades av reversibel tillägg fragmentering kedja-överföring polymerisation med kontrollerad kedja längd8,9,10. Den icke-elektrokemiskt aktiva polymeren, pNIPAM, syntetiserades som 100 mer ren pNIPAM. Den elektrokemiskt aktiva polymeren, p(NIPAM-b-FMMA), var också 100 mer kedjelängd, som innehåller 4% ferrocenylmetylmetakrylat (FMMA) och 96% NIPAM.
I denna artikel visas ett protokoll och metodför att studera effekten av tillämpad spänning på polymeraggregering. Denna metod skulle också kunna utvidgas till andra tillämpningar av DLS, såsom analys av protein vikning / utfällning, protein-protein interaktioner och tätbebyggelse av elektrostatiskt laddade partiklar för att nämna några. Provet upphettades från 20 °C till 40 °C för att identifiera LCST i avsaknad av och förekomst av ett 1 V tillämpat fält. Därefter kyldes provet från 40 °C till 20 °C utan att störa det applicerade fältet för att studera hysteretiska eller jämviktseffekter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Exempel polymerpreparat
- pNIPAM polymersyntes
OBS: Denna beredning ger 10 ml 1 g/l-lösning, vilket räcker för 3-4 experiment.- Förbered Schlenklinjeapparaten. Se till att den kalla fällan Dewar-kolven är fylld med ett slam av torr is och aceton, eller om en mekanisk kylfälla används, se till att fällan har nått en lämplig temperatur.
- I en 50 ml rundkolv, tillsätt 0,566 g N-isopropylacrylamide (NIPAM) monomer, 0,016 g reversibel förlängning fragmenteringskedja överföring polymerisation (RAFT) agent (phthalimidomethyl butyl trithiocarbonate), 0.0008 g av 2,2-azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN) och 10 ml 1,4-dioxane. Lägg en rörstång i kolven. Försegla kolven med en gummiseptum, linda med vinyltejp och lös monomererna i 1,4-dioxan.
- Utför fryspump-tina avgasning enligt följande: Frys lösningen genom att nedsänkning av kolven av rund botten i en Dewar-kolv som innehåller ett slam av torris och metanol. När allt material är fryst, använd vakuumgrenröret av Schlenk linjen för att evakuera kolven till ett inre tryck under 100 kPa. Isolera kolven och tina under statiskt vakuum med varmt vatten. Återför kolven till atmosfärstryck med hjälp av kvävegrenröret på Schlenk-linjen.
- Upprepa steg 1.1.3 tre gånger för att minimera den interna syrekoncentrationen.
- Sparge lösningen med kväve för att balansera trycket till atmosfären. Värm blandningen till 85 °C med hjälp av ett oljebad och rör vid 200 varv/min i 36 timmar.
- Till en 50 mL bägare, tillsätt 40 ml hexan. Tillsätt sedan polymerblandningen till hexandroppen. PNIPAM bör fälla ut som vit floccule.
OBS: NIPAM monomer är löslig i hexan, men pNIPAM har en dålig löslighet i hexan. - Häll den molniga blandningen i en Büchner tratt för att samla det vita pNIPAM-pulvret. Överför pulvret till en 20 ml injektionsflaska och lägg det i en vakuumugn över natten för att avlägsna överblivna lösningsmedel. Förvaras i en förseglad behållare i rumstemperatur tills det behövs.
- pNIPAM- block-poly(ferrocenylmetylmetakrylat) block-sampolymer (p(NIPAM-b-FMMA)) syntes
OBS: Denna beredning ger 10 ml 1 g/l-lösning, vilket räcker för 3-4 experiment.- Förbered Schlenklinjeapparaten. Se till att den kalla fällan Dewar-kolven är fylld med ett slam av torr is och aceton, eller om en mekanisk kylfälla används, se till att fällan har nått en lämplig temperatur.
- Tillsätt 0,057 g ferrocenylmetylmetakrylat (FMMA) monomer, 0,016 g RAFT-medel, 0,0008 g AIBN och 10 ml 1,4 dioxan. Lägg en rörstång i kolven. Försegla kolven med en gummiseptum, linda med vinyltejp och lös monomererna i 1,4-dioxan.
- Utför fryspump-tina avgasning enligt följande: Frys lösningen genom att nedsänkning av kolven av rund botten i en Dewar-kolv som innehåller ett slam av torris och metanol. När allt material är fryst, använd vakuumgrenröret av Schlenk linjen för att evakuera kolven till ett inre tryck under 100 kPa. Isolera kolven och tina under statiskt vakuum med varmt vatten. Återför kolven till atmosfärstryck med hjälp av kvävegrenröret på Schlenk-linjen.
- Upprepa steg 1.2.3 tre gånger för att minimera den interna syrekoncentrationen.
- Sparge lösningen med kväve för att balansera trycket till atmosfären. Värm blandningen till 85 °C med hjälp av ett oljebad och rör om den i 10 timmar.
- Lös 0,543 g NIPAM och 0,0002 g AIBN i 3 ml 1,4-dioxan. Tillsätt lösningen i kolven under kväve och sparge i 30 min. Värm blandningen till 85 °C med hjälp av ett oljebad och rör om den vid 200 varv/min i ytterligare 36 timmar.
- Lägg till 40 ml hexan till en 50 mL bägare. Tillsätt sedan polymerblandningen till hexandroppen. P(NIPAM-b-FMMA) bör fälla ut som brunt pulver eftersom FMMA monomer har en mörkgul färg.
OBS: NIPAM och FMMA monomerer är lösliga i hexan, men p (NIPAM-b-FMMA) har dålig löslighet i hexan. - Häll den gula molniga blandningen i en Büchner tratt för att samla den bruna p (NIPAM-b-FMMA) pulver. Överför pulvret till en 20 ml injektionsflaska och lägg det i vakuumugn över natten för att avlägsna överblivna lösningsmedel. Förvaras i en förseglad behållare i rumstemperatur tills det behövs.
2. DLS-prov och cuvetteberedning
Obs!
- Mät 10 mg polymerpulver och lös upp i 10 ml filtrerat avjoniserat vatten (DI). Lägg blandningen i ett kylskåp över natten. När du är redo att starta experimentet, förvara provet på is.
Obs! Dessutom är bästa praxis att hålla polymeren under LCST tills den är redo för testning. - Kapa två delar av 6,3 mm x 7 cm enkelsidig koppartejp (figur 1). Använd pincett för att hålla varje bit på motsatta sidor av insidan av DLS prov cuvette, vinkelrätt mot ljusvägen. Undersidan av bandet bör nå nära botten av cuvette. Vik kanterna på koppartejpöver toppen av cuvette. Se till att koppartejpen är nära/inslagna på provkurets ovansida för att säkerställa god elektrisk kontakt. Se också till att koppartejpen inte ansluter till metallkontakterna i samband med DLS-utrustning som används för Zeta potentiella mätningar.
- Tvätta cuvette med DI vatten tre gånger, sedan badda överflödigt vatten av med en Kimwipe.
3. DLS-instrumentreglage och ställa in
Tre kontroller rekommenderas att slutföra innan varje DLS-experiment körs: (1) tomt vattenlösning; 2. En storleksstandard. 3. Mätning av polymeren före start av en temperaturramp eller anbringat spänning. Vänligen se instrumenthandboken innan du använder anvisningar om hur du förbereder ett exempel, väljer inställningar och bedömer exempel- och datakvalitet.
- Överför 1,5 ml filtrerat lösningsmedel till cuvetten. Använd DI vatten.
- Sätt i cuvette en till cuvettehållaren, se till att den lilla pilen på toppen av cuvetten är i linje med cuvettehållaren. Stäng locket.
- I Zetasizer-programvaran väljer du Mät i verktygsfältet. Manuella mätningar har ställts in för kontrollerna. Ställ in temperaturen på den experimentella startpunkten. Välj 20 °C för det här experimentet.
- När texten längst ner i fönstret säger, Infoga cell och tryck på start när du är klar,tryck på den gröna triangeln startknappen högst upp på skärmen. Detta startar experimentet, och cuvette innehavaren bör inte öppnas efter detta.
- Klicka på fliken Multi-view för att observera realtidsresultat. Övervaka kontinuerligt provet och datakvaliteten genom att observera antaltal och korrelationsfunktionen. Eftersom detta prov är bara lösningsmedel, ingen tydlig signal som motsvarar förekomsten av partiklar bör observeras.
- Tillsätt två droppar av en standardlösning till cuvette eller bara använda vattenkontrollen och upprepa steg 3.2-3.6. Använd en 20 nm NIST-spårbar polystyrenstorleksstandard för det här experimentet.
Om vatten- eller standardlösningskontrollen körs visar data som är oförenliga med de förväntade resultaten, felsöker du felet och upprepar tills kontrollerna läses som förväntat. - Skölj cuvettet och tillsätt den filtrerade polymeren/testlösningen. Upprepa steg 3.2-3.5. En tydlig mätning av den ursprungliga testlösningen bör observeras. Det rekommenderas att göra detta innan någon temperaturramp eller tillämpad spänning för en baslinjemätning.
4. DLS SOP-inställning
OBS: Detta avsnitt hänvisar specifikt till temperaturrampning driften av en Malvern Zetasizer NanoZS DLS instrument. Innan experiment påbörjas rekommenderas det starkt att konsultera instrumentet manuellt i stor utsträckning för vägledning om hur du väljer en cell, förbereder ett exempel, väljer mätinställningar och bedömer exempel- och datakvalitet.
- Inom Zetasizer-programvaran (version 7.11) väljer du Arkivoch klickar sedan på Ny för att skapa en ny SOP(figur 2).
- Klicka på Måtttyp för att välja Trend > Temperatur > Storlek.
- I Materialväljer du lämpligt material och brytningsindex. Välj Protein och det brytningsindex (RI) på 1,450 för detta experiment. Om exakta värden för brytningsindex önskas för mer exakt beräkning av volymfördelning, bör experimentören bestämma brytningsindexet för provet experimentellt.
- I Dispersantväljer du lämpligt lösningsmedel. Välj Vatten som lösningsmedel i det här experimentet.
- I Cellväljer du cuvette som används. Använd disponibel cuvettes (DTS0012) för detta experiment.
- I Sekvensställer du in Starttemperatur och Sluttemperatur. För uppvärmningsförsök, ställ in starttemperaturen vid 20 °C och ställ in sluttemperaturen som 40 °C. För kylning experiment, välj motsatsen. Avmarkera rutan Återgå till starttemperatur.
- Välj ett intervall för varje temperaturstegsändring. För dessa experiment väljer du 1,5 °C.
- I Storleksmätning, ställ in Equilibration tid. För dessa experiment anger du varaktigheten till 120 s. Välj antal mätningar. Välj 3 mått och Automatisk för mättid.
- Spara SOP och stäng sedan filen.
- Om den anbringade spänningen ska användas ställer du in potentiostat (avsnitt 5) innan du fortsätter.
- När potentiostat har ställts in, eller om tillämpad spänning inte används, återgå till Zetasizer-programvaran och klicka på Mät i verktygsfältet och klicka sedan på Starta SOP.
- När texten längst ned i SOP-fönstret säger, Infoga cell och tryck på start när du är klar,tryck på den gröna triangeln startknappen högst upp på skärmen. Detta startar experimentet, och cuvette innehavaren bör inte öppnas efter detta.
- Klicka på fliken Multi-view för att observera realtidsresultat. Övervaka kontinuerligt provet och datakvaliteten genom att observera antaltal och korrelationsfunktionen. Se figurerna 3-5 för representativa experimentella resultat.
5. Potentiostat-inställningar
Obs! Vänligen se manualerna för tillämpad spänningsinstrument för vägledning om kabeldragning, programvarukonsultation och välja lämpliga parametrar. En Gamry potentiostat användes i dessa experiment.
- Förbered två kablar som är tunna nog att passa genom den lilla sprickan på dls-kurvskiktsområdets övre högra kant (figur 6). På ena änden av den beredda tråden, ta av isoleringen för att möjliggöra en anslutning till potentiostat. På motsatt ände, lödning en kort alligator klämma till tråden och anslut till cuvette. Kontrollera att DLS-provlocket är stängt.
- Kläm fast den vita referenspotentiostatledningen och den röda räknaren potentiostat leda tillsammans till en av de förberedda kablarna. Kläm fast den gröna fungerande potentiostatledningen och den blå arbetssinnepotentiostaten leder till den andra beredda tråden. För detta experiment, använd inte orange counter sense och svart mark potentiostat leder och lämna dem flytande. För att säkerställa att kretsen inte kortas bör dessa kablar inte vidröra någon annan bly eller ledande yta.
Obs! - Klicka på Experimenti verktygsfältet i programvaran och klicka sedan på alternativ E Fysisk elektrokemioch välj Kronotermrometri. Använd en enkel tillämpad spänning för detta protokoll genom att applicera en enda spänning med strömrespons mätt över tiden (dvs. kronorometri). Oavsett den specifika elektrokemiska metoden rekommenderas att övervaka systemets svar över tiden.
- Ställ in pre-step, steg 1och steg 2 Spänning jämfört med referens. Detta kommer att vara den applicerade spänningen över hela fältet / cuvette. Ställ in spänningen på 1 V vs Referens för alla tre stegen.
- Ställ in fördröjningstid före steg. För dessa experiment, inställd på 0,5 s för att säkerställa att systemet är stabilt vid önskad spänning innan du registrerar en signal.
- Ställ in tiden för både steg 1 tid och steg 2 Tid. Detta styr hur länge spänningen kommer att tillämpas. Ställ in båda till 14 400 s för att se till att den tillämpade spänningen fortsätter under dls-experimentet.
- Ange exempelperiod. Så här ofta läses diagrammet och spelar in ström- och spänningsvärden. Använd 10,0 s i det här experimentet.
De andra inställningarna är inte viktiga för de data som presenteras här. Standardvärdena i systemet användes.
- Klicka på OK. Det övre verktygsfältet visar ett aktivt tecken, vilket indikerar att spänningen används. Strömmen bör ge ett måttligt svar (μA) och inte överbelasta potentiostat. Om ingen signal eller överdriven signal observeras kan systemet vara felaktigt ansluten och därför felsöka felet och upprepa tills den förväntade strömmen observeras.
- Gå tillbaka till steg 4.10 för att starta DLS SOP.
6. Dataanalys
Anmärkningar: I detta avsnitt detaljer preliminär analys för att förstå de uppgifter som erhållits.
- Importera data till önskad dataanalys och graferingsprogramvara.
- För varje körning inom en uppsättning mätningar vid en given temperatur, bestämma partikelvolymstorleken för toppen med den största volymprocenten.
- Beräkna den genomsnittliga och standardavvikelsen för volymstorleken över de tre registrerade mätningarna vid en given temperatur.
- För varje experiment, rita medelstorlek ± standardavvikelse på y-axeln (loggskala) jämfört med temperaturen på x-axeln (linjär skala).
- Importera Gamry aktuella data för analys. Rita aktuella data med tid på x-axeln och strömmen (i mikroamper) på y-axeln.
- För att relatera aktuella data till partikelstorleksdata jämför du tidsstämpeln för Zetasizer-data med Gamrys aktuella tidsstämpel. Detta är möjligt om de två typerna av data samlas in från samma dator. Annars matchar du inspelade tider så gott som möjligt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Realtidsfilutmatningen för varje körning i temperaturrampen presenteras som en tabell, som framgår av figur 3. Varje post kan väljas oberoende för att se volymstorleken (figur 4) och korrelationskoefficienten (figur 5). Volympartikelstorleksfördelning (PSD) är de mest exakta uppgifterna för att tolka den totala distributionen och LCST, men uppgifternas kvalitet bör bedömas via korrelationsdiagram(figur 5) för att avgöra om några punkter bör uteslutas från analysen. Korrelationsdiagram(figur 5) som har en allmänt jämn kurva anses vara god kvalitet, där icke-släta grafer eller data av låg kvalitet bör beaktas vid uteslutning i analysen. Kurvorna vid 24,5 °C har några stötar och mindre toppar i kurvorna, men detta kan hänföras till den snabba förändringen i polymeraggregering, och dessa data ingick därför. Detta bekräftar att DLS-data som samlats in i vårt modifierade system i närvaro av spänning är av likvärdig kvalitet som normala DLS-data.
Som framgår av figur 7 (röda linjer) uppvisade pNIPAM ett LCST vid 30 °C, en temperatur nära de litteraturbeskrivna värdena4. Utan spänning kunde pNIPAM aggregera och dela upp inom det testade temperaturområdet, återgå till sin ursprungliga storlek och indikerar förväntad reversibilitet. Med spänning (figur 7, svarta linjer) pNIPAM gick från att vara lösliga till aggregating till en storlek av 2000 nm, sedan reduceras till en storlek på cirka 1000 nm under kylning, aldrig återvänder till det ursprungliga lösliga tillståndet. Figur 8 visar aktuella data från pNIPAM med tillämpad spänning s- och värme- och kylexperiment motsvarande figur 7 (svarta linjer). Den vertikala röda linjen vid 26 °C är en viktig övergångspunkt för pNIPAM där en fasförändring observeras med DLS. Den vertikala linjen vid 40 °C visar den maximala temperaturen i vår mätning före kylcykeln.
Som framgår av figur 9 (röda linjer) uppvisade p(NIPAM- b-FMMA) polymeren som innehöll ett elektroaktivt FMMA-block ett LCST vid 33 °C. Utan spänning kunde p(NIPAM-b-FMMA) aggregera och dela upp, och återgå till sin ursprungliga storlek. Med spänning(figur 9, svarta linjer) skiftade LCST p(NIPAM-b-FMMA) till 28 °C. Återigen, med tillämpad spänning, p (NIPAM-b-FMMA) kunde inte dela upp och återgå till sin ursprungliga storlek under kylcykeln. Figur 10 visar aktuella data från p(NIPAM-b-FMMA) med tillämpad spänning s- och värme- och kylexperiment motsvarande figur 9 (svarta linjer). Den vertikala röda linjen vid 28 °C är strax över fasförändringen som observerats med DLS. Den vertikala linjen vid 40 °C är vid maximal temperatur i vår mätning före kylning.
Utvärdering av aktuella svarsdata från den tillämpade spänningen är avgörande för att förstå storlekssvaret. Om strömmen inte övervakas noggrant kommer data att misstolkas och eventuellt missförstås. I en provversion som visas i figur 11,spänningen skära in och ut till följd av oavsiktlig kortslutning. Som ett resultat av en kortslutning tillämpades spänningen endast slumpmässigt och sporadiskt, och detta resulterade i en trend som var mer lik no-voltage-tillståndet.
Figur 1: Engångs-DLS-cuvetter som modifierats genom att koppartejp tillsätts på sidorna för att möjliggöra angiven spänning. Koppartejpen sträcker sig till botten och lindas runt toppen för att säkerställa en bra anslutning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: En skärmbild av DLS SOP-inställning, inklusive sekvensuppsättning, storleksmätningsspecifikationer och trendinställningsprocedurer. Skärmen som visas här fungerar som en huvudsida där alla andra, mer specifika aspekter och delsidor av data kan observeras. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Exempel på registervy över datainsamling i Zetasizer-programvara. Dessa poster innehåller djupgående mätningar av faktorer som intensitet, volymstorlek, korrelationsdata och datakvalitet. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: Volympartikelstorleksfördelning (PSD) för en enda mätning vid 31 °C pNIPAM med 1 V av tillämpad spänning. Den här skärmen kan nås genom att välja önskad datapunkt som finns på fliken Postervy (figur 4) och ger detaljerad storleksinformation. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: Korrelationsdata för ett experiment med godtagbara, reproducerbara korrelationsfunktioner för varje temperatur i närvaro av tillämpad spänning. Korrelationsfunktionerna för tre upprepade körningar vid tre olika temperaturer ritas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: DLS-experimentinställningar med Gamry Potentiostat för att tillämpa konstant spänning på lösningen. Den här bilden visar kopplingsinställningarna och generalenheten för de kretsar som krävs för detta system. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: Tomt på pNIPAM partikelstorlek kontra temperatur. Svarta linjer = tillämpad spänning, röda linjer = ingen spänning, kvadratiska datapunkter = uppvärmningstrend, triangeldatapunkter = kylningstrend. Utan inkopplad spänning var LCST 30 °C under uppvärmning och 24 °C under kylning. Med tillämpad spänning var LCST 26 °C under uppvärmning och ingen uppdelning observerades under kylning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: Aktuella data från pNIPAM med uppvärmning och kylning. Den vertikala röda linjen vid 26 °C är den första platsen för pNIPAM där fasförändringen observeras i DLS-data(figur 7). Den vertikala linjen vid 40 °C visar vid vilken tidpunkt uppvärmningen var klar och kylningen inleddes. X-axeln anger tid sedan experimentets start, samt temperatur vid olika tidpunkter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: Partikelstorlek för p(NIPAM-b-FMMA) jämfört med temperaturen. Svarta linjer = tillämpad spänning, röda linjer = ingen spänning, kvadratiska datapunkter = uppvärmningstrend, triangeldatapunkter = kylningstrend. Utan inkopplad spänning var LCST 33 °C under uppvärmning och 28 °C under kylning. Med tillämpad spänning var LCST 28 °C under uppvärmning och ingen uppdelning observerades under kylning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 10: Aktuella data från p(NIPAM-b-FMMA) med uppvärmning och kylning. Den vertikala röda linjen vid 29 °C ligger strax ovanför LCST för p(NIPAM-b-FMMA) där fasförändringen observeras i DLS-data(figur 9). X-axeln anger tid sedan experimentets start, samt temperatur vid olika tidpunkter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 11: Dåligt ansluten krets som leder till fel i data i en pNIPAM-test. DLS-data, bilden till vänster, liknar data från försök utan spänning, vilket förklaras av en frånkopplad och ofullständig krets. Denna teori om en dåligt ansluten krets stöds av spridda aktuella data, bilden till höger. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Att tillämpa spänning på antingen pNIPAM eller p(NIPAM-b-FMMA) lösningar förändrade polymeraggregeringsbeteendet som svar på temperaturen. Med båda materialen, när det fanns en tillämpad spänning, förblev polymerernas volymstorlek hög även när lösningarna kyldes under deras LCST. Detta var ett oväntat resultat, eftersom försöken utan spänning visade polymererna återvänder till sina ursprungliga storlekar. Dessa experiment gör det möjligt för oss att dra slutsatsen att för vårt temperaturområde, och med en tillämpad spänning, polymer aggregering är inte helt reversibel, oavsett elektroaktiva monomerer läggas till pNIPAM.
Ett annat intressant resultat kan ses vid ytterligare inspektion av figur 9 och p (NIPAM-b-FMMA) LCST förändringar. Utan spänning är den maximala volymstorleken cirka 1000 nm och aggregering är reversibel. Men med tillämpad spänning är den stabila tätorten cirka 100 nm och icke-reversibel. Detta skulle tyda på ett nytt stabilt tätortertillstånd som bildas med tillämpad spänning jämfört med frånvaron av spänning.
Det aktuella svaret från den konstanta tillämpade spänningen kan också ge insikter i aggregering svar. Eftersom filerna är tidsstämplade kan strömmen med relativa temperaturförändringar matchas, även om det inte finns lika avstånd mellan temperatur och tid på grund av den automatiska optimeringen vid varje steg baserat på spridningsintensitet och denuation inställningar i DLS. Våra data indikerar de aktuella ökningarna med temperaturen och börjar sedan minska omedelbart efter att LCST har passerats. Tydliga trender är förknippade med den ungefärliga tiden för aggregering, som visar ett lågt motstånd i lösningen, vilket resulterar i mindre ström. Under kylning ökar strömmen, men ökar inte lika snabbt som det gjorde under uppvärmning. Aktuella data lägger till information och eventuell inblick i polymerbeteendet.
Metoden för att tillämpa en spänning på dynamiska ljusspridning partikelstorlek distribution mätningar var framgångsrik. Skillnader i polymeraggregering beteende i samband med partikel storlek fördelning mätningar observerades när en tillämpad spänning var närvarande under en temperatur ramp trend jämfört med no-spänning fallet. Det observerade beteendet var endast närvarande när både en tillämpad spänning och temperaturramp användes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar inga intressekonflikter.
Acknowledgments
Författarna vill erkänna det ekonomiska stödet från NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131) och Hamel Center for Grundutbildning vid UNH. Vidare skulle författarna vilja erkänna hjälp av Darcy Fournier för hjälp i kablage och Scott Greenwood för tillgång till 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).
