Summary
هنا ، يتم تقديم بروتوكول لتطبيق الجهد على الحل أثناء قياسات حجم الجسيمات المبعثرة للضوء الديناميكي بهدف استكشاف تأثير التغيرات في الجهد ودرجة الحرارة على تجميع البوليمر.
Abstract
تشتت الضوء الديناميكي (DLS) هو طريقة شائعة لتوصيف توزيع حجم البوليمرات والبروتينات والجسيمات النانوية والدقيقة الأخرى. تسمح الأجهزة الحديثة بقياس حجم الجسيمات كدالة للوقت و/ أو درجة الحرارة ، ولكن لا توجد حاليًا طريقة بسيطة لإجراء قياسات توزيع حجم الجسيمات DLS في وجود الجهد التطبيقي. وستكون القدرة على إجراء هذه القياسات مفيدة في تطوير البوليمرات النشطة بالكهرباء والمستجيبة للمحفزات لتطبيقات مثل الاستشعار والروبوتات الناعمة وتخزين الطاقة. هنا ، يتم تقديم تقنية تستخدم الجهد التطبيقي إلى جانب DLS ومنحدر درجة الحرارة لمراقبة التغيرات في التجميع وحجم الجسيمات في البوليمرات المتجاوبة حراريًا مع وبدون مونومرات نشطة كهربائيًا. وكانت التغييرات في سلوك التجميع التي لوحظت في هذه التجارب ممكنة فقط من خلال التطبيق المشترك للتحكم في الجهد ودرجة الحرارة. للحصول على هذه النتائج، تم توصيل potentiostat إلى كوفيت معدلة من أجل تطبيق الجهد على حل. تم رصد التغيرات في حجم الجسيمات البوليمر باستخدام DLS في وجود الجهد المستمر. وفي الوقت نفسه، تم إنتاج البيانات الحالية، والتي يمكن مقارنتها ببيانات حجم الجسيمات، لفهم العلاقة بين سلوك التيار وسلوك الجسيمات. البوليمر بولي(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) بمثابة البوليمر اختبار لهذه التقنية، واستجابة pNIPAM لدرجة الحرارة هو مدروسجيدا. التغيرات في درجة حرارة الحل أقل حرجة (LCST) سلوك التجميع pNIPAM وبولي(N-isopropylacrylamide)- كتلة -بولي (ferrocenylmethyl methacrylate)، لوحظ تو بوليميرليبل كتلة نشطة كهربائيا، في وجود الجهد التطبيقي. فهم الآليات الكامنة وراء هذه التغييرات سيكون من المهم عند محاولة تحقيق هياكل البوليمر عكسها في وجود الجهد التطبيقي.
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
تشتت الضوء الديناميكي (DLS) هو تقنية لتحديد حجم الجسيمات من خلال استخدام التغيرات العشوائية في كثافة الضوء المتناثرة من خلال الحل1. DLS قادرة على قياس تجميع البوليمرات من خلال تحديد حجم الجسيمات. لهذه التجربة، اقترن DLS مع التغيرات في درجة الحرارة التي تسيطر عليها لمراقبة عندما المجاميع البوليمر الذي يدل على تجاوز درجة حرارة الحل الحرجة أقل (LCST)2،3. تحت LCST، هناك مرحلة سائلة متجانسة واحدة. فوق LCST ، يصبح البوليمر أقل قابلية للذوبان ، والمجاميع ، ويتكثف من الحل. تم إدخال جهد مطبق (أي مجال محتمل أو كهربائي تطبيقي) عبر مجال التشتت لمراقبة آثار المجال الكهربائي على سلوك التجميع وLCST. تطبيق الجهد في قياسات تحجيم الجسيمات يسمح لرؤى جديدة في سلوك الجسيمات والتطبيقات اللاحقة في مجالات أجهزة الاستشعار، وتخزين الطاقة، ونظم تسليم المخدرات، والروبوتات الناعمة، وغيرها.
في هذا البروتوكول، تم استخدام اثنين من البوليمرات المثال. بولي(N-isopropylacrylamide), أو pNIPAM, هو البوليمر الحرارية الحساسة, الذي يحتوي على كل من مجموعة أميد المائية ومجموعة isopropyl مسعور على سلسلة الجزيئية الكلي 4,5. وقد استخدمت على نطاق واسع مواد البوليمر الحرارية الاستجابة مثل pNIPAM في إطلاق المخدرات الخاضعة للرقابة، والفصل البيوكيميائية، وأجهزة الاستشعار الكيميائية في السنوات الأخيرة3،4. قيمة الأدب LCST من pNIPAM حوالي 30-35 درجة مئوية4. pNIPAM عادة ليست نشطة كهربائيا. لذلك ، كبوليمر عينة ثانية تمت إضافة كتلة نشطة كهربائيًا إلى البوليمر. على وجه التحديد، تم استخدامferrocenylmethyl ميثاكريلات لإنشاء بولي (N-isopropylacrylamide)- كتلة -بولي (ferrocenylmethyl methacrylate) كتلة-copolymer، أو ف (NIPAM-ب-FMMA)6،7. تم تصنيع كل من البوليمرات المثال عن طريق البلمرة القابلة للتجزئة القابلة للعكس بسلسلة نقل البلمرة مع طول السلسلة الخاضعة للرقابة8،9،10. البوليمر غير النشطة الكهروكيميائية، pNIPAM، تم تصنيعها كما 100 مير نقية pNIPAM. البوليمر النشط كهربائيا، ف (NIPAM- ب-FMMA)، وكان أيضا 100 مير طول السلسلة، والذي يحتوي على 4٪ الميثاكريلات فيروسيلميثيل (FMMA) و 96٪ NIPAM.
في هذه المقالة ، يتم عرض بروتوكول ومنهجية لدراسة تأثير الجهد التطبيقي على تجميع البوليمر. ويمكن أيضا أن تمتد هذه الطريقة إلى تطبيقات أخرى من DLS، مثل تحليل البروتين للطي / تتكشف، والتفاعلات البروتين والبروتين، وتكتل الجسيمات المشحونة كهربائيا على سبيل المثال لا الحصر. تم تسخين العينة من 20 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية لتحديد LCST في غياب ووجود حقل تطبيقي 1 V. ثم تم تبريد العينة من 40 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية دون تعطيل الحقل المطبق لدراسة أي آثار هيستيرتيتيك أو توازن.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. مثال الاستعدادات البوليمر
- توليف البوليمر pNIPAM
ملاحظة: ينتج هذا الإعداد 10 مل من محلول 1 غرام/لتر، وهو ما يكفي لتجارب 3-4.- إعداد جهاز خط شلنك. تأكد من أن قارورة ديوار الباردة مليئة بالطين من الثلج الجاف والأسيتون ، أو إذا تم استخدام مصيدة تبريد ميكانيكية ، فتأكد من أن الفخ قد وصل إلى درجة حرارة مناسبة.
- في قارورة 50 مل في القاع، إضافة 0.566 غرام من N-isopropylacrylamide (NIPAM) مونومر, 0.016 ز من عكس سلسلة تجزئة سلسلة البلمرة (RAFT) عامل (phthalimidomethyl butyl trithiocarbonate), 0.0008 غرام من 2,2-azobis (2-ميثيل بروبروبيوتريل) (AIBN) و 10 مل من 1,4-dio وضع شريط اثارة في قارورة. ختم القارورة مع الحاجز المطاطي، والتفاف مع شريط الفينيل، وحل مونومرات في 1،4-الديوكسين.
- قم بإزالة الغازات من التجمد والمضخة على النحو التالي: قم بتجميد المحلول عن طريق غمر القارورة ذات القاع المستدير في قارورة ديوار تحتوي على ملاط من الثلج الجاف والميثانول. مرة واحدة يتم تجميد جميع المواد، واستخدام مشعب فراغ من خط Schlenk لإخلاء قارورة للضغط الداخلي تحت 100 كيلو باسكال. عزل قارورة، وتذوب تحت فراغ ثابت، وذلك باستخدام الماء الدافئ. أعد القارورة إلى الضغط الجوي باستخدام مشعب النيتروجين لخط شلينك.
- كرر الخطوة 1.1.3 ثلاث مرات لتقليل تركيز الأكسجين الداخلي.
- Sparge الحل مع النيتروجين لتحقيق التوازن بين الضغط على الغلاف الجوي. سخني الخليط إلى 85 درجة مئوية باستخدام حمام زيتي وحركيه عند 200 دورة في الدقيقة لمدة 36 ساعة.
- إلى كوب 50 مل، أضف 40 مل من الهكسان. ثم يضاف خليط البوليمر إلى الهكسان dropwise. وينبغي أن pNIPAM عجل بها كما floccule الأبيض.
ملاحظة: NIPAM مونومر قابل للذوبان في الهكسان، ولكن pNIPAM لديه ذوبان الفقراء في الهكسان. - صب الخليط غائم في قمع بوشنر لجمع مسحوق pNIPAM الأبيض. نقل مسحوق إلى قارورة 20 مل ووضعها في فرن فراغ بين عشية وضحاها لإزالة بقايا المذيبات. تخزينها في حاوية مختومة في درجة حرارة الغرفة حتى الحاجة.
- pNIPAM-كتلة-بولي(ferrocenylmethyl methacrylate) كتلة copolymer (p (NIPAM- ب-FMMA)) توليف
ملاحظة: ينتج هذا الإعداد 10 مل من محلول 1 غرام/لتر، وهو ما يكفي لتجارب 3-4.- إعداد جهاز خط شلنك. تأكد من أن قارورة ديوار الباردة مليئة بالطين من الثلج الجاف والأسيتون ، أو إذا تم استخدام مصيدة تبريد ميكانيكية ، فتأكد من أن الفخ قد وصل إلى درجة حرارة مناسبة.
- في قارورة قاع دائرية 50 مل، أضف 0.057 غرام من مونومر الميثاكريلات (FMMA)، 0.016 غرام من عامل RAFT، 0.0008 غرام من AIBN و 10 مل من 1،4-ديوكسان. وضع شريط اثارة في قارورة. ختم القارورة مع الحاجز المطاطي، والتفاف مع شريط الفينيل، وحل مونومرات في 1،4-الديوكسين.
- قم بإزالة الغازات من التجمد والمضخة على النحو التالي: قم بتجميد المحلول عن طريق غمر القارورة ذات القاع المستدير في قارورة ديوار تحتوي على ملاط من الثلج الجاف والميثانول. مرة واحدة يتم تجميد جميع المواد، واستخدام مشعب فراغ من خط Schlenk لإخلاء قارورة للضغط الداخلي تحت 100 كيلو باسكال. عزل قارورة، وتذوب تحت فراغ ثابت، وذلك باستخدام الماء الدافئ. أعد القارورة إلى الضغط الجوي باستخدام مشعب النيتروجين لخط شلينك.
- كرر الخطوة 1.2.3 ثلاث مرات لتقليل تركيز الأكسجين الداخلي.
- Sparge الحل مع النيتروجين لتحقيق التوازن بين الضغط على الغلاف الجوي. سخني الخليط إلى 85 درجة مئوية باستخدام حمام زيتي وحركيه لمدة 10 ساعة.
- حل 0.543 غرام من NIPAM و 0.0002 غرام من AIBN إلى 3 مل من 1,4-الديوكسين. يضاف المحلول إلى القارورة تحت النيتروجين وsparge لمدة 30 دقيقة. سخني الخليط إلى 85 درجة مئوية باستخدام حمام زيتي وحركيه عند 200 دورة في الدقيقة لمدة 36 ساعة أخرى.
- أضف 40 مل من الهكسان إلى كوب 50 مل. ثم يضاف خليط البوليمر إلى الهكسان dropwise. p (NIPAM-b-FMMA) يجب أن تترسب كمسحوق بني لأن مونومر FMMA له لون أصفر داكن.
ملاحظة: مونومرات NIPAM و FMMA قابلة للذوبان في الهكسان، ولكن p (NIPAM-b-FMMA) لديها ضعف الذوبان في الهكسان. - صب الخليط الأصفر غائم في قمع بوشنر لجمع البني ف (NIPAM-ب- FMMA) مسحوق. نقل مسحوق إلى قارورة 20 مل ووضعها في فرن فراغ بين عشية وضحاها لإزالة بقايا المذيبات. تخزينها في حاوية مختومة في درجة حرارة الغرفة حتى الحاجة.
2. DLS عينة وإعداد cuvette
ملاحظة: يعد هذا القسم الكوفيت للجهد المطبق والعينة لقياسات DLS.
- قياس 10 ملغ من مسحوق البوليمر وتذوب في 10 مل من المياه المصفاة deionized (DI). ضعي الخليط في ثلاجة بين عشية وضحاها. عندما تكون مستعدًا لبدء التجربة، احتفظ بالعينة على الجليد.
ملاحظة: كان تركيز البوليمر المستخدم في هذه التجارب 1 غرام/لتر، ولكن النطاق الأمثل للتركيزات لكل عينة سيكون فريداً من نوعه. أيضا، أفضل الممارسات هو الحفاظ على البوليمر تحت LCST حتى يصبح جاهزا للاختبار. - قطع قطعتين من 6.3 ملم × 7 سم شريط نحاسي من جانب واحد(الشكل 1). استخدام ملاقط لعصا كل قطعة إلى الجانبين المعاكس من داخل cuvette عينة DLS، عمودي على مسار الضوء. يجب أن يصل الجزء السفلي من الشريط بالقرب من الجزء السفلي من الكوفيت. أضعاف حواف الشريط النحاس على الجزء العلوي من الكوفيت. تأكد من الشريط النحاس بالقرب من / ملفوفة على الجزء العلوي من cuvette عينة لضمان الاتصال الكهربائي جيدة. تأكد أيضًا من أن الشريط النحاسي لا يتصل بجهات الاتصال المعدنية المرتبطة بمعدات DLS المستخدمة في القياسات المحتملة لزيتا.
- غسل الكوفيت مع المياه DI ثلاث مرات، ثم الداب المياه الزائدة قبالة مع Kimwipe.
3. ضوابط أداة DLS واقامة
ملاحظة: يوصى بثلاثة عناصر تحكم لإكمالقبل تشغيل كل تجربة DLS: (1) محلول مياه فارغ; (2) معيار حجم؛ (3) قياس البوليمر قبل بداية منحدر درجة الحرارة أو الجهد التطبيقي. يرجى الاطلاع على دليل الأداة قبل التشغيل للحصول على إرشادات حول إعداد عينة واختيار الإعدادات وتقييم جودة العينة والبيانات.
- نقل 1.5 مل من المذيبات المصفاة إلى الكوفيت. استخدام مياه DI.
- إدراج كوفيت إلى حامل كوفيت, ضمان السهم الصغير على الجزء العلوي من cuvette هو الانحياز مع حامل كوفيت. أغلق الغطاء.
- ضمن برنامج Zetasizer، حدد قياس على شريط الأدوات. تم إعداد القياسات اليدوية لعناصر التحكم. تعيين درجة الحرارة إلى نقطة البداية التجريبية. حدد 20 درجة مئوية لهذه التجربة.
- مرة واحدة في النص في الجزء السفلي من النافذة يقول، إدراج خلية واضغط على بدء عندما تكون جاهزة،اضغط على زر بدء المثلث الأخضر في الجزء العلوي من الشاشة. هذا يبدأ التجربة، وينبغي عدم فتح حامل كوفيت بعد هذا.
- انقر على علامة التبويب متعددة العرض لمراقبة النتائج في الوقت الحقيقي. مراقبة العينة وجودة البيانات بشكل مستمر من خلال مراقبة معدل العد ووظيفة الارتباط. لأن هذه العينة مذيبة فقط ، لا ينبغي ملاحظة أي إشارة واضحة تقابل وجود الجسيمات.
- إضافة قطرتين من حل قياسي إلى cuvette أو مجرد استخدام التحكم في المياه، وكرر الخطوات 3.2-3.6. استخدم معيار حجم البوليسترين القابل للتتبع من 20 نانومتر من NIST لهذه التجربة.
ملاحظة: إذا تم تشغيل التحكم في الماء أو الحل القياسي إظهار البيانات التي لا تناسق مع النتائج المتوقعة، استكشاف الأخطاء وإصلاحها وتكرار حتى قراءة عناصر التحكم كما هو متوقع. - شطف الكوفيت وإضافة البوليمر تصفية / حل الاختبار. كرر الخطوات 3.2-3.5. وينبغي ملاحظة قياس واضح لمحلول الاختبار الأولي. من المستحسن القيام بذلك قبل أي منحدر درجة الحرارة أو الجهد المطبق لقياس خط الأساس.
4. DLS SOP إعداد
ملاحظة: يشير هذا القسم على وجه التحديد إلى عملية رفع درجة الحرارة لأداة Malvern Zetasizer NanoZS DLS. قبل بدء التجارب ، يوصى بشدة بالرجوع إلى دليل الأداة على نطاق واسع للحصول على إرشادات حول اختيار الخلية ، وإعداد عينة ، واختيار إعدادات القياس ، وتقييم جودة العينة والبيانات.
- ضمن برنامج Zetasizer (الإصدار 7.11) ، اختر ملف، ثم انقر فوق جديد لإعداد SOP جديد(الشكل 2).
- انقر فوق نوع القياس لتحديد الاتجاه > درجة الحرارة > الحجم.
- في المواد،واختيار المواد المناسبة ومؤشر الانكسار. اختر البروتين ومؤشر الانكسار (RI) من 1.450 لهذه التجربة. إذا كانت القيم الدقيقة لمؤشر الانكسار مطلوبة لحساب أكثر دقة لتوزيع الحجم، يجب على المجرب تحديد مؤشر الانكسار لعيّنة العينة الخاصة به تجريبيًا.
- في Dispersant، اختر المذيبات المناسبة. اختر الماء كمذيب في هذه التجربة.
- في الخلية، اختر الكوفيت المستخدمة. استخدم الكوفيتات التي يمكن التخلص منها (DTS0012) لهذه التجربة.
- في التسلسل، تعيين درجة الحرارة بداية ودرجة الحرارة نهاية. لتجارب التدفئة، تعيين درجة حرارة البدء في 20 درجة مئوية وتعيين درجة الحرارة نهاية 40 درجة مئوية. لتجارب التبريد، اختر العكس. إلغاء تحديد "العودة إلى مربع درجة الحرارة" للبدء.
- حدد فاصلًا زمنيًا لكل تغيير في خطوة درجة الحرارة. لهذه التجارب، حدد 1.5 درجة مئوية.
- في قياس الحجم، قم بتعيين وقت المعادلة. لهذه التجارب، تعيين المدة إلى 120 s. اختيار عدد من القياسات. اختر 3 قياسات وتلقائية لمدة القياس.
- حفظ الإجراء التشغيلي الموحد، ثم إغلاق الملف.
- إذا كان الجهد المطبق هو أن تستخدم، وإعداد potentiostat(القسم 5)قبل المتابعة.
- بمجرد إعداد الـ potentiostat ، أو إذا لم يتم استخدام الجهد المطبق ، ارجع إلى برنامج Zetasizer وانقر فوق Measure على شريط الأدوات ، ثم انقر فوق بدء الإجراء التشغيلي الموحد.
- مرة واحدة في النص في الجزء السفلي من نافذة SOP يقول، إدراج خلية واضغط على بدء عندما تكون جاهزة،اضغط على زر بدء المثلث الأخضر في الجزء العلوي من الشاشة. هذا يبدأ التجربة، وينبغي عدم فتح حامل كوفيت بعد هذا.
- انقر على علامة التبويب متعددة العرض لمراقبة النتائج في الوقت الحقيقي. مراقبة العينة وجودة البيانات بشكل مستمر من خلال مراقبة معدل العد ووظيفة الارتباط. انظر الأرقام 3-5 للحصول على نتائج تجريبية تمثيلية.
5. إعداد Potentiostat
ملاحظة: من المستحسن استخدام نفس الكمبيوتر لحجم الجسيمات وعمليات الجهد المطبق لمزامنة البيانات الوقت وبالتالي تسهيل التقييم في وقت لاحق. يرجى الرجوع إلى أدلة أداة الجهد التطبيقية للحصول على إرشادات حول إعداد الأسلاك واستشارة البرامج واختيار المعلمات المناسبة. تم استخدام قوة Gamry في هذه التجارب.
- إعداد اثنين من الأسلاك التي هي رقيقة بما يكفي لتناسب من خلال شق صغير على الحافة اليمنى العليا من منطقة حامل كفيت DLS(الشكل 6). على طرف واحد من السلك المعدة، والشريط قبالة العزل للسماح للاتصال إلى potentiostat. على الطرف الآخر، لحام المشبك التمساح قصيرة إلى السلك والاتصال إلى كوفيت. تأكد من إغلاق غطاء عينة DLS.
- المشبك يؤدي القوية المرجعية البيضاء وقوية مضادة حمراء تؤدي معا إلى واحد من الأسلاك المعدة. المشبك الأخضر العمل يؤدي potentiostat والشعور بالعمل الأزرق potentiostat يؤدي إلى الأسلاك الأخرى المعدة. لهذه التجربة، لا تستخدم الشعور عداد البرتقال وأدلة قوية الأرض السوداء وتركها عائمة. لضمان الدائرة لا قصيرة، يجب أن لا تلمس هذه الأسلاك أي سطح الرصاص أو موصل أخرى.
ملاحظة: لا يهم أي جانب يتصل به كل عميل متوقع. - داخل شريط أدوات البرنامج ، انقر فوق التجربة، ثم انقر فوق الخيار E الكيمياء الكهربائية الفيزيائية، وحدد Chronoamperometry. لأغراض هذا البروتوكول، استخدم جهدًا بسيطًا تطبيقًا من خلال تطبيق جهد كهربائي واحد مع الاستجابة الحالية مقاسة بمرور الوقت (أي قياس الكرونواميوم). بغض النظر عن المنهجية الكهروكيميائية المحددة ، فمن المستحسن لمراقبة استجابة النظام مع مرور الوقت.
- تعيين ما قبل الخطوة، الخطوة 1، والخطوة 2 الجهد مقابل المرجع. وسيكون هذا الجهد المطبق عبر الحقل بأكمله / cuvette. تعيين الجهد إلى 1 V مقابل مرجع لجميع الخطوات الثلاث.
- تعيين وقت تأخير ما قبل الخطوة. لهذه التجارب، تعيين إلى 0.5 s للتأكد من أن النظام مستقر في الجهد المطلوب قبل تسجيل إشارة.
- تعيين الوقت لكل من الخطوة 1 الوقت والخطوة 2 الوقت. يتحكم هذا في المدة التي سيتم فيها تطبيق الجهد. تعيين كل من 14400 ق للتأكد من الجهد المطبق سوف تستمر طوال تجربة DLS.
- تعيين فترة العينة. هذا هو عدد المرات التي سيقرأ الرسم البياني ويسجل القيم الحالية والجهد. استخدم 10.0 s في هذه التجربة.
ملاحظة: الإعدادات الأخرى ليست هامة للبيانات المعروضة هنا. تم استخدام القيم الافتراضية في النظام.
- انقر فوق موافق. سيعرض شريط الأدوات العلوي علامة نشطة، مما يشير إلى أنه يتم تطبيق الجهد. يجب أن يعطي التيار استجابة معتدلة (μA) ، وليس إثقال كاهل القوية. إذا لم يتم ملاحظة أي إشارة أو إشارة مفرطة، قد يكون النظام متصلاً بشكل غير صحيح، وبالتالي، استكشاف الأخطاء وإصلاحها وتكرار حتى يتم ملاحظة التيار المتوقع.
- العودة إلى الخطوة 4.10 لبدء الإجراء التشغيلي الموحد DLS.
6 - تحليل البيانات
ملاحظة: يفصّل هذا القسم التحليل الأولي لفهم البيانات التي تم الحصول عليها.
- استيراد البيانات إلى تحليل البيانات المفضلة وبرامج الرسوم البيانية.
- لكل تشغيل ضمن مجموعة من القياسات في درجة حرارة معينة، تحديد حجم الجسيمات حجم الذروة مع أكبر نسبة حجم.
- حساب متوسط والانحراف المعياري لحجم الصوت على القياسات المسجلة الثلاثة في درجة حرارة معينة.
- لكل تجربة، رسم متوسط الحجم ± الانحراف المعياري على المحور ص (مقياس السجل) مقابل درجة الحرارة على المحور س (مقياس خطي).
- استيراد بيانات Gamry الحالية للتحليل. رسم البيانات الحالية مع الوقت على المحور س والحالية (في microamps) على المحور ص.
- من أجل ربط البيانات الحالية ببيانات حجم الجسيمات، قارن الطابع الزمني لبيانات زيتازيزر بالطابع الزمني الحالي لـ Gamry. هذا ممكن إذا تم جمع نوعي البيانات من نفس الكمبيوتر. وإلا، تطابق الأوقات المسجلة على أفضل وجه ممكن.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
يتم تقديم إخراج الملف في الوقت الحقيقي لكل تشغيل في منحدر درجة الحرارة كجدول ، كما رأينا في الشكل 3. يمكن اختيار كل سجل بشكل مستقل لمعرفة حجم الصوت(الشكل 4)ومعامل الارتباط(الشكل 5). توزيع حجم الجسيمات (PSD) هو البيانات الأكثر دقة لتفسير التوزيع العام وLCST ، ولكن يجب تقييم جودة البيانات عن طريق الرسم البياني للارتباط(الشكل 5)لتحديد ما إذا كان يجب استبعاد أي نقاط من التحليل. الرسوم البيانية الارتباط(الشكل 5)التي لها منحنى سلس عموما تعتبر ذات نوعية جيدة، حيث الرسوم البيانية غير السلس أو البيانات ذات الجودة المنخفضة ينبغي النظر في الاستبعاد في التحليل. المنحنيات عند 24.5 درجة مئوية لديها بعض المطبات والقمم الطفيفة في المنحنيات، ولكن هذا يمكن أن يعزى إلى التغير السريع في تجميع البوليمر، وبالتالي تم تضمين هذه البيانات. وهذا يؤكد أن بيانات DLS التي تم جمعها في نظامنا المعدل في وجود الجهد هي ذات جودة مكافئة لبيانات DLS العادية.
كما رأينا في الشكل 7 (الخطوط الحمراء) ، عرضت pNIPAM LCST عند 30 درجة مئوية ، وهي درجة حرارة قريبة من القيم الموصوفة بالأدب4. وبدون الجهد، تمكنت pNIPAM من تجميع وتصنيفها ضمن نطاق درجة الحرارة المختبر، والعودة إلى حجمها الأصلي والإشارة إلى إمكانية الرجوع المتوقعة. مع الجهد(الشكل 7، خطوط سوداء) pNIPAM ذهب من كونها قابلة للذوبان لتجميع لحجم 2000 نانومتر ، ثم يجري تخفيضها إلى حجم حوالي 1000 نانومتر أثناء التبريد ، والعودة أبدا إلى حالة قابلة للذوبان الأصلي. ويبين الشكل 8 البيانات الحالية المستمدة من pNIPAM مع الجهد المطبق وتجارب التدفئة والتبريد المقابلة للشكل 7 (الخطوط السوداء). الخط الأحمر الرأسي عند 26 درجة مئوية هو نقطة انتقالية رئيسية لpNIPAM حيث يتم ملاحظة تغيير المرحلة مع DLS. الخط العمودي عند 40 درجة مئوية يظهر درجة الحرارة القصوى في قياسنا قبل دورة التبريد.
كما رأينا في الشكل 9 (الخطوط الحمراء) ، p (NIPAM -b- FMMA) البوليمر الذي يحتوي على كتلة FMMA النشطة كهربائيا عرضت LCST في 33 درجة مئوية. دون الجهد، ف (NIPAM- ب-FMMA) كان قادرا على تجميع وتصنيف، والعودة إلى حجمها الأصلي. مع الجهد(الشكل 9، خطوط سوداء) ، وLCST من ف (NIPAM -ب- FMMA) تحولت إلى 28 درجة مئوية. مرة أخرى ، مع الجهد التطبيقي ، لم يتمكن p (NIPAM -b- FMMA) من تصنيف والعودة إلى حجمه الأصلي خلال دورة التبريد. ويبين الشكل 10 البيانات الحالية من p (NIPAM- b-FMMA) مع الجهد التطبيقي وتجارب التدفئة والتبريد المقابلة للشكل 9 (الخطوط السوداء). الخط الأحمر العمودي عند 28 درجة مئوية هو فوق تغيير المرحلة لوحظ مع DLS. الخط الرأسي عند 40 درجة مئوية هو في درجة الحرارة القصوى في قياسنا قبل التبريد.
تقييم بيانات الاستجابة الحالية من الجهد المطبق أمر بالغ الأهمية لفهم استجابة الحجم. إذا لم يتم رصد التيار بعناية، سيتم فهم البيانات بشكل خاطئ ومن المحتمل أن يساء فهمها. في محاكمة واحدة معروضة في الشكل 11، وقطع الجهد في والخروج نتيجة للدوائر القصيرة العرضية. نتيجة لقصر الدائرة ، تم تطبيق الجهد فقط بشكل عشوائي ومتقطع ، وأدى ذلك إلى اتجاه أكثر تشابهًا لحالة عدم الجهد.
الشكل 1: تم تعديل البوات DLS القابل للتصرف عن طريق إضافة شريط نحاسي إلى الجانبين للسماح بالجهد المطبق. يمتد الشريط النحاسي إلى الأسفل ويتم لفها حول الأعلى لضمان اتصال جيد. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: لقطة شاشة لإعداد DLS SOP، بما في ذلك إعداد التسلسل ومواصفات قياس الحجم وإجراءات إعداد الاتجاه. تعمل الشاشة المصورة هنا كصفحة رئيسية حيث يمكن ملاحظة جميع الجوانب والصفحات الفرعية الأخرى الأكثر تحديدًا للبيانات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: مثال على عرض السجل لجمع البيانات في برنامج زيتازيزر. تحتوي هذه السجلات على قياسات متعمقة لعوامل مثل الكثافة وحجم الحجم وبيانات الارتباط وجودة البيانات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: توزيع حجم الجسيمات الحجم (PSD) لقياس واحد عند 31 درجة مئوية من pNIPAM مع 1 V من الجهد التطبيقي. يمكن الوصول إلى هذه الشاشة عن طريق تحديد نقطة البيانات المطلوبة الموجودة في علامة التبويب عرض السجلات(الشكل 4)وتوفر معلومات تفصيلية عن التحجيم. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: بيانات الارتباط لتجربة مع وظائف ارتباط مقبولة وقابلة للتكرار لكل درجة حرارة في وجود الجهد التطبيقي. يتم رسم وظائف الارتباط من ثلاثة أشواط متكررة في ثلاث درجات حرارة مختلفة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 6: إعداد تجربة DLS باستخدام Gamry Potentiostat لتطبيق الجهد المستمر على الحل. تصور هذه الصورة إعداد الأسلاك والجمعية العامة للدوائر المطلوبة لهذا النظام. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 7: قطعة من حجم الجسيمات pNIPAM مقابل درجة الحرارة. خطوط سوداء = الجهد المطبق، الخطوط الحمراء = لا الجهد، ونقاط البيانات المربعة = اتجاه التدفئة، مثلث نقاط البيانات = اتجاه التبريد. دون الجهد المطبق، كان LCST 30 درجة مئوية أثناء التدفئة و 24 درجة مئوية أثناء التبريد. مع الجهد التطبيقي ، كان LCST 26 درجة مئوية أثناء التدفئة ولم يلاحظ أي تصنيف أثناء التبريد. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 8: البيانات الحالية من pNIPAM مع التدفئة والتبريد. الخط الأحمر الرأسي عند 26 درجة مئوية هو LCST pNIPAM حيث يتم ملاحظة تغيير المرحلة في بيانات DLS(الشكل 7). ويبين الخط الرأسي عند درجة حرارة 40 درجة مئوية الوقت الذي اكتملت فيه التدفئة وبدأ التبريد. المحور س يشير إلى الوقت منذ بدء التجربة، فضلا عن درجة الحرارة في نقاط زمنية مختلفة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 9: مؤامرة من ف (NIPAM-ب-FMMA) حجم الجسيمات مقابل درجة الحرارة. خطوط سوداء = الجهد المطبق، الخطوط الحمراء = لا الجهد، ونقاط البيانات المربعة = اتجاه التدفئة، مثلث نقاط البيانات = اتجاه التبريد. دون الجهد المطبق، كان LCST 33 درجة مئوية أثناء التدفئة و 28 درجة مئوية أثناء التبريد. مع الجهد التطبيقي ، كان LCST 28 درجة مئوية أثناء التدفئة ولم يلاحظ أي تصنيف أثناء التبريد. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 10: البيانات الحالية من p(NIPAM- b-FMMA) مع التدفئة والتبريد. الخط الأحمر الرأسي عند 29 درجة مئوية هو فوق LCST p (NIPAM- b-FMMA) حيث يتم ملاحظة تغيير المرحلة في بيانات DLS(الشكل 9). المحور س يشير إلى الوقت منذ بدء التجربة، فضلا عن درجة الحرارة في نقاط زمنية مختلفة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 11: دائرة متصلة بشكل سيئ مما يؤدي إلى خطأ في البيانات في تجربة pNIPAM. بيانات DLS، في الصورة إلى اليسار، تشبه البيانات من التجارب بدون جهد، وهو ما يفسر هُنا بدائرة منفصلة وغير مكتملة. ويدعم هذه النظرية من دائرة سيئة الاتصال من قبل البيانات الحالية المتناثرة، في الصورة الحق. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
أدى تطبيق الجهد على حلول pNIPAMأو p (NIPAM-b-FMMA) إلى تغيير سلوك تجميع البوليمر استجابة لدرجة الحرارة. مع كل من المواد، عندما كان الجهد المطبق ة موجودة، وظل حجم البوليمرات 'حجم عالية حتى عندما تم تبريد الحلول تحت LCST بهم. وكانت هذه نتيجة غير متوقعة، حيث أظهرت التجارب مع عدم وجود الجهد البوليمرات العودة إلى أحجامها الأصلية. تسمح لنا هذه التجارب باستنتاج أنه بالنسبة لنطاق درجة الحرارة لدينا ، ومع الجهد المطبق ، فإن تجميع البوليمر لا يمكن عكسه تمامًا ، بغض النظر عن مونومرات النشطة بالكهرباء المضافة إلى pNIPAM.
ويمكن رؤية نتيجة أخرى مثيرة للاهتمام عند مزيد من التفتيش على الشكل 9 وp (NIPAM -ب- FMMA) LCST التغييرات. بدون الجهد ، يبلغ الحد الأقصى لحجم الصوت حوالي 1000 نانومتر ، والتجميع قابل للعكس. ومع ذلك ، مع الجهد التطبيقي ، فإن التكتل المستقر هو ما يقرب من 100 نانومتر وغير قابلة للعكس. وهذا يشير إلى حالة تجمع مستقرة جديدة تشكلت مع الجهد التطبيقي مقارنة مع عدم وجود الجهد.
قد توفر الاستجابة الحالية من الجهد المطبق المستمر أيضًا رؤى حول استجابة التجميع. نظرًا لأن الملفات مختومة بالوقت ، يمكن مطابقة التيار مع التغيرات النسبية في درجة الحرارة ، على الرغم من عدم وجود تباعد متساوٍ بين درجة الحرارة والوقت بسبب التحسين التلقائي في كل خطوة استنادًا إلى كثافة التشتت والتوهين الإعدادات في DLS. تشير بياناتنا إلى الزيادات الحالية مع درجة الحرارة ، ثم تبدأ في الانخفاض مباشرة بعد تمرير LCST. ترتبط الاتجاهات الواضحة بالوقت التقريبي للتجميع ، مما يظهر مقاومة منخفضة في الحل ، مما يؤدي إلى أقل حداثة. أثناء التبريد ، يزيد التيار ، ولكن لا يزيد بالسرعة التي كانت عليه أثناء التدفئة. البيانات الحالية تضيف معلومات ونظرة ثاقبة ممكنة في سلوك البوليمر.
وكانت منهجية تطبيق الجهد على الضوء الديناميكي المبعثر قياسات توزيع حجم الجسيمات ناجحة. ولوحظت اختلافات في سلوك تجميع البوليمر المرتبط بقياسات توزيع حجم الجسيمات عندما كان الجهد المطبق موجوداً أثناء اتجاه منحدر درجة الحرارة مقارنة بعلبة عدم الجهد. كان السلوك الملاحظة موجودًا فقط عندما تم استخدام كل من الجهد التطبيقي ومنحدر درجة الحرارة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ولا يعلن صاحبا البلاغ أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
يود المؤلفون الاعتراف بالدعم المالي من NSF (CBET 1638893) و (CBET 1638896) وNIH (P20 GM113131) ومركز هامل للأبحاث الجامعية في UNH. وعلاوة على ذلك، يود صاحبا البلاغ أن يعترفا بالمساعدة التي تقدمها دارسي فورنييه للمساعدة في الكابلات وسكوت غرينوود للوصول إلى نظام الكابلات.
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).
