Summary
Hier wird ein Protokoll zur Anwendung von Spannung auf die Lösung bei dynamischen Lichtstreuungspartikelgrößenmessungen vorgestellt, mit der Absicht, die Auswirkungen von Spannungs- und Temperaturänderungen auf die Polymeraggregation zu untersuchen.
Abstract
Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine gängige Methode zur Charakterisierung der Größenverteilung von Polymeren, Proteinen und anderen Nano- und Mikropartikeln. Moderne Instrumentierung ermöglicht die Messung der Partikelgröße in Abhängigkeit von Zeit und/oder Temperatur, aber derzeit gibt es keine einfache Methode für die Durchführung von DLS-Partikelgrößenverteilungsmessungen in Gegenwart von angelegter Spannung. Die Möglichkeit, solche Messungen durchzuführen, wäre bei der Entwicklung von elektroaktiven, reizempfindlichen Polymeren für Anwendungen wie Sensorik, Softrobotik und Energiespeicherung nützlich. Hier wird eine Technik mit angelegter Spannung gekoppelt mit DLS und einer Temperaturrampe zur Beobachtung von Veränderungen der Aggregation und Partikelgröße in thermoresponsiven Polymeren mit und ohne elektroaktive Monomere vorgestellt. Die in diesen Experimenten beobachteten Veränderungen des Aggregationsverhaltens waren nur durch die kombinierte Anwendung von Spannungs- und Temperaturregelung möglich. Um diese Ergebnisse zu erhalten, wurde ein Potentiostat an eine modifizierte Küvette angeschlossen, um Spannung auf eine Lösung anzuwenden. Veränderungen der Polymerpartikelgröße wurden mit DLS in Gegenwart konstanter Spannung überwacht. Gleichzeitig wurden aktuelle Daten erstellt, die mit Partikelgrößendaten verglichen werden konnten, um die Beziehung zwischen Strom- und Partikelverhalten zu verstehen. Das Polymerpoly(N-Isopropylacrylamid) (pNIPAM) diente als Testpolymer für diese Technik, da die Reaktion von pNIPAM auf die Temperatur gut untersucht ist. Veränderungen im aggregationsverhalten der niedrigeren kritischen Lösungstemperatur (LCST) von pNIPAM und Poly(N-Isopropylacrylamid)-Block-poly(Ferrocenylmethylmethacrylat), einem elektrochemisch aktiven Block-Copolymer, in Gegenwart von angelegter Spannung werden beobachtet. Das Verständnis der Mechanismen hinter solchen Veränderungen wird wichtig sein, wenn man versucht, reversible Polymerstrukturen in Gegenwart von angelegter Spannung zu erreichen.
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
Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine Technik zur Bestimmung der Partikelgröße durch die Verwendung zufälliger Veränderungen in der Intensität des Lichts, das durch Lösung1gestreut wird. DLS ist in der Lage, die Aggregation von Polymeren durch Die Bestimmung der Partikelgröße zu messen. Für dieses Experiment wurde DLS mit kontrollierten Temperaturänderungen gekoppelt, um zu beobachten, wann ein Polymer Aggregate, die auf eine Überschreitung der niedrigeren kritischen Lösungstemperatur (LCST)2,3hindeuten. Unterhalb des LCST gibt es eine homogene Flüssigphase; über dem LCST wird das Polymer weniger löslich, aggregiert und kondensiert aus lösungsaus. Eine angelegte Spannung (d. h. angelegtes Potential oder elektrisches Feld) wurde über das Streufeld eingeführt, um die Auswirkungen des elektrischen Feldes auf Aggregationsverhalten und LCST zu beobachten. Die Anwendung von Spannung in Partikelgrößenmessungen ermöglicht neue Einblicke in das Partikelverhalten und nachfolgende Anwendungen in den Bereichen Sensoren, Energiespeicherung, Arzneimittelabgabesysteme, Softrobotik und andere.
In diesem Protokoll wurden zwei Beispielpolymere verwendet. Poly(N-Isopropylacrylamid) oder pNIPAM ist ein thermisch empfindliches Polymer, das sowohl eine hydrophile Amidgruppe als auch eine hydrophobe Isopropylgruppe auf der makromolekularen Kette4,5enthält. Thermisch-responsive Polymermaterialien wie pNIPAM wurden in den letzten Jahren häufig in kontrollierter Wirkstofffreisetzung, biochemischer Trennung und chemischen Sensoren eingesetzt3,4. Der LCST-Literaturwert von pNIPAM liegt bei 30-35 °C4. pNIPAM ist in der Regel nicht elektrochemisch aktiv. Daher wurde dem Polymer als zweites Probenpolymer ein elektrochemisch-aktiver Block zugesetzt. Insbesondere wurde Ferrocenylmethylmethacrylat verwendet, um ein Poly(N-isopropylacrylamid)-Block-poly(ferrocenylmethyl methacrylat) Block-Copolymer oder p(NIPAM-b-FMMA)6,7zu erstellen. Beide Beispielpolymere wurden durch reversible Additionsfragmentierung Kettentransferpolymerisation mit kontrollierter Kettenlänge8,9,10synthetisiert. Das nichtelektrochemisch aktive Polymer pNIPAM wurde als 100-mer-reines pNIPAM synthetisiert. Das elektrochemisch aktive Polymer p(NIPAM-b-FMMA) war ebenfalls 100 mer Kettenlänge, die 4% Ferrocenylmethylmethacrylat (FMMA) und 96% NIPAM enthält.
In diesem Artikel wird ein Protokoll und eine Methodik zur Untersuchung der Auswirkungen der angelegten Spannung auf die Polymeraggregation demonstriert. Diese Methode könnte auch auf andere Anwendungen von DLS ausgedehnt werden, wie die Analyse von Proteinfaltung/-Entfaltung, Protein-Protein-Wechselwirkungen und Agglomeration von elektrostatisch geladenen Partikeln, um nur einige zu nennen. Die Probe wurde von 20 °C auf 40 °C erhitzt, um die LCST in Abwesenheit und Vorhandensein eines 1 V angewendeten Feldes zu identifizieren. Anschließend wurde die Probe von 40 °C auf 20 °C abgekühlt, ohne das angewandte Feld zu stören, um hysteretische oder Gleichgewichtseffekte zu untersuchen.
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Protocol
1. Beispiel Polymerpräparate
- pNIPAM-Polymersynthese
HINWEIS: Dieses Präparat erzeugt 10 ml 1 g/L Lösung, was für 3-4 Experimente ausreicht.- Bereiten Sie das Schlenk-Liniengerät vor. Stellen Sie sicher, dass der Kaltfalle Dewar Kolben mit einer Gülle aus Trockeneis und Aceton gefüllt ist, oder wenn eine mechanische Kältefalle verwendet wird, stellen Sie sicher, dass die Falle eine angemessene Temperatur erreicht hat.
- In einem 50 ml Rundbodenkolben 0,566 g N-Isopropylacrylamid (NIPAM)-Monomer, 0,016 g reversible Additionsfragmentierungs-Verteilmittel (RAFT) (Phthalimidomethylbutyltrithiocarbonat), 0,0008 g 2,2-Azobis(2-Methylpropionitril) (AIBN) und 10 ml von 1,4-Dioxan. Legen Sie eine Rührstange in den Kolben. Den Kolben mit einem Gummiseptum versiegeln, mit Vinylband umwickeln und die Monomere in 1,4-Dioxan auflösen.
- Freeze-Pump-Tau-Entgasung wie folgt: Einfrieren der Lösung, indem Sie den rund-Boden-Kolben in einen Dewar-Kolben eintauchen, der eine Gülle aus Trockeneis und Methanol enthält. Sobald das gesamte Material eingefroren ist, verwenden Sie den Vakuumkrümmer der Schlenk-Leitung, um den Kolben auf einen Innendruck unter 100 kPa zu evakuieren. Isolieren Sie den Kolben und tauen Sie unter statischem Vakuum mit warmem Wasser auf. Bringen Sie den Kolben mit dem Stickstoffkrümmer der Schlenk-Linie wieder in luftigen Druck zurück.
- Wiederholen Sie Schritt 1.1.3 dreimal, um die interne Sauerstoffkonzentration zu minimieren.
- Spar die Lösung mit Stickstoff, um den Druck auf die Atmosphäre auszugleichen. Das Gemisch mit einem Ölbad auf 85 °C erhitzen und bei 200 Umdrehungen für 36 h umrühren.
- Zu einem 50 ml Becher 40 ml Hexan hinzufügen. Dann fügen Sie die Polymermischung tropfenweise dem Hexan hinzu. Der pNIPAM sollte als weißer Floccule ausfallen.
HINWEIS: NIPAM-Monomer ist in Hexan löslich, aber pNIPAM hat eine schlechte Löslichkeit in Hexan. - Gießen Sie die trübe Mischung in einen Büchner-Trichter, um das weiße pNIPAM-Pulver zu sammeln. Das Pulver in eine 20 ml Durchstechflasche geben und über Nacht in einen Vakuumofen geben, um übrig gebliebenes Lösungsmittel zu entfernen. In einem versiegelten Behälter bei Raumtemperatur aufbewahren, bis es erforderlich ist.
- pNIPAM-Block-Poly(Ferrocenylmethylmethacrylat) Block-Copolymer (p(NIPAM-b-FMMA))-Synthese
HINWEIS: Dieses Präparat erzeugt 10 ml 1 g/L Lösung, was für 3-4 Experimente ausreicht.- Bereiten Sie das Schlenk-Liniengerät vor. Stellen Sie sicher, dass der Kaltfalle Dewar Kolben mit einer Gülle aus Trockeneis und Aceton gefüllt ist, oder wenn eine mechanische Kältefalle verwendet wird, stellen Sie sicher, dass die Falle eine angemessene Temperatur erreicht hat.
- In einem 50 ml Rundbodenkolben 0,057g Ferrocenylmethylmethacrylat (FMMA)-Monomer, 0,016 g RAFT-Mittel, 0,0008 g AIBN und 10 ml 1,4-Dioxan hinzufügen. Legen Sie eine Rührstange in den Kolben. Den Kolben mit einem Gummiseptum versiegeln, mit Vinylband umwickeln und die Monomere in 1,4-Dioxan auflösen.
- Freeze-Pump-Tau-Entgasung wie folgt: Einfrieren der Lösung, indem Sie den rund-Boden-Kolben in einen Dewar-Kolben eintauchen, der eine Gülle aus Trockeneis und Methanol enthält. Sobald das gesamte Material eingefroren ist, verwenden Sie den Vakuumkrümmer der Schlenk-Leitung, um den Kolben auf einen Innendruck unter 100 kPa zu evakuieren. Isolieren Sie den Kolben und tauen Sie unter statischem Vakuum mit warmem Wasser auf. Bringen Sie den Kolben mit dem Stickstoffkrümmer der Schlenk-Linie wieder in luftigen Druck zurück.
- Wiederholen Sie Schritt 1.2.3 dreimal, um die interne Sauerstoffkonzentration zu minimieren.
- Spar die Lösung mit Stickstoff, um den Druck auf die Atmosphäre auszugleichen. Erhitzen Sie das Gemisch mit einem Ölbad auf 85 °C und rühren Sie es 10 h.
- 0,543 g NIPAM und 0,0002 g AIBN in 3 ml 1,4-Dioxan auflösen. Fügen Sie die Lösung in den Kolben unter Stickstoff und ssparge für 30 min. Erhitzen Sie das Gemisch auf 85 °C mit einem Ölbad und rühren Sie es bei 200 U/min für weitere 36 h.
- 40 ml Hexan zu einem 50 ml Becher geben. Dann fügen Sie die Polymermischung tropfenweise dem Hexan hinzu. Das p(NIPAM-b-FMMA) sollte als braunes Pulver ausfallen, da das FMMA-Monomer eine dunkelgelbe Farbe hat.
HINWEIS: NIPAM- und FMMA-Monomere sind in Hexan löslich, aber p(NIPAM-b-FMMA) hat eine schlechte Löslichkeit in Hexan. - Gießen Sie die gelbe trübe Mischung in einen Büchner-Trichter, um das braune p(NIPAM-b-FMMA) Pulver zu sammeln. Das Pulver in eine 20 ml Durchstechflasche geben und über Nacht in einen Vakuumofen geben, um übrig gebliebenes Lösungsmittel zu entfernen. In einem versiegelten Behälter bei Raumtemperatur aufbewahren, bis es erforderlich ist.
2. DLS-Probe und Küvettenzubereitung
HINWEIS: In diesem Abschnitt werden die Küvette für die angelegte Spannung und die Probe für DLS-Messungen vorbereitet.
- Messen Sie 10 mg Polymerpulver und lösen Sie sich in 10 ml gefiltertem deionisiertem (DI) Wasser auf. Die Mischung über Nacht in einen Kühlschrank stellen. Wenn Sie bereit sind, das Experiment zu starten, halten Sie die Probe auf Eis.
HINWEIS: Die polymere Konzentration, die in diesen Experimenten verwendet wurde, betrug 1 g/L, aber der optimale Konzentrationsbereich für jede Probe ist einzigartig. Bewährte Praxis ist es auch, das Polymer unter dem LCST zu halten, bis es für die Prüfung bereit ist. - Schneiden Sie zwei Stücke von 6,3 mm x 7 cm einseitiges Kupferband(Abbildung 1). Verwenden Sie eine Pinzette, um jedes Stück an gegenüberliegende Seiten der Innenseite der DLS-Probenküvette senkrecht zum Lichtpfad zu kleben. Der Boden des Bandes sollte in der Nähe der Unterseite der Küvette erreichen. Falten Sie die Ränder des Kupferbandes über der Oberseite der Küvette. Stellen Sie sicher, dass sich das Kupferband in der Nähe/Umhüllung auf der Oberseite der Probenküvette befindet, um einen guten elektrischen Kontakt zu gewährleisten. Stellen Sie außerdem sicher, dass das Kupferband nicht mit den Metallkontakten verbunden ist, die mit den DLS-Geräten verbunden sind, die für Zeta-Potenzialmessungen verwendet werden.
- Waschen Sie die Küvette mit DI-Wasser dreimal, dann abziehen Sie das überschüssige Wasser mit einem Kimwipe ab.
3. DLS-Instrumentensteuerung und Einrichtung
HINWEIS: Es wird empfohlen, drei Steuerelemente abzuschließen, bevor jedes DLS-Experiment ausgeführt wird: (1) Leerwasserlösung; (2) eine Größennorm; (3) Messung des Polymers vor Beginn eines Temperaturrampen oder erhöhter Spannung. Bitte konsultieren Sie das Gerätehandbuch vor der Inbetriebnahme, um Anleitungen für die Vorbereitung einer Probe, die Auswahl von Einstellungen und die Bewertung der Proben- und Datenqualität zu erhalten.
- 1,5 ml gefiltertes Lösungsmittel auf die Küvette übertragen. Verwenden Sie DI-Wasser.
- Setzen Sie die Küvette an den Küvettenhalter, um sicherzustellen, dass der kleine Pfeil auf der Oberseite der Küvette mit dem Küvettenhalter ausgerichtet ist. Schließen Sie den Deckel.
- Wählen Sie in der Zetasizer-Software auf der Symbolleiste die Option Messen aus. Für die Steuerungen wurden manuelle Messungen eingerichtet. Stellen Sie die Temperatur auf den experimentellen Ausgangspunkt ein. Wählen Sie 20 °C für dieses Experiment aus.
- Sobald der Text am unteren Rand des Fensters sagt, Zelle einfügen und starten, wenn bereit, drücken Sie die grüne Dreieck Start-Taste am oberen Rand des Bildschirms. Dadurch wird das Experiment gestartet, und der Küvettenhalter sollte danach nicht mehr geöffnet werden.
- Klicken Sie auf die Registerkarte Multi-Ansicht, um Echtzeitergebnisse zu beobachten. Kontinuierliche Überwachung der Proben- und Datenqualität durch Beobachtung der Zählrate und der Korrelationsfunktion. Da diese Probe nur lösungsmittelist, sollte kein klares Signal beobachtet werden, das dem Vorhandensein von Partikeln entspricht.
- Fügen Sie der Küvette zwei Tropfen einer Standardlösung hinzu oder verwenden Sie einfach die Wassersteuerung, und wiederholen Sie die Schritte 3.2-3.6. Verwenden Sie für dieses Experiment einen 20 nm NIST-nachverfolgbaren Polystyrol-Größenstandard.
HINWEIS: Wenn die Wasser- oder Standardlösungssteuerung Daten anzeigt, die mit den erwarteten Ergebnissen nicht übereinstimmen, beheben Sie den Fehler, und wiederholen Sie den Fehler, bis die Steuerelemente wie erwartet gelesen werden. - Spülen Sie die Küvette und fügen Sie die gefilterte Polymer/Testlösung hinzu. Wiederholen Sie die Schritte 3.2-3.5. Eine klare Messung der ersten Testlösung ist zu beachten. Es wird empfohlen, dies vor einem Temperaturrampe oder einer angelegten Spannung für eine Basismessung zu tun.
4. DLS SOP eingerichtet
HINWEIS: Dieser Abschnitt bezieht sich speziell auf den Temperatur-Ramping-Betrieb eines Malvern Zetasizer NanoZS DLS-Instruments. Bevor Sie mit Denversuchen beginnen, wird dringend empfohlen, das Gerätehandbuch ausführlich zu konsultieren, um Anleitungen zur Auswahl einer Zelle, zur Vorbereitung einer Probe, zur Auswahl von Messeinstellungen und zur Bewertung der Proben- und Datenqualität zu erhalten.
- Wählen Sie in der Zetasizer-Software (Version 7.11) Dateiaus, und klicken Sie dann auf Neu, um ein neues SOP einzurichten (Abbildung 2).
- Klicken Sie auf Messtyp, um Trend > Temperatur > Größeauszuwählen.
- Wählen Sie unter Materialdas entsprechende Material und den Brechungsindex aus. Wählen Sie Protein und den Brechungsindex (RI) von 1.450 für dieses Experiment. Wenn für eine genauere Berechnung der Volumenverteilung genaue Werte für den Brechungsindex gewünscht werden, sollte der Experimentator den Brechungsindex seiner Probe experimentell bestimmen.
- Wählen Sie in Dispersantdas entsprechende Lösungsmittel aus. Wählen Sie Wasser als Lösungsmittel in diesem Experiment.
- Wählen Sie in Zelledie verwendete Küvette aus. Verwenden Sie Fürweg-Küvetten (DTS0012) für dieses Experiment.
- In Sequenz, stellen Sie Starttemperatur und Endtemperatur. Für Heizexperimente stellen Sie die Starttemperatur auf 20 °C und die Endtemperatur auf 40 °C ein. Für Kühlexperimente wählen Sie das Gegenteil. Deaktivieren Sie das Feld Zurück zur Starttemperatur.
- Wählen Sie ein Intervall für jede Temperaturschrittänderung aus. Wählen Sie für diese Experimente 1,5 °C aus.
- Legen Sie in der Größenmessung die Ausgleichszeitfest. Legen Sie für diese Experimente die Dauer auf 120 s fest. Wählen Sie die Anzahl der Messungen. Wählen Sie 3 Messungen und Automatisch für die Messdauer.
- Speichern Sie SOP, und schließen Sie dann die Datei.
- Wenn eine angelegte Spannung verwendet werden soll, richten Sie den Potentiostat (Abschnitt 5) ein, bevor Sie fortfahren.
- Sobald der Potentiostat eingerichtet ist, oder wenn keine angelegte Spannung verwendet wird, kehren Sie zur Zetasizer-Software zurück und klicken Sie auf der Symbolleiste auf Messen, und klicken Sie dann auf SOP starten.
- Sobald der Text am unteren Rand des SOP-Fensters sagt, Zelle einfügen und starten, wenn bereit, drücken Sie die grüne Dreieck Start-Taste am oberen Rand des Bildschirms. Dadurch wird das Experiment gestartet, und der Küvettenhalter sollte danach nicht mehr geöffnet werden.
- Klicken Sie auf die Registerkarte Multi-Ansicht, um Echtzeitergebnisse zu beobachten. Kontinuierliche Überwachung der Proben- und Datenqualität durch Beobachtung der Zählrate und der Korrelationsfunktion. Siehe Abbildungen 3-5 für repräsentative experimentelle Ergebnisse.
5. Potentiostat Setup
HINWEIS: Es wird empfohlen, denselben Computer für Partikelgröße und angelegte Spannungsoperationen zu verwenden, um die Daten zeitsynchron zu synchronisieren und dadurch die spätere Auswertung zu vereinfachen. Bitte lesen Sie die Handbücher für angelegte Spannungsinstrumente, um Anleitungen zur Einrichtung von Verdrahtungen, Softwareberatung und zur Auswahl geeigneter Parameter zu erhalten. In diesen Experimenten wurde ein Gamry-Potentiostat verwendet.
- Bereiten Sie zwei Drähte vor, die dünn genug sind, um durch die kleine Spalte am oberen rechten Rand des DLS-Küvettenhalterbereichs zu passen (Abbildung 6). An einem Ende des vorbereiteten Drahtes, abstreifen sie die Isolierung, um eine Verbindung zum Potentiostat zu ermöglichen. Am gegenüberliegenden Ende eine kurze Alligatorklemme an den Draht löten und mit der Küvette verbinden. Stellen Sie sicher, dass der DLS-Probendeckel geschlossen ist.
- Klemmen Sie die weiße Referenz potentiostat Blei und der rote Zähler potentiostat führen zusammen zu einem der vorbereiteten Drähte. Klemmen Sie die grüne Arbeitspotentiostat Blei und die blaue Arbeitssinn potentiostat führen zu dem anderen vorbereiteten Draht. Verwenden Sie für dieses Experiment nicht den orangefarbenen Gegensinn und schwarzen Boden potentiostat führt und lassen Sie sie schweben. Um sicherzustellen, dass die Schaltung nicht kurz ist, sollten diese Drähte keine andere Blei- oder leitfähige Oberfläche berühren.
HINWEIS: Es spielt keine Rolle, mit welcher Seite jede Leitung verbunden ist. - Klicken Sie in der Symbolleiste der Software auf Experimentieren, und klicken Sie dann auf die Option E Physikalische Elektrochemie, und wählen Sie Chronoamperometrieaus. Verwenden Sie für die Zwecke dieses Protokolls eine einfache angelegte Spannung, indem Sie eine einzelne Spannung mit stromgesteuerter Reaktion anwenden (d. h. Chronoampemetrie). Unabhängig von der spezifischen elektrochemischen Methodik wird empfohlen, die Reaktion des Systems im Laufe der Zeit zu überwachen.
- Legen Sie Pre-Step, Step 1, und Step 2 Voltage vs Referencefest. Dies wird die angelegte Spannung über das gesamte Feld/Cuvette sein. Stellen Sie Spannung auf 1 V vs Referenz für alle drei Schritte ein.
- Legen Sie Pre-Step Delay Timefest. Für diese Experimente auf 0,5 s eingestellt, um sicherzustellen, dass das System bei der gewünschten Spannung stabil ist, bevor Sie ein Signal aufnehmen.
- Legen Sie die Zeit sowohl für Schritt 1 Zeit als auch für Schritt 2 Zeitfest. Dadurch wird gesteuert, wie lange die Spannung angewendet wird. Stellen Sie beide auf 14.400 s ein, um sicherzustellen, dass die angelegte Spannung während des gesamten DLS-Experiments fortgesetzt wird.
- Festlegen des Beispielzeitraums. Dies ist, wie häufig das Diagramm lesen und aktuelle und Spannungswerte aufzeichnen. Verwenden Sie 10,0 s in diesem Experiment.
HINWEIS: Die anderen Einstellungen sind für die hier dargestellten Daten nicht signifikant. Die Standardwerte im System wurden verwendet.
- Klicken Sie auf OK. Die obere Symbolleiste zeigt ein aktives Zeichen an, das angibt, dass Spannung angelegt wird. Der Strom sollte eine moderate Reaktion geben (A), und nicht überlasten die Potentiostat. Wenn kein Signal oder übermäßiges Signal beobachtet wird, kann das System falsch angeschlossen sein, und daher den Fehler beheben und wiederholen, bis der erwartete Strom beobachtet wird.
- Kehren Sie zu Schritt 4.10 zurück, um die DLS-SOP zu starten.
6. Datenanalyse
HINWEIS: In diesem Abschnitt werden die vorläufigen Analysen zum Verständnis der erhaltenen Daten beschrieben.
- Importieren Sie Daten in bevorzugte Datenanalyse- und Grafiksoftware.
- Bestimmen Sie für jeden Durchlauf innerhalb eines Satzes von Messungen bei einer bestimmten Temperatur die Partikelvolumengröße des Peaks mit dem größten Volumenprozentsatz.
- Berechnen Sie die durchschnittliche und Standardabweichung der Volumengröße über die drei aufgezeichneten Messungen bei einer bestimmten Temperatur.
- Zeichnen Sie für jedes Experiment die durchschnittliche Größe der Standardabweichung auf der y-Achse (Log-Skala) im Vergleich zur Temperatur auf der x-Achse (lineare Skala).
- Importieren Sie Gamry aktuelle Daten für die Analyse. Zeichnen Sie aktuelle Daten mit der Zeit auf der x-Achse und Strom (in Mikroampere) auf der y-Achse.
- Um aktuelle Daten mit Partikelgrößendaten in Beziehung zu setzen, vergleichen Sie den Zeitstempel der Zetasizer-Daten mit dem aktuellen Gamry-Zeitstempel. Dies ist möglich, wenn die beiden Arten von Daten von demselben Computer erfasst werden. Andernfalls werden die aufgezeichneten Zeiten so gut wie möglich aufgezeichnet.
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Representative Results
Die Echtzeit-Dateiausgabe jedes Durchlaufs im Temperaturrampe wird als Tabelle dargestellt, wie in Abbildung 3dargestellt. Jeder Datensatz kann unabhängig ausgewählt werden, um die Volumengröße (Abbildung 4) und den Korrelationskoeffizienten (Abbildung 5) anzuzeigen. Die Verteilung der Volumenpartikelgröße (PSD) ist die genaueste Daten, um die Gesamtverteilung und lcST zu interpretieren, aber die Qualität der Daten sollte mittels Korrelationsdiagramm (Abbildung 5) bewertet werden, um festzustellen, ob Punkte von der Analyse ausgeschlossen werden sollten. Korrelationsdiagramme (Abbildung 5), die eine im Allgemeinen glatte Kurve aufweisen, gelten als gute Qualität, wobei nicht glatte Graphen oder Daten niedriger Qualität für den Ausschluss in der Analyse in Betracht gezogen werden sollten. Die Kurven bei 24,5 °C weisen einige Unebenheiten und kleine Spitzen in den Kurven auf, dies ist jedoch auf die schnelle Veränderung der Polymeraggregation zurückzuführen, und daher wurden diese Daten einbezogen. Dies bestätigt, dass DLS-Daten, die in unserem modifizierten System in Gegenwart von Spannung gesammelt werden, von gleicher Qualität wie normale DLS-Daten sind.
Wie in Abbildung 7 (rote Linien) zu sehen ist, zeigte pNIPAM einen LCST bei 30 °C, eine Temperatur, die nahe an den in der Literatur beschriebenen Werten4liegt. Ohne Spannung konnte pNIPAM innerhalb des getesteten Temperaturbereichs aggregiert und disaggregiert werden, wodurch die ursprüngliche Größe wiederhergestellt wurde und die erwartete Reversibilität angegeben wurde. Mit Spannung(Abbildung 7, schwarze Leitungen) wurde pNIPAM von der Löslichkeit zur Aggregation auf eine Größe von 2000 nm, dann während der Kühlung auf eine Größe von etwa 1000 nm reduziert und nie wieder in den ursprünglichen löslichen Zustand zurückgeführt. Abbildung 8 zeigt die aktuellen Daten von pNIPAM mit angelegten Spannungs- und Heiz- und Kühlexperimenten entsprechend Abbildung 7 (schwarze Leitungen). Die vertikale rote Linie bei 26 °C ist ein wichtiger Übergangspunkt von pNIPAM, bei dem eine Phasenänderung mit DLS beobachtet wird. Die vertikale Linie bei 40 °C zeigt die maximale Temperatur in unserer Messung vor dem Kühlzyklus an.
Wie in Abbildung 9 (rote Linien) zu sehen, zeigte das p(NIPAM-b-FMMA)-Polymer, das einen elektroaktiven FMMA-Block enthielt, einen LCST bei 33 °C. Ohne Spannung konnte p(NIPAM-b-FMMA) aggregieren und disaggregieren, was zu seiner ursprünglichen Größe zurückkehrte. Bei Spannung(Abbildung 9,schwarze Leitungen) verschob sich der LCST von p(NIPAM-b-FMMA) auf 28 °C. Auch hier konnte der p(NIPAM-b-FMMA) bei angelegter Spannung während des Kühlzyklus nicht disaggregiert werden und zu seiner ursprünglichen Größe zurückkehren. Abbildung 10 zeigt die aktuellen Daten von p(NIPAM-b-FMMA) mit angelegten Spannungs- und Heiz- und Kühlexperimenten entsprechend Abbildung 9 (schwarze Linien). Die vertikale rote Linie bei 28 °C liegt knapp über dem mit DLS beobachteten Phasenwechsel. Die vertikale Linie bei 40 °C liegt bei der maximalen Temperatur in unserer Messung vor dem Abkühlen.
Die Auswertung der aktuellen Antwortdaten aus der angelegten Spannung ist entscheidend für das Verständnis der Größenantwort. Wenn der Strom nicht sorgfältig überwacht wird, werden die Daten falsch ausgelegt und möglicherweise missverstanden. In einer in Abbildung 11dargestellten Studie wird die Spannung infolge eines versehentlichen Kurzschlusses ein- und ausgeschnitten. Als Folge eines Kurzschlusses wurde die Spannung nur zufällig und sporadisch angelegt, was zu einem Trend führte, der eher dem No-Voltage-Zustand ähnelte.
Abbildung 1: Einweg-DLS-Küvetten, die durch Zugabe von Kupferband an den Seiten modifiziert wurden, um eine angelegte Spannung zu ermöglichen. Das Kupferband erstreckt sich bis zum Boden und wird um die Oberseite gewickelt, um eine gute Verbindung zu gewährleisten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Ein Screenshot der DLS-SOP-Einrichtung, einschließlich Sequenzeinrichtung, Größenmessspezifikationen und Trend-Setup-Verfahren. Der hier abgebildete Bildschirm dient als Hauptseite, auf der alle anderen, spezifischeren Aspekte und Unterseiten der Daten beobachtet werden können. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Beispiel für die Datensatzansicht der Datenerfassung in der Zetasizer-Software. Diese Datensätze enthalten eingehende Messungen von Faktoren wie Intensität, Volumengröße, Korrelationsdaten und Datenqualität. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Volumenpartikelgrößenverteilung (PSD) für eine Einzelmessung bei 31 °C pNIPAM mit 1 V angelegter Spannung. Auf diesen Bildschirm kann zugegriffen werden, indem Sie den gewünschten Datenpunkt auswählen, der auf der Registerkarte Datensatzansicht (Abbildung 4) gefunden wird, und detaillierte Größeninformationen enthalten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Korrelationsdaten eines Experiments mit akzeptablen, reproduzierbaren Korrelationsfunktionen für jede Temperatur in Gegenwart einer angelegten Spannung. Die Korrelationsfunktionen von drei wiederholten Durchläufen bei drei verschiedenen Temperaturen werden dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: DLS-Experiment-Setup mit Gamry Potentiostat, um konstante Spannung auf die Lösung anzuwenden. Dieses Bild zeigt die Verdrahtungseinrichtung und die allgemeine Montage der Schaltungen, die für dieses System erforderlich sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Diagramm der pNIPAM-Partikelgröße im Vergleich zur Temperatur. Schwarze Linien = angelegte Spannung, rote Linien = keine Spannung, quadratische Datenpunkte = Heiztrend, Dreiecksdatenpunkte = Kühltrend. Ohne angelegte Spannung betrug der LCST 30 °C beim Heizen und 24 °C beim Kühlen. Bei angelegter Spannung betrug der LCST während des Erhitzens 26 °C und während der Kühlung wurde keine Disaggregation beobachtet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8: Aktuelle Daten von pNIPAM mit Heizung und Kühlung. Die vertikale rote Linie bei 26 °C ist der LCST von pNIPAM, bei dem die Phasenänderung in den DLS-Daten beobachtet wird (Abbildung 7). Die vertikale Leitung bei 40 °C zeigt den Zeitpunkt, zu dem die Heizung abgeschlossen und die Kühlung eingeleitet wurde. Die x-Achse gibt die Zeit seit Beginn des Experiments sowie die Temperatur an verschiedenen Zeitpunkten an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9: Diagramm der p(NIPAM-b-FMMA) Partikelgröße im Vergleich zur Temperatur. Schwarze Linien = angelegte Spannung, rote Linien = keine Spannung, quadratische Datenpunkte = Heiztrend, Dreiecksdatenpunkte = Kühltrend. Ohne angelegte Spannung betrug der LCST 33 °C beim Heizen und 28 °C beim Kühlen. Bei angelegter Spannung betrug der LCST während des Erhitzens 28 °C und während der Kühlung wurde keine Disaggregation beobachtet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 10: Aktuelle Daten aus dem p(NIPAM-b-FMMA) mit Heizung und Kühlung. Die vertikale rote Linie bei 29 °C liegt knapp über dem LCST von p(NIPAM-b-FMMA), wo die Phasenänderung in den DLS-Daten beobachtet wird (Abbildung 9). Die x-Achse gibt die Zeit seit Beginn des Experiments sowie die Temperatur an verschiedenen Zeitpunkten an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 11: Schlecht angeschlossene Schaltung, die zu Datenfehlern in einer pNIPAM-Studie führt. Die DLS-Daten, links abgebildet, ähneln Daten aus Versuchen ohne Spannung, was durch eine getrennte und unvollständige Schaltung erklärt wird. Diese Theorie einer schlecht angeschlossenen Schaltung wird durch die verstreuten Stromdaten unterstützt, rechts abgebildet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
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Discussion
Das Anwenden von Spannung auf pNIPAM- oder p(NIPAM-b-FMMA)-Lösungen veränderte das Polymeraggregationsverhalten als Reaktion auf die Temperatur. Bei beiden Materialien blieb die Volumengröße der Polymere auch bei der Kühlung der Lösungen unterhalb ihres LCST hoch, wenn eine angelegte Spannung vorhanden war. Dies war ein unerwartetes Ergebnis, da die Versuche ohne Spannung zeigten, dass die Polymere zu ihren ursprünglichen Größen zurückkehrten. Diese Experimente lassen den Schluss zu, dass die Polymeraggregation für unseren Temperaturbereich und mit einer angelegten Spannung nicht vollständig reversibel ist, unabhängig von elektroaktiven Monomeren, die dem pNIPAM zugesetzt werden.
Ein weiteres interessantes Ergebnis zeigt sich bei der weiteren Überprüfung von LCST-Änderungen in Abbildung 9 und p(NIPAM-b-FMMA). Ohne Spannung beträgt die maximale Volumengröße etwa 1000 nm, und die Aggregation ist reversibel. Bei angelegter Spannung beträgt die stabile Agglomeration jedoch ca. 100 nm und nicht reversibel. Dies würde auf einen neuen stabilen Agglomerationszustand hindeuten, der mit angelegter Spannung im Vergleich zum Fehlen von Spannung gebildet wird.
Die aktuelle Reaktion der konstant angelegten Spannung kann auch Einblicke in die Aggregationsreaktion liefern. Da die Dateien mit einem Zeitstempel versehen sind, kann der Strom mit relativen Temperaturänderungen abgeglichen werden, obwohl es aufgrund der automatischen Optimierung bei jedem Schritt aufgrund der Streuintensität und Dämpfung nicht den gleichen Abstand zwischen Temperatur und Zeit gibt. Einstellungen in der DLS. Unsere Daten zeigen den Stromanstieg mit der Temperatur an und beginnen dann sofort nach dem LCST zu sinken. Klare Trends sind mit der ungefähren Zeit der Aggregation verbunden, die einen geringen Widerstand in der Lösung zeigt, was zu weniger Strom führt. Während der Kühlung steigt der Strom, nimmt aber nicht so schnell zu wie beim Heizen. Die aktuellen Daten liefern Informationen und mögliche Einblicke in das Polymerverhalten.
Die Methode, eine Spannung auf dynamische Messungen der Partikelgrößenverteilung im Licht zu verwenden, war erfolgreich. Unterschiede im Polymeraggregationsverhalten im Zusammenhang mit Partikelgrößenverteilungsmessungen wurden beobachtet, wenn während eines Temperaturrampentrends im Vergleich zum Nichtspannungsfall eine angelegte Spannung vorhanden war. Das beobachtete Verhalten war nur vorhanden, wenn sowohl eine angelegte Spannungs- als auch eine Temperaturrampe verwendet wurden.
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Disclosures
Die Autoren erklären keine Interessenkonflikte.
Acknowledgments
Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung durch NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131) und das Hamel Center for Undergraduate Research an der UNH würdigen. Darüber hinaus möchten die Autoren die Unterstützung von Darcy Fournier für die Unterstützung bei der Verkabelung und Scott Greenwood für den Zugang zum DLS würdigen.
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
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