Summary
Her presenteres en protokoll for å bruke spenning på løsning under dynamiske målinger av partikkelstørrelse med den hensikt å utforske effekten av spenning ser ut til å være en del av polymeraggregasjonen.
Abstract
Dynamisk lysspredning (DLS) er en vanlig metode for å karakterisere størrelsesfordelingen av polymerer, proteiner og andre nano- og mikropartikler. Moderne instrumentering tillater måling av partikkelstørrelse som en funksjon av tid og/eller temperatur, men for tiden er det ingen enkel metode for å utføre DLS partikkelstørrelsedistribusjonsmålinger i nærvær av påført spenning. Evnen til å utføre slike målinger ville være nyttig i utviklingen av elektroaktive, stimuli-responsive polymerer for applikasjoner som sensing, myk robotikk og energilagring. Her presenteres en teknikk ved hjelp av påført spenning kombinert med DLS og en temperaturrampe for å observere endringer i aggregering og partikkelstørrelse i termoresponspolymerer med og uten elektroaktive monomerer. Endringene i aggregasjonsatferd observert i disse eksperimentene var bare mulig gjennom kombinert bruk av spenning og temperaturkontroll. For å oppnå disse resultatene ble en potensat koblet til en modifisert cuvette for å bruke spenning på en løsning. Endringer i polymerpartikkelstørrelse ble overvåket ved hjelp av DLS i nærvær av konstant spenning. Samtidig ble gjeldende data produsert, som kan sammenlignes med partikkelstørrelsesdata, for å forstå forholdet mellom gjeldende og partikkelvirkemåte. Polymerpolyen(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) fungerte som en testpolymer for denne teknikken, da pNIPAms respons på temperatur er godt studert. Endringer i den lavere kritiske løsningstemperaturen (LCST) aggregeringsatferd av pNIPAM og poly( N-isopropylacrylamide)-blokk-poly(ferrocenylmethyl metakryllate), observeres en elektrokjemisk aktiv blokkkopolymer, i nærvær av påført spenning. Å forstå mekanismene bak slike endringer vil være viktig når du prøver å oppnå reversible polymerstrukturer i nærvær av påført spenning.
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 lysspredning (DLS) er en teknikk for å bestemme partikkelstørrelse gjennom bruk av tilfeldige endringer i lysintensiteten spredt gjennom løsning1. DLS er i stand til å måle aggregering av polymerer ved å bestemme partikkelstørrelse. For dette eksperimentet ble DLS kombinert med kontrollerte temperaturendringer for å observere når en polymeraggregater som indikerer overskridelse av lavere kritisk løsningstemperatur (LCST)2,3. Under LCST finnes det en homogen væskefase; over LCST blir polymeren mindre løselig, aggregater og kondenserer ut av løsningen. En påført spenning (dvs. brukt potensial eller elektrisk felt) ble introdusert over spredningsfeltet for å observere effekten av det elektriske feltet på aggregeringsatferd og LCST. Anvendelsen av spenning i partikkelstørrelsesmålinger gir ny innsikt i partikkelatferd og påfølgende applikasjoner innen sensorer, energilagring, narkotikaleveringssystemer, myk robotikk og andre.
I denne protokollen ble to eksempelpolymerer brukt. Poly( N-isopropylacrylamide), eller pNIPAM, er en termisk sensitiv polymer, som inneholder både en hydrofil amidgruppe og en hydrofob isopropylgruppe på makromolekylær kjede4,5. Termisk-responsive polymermaterialer som pNIPAM har blitt mye brukt i kontrollert legemiddelfrigjøring, biokjemisk separasjon og kjemiske sensorer de siste årene3,4. LCST litteraturverdien av pNIPAM er rundt 30-35 °C4. pNIPAM er vanligvis ikke elektrokjemisk aktiv. Derfor, som en annen prøve polymer en elektrokjemisk aktiv blokk ble lagt til polymer. Spesielt ferrocenylmethyl metakrylat ble brukt til å lage en poly( N-isopropylacrylamide)-blokk-poly(ferrocenylmethyl metakrylat) blokkkopolymer, eller p(NIPAM-b-FMMA)6,7. Begge eksempelpolymerene ble syntetisert ved reversibel addisjonsfragmenteringskjedeoverføringspolymerisering med kontrollert kjedelengde8,9,10. Den ikke-elektrokjemisk aktive polymeren, pNIPAM, ble syntetisert som 100 ren pNIPAM. Den elektrokjemisk aktive polymeren, p(NIPAM-b-FMMA), var også 100 mer kjedelengde, som inneholder 4% ferrokenylmetylmetakrylat (FMMA) og 96% NIPAM.
I denne artikkelen er en protokoll og metodikk for å studere effekten av påført spenning på polymeraggregasjon demonstrert. Denne metoden kan også utvides til andre anvendelser av DLS, for eksempel analyse av proteinfolding / utfoldelse, protein-proteininteraksjoner og agglomerering av elektrostatisk ladede partikler for å nevne noen. Prøven ble oppvarmet fra 20 °C til 40 °C for å identifisere LCST i fravær og tilstedeværelse av et 1 V-anvendt felt. Deretter ble prøven avkjølt fra 40 °C til 20 °C uten å forstyrre det anvendte feltet for å studere hysteretiske eller likevektseffekter.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Eksempel polymerpreparater
- pNIPAM polymer syntese
MERK: Dette preparatet produserer 10 ml 1 g/l-løsning, som er nok for 3-4 eksperimenter.- Forbered Schlenk linjeapparatet. Sørg for at den kalde fellen Dewar-kolben er fylt med en slurry av tørris og aceton, eller hvis en mekanisk kjølefelle brukes, må du sørge for at fellen har nådd en passende temperatur.
- I en 50 ml rundbunnkolbe legger du til 0,566 g N-isopropylacrylamide (NIPAM), 0,016 g reversibel addisjonskjedeoverføringspolymerisering (RAFT) (ftamemidotylbutyltritiokarbonat), 0,0008 g reversibel addisjonskjedeoverføringspolymerisering (AIBN) og 10 ml 1,4-dioksan. Sett en rørebar i kolben. Forsegle kolben med en gummiseptum, pakk med vinyltape, og oppløs monomerene i 1,4-dioksan.
- Utfør frysepumpe-tine avgassing som følger: Frys løsningen ved å fordype den runde bunnen kolbe i en Dewar kolbe som inneholder en slurry av tørris og metanol. Når alt materiale er frosset, bruk vakuummanifolden på Schlenk-linjen til å evakuere kolben til et internt trykk under 100 kPa. Isoler kolben, og tin under statisk vakuum, ved hjelp av varmt vann. Returner kolben til atmosfærisk trykk ved hjelp av nitrogenmanifolden på Schlenk-linjen.
- Gjenta trinn 1.1.3 tre ganger for å minimere den interne oksygenkonsentrasjonen.
- Sparge løsningen med nitrogen for å balansere trykket til atmosfæren. Varm blandingen til 85 °C ved hjelp av et oljebad og rør ved 200 o/min i 36 timer.
- Til et 50 ml beger til40 ml heksan. Deretter legger du polymerblandingen til heksandråpevis. PNIPAM skal utløse ut som hvit floccule.
MERK: NIPAM monomer er løselig i heksan, men pNIPAM har dårlig løselighet i sekskant. - Hell den overskyede blandingen i en Büchnertrakt for å samle det hvite pNIPAMpulveret. Overfør pulveret til et 20 ml hetteglass og legg det i en vakuumovn over natten for å fjerne rester av løsningsmiddel. Oppbevares i en forseglet beholder ved romtemperatur til det er nødvendig.
- pNIPAM-blokk-poly(ferrocenylmethyl metakrylat) blokkkopolymer (p(NIPAM-b-FMMA)) syntese
MERK: Dette preparatet produserer 10 ml 1 g/l-løsning, som er nok for 3-4 eksperimenter.- Forbered Schlenk linjeapparatet. Sørg for at den kalde fellen Dewar-kolben er fylt med en slurry av tørris og aceton, eller hvis en mekanisk kjølefelle brukes, må du sørge for at fellen har nådd en passende temperatur.
- I en 50 ml rundbunnskolbe tilsettes 0,057 g ferrokenylmetylmetakrylat (FMMA), 0,016 g RAFT-agent, 0,0008 g AIBN og 10 ml 1,4-dioksan. Sett en rørebar i kolben. Forsegle kolben med en gummiseptum, pakk med vinyltape, og oppløs monomerene i 1,4-dioksan.
- Utfør frysepumpe-tine avgassing som følger: Frys løsningen ved å fordype den runde bunnen kolbe i en Dewar kolbe som inneholder en slurry av tørris og metanol. Når alt materiale er frosset, bruk vakuummanifolden på Schlenk-linjen til å evakuere kolben til et internt trykk under 100 kPa. Isoler kolben, og tin under statisk vakuum, ved hjelp av varmt vann. Returner kolben til atmosfærisk trykk ved hjelp av nitrogenmanifolden på Schlenk-linjen.
- Gjenta trinn 1.2.3 tre ganger for å minimere den interne oksygenkonsentrasjonen.
- Sparge løsningen med nitrogen for å balansere trykket til atmosfæren. Varm blandingen til 85 °C ved hjelp av et oljebad og rør den i 10 timer.
- Løs opp 0,543 g NIPAM og 0,0002 g AIBN i 3 ml 1,4-dioksan. Tilsett løsningen i kolben under nitrogen og sparge i 30 min. Varm blandingen til 85 °C ved hjelp av et oljebad og rør den ved 200 o/min i ytterligere 36 timer.
- Tilsett 40 ml heksan til et 50 ml beger. Deretter legger du polymerblandingen til heksandråpevis. P(NIPAM-b-FMMA) skal utløse ut som brunt pulver fordi FMMA monomeren har en mørk gul farge.
MERK: NIPAM og FMMA monomerer er løselige i sekskant, men p(NIPAM-b-FMMA) har dårlig løselighet i sekskant. - Hell den gule skyeblandingen i en Büchnertrakt for å samle det brune p(NIPAM-b-FMMA)-pulveret. Overfør pulveret til et 20 ml hetteglass og legg det i vakuumovn over natten for å fjerne rester av løsningsmiddel. Oppbevares i en forseglet beholder ved romtemperatur til det er nødvendig.
2. DLS-prøve og cuvette forberedelse
MERK: Denne delen forbereder cuvetten for påført spenning og prøven for DLS-målinger.
- Mål 10 mg polymerpulver og oppløs i 10 ml filtrert deionisert vann (DI). Sett blandingen i kjøleskap over natten. Når du er klar til å starte eksperimentet, hold prøven på is.
MERK: Polymerkonsentrasjonen som ble brukt i disse eksperimentene var 1 g/L, men det optimale konsentrasjonsområdet for hver prøve vil være unik. Beste praksis er også å holde polymeren under LCST til den er klar for testing. - Klipp to stykker med 6,3 mm x 7 cm ensidig kobbertape (figur 1). Bruk pinsett for å stikke hvert stykke til motsatte sider av innsiden av DLS-prøven cuvette, vinkelrett på lysbanen. Bunnen av båndet skal nå nær bunnen av cuvette. Brett kantene på kobberbåndet over toppen av cuvette. Kontroller at kobberbåndet er nær/pakket inn på toppen av prøvecuvetten for å sikre god elektrisk kontakt. Kontroller også at kobberbåndet ikke kobles til metallkontaktene som er knyttet til DLS-utstyret som brukes til Zeta-potensielle målinger.
- Vask cuvette med DI vann tre ganger, deretter dab overflødig vann av med en Kimwipe.
3. DLS-instrumentkontroller og oppsett
MERK: Tre kontroller anbefales å fullføre før du kjører hvert DLS-eksperiment: (1) tom vannløsning; (2) en størrelsesstandard; (3) måling av polymeren før starten av en temperaturrampe eller påført spenning. Vennligst se instrumenthåndboken før drift for veiledning om utarbeidelse av et utvalg, velge innstillinger og vurdere utvalg og datakvalitet.
- Overfør 1,5 ml filtrert oppløsningsvæske til cuvette. Bruk DI vann.
- Sett cuvette til cuvette holderen, slik at den lille pilen på toppen av cuvette er på linje med cuvette holderen. Lukk lokket.
- Velg Mål på verktøylinjen i Zetasizer-programvaren. Manuelle målinger ble definert for kontrollene. Sett temperaturen til det eksperimentelle startpunktet. Velg 20 °C for dette eksperimentet.
- Når teksten nederst i vinduet sier, Sett inn celle og trykk start når du er klar, trykk på den grønne trekantstartknappen øverst på skjermen. Dette starter eksperimentet, og cuvette holderen bør ikke åpnes etter dette.
- Klikk på fanen Multi-view for å observere sanntidsresultater. Kontinuerlig overvåke prøven og datakvaliteten ved å observere antall frekvens og korrelasjonsfunksjonen. Fordi denne prøven bare er løsningsmiddel, bør det ikke observeres noe klart signal som tilsvarer tilstedeværelsen av partikler.
- Tilsett to dråper av en standardløsning i cuvette eller bare bruk vannkontrollen, og gjenta trinn 3.2-3.6. Bruk en 20 nm NIST-sporbar polystyren størrelse standard for dette eksperimentet.
MERK: Hvis vann- eller standardløsningskontrollen kjører, viser data som er uforenlige med de forventede resultatene, feilsøker du feilen og gjentar til kontrollene leses som forventet. - Skyll cuvette og tilsett den filtrerte polymeren/testløsningen. Gjenta trinn 3.2-3.5. En klar måling av den første testløsningen bør observeres. Det anbefales å gjøre dette før en temperaturrampe eller påført spenning for en måling ved baseline.
4. DLS SOP satt opp
MERK: Denne delen refererer spesielt til temperaturramping av et Malvern Zetasizer NanoZS DLS-instrument. Før du starter eksperimenter, anbefales det sterkt å se instrumenthåndboken grundig for veiledning om valg av en celle, utarbeide et utvalg, velge måleinnstillinger og vurdere utvalg og datakvalitet.
- I Zetasizer-programvaren (versjon 7.11) velger du Fil, og deretter klikker du Ny for å konfigurere en ny SOP (Figur 2).
- Klikk Måletype for å velge Trend > Temperatur > Størrelse.
- I Materialevelger du riktig materiale og brytningsindeks. Velg Protein og brytningsindeksen (RI) på 1.450 for dette eksperimentet. Hvis eksakte verdier for brytningsindeks er ønsket for mer nøyaktig beregning av volumfordeling, bør eksperimentereren bestemme brytningsindeksen for prøven eksperimentelt.
- I Dispersantvelger du riktig løsningsmiddel. Velg Vann som et løsningsmiddel i dette eksperimentet.
- Velg cuvette som brukes i Cell. Bruk engangscuvettes (DTS0012) for dette eksperimentet.
- I Rekkefølgestiller du inn Starttemperatur og Slutttemperatur. For oppvarmingseksperimenter, still inn Start-temperaturen ved 20 °C og still inn slutttemperaturen som 40 °C. For kjøleeksperimenter, velg det motsatte. Fjern merket for Gå tilbake til starttemperatur-boksen.
- Velg et intervall for hver temperaturtrinnendring. Velg 1,5 °C for disse eksperimentene.
- I Størrelse-måling angir du Equilibration time. For disse eksperimentene angir du varigheten til 120 s. Velg antall målinger. Velg 3 målinger og Automatisk for målevarighet.
- Lagre SOP, og lukk deretter filen.
- Hvis brukt spenning skal brukes, må du konfigurere potensioostaten (avsnitt 5) før du fortsetter.
- Når potensostaten er satt opp, eller hvis brukt spenning ikke brukes, går du tilbake til Zetasizer-programvaren og klikker Mål på verktøylinjen, og deretter klikker du Start SOP.
- Når teksten nederst i SOP-vinduet sier, Sett inn celle og trykk start når du er klar, trykk på den grønne trekantstartknappen øverst på skjermen. Dette starter eksperimentet, og cuvette holderen bør ikke åpnes etter dette.
- Klikk på fanen Multi-view for å observere sanntidsresultater. Kontinuerlig overvåke prøven og datakvaliteten ved å observere antall frekvens og korrelasjonsfunksjonen. Se figur 3-5 for representative eksperimentelle resultater.
5. Oppsett av Potensiostat
MERK: Det anbefales å bruke samme datamaskin for partikkelstørrelse og anvendtspenningsoperasjoner for å synkronisere dataene og dermed gjøre det enklere å evaluere senere. Vennligst se de påførte spenningsinstrumenthåndbøkene for veiledning om ledningsnett, programvarekonsultasjon og valg av passende parametere. En Gamry potentiostat ble brukt i disse eksperimentene.
- Forbered to ledninger som er tynne nok til å passe gjennom den lille sprekken øverst til høyre på DLS-høvelholderområdet (Figur 6). På den ene enden av den tilberedte ledningen, fjern isolasjonen for å tillate en tilkobling til potensiostat. I motsatt ende, lodde en kort alligator klemme til ledningen og koble til cuvette. Kontroller at DLS-eksempellokket er lukket.
- Klem den hvite referansen potensiostat bly og den røde telleren potensysosier føre sammen til en av de forberedte ledningene. Klem den grønne arbeidspotensiostatledningen og den blå arbeidssansen potensysierfører til den andre tilberedte ledningen. For dette eksperimentet, ikke bruk den oransje motsansen og svart bakken potensiostat fører og la dem flyte. For å sikre at kretsen ikke kortes, bør disse ledningene ikke berøre noen annen bly eller ledende overflate.
MERK: Det spiller ingen rolle hvilken side hver ledning er koblet til. - Klikk Eksperimentpå programvareverktøylinjen, klikk deretter på alternativ E Fysisk elektrokjemi, og velg Chronoamperometry. I forbindelse med denne protokollen, bruk en enkel påført spenning ved å bruke en enkelt spenning med strømrespons målt over tid (dvs. chronoamperometry). Uavhengig av den spesifikke elektrokjemiske metodikken, anbefales det å overvåke systemresponsen over tid.
- Angi pre-step, trinn 1og trinn 2 spenning vs referanse. Dette vil være den påførte spenningen over hele feltet/cuvette. Sett Spenning til 1 V vs Referanse for alle tre trinnene.
- Angi forsinkelsestid før trinn. For disse eksperimentene, satt til 0,5 s for å sikre at systemet er stabilt på ønsket spenning før du registrerer et signal.
- Angi klokkeslettet for både trinn 1 tid og trinn 2 tid. Dette styrer hvor lenge spenningen vil bli brukt. Sett begge til 14 400 s for å sikre at den påførte spenningen vil fortsette gjennom DLS-eksperimentet.
- Angi eksempelperiode. Dette er hvor ofte grafen vil lese og registrere strøm- og spenningsverdier. Bruk 10,0 s i dette eksperimentet.
MERK: De andre innstillingene er ikke signifikante for dataene som presenteres her. Standardverdiene i systemet ble brukt.
- Klikk OK. Øverste verktøylinje vil vise et aktivt tegn, noe som indikerer at spenningen brukes. Strømmen skal gi moderat respons (μA), og ikke overbelaste potensioostatet. Hvis det ikke observeres noe signal eller for mye signal, kan systemet kobles til på feil måte, og feilsøker derfor feilen og gjentar til den forventede strømmen overholdes.
- Gå tilbake til trinn 4,10 for å starte DLS SOP.
6. Dataanalyse
MERK: Denne delen beskriver foreløpig analyse for å forstå dataene som er innhentet.
- Importer data til foretrukket dataanalyse og graferingsprogramvare.
- For hvert løp innenfor et sett med målinger ved gitt temperatur, bestem partikkelvolumstørrelsen på toppen med den største volumprosenten.
- Beregn gjennomsnittlig og standardavvik for volumstørrelsen over de tre registrerte målingene ved en gitt temperatur.
- For hvert eksperiment plotter du gjennomsnittsstørrelse ± standardavvik på y-aksen (loggskala) kontra temperaturen på x-aksen (lineær skala).
- Importer Gamry gjeldende data for analyse. Tegn inn gjeldende data med tiden på x-aksen og strømmen (i mikroamper) på y-aksen.
- Hvis du vil relatere gjeldende data til partikkelstørrelsesdata, kan du sammenligne tidsstempelet for Zetasizer-dataene med Gamry-gjeldende tidsstempel. Dette er mulig hvis de to typene data samles inn fra samme datamaskin. Ellers matcher innspilte tider så godt som mulig.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sanntidsfilutgangen for hver kjøring i temperaturrampen presenteres som et bord, som vist i figur 3. Hver post kan velges uavhengig for å se volumstørrelsen (figur 4) og korrelasjonskoeffisient (figur 5). Volumpartikkelstørrelsesfordeling (PSD) er de mest nøyaktige dataene for å tolke den generelle fordelingen og LCST, men kvaliteten på dataene bør vurderes via korrelasjonsgraf (figur 5) for å avgjøre om noen punkter bør utelukkes fra analyse. Korrelasjonsgrafer (Figur 5) som har en generelt jevn kurve anses som god kvalitet, der ikke-glatte grafer eller data av lav kvalitet bør vurderes for utelukkelse i analysen. Kurvene ved 24,5 °C har noen humper og mindre topper i kurvene, men dette kan tilskrives den raske endringen i polymeraggregasjon, og derfor ble disse dataene inkludert. Dette bekrefter at DLS-data som samles inn i vårt modifiserte system i nærvær av spenning, er av tilsvarende kvalitet til normale DLS-data.
Som sett i figur 7 (røde linjer), viste pNIPAM en LCST ved 30 °C, en temperatur nær de litteraturbeskrevne verdiene4. Uten spenning var pNIPAM i stand til å aggregere og disaggregate innenfor det testede temperaturområdet, gå tilbake til sin opprinnelige størrelse og indikerer forventet reversibilitet. Med spenning (Figur 7, svarte linjer) pNIPAM gikk fra å være løselig til aggregering til en størrelse på 2000 nm, deretter blir redusert til en størrelse på rundt 1000 nm under kjøling, aldri tilbake til den opprinnelige løselig tilstand. Figur 8 viser gjeldende data fra pNIPAM med anvendtspenning og oppvarming og kjøleeksperimenter som tilsvarer figur 7 (svarte linjer). Den vertikale røde linjen ved 26 °C er et viktig overgangspunkt for pNIPAM hvor en faseendring observeres med DLS. Den vertikale linjen ved 40 °C viser maksimal temperatur i målingen vår før kjølesyklusen.
Som vist i figur 9 (røde linjer), viste polymeren p(NIPAM-b-FMMA) som inneholdt en elektroaktiv FMMA-blokk en LCST ved 33 °C. Uten spenning var p(NIPAM-b-FMMA) i stand til å aggregere og disaggregate, tilbake til sin opprinnelige størrelse. Med spenning (Figur 9, svarte linjer), flyttet LCST av p (NIPAM-b-FMMA) til 28 °C. Igjen, med påført spenning, var p(NIPAM-b-FMMA) ikke i stand til å degregere og gå tilbake til sin opprinnelige størrelse under kjølesyklusen. Figur 10 viser gjeldende data fra p(NIPAM-b-FMMA) med påførte spennings- og varme- og kjøleeksperimenter som tilsvarer figur 9 (svarte linjer). Den vertikale røde linjen ved 28 °C er like over faseendringen observert med DLS. Den vertikale linjen ved 40 °C er ved maksimal temperatur i målingen vår før avkjøling.
Evaluering av gjeldende responsdata fra den påførte spenningen er avgjørende for å forstå størrelsesresponsen. Hvis strømmen ikke overvåkes nøye, vil data bli feiltolket og potensielt misforstått. I en prøve som vises i figur 11,kuttet spenningen inn og ut som følge av utilsiktet kortslutning. Som et resultat av en kortslutning ble spenningen bare brukt tilfeldig og sporadisk, og dette resulterte i en trend som ligner mer på spenningstilstanden.
Figur 1: Disponibel DLS-cuvettes modifisert ved å legge til kobbertape på sidene for å tillate påført spenning. Kobberbåndet strekker seg til bunnen og er pakket rundt toppen for å sikre en god forbindelse. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 2: Et skjermbilde av DLS SOP-oppsett, inkludert sekvensoppsett, spesifikasjoner for størrelsesmåling og trendoppsett. Skjermen som er avbildet her fungerer som en hovedside der alle andre, mer spesifikke aspekter og undersider av dataene kan observeres. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Eksempel på postvisning av datainnsamling i Zetasizer-programvaren. Disse postene inneholder grundige målinger av faktorer som intensitet, volumstørrelse, korrelasjonsdata og datakvalitet. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 4: Volumpartikkelstørrelsesfordeling (PSD) for en enkelt måling ved 31 °C pNIPAM med 1 V påført spenning. Dette skjermbildet kan nås ved å velge ønsket datapunkt som finnes i kategorien postvisning (Figur 4) og gir detaljert størrelsesinformasjon. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 5: Korrelasjonsdata for et eksperiment med akseptable, reproduserbare korrelasjonsfunksjoner for hver temperatur i nærvær av påført spenning. Korrelasjonsfunksjonene til tre gjentatte kjøringer ved tre forskjellige temperaturer er plottet. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 6: DLS eksperimentoppsett ved hjelp av Gamry Potentiostat for å bruke konstant spenning på løsningen. Dette bildet viser ledningsoppsettet og generell montering av kretsene som kreves for dette systemet. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 7: Plott av pNIPAM partikkelstørrelse versus temperatur. Svarte linjer = brukt spenning, røde linjer = ingen spenning, firkantede datapunkter = oppvarmingstrend, trekantdatapunkter = kjøletrend. Uten påført spenning var LCST 30 °C under oppvarming og 24 °C under kjøling. Med påføringsspenning var LCST 26 °C under oppvarming, og ingen disaggregasjon ble observert under kjøling. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 8: Gjeldende data fra pNIPAM med oppvarming og kjøling. Den vertikale røde linjen ved 26 °C er LCST av pNIPAM hvor faseendringen observeres i DLS-dataene (figur 7). Den vertikale linjen ved 40 °C viser tiden da oppvarmingen ble fullført og kjøling ble initiert. X-aksen indikerer tid siden starten av eksperimentet, samt temperatur på ulike tidspunkter. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 9: Plott av p(NIPAM-b-FMMA) partikkelstørrelse versus temperatur. Svarte linjer = brukt spenning, røde linjer = ingen spenning, firkantede datapunkter = oppvarmingstrend, trekantdatapunkter = kjøletrend. Uten påført spenning var LCST 33 °C under oppvarming og 28 °C under kjøling. Med påføringsspenning var LCST 28 °C under oppvarming, og ingen disaggregasjon ble observert under kjøling. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 10: Gjeldende data fra p(NIPAM-b-FMMA) med oppvarming og kjøling. Den vertikale røde linjen ved 29 °C er like over LCST av p(NIPAM-b-FMMA) der faseendringen observeres i DLS-dataene (figur 9). X-aksen indikerer tid siden starten av eksperimentet, samt temperatur på ulike tidspunkter. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Figur 11: Dårlig tilkoblet krets som fører til feil i data i en pNIPAM-prøveversjon. DLS-dataene, avbildet til venstre, ligner på data fra studier uten spenning, noe som forklares av en frakoblet og ufullstendig krets. Denne teorien om en dårlig tilkoblet krets støttes av de spredte strømdataene, avbildet til høyre. Vennligst klikk her for å vise en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Bruk av spenning på enten pNIPAM- eller p(NIPAM-b-FMMA)-løsninger endret polymeraggregasjonsatferden som svar på temperatur. Med begge materialene, når en påført spenning var til stede, forble polymerenes volumstørrelse høy selv når løsningene ble avkjølt under LCST. Dette var et uventet resultat, da forsøkene uten spenning viste at polymerene vendte tilbake til sine opprinnelige størrelser. Disse eksperimentene tillater oss å konkludere med at for vårt temperaturområde, og med en påført spenning, er polymeraggregering ikke helt reversibel, uavhengig av elektroaktive monomerer lagt til pNIPAM.
Et annet interessant resultat kan sees ved videre inspeksjon av figur 9 og p(NIPAM-b-FMMA) LCST endringer. Uten spenning er den maksimale volumstørrelsen rundt 1000 nm, og aggregering er reversibel. Men med påført spenning er stabil agglomerasjon ca. 100 nm og ikke-reversibel. Dette ville indikere en ny stabil agglomerasjonstilstand dannet med påført spenning sammenlignet med fravær av spenning.
Den nåværende responsen fra den konstante anvendte spenningen kan også gi innsikt i aggregeringsrespons. Fordi filene er tidsstemplet, kan strømmen med relative temperaturendringer samsvares, selv om det ikke er lik avstand mellom temperatur og tid på grunn av automatisk optimalisering på hvert trinn basert på spredningsintensiteten og demging innstillingene i DLS. Våre data indikerer at strømmen øker med temperatur, og begynner deretter å avta umiddelbart etter at LCST er passert. Klare trender er forbundet med den omtrentlige tidspunktet for aggregering, som viser lav motstand i løsningen, noe som resulterer i mindre strøm. Under kjøling øker strømmen, men øker ikke så raskt som det gjorde under oppvarming. Gjeldende data legger til informasjon og mulig innsikt i polymeratferden.
Metodikken for å bruke en spenning på dynamiske lette spredning partikkelstørrelsedistribusjonsmålinger var vellykket. Forskjeller i polymeraggregasjonsatferd forbundet med partikkelstørrelsesfordelingsmålinger ble observert når en påført spenning var tilstede under en temperaturrampetrend sammenlignet med no-voltage-etuiet. Den observerte virkemåten var bare til stede når både en påført spenning og temperaturrampe ble brukt.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer ingen interessekonflikter.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å anerkjenne den økonomiske støtten fra NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131), og Hamel Center for Undergraduate Research ved UNH. Videre ønsker forfatterne å anerkjenne hjelp fra Darcy Fournier for hjelp til kabling og Scott Greenwood for tilgang til 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).
