Summary
Burada, gerilim ve sıcaklık değişikliklerinin polimer agregasyonu üzerindeki etkisini araştırmak amacıyla dinamik ışık saçılma parçacık boyutu ölçümleri sırasında çözeltiye gerilim uygulamak için bir protokol sunulmuştur.
Abstract
Dinamik ışık saçılımı (DLS), polimerlerin, proteinlerin ve diğer nano ve mikro partiküllerin boyut dağılımını karakterize etmek için yaygın bir yöntemdir. Modern enstrümantasyon zaman ve / veya sıcaklık bir fonksiyonu olarak parçacık boyutunun ölçümü izin verir, ancak şu anda uygulanan gerilim varlığında DLS parçacık boyutu dağıtım ölçümleri gerçekleştirmek için basit bir yöntem yoktur. Bu tür ölçümleri yapabilme yeteneği, algılama, yumuşak robotik ve enerji depolama gibi uygulamalar için elektroaktif, uyarıcı duyarlı polimerlerin geliştirilmesinde yararlı olacaktır. Burada, elektroaktif monomerler olan ve olmayan termoduyarlı polimerlerde agregasyon ve parçacık boyutundaki değişiklikleri gözlemlemek için DLS ile birleşen uygulamalı gerilim ve sıcaklık rampası kullanan bir teknik sunulmuştur. Bu deneylerde gözlenen toplama davranışındaki değişiklikler ancak gerilim ve sıcaklık kontrolünün kombine uygulaması ile mümkündür. Bu sonuçları elde etmek için, bir çözüme voltaj uygulamak için değiştirilmiş bir cuvette'ye bir potansiyostat bağlandı. Polimer partikül boyutundaki değişiklikler sabit gerilim varlığında DLS kullanılarak izlendi. Aynı anda, mevcut ve parçacık davranışı arasındaki ilişkiyi anlamak için parçacık boyutu verileriile karşılaştırılabilir mevcut veriler üretildi. Polimer poli(N-izopropilarilamid) (pNIPAM) bu teknik için bir test polimeri olarak görev yaptı, çünkü pNIPAM'ın sıcaklığa tepkisi iyi çalışılmıştır. Uygulanan gerilim varlığında elektrokimyasal olarak aktif blok kopolimer olanpNIPAMve poli(N-izopropilarilamid)- blok -poli (ferrocenylmethyl metakrilat) düşük kritik çözelti sıcaklığında (LCST) agregasyon davranışında değişiklikler gözlenir. Bu değişikliklerin arkasındaki mekanizmaların anlaşılması, uygulanan gerilim varlığında geri döndürülebilir polimer yapılar elde etmeye çalışırken önemli olacaktır.
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
Dinamik ışık saçılımı (DLS), çözelti1'dendağılmış ışığın yoğunluğundaki rastgele değişikliklerin kullanılmasıyla parçacık boyutunu belirleyen bir tekniktir. DLS, partikül boyutunu belirleyerek polimerlerin agregasyonunu ölçebilme yeteneğine sahiptir. Bu deney için, DLS düşük kritik çözelti sıcaklığı (LCST)2,3aşan göstergesi dir bir polimer agregalar gözlemlemek için kontrollü sıcaklık değişiklikleri ile birleştiğinde . LCST'nin altında homojen bir sıvı faz vardır; LCST üzerinde, polimer daha az çözünür hale gelir, agregalar, ve çözelti dışında yoğunlaşır. Elektrik alanının toplama davranışı ve LCST üzerindeki etkilerini gözlemlemek için dağılım alanına uygulamalı bir gerilim (yani uygulamalı potansiyel veya elektrik alanı) tanıtıldı. Parçacık boyutlandırma ölçümlerinde gerilimin uygulanması, parçacık davranışı ve sensörler, enerji depolama, ilaç dağıtım sistemleri, yumuşak robotik ve diğerleri alanlarındaki sonraki uygulamalar hakkında yeni bilgiler sağlar.
Bu protokolde iki örnek polimer kullanılmıştır. Poli(N-izopropilarilamid), veya pNIPAM, makromoleküler zincir4,5üzerinde hidrofilik amid grubu ve hidrofobik izopropil grubu içeren termal duyarlı polimerdir. pNIPAM gibi Termal duyarlı polimer malzemeler yaygın kontrollü ilaç salınımı, biyokimyasal ayırma ve kimyasal sensörler son yıllarda kullanılmaktadır3,4. PNIPAM'ın LCST literatür değeri 30-35 °C4civarındadır. pNIPAM genellikle elektrokimyasal olarak aktif değildir. Bu nedenle ikinci örnek polimer olarak polimere elektrokimyasal olarak aktif bir blok eklenmiştir. Özellikle, ferrocenylmetil metakrilat bir poli oluşturmak için kullanılmıştır(N-izopropilarilamid)-blok-poli (ferrocenylmethyl metakrilat) blok-kopolimer, veya p(NIPAM-b-FMMA)6,7. Her iki örnek polimerler kontrollü zincir uzunluğu8,9,10ile geri dönüşümlü ek parçalanma zinciri transfer polimerizasyonu ile sentezlendi. Elektrokimyasal olarak aktif olmayan polimer pNIPAM 100 mer saf pNIPAM olarak sentezlendi. Elektrokimyasal olarak aktif polimer olan p(NIPAM-b-FMMA) da %4 ferrocenylmethyl metakrilat (FMMA) ve %96 NIPAM içeren 100 mer zincir uzunluğundaydı.
Bu makalede, uygulanan gerilimin polimer agregasyonu üzerindeki etkisini inceleyen bir protokol ve metodoloji gösterilmiştir. Bu yöntem aynı zamanda protein katlama/açılma, protein-protein etkileşimleri ve elektrostatik yüklü parçacıkların birkaç isim aglomerasyonu gibi DLS'nin diğer uygulamalarına da genişletilebilir. Örnek, 1 V uygulanan alanın yokluğunda ve varlığında LCST'yi tanımlamak için 20 °C'den 40 °C'ye Kadar ısıtıldı. Daha sonra numune 40 °C'den 20 °C'ye kadar soğutularak histeretik veya denge etkilerini incelemek için uygulanan alanı bozmadan soğutuldu.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Örnek polimer preparatları
- pNIPAM polimer sentezi
NOT: Bu preparat 10 mL 1 g/L çözeltisi üretir ve bu da 3-4 deney için yeterlidir.- Schlenk hat aparatını hazırlayın. Soğuk kapan Dewar şişesi kuru buz ve aseton bir bulamaç ile dolu olduğundan emin olun, ya da mekanik bir soğutma tuzağı kullanılırsa, tuzak uygun bir sıcaklığa ulaşmış olduğundan emin olun.
- 50 mL yuvarlak alt şişede, 0.566 g N-izopropilarilamid (NIPAM) monomer, 0.016 g geri dönüşümlü ek parçalanma zinciri transfer polimerizasyonu (RAFT) maddesi (phthalimidomethyl butil trithiokarbonat), 0.0008 g 2,2-azobis(2-methylpropionitril) (AIBN) ve 10 mL 1,4-dineoxa ekleyin. Şişenin içine bir karıştırma çubuğu koy. Bir kauçuk septum ile şişe mühür, vinil bant ile sarın ve 1,4-dioksan monomerler eritin.
- Aşağıdaki gibi donma-pompa-çözülme degassing gerçekleştirin: Kuru buz ve metanol bir bulamaç içeren bir Dewar şişesi yuvarlak alt şişe batırarak çözelti dondurun. Tüm malzemeler dondurulduktan sonra, şişeyi 100 kPa'nın altındaki bir iç basınca boşaltmak için Schlenk hattının vakum manifoldunu kullanın. Şişeyi izole edin ve sıcak su kullanarak statik vakum altında çözülün. Schlenk hattının azot manifoldunu kullanarak şişeyi atmosfer basıncına geri döndürün.
- İç oksijen konsantrasyonu en aza indirmek için adım 1.1.3 üç kez tekrarlayın.
- Atmosfere basıncı dengelemek için çözeltiyi azotla dengeleyin. Karışımı bir yağ banyosu kullanarak 85 °C'ye ısıtın ve 200 rpm'de 36 saat karıştırın.
- 50 mL'lik bir kabın 40 mL'lik heksane ekleyin. Sonra heksane damlacık polimer karışımı ekleyin. PNIPAM beyaz flokkül olarak çökelti gerekir.
NOT: NIPAM monomer heksane çözünür, ancak pNIPAM heksane zayıf çözünürlüğe sahiptir. - Beyaz pNIPAM tozu toplamak için bir Büchner huni içine bulutlu karışımı dökün. 20 mL şişe için toz aktarın ve kalan çözücü kaldırmak için bir gecede bir vakum fırına koyun. İhtiyaç duyulana kadar oda sıcaklığında kapalı bir kapta saklayın.
- pNIPAM-blok-poli(ferrocenylmethyl metakrilat) blok-kopolimer (p(NIPAM-b-FMMA)) sentezi
NOT: Bu preparat 10 mL 1 g/L çözeltisi üretir ve bu da 3-4 deney için yeterlidir.- Schlenk hat aparatını hazırlayın. Soğuk kapan Dewar şişesi kuru buz ve aseton bir bulamaç ile dolu olduğundan emin olun, ya da mekanik bir soğutma tuzağı kullanılırsa, tuzak uygun bir sıcaklığa ulaşmış olduğundan emin olun.
- 50 mL yuvarlak alt şişede, 0.057g ferrocenylmethyl metakrilat (FMMA) monomer, 0.016 g RAFT ajanı, 0.0008 g AIBN ve 1,4-dioksan 10 mL ekleyin. Şişenin içine bir karıştırma çubuğu koy. Bir kauçuk septum ile şişe mühür, vinil bant ile sarın ve 1,4-dioksan monomerler eritin.
- Aşağıdaki gibi donma-pompa-çözülme degassing gerçekleştirin: Kuru buz ve metanol bir bulamaç içeren bir Dewar şişesi yuvarlak alt şişe batırarak çözelti dondurun. Tüm malzemeler dondurulduktan sonra, şişeyi 100 kPa'nın altındaki bir iç basınca boşaltmak için Schlenk hattının vakum manifoldunu kullanın. Şişeyi izole edin ve sıcak su kullanarak statik vakum altında çözülün. Schlenk hattının azot manifoldunu kullanarak şişeyi atmosfer basıncına geri döndürün.
- İç oksijen konsantrasyonu en aza indirmek için adım 1.2.3 üç kez tekrarlayın.
- Atmosfere basıncı dengelemek için çözeltiyi azotla dengeleyin. Karışımı bir yağ banyosu kullanarak 85 °C'ye ısıtın ve 10 saat karıştırın.
- 0,543 g NIPAM ve 0,0002 g AIBN'i 1,4-dioksan 3 mL'ye çözün. Azot altında şişeiçine çözelti ekleyin ve 30 dk. Bir yağ banyosu kullanarak 85 °C karışımı ısıtın ve başka bir 36 saat için 200 rpm karıştırın.
- 50 mL'lik bir kabına 40 mL heksane ekleyin. Sonra heksane damlacık polimer karışımı ekleyin. FMMA monomer koyu sarı renk te olduğu için p(NIPAM-b-FMMA) kahverengi toz olarak çökelmelidir.
NOT: NIPAM ve FMMA monomerleri heksandende çözünür, ancak p(NIPAM-b-FMMA) heksandende zayıf çözünürlüğe sahiptir. - Kahverengi p(NIPAM-b-FMMA) tozunu toplamak için sarı bulutlu karışımı bir Büchner hunisine dökün. 20 mL'lik bir şişeye tozu aktarın ve kalan çözücüleri çıkarmak için bir gecede vakum lu fırına koyun. İhtiyaç duyulana kadar oda sıcaklığında kapalı bir kapta saklayın.
2. DLS numune ve cuvette hazırlama
NOT: Bu bölümde uygulamalı gerilim için cuvette ve DLS ölçümleri için örnek hazırlanır.
- Ölçü 10 polimer tozu mg ve filtrelenmiş deiyonize (DI) su 10 mL içinde çözünür. Karışımı bir gecede buzdolabına koyun. Deneye başlamaya hazır olduğunuzda, örneği buzda tutun.
NOT: Bu deneylerde kullanılan polimer konsantrasyonu 1 g/L idi, ancak her numune için en uygun konsantrasyon aralığı benzersiz olacaktır. Ayrıca, en iyi uygulama test için hazır olana kadar LCST altında polimer tutmaktır. - 6,3 mm x 7 cm tek taraflı bakır banttan iki parça kesin(Şekil 1). Her parçayı DLS örnek cuvette'nin iç tarafının zıt taraflarına yapıştırmak için cımbız kullanın. Bandın alt kısmı cuvette'nin altına yaklaşmalıdır. Bakır bantın kenarlarını cuvette'nin üst kısmında katlayın. İyi bir elektrik teması sağlamak için bakır bandın numune nin üstüne yakın olduğundan/sarılmış olduğundan emin olun. Ayrıca bakır bandın Zeta potansiyel ölçümleri için kullanılan DLS ekipmanı ile ilişkili metal kontaklara bağlanmadığından emin olun.
- Cuvette'yi di suyuyla üç kez yıkayın, sonra fazla suyu Kimwipe ile azmlayın.
3. DLS alet kontrolleri ve kurulumu
NOT: Her DLS denemesini çalıştırmadan önce tamamlanması için üç denetim önerilir: (1) boş su çözeltisi; (2) bir boyut standardı; (3) bir sıcaklık rampası veya uygulanan gerilim başlamadan önce polimer ölçümü. Numune hazırlama, ayarları seçme ve örnek ve veri kalitesini niçin değerlendirme konusunda rehberlik için çalışmadan önce lütfen araç kılavuzuna başvurun.
- 1,5 mL filtrelenmiş çözücünün cuvette aktarılması. DI suyu kullanın.
- Cuvette'yi cuvette tutucuya yerleştirin, cuvette'nin üstündeki küçük okun cuvette tutucuyla hizalanmasını sağlar. Kapağı kapat.
- Zetasizer yazılımı içinde araç çubuğunda Ölçü'yi seçin. Kontroller için manuel ölçümler ayarlandı. Sıcaklığı deneysel başlangıç noktasına ayarlayın. Bu deney için 20 °C'yi seçin.
- Pencerenin altındaki metin diyor, Ekle hücresi ve hazır olduğunda başlat tuşuna basın,ekranın üst kısmındayeşil üçgen başlat düğmesine basın diyor. Bu deney başlar ve cuvette tutucu bundan sonra açılmamalıdır.
- Gerçek zamanlı sonuçları gözlemlemek için Çoklu görünüm sekmesine tıklayın. Sayım oranını ve korelasyon fonksiyonunu gözlemleyerek numune ve veri kalitesini sürekli olarak izleyin. Bu örnek sadece çözücü olduğundan, parçacıkların varlığına karşılık gelen net bir sinyal gözlenmemelidir.
- Cuvette standart bir çözüm iki damla ekleyin veya sadece su kontrolü kullanın ve adımları 3.2-3.6 tekrarlayın. Bu deney için 20 nm NIST izlenebilir polistiren boyut standardı kullanın.
NOT: Su veya standart çözüm denetimi çalışırsa, beklenen sonuçlarla tutarsız veriler gösterin, hatayı giderin ve denetimler beklendiği gibi okunana kadar yineleyin. - Cuvette durulayın ve filtrelenmiş polimer / test çözeltisi ekleyin. Adımları 3.2-3.5'i tekrarlayın. İlk test çözeltisinin net bir ölçümü gözlenmelidir. Bir taban çizgisi ölçümü için herhangi bir sıcaklık rampası veya uygulanan gerilimden önce bunu yapmanız önerilir.
4. DLS SOP kurulumu
NOT: Bu bölüm özellikle bir Malvern Zetasizer NanoZS DLS cihazının sıcaklık rampası işlemini ifade eder. Deneylere başlamadan önce, hücre seçimi, numune hazırlama, ölçüm ayarlarını seçme ve örnek ve veri kalitesini niçin değerlendirme konusunda rehberlik için kapsamlı olarak araç kılavuzuna başvurmanız önemle tavsiye edilir.
- Zetasizer yazılımı (sürüm 7.11) içinde, Dosya'yıseçin, ardından yeni bir SOP kurmak için Yeni'yi tıklatın (Şekil 2).
- Eğilim > Sıcaklık > Boyut 'useçmek için Ölçüm türünü tıklatın.
- Malzeme'de,uygun malzeme yi ve kırılma indeksini seçin. Bu deney için Protein'i ve 1,450'lik kırılma indisi(RI)'yi seçin. Hacim dağılımının daha doğru hesaplanması için kırılma indisi için kesin değerler isteniyorsa, deneyci numunelerinin kırılma indeksini deneysel olarak belirlemelidir.
- Dispersant,uygun çözücü seçin. Bu deneyde çözücü olarak Su'yı seçin.
- Hücre'dekullanılan cuvette'yi seçin. Bu deney için Tek Kullanımlık cuvettes (DTS0012) kullanın.
- Sırayla, Başlangıç sıcaklığı nı ve Bitiş sıcaklığınıayarlayın. Isıtma deneyleri için Başlangıç sıcaklığını 20 °C olarak ayarlayın ve Bitiş sıcaklığını 40 °C olarak ayarlayın. Soğutma deneyleri için tam tersini seçin. Başlangıç sıcaklığı kutusuna Dönüş kutusunun işaretlerini kaldırın.
- Her sıcaklık adımı değişikliği için bir aralık seçin. Bu deneyler için 1,5 °C'yi seçin.
- Boyut ölçümünde, Denge süresiniayarlayın. Bu denemeler için süreyi 120 s. Ölçüm sayısını seçin. Ölçüm süresi için 3 ölçüm ve Otomatik seçin.
- SOP'u kaydedin ve dosyayı kapatın.
- Uygulanan gerilim kullanılacaksa, devam etmeden önce potansiyostat(Bölüm 5)ayarlayın.
- Potansiyostat kurulduktan veya uygulanan voltaj kullanılmazsa, Zetasizer yazılımına dönün ve araç çubuğunda Ölçü'ye tıklayın ve Ardından SOP'u Başlat'ıtıklatın.
- SOP penceresinin altındaki metin der ki, Hücre Ekle ve hazır olduğunda başlat düğmesine basın,ekranın üst kısmındaki yeşil üçgen başlat düğmesine basın. Bu deney başlar ve cuvette tutucu bundan sonra açılmamalıdır.
- Gerçek zamanlı sonuçları gözlemlemek için Çoklu görünüm sekmesine tıklayın. Sayım oranını ve korelasyon fonksiyonunu gözlemleyerek numune ve veri kalitesini sürekli olarak izleyin. Temsili deneysel sonuçlar için Şekil 3-5'e bakınız.
5. Potentiostat Kurulumu
NOT: Verileri zaman senkronize etmek ve daha sonra değerlendirmeyi kolaylaştırmak için parçacık boyutu ve uygulanan voltaj işlemleri için aynı bilgisayarın kullanılması önerilir. Kablolama kurulumu, yazılım danışmanlığı ve uygun parametrelerin seçilmesi konusunda rehberlik için lütfen uygulanan gerilim aleti kılavuzlarına başvurun. Bu deneylerde bir Gamry potentiostat kullanılmıştır.
- DLS cuvette tutucu alanının sağ üst kenarındaki küçük yarıktan sığacak kadar ince iki kablo hazırlayın(Şekil 6). Hazırlanan telin bir ucunda, potansiyostat bağlantısı sağlamak için yalıtımı sıyırın. Karşı uçta, lehim tel kısa bir timsah kelepçe ve cuvette bağlayın. DLS örnek kapağının kapalı olduğundan emin olun.
- Beyaz referans potentiostat kurşun ve kırmızı sayaç potansiyostat birlikte hazırlanan tellerin birine kurşun kelepçe. Clamp yeşil çalışma potentiostat kurşun ve mavi çalışma duygusu potentiostat diğer hazırlanan tel yol. Bu deney için, turuncu sayaç duygusu ve siyah zemin potentiostat yol kullanmayın ve onları yüzen bırakın. Devrenin kısa olmaması için, bu kablolar başka bir kurşun veya iletken yüzeye dokunmamalıdır.
NOT: Her kurşunun hangi tarafa bağlı olduğu önemli değildir. - Yazılım araç çubuğu içinde, Deney'etıklayın, ardından E Fiziksel Elektrokimyaseçeneğini tıklatın ve Chronoamperometri'yiseçin. Bu protokolün amaçları için, zaman içinde ölçülen akım tepkisi ile tek bir gerilim uygulayarak basit bir uygulamalı voltaj kullanın (yani, kronoformetre). Özel elektrokimyasal metodolojine bakılmaksızın, zaman içinde sistem yanıtının izlenmesi önerilir.
- Ön adım, Adım 1ve Adım 2 Voltaj vs Referansayarlayın. Bu tüm alan / cuvette genelinde uygulanan gerilim olacaktır. Her üç adım için voltajı 1 V vs Referans olarak ayarlayın.
- Ön adım Gecikme SüresiniAyarlayın. Bu deneyler için, bir sinyal kaydetmeden önce sistemin istenilen voltajda kararlı olduğundan emin olmak için 0,5 s ayarlayın.
- Hem Adım 1 Hem de Adım 2 Zamanıiçin zamanı ayarlayın. Bu, gerilimin ne kadar süre uygulanacağını kontrol eder. Uygulanan gerilimin DLS deneyi boyunca devam edeceğinden emin olmak için her ikisini de 14.400 s olarak ayarlayın.
- Örnek DönemAyarla. Bu, grafiğin akım ve gerilim değerlerini ne sıklıkta okuyup kaydedeceğidir. Bu deneyde 10.0 s kullanın.
NOT: Burada sunulan veriler için diğer ayarlar önemli değildir. Sistemdeki varsayılan değerler kullanıldı.
- Tamam'ıtıklatın. Üst araç çubuğu, voltajuygulandığını gösteren bir Etkin işareti görüntüler. Akım ılımlı bir yanıt vermeli (μA), ve potansiyostat aşırı değil. Sinyal veya aşırı sinyal gözlenmezse, sistem yanlış bağlanabilir ve bu nedenle, hatayı giderin ve beklenen akım gözlemlenene kadar yineleyin.
- DLS SOP'u başlatmak için adım 4.10'a dönün.
6. Veri analizi
NOT: Bu bölümde elde edilen verileri anlamak için ön analiz ayrıntılı olarak bilgi.
- Verileri tercih edilen veri analizi ve grafik yazılımına aktarın.
- Belirli bir sıcaklıktaki bir dizi ölçüm de her çalışma için, en büyük hacim yüzdesi ile tepenin parçacık hacim boyutunu belirleyin.
- Belirli bir sıcaklıkta kaydedilen üç ölçüm üzerinde hacim boyutunun ortalama ve standart sapmasını hesaplayın.
- Her deney için, y ekseninde ortalama boyut ± standart sapmayı x eksenindeki (doğrusal ölçek) sıcaklıkla karşı karşıya bırakın.
- Analiz için Gamry akım verilerini içe aktarın. Y ekseninde x ekseninde zaman ve (mikroamlar halinde) zaman ile akım verileri çizin.
- Mevcut verileri parçacık boyutu verileriyle ilişkilendirmek için, Zetasizer verilerinin zaman damgasını Gamry geçerli zaman damgası ile karşılaştırın. İki veri türü aynı bilgisayardan toplanırsa bu mümkündür. Aksi takdirde, kaydedilen süreleri mümkün olduğunca iyi eşleştirin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sıcaklık rampasındaki her bir çalıştırmanın gerçek zamanlı dosya çıktısı Şekil 3'tegörüldüğü gibi bir tablo olarak sunulur. Her kayıt, hacim boyutunu(Şekil 4) ve korelasyon katsayısını (Şekil 5)görmek için bağımsız olarak seçilebilir. Hacim parçacık boyutu dağılımı (PSD) genel dağılımı ve LCST'yi yorumlamak için en doğru veridir, ancak analizden herhangi bir noktanın dışlanması gerekip gerekip gerekmediğini belirlemek için veri kalitesi korelasyon grafiği(Şekil 5)ile değerlendirilmelidir. Genel olarak düzgün bir eğriye sahip korelasyon grafikleri(Şekil 5),analizde dışlanma için düzgün olmayan grafiklerin veya düşük kaliteli verilerin dikkate alınması gereken kaliteli olarak kabul edilir. 24.5 °C'deki eğrilerin eğrilerde bazı tümsekleri ve küçük zirveleri vardır, ancak bu polimer toplamadaki hızlı değişime bağlanabilir ve bu nedenle bu veriler eklenmiştir. Bu, modifiye sistemimizde gerilim varlığında toplanan DLS verilerinin normal DLS verilerine eşdeğer kalitede olduğunu doğrular.
Şekil 7'de (kırmızı çizgiler) görüldüğü gibi, pNIPAM 30 °C'de bir LCST sergiledi, literatürde tanımlanan değerlere yakın bir sıcaklık4. Gerilim olmadan, pNIPAM test edilen sıcaklık aralığında biraraya getirebildi ve orijinal boyutuna geri döndü ve beklenen geri dönüşleri gösteriyordu. Gerilim(Şekil 7, siyah çizgiler) ile pNIPAM çözünür olmaktan 2000 nm boyutuna, daha sonra soğutma sırasında yaklaşık 1000 nm boyutuna düşürüldü, orijinal çözünür duruma geri dönmeyen gitti. Şekil 8, pNIPAM'dan alınan akım verilerini, uygulanan gerilim ve ısıtma ve soğutma deneyleriyle Şekil 7'ye (siyah çizgiler) karşılık gelen verileri göstermektedir. 26 °C'deki dikey kırmızı çizgi, DLS ile faz değişiminin gözlendiği pNIPAM'ın önemli bir geçiş noktasıdır. 40 °C'deki dikey çizgi, soğutma döngüsünden önce ölçümümüzdeki maksimum sıcaklığı gösterir.
Şekil 9'da (kırmızı çizgiler) görüldüğü gibi, elektroaktif FMMA blok içeren p(NIPAM-b-FMMA) polimeri 33 °C'de bir LCST sergiledi. Gerilim olmadan, p(NIPAM-b-FMMA) toklama ve ayrıştırma başardı, orijinal boyutuna geri döndü. Gerilim(Şekil 9, siyah çizgiler) ile p(NIPAM-b-FMMA) LCST'si 28 °C'ye kaymıştır. Yine uygulanan gerilim ile p(NIPAM-b-FMMA) soğutma döngüsü sırasında sönemedi ve orijinal boyutuna geri dönemedi. Şekil 10, uygulanan gerilim ve ısıtma ve soğutma deneylerinin Şekil 9'a (siyah çizgiler) karşılık gelen p(NIPAM-b-FMMA) akım verilerini göstermektedir. 28 °C'deki dikey kırmızı çizgi, DLS ile gözlenen faz değişiminin hemen üzerindedir. 40 °C'deki dikey çizgi soğutmadan önce ölçümümüzde maksimum sıcaklıktadır.
Uygulanan gerilimden gelen akım tepki verilerinin değerlendirilmesi, boyut yanıtının anlaşılması için çok önemlidir. Akım dikkatle izlenmezse, veriler yanlış yorumlanır ve potansiyel olarak yanlış anlaşılır. Şekil 11'degösterilen bir çalışmada, kazara kısa devre sonucu voltaj kesilip çıkar. Kısa devre sonucunda gerilim sadece rastgele ve düzensiz olarak uygulandı ve bu da gerilimsiz duruma daha benzer bir eğilimle sonuçlandı.
Şekil 1: Tek kullanımlık DLS cuvettes uygulanan gerilim için izin vermek için yanlara bakır bant ekleyerek modifiye. Bakır bant dibe kadar uzanır ve iyi bir bağlantı sağlamak için üst sarılır. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Dizi kurulumu, boyut ölçüm özellikleri ve eğilim ayarlama yordamları da dahil olmak üzere DLS SOP kurulumunun ekran görüntüsü. Burada gösterilen ekran, verilerin diğer tüm, daha spesifik yönlerinin ve alt sayfalarının gözlemlenebileceği bir ana sayfa görevi görür. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Zetasizer yazılımında veri toplamanın kayıt görünümü örneği. Bu kayıtlar yoğunluk, hacim boyutu, korelasyon verileri ve veri kalitesi gibi faktörlerin derinlemesine ölçümlerini içerir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: 31 °C pNIPAM'de 1 V uygulamalı gerilim ile tek bir ölçüm için hacim parçacık boyutu dağılımı (PSD). Bu ekrana, kayıt görünümü sekmesinde(Şekil 4)bulunan istenilen veri noktası seçilerek erişilebilir ve ayrıntılı boyutlandırma bilgileri sağlar. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Uygulanan gerilim varlığında her sıcaklık için kabul edilebilir, tekrarlanabilir korelasyon fonksiyonları ile bir deneyin korelasyon verileri. Üç farklı sıcaklıkta tekrarlanan üç çalıştırmanın korelasyon fonksiyonları çizilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: Çözeltiye sabit voltaj uygulamak için Gamry Potentiostat'ı kullanan DLS deney kurulumu. Bu resim, bu sistem için gerekli olan devrenin kablo kurulum ve genel montajını göstermektedir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: PNIPAM partikül boyutunun sıcaklık la karşı şezvesinin çizimi. Siyah çizgiler = uygulanan gerilim, kırmızı çizgiler = gerilim yok, kare veri noktaları = ısıtma trendi, üçgen veri noktaları = soğutma eğilimi. Uygulamalı gerilim olmadan, LCST ısıtma sırasında 30 °C, soğutma sırasında 24 °C idi. Uygulamalı gerilim ile ısıtma sırasında LCST 26 °C idi ve soğutma sırasında ayrışma gözlenmedi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: ısıtma ve soğutma ile pNIPAM akım verileri. 26 °C'deki dikey kırmızı çizgi, DLS verilerinde faz değişiminin gözlendiği pNIPAM'ın LCST'sidir (Şekil 7). 40 °C'deki dikey hat, ısıtmanın tamamlandığı ve soğutmanın başlatıldığı zamanı gösterir. X ekseni, deneyin başlangıcından bu yana geçen süreyi ve çeşitli zaman noktalarındaki sıcaklığı gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: P(NIPAM-b-FMMA) partikül boyutunun sıcaklık karşıtlığı. Siyah çizgiler = uygulanan gerilim, kırmızı çizgiler = gerilim yok, kare veri noktaları = ısıtma trendi, üçgen veri noktaları = soğutma eğilimi. Uygulamalı gerilim olmadan, LCST ısıtma sırasında 33 °C, soğutma sırasında 28 °C idi. Uygulamalı gerilim ile ısıtma sırasında LCST 28 °C idi ve soğutma sırasında ayrışma gözlenmedi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10: Isıtma ve soğutma ile p(NIPAM-b-FMMA) akım verileri. 29 °C'deki dikey kırmızı çizgi, DLS verilerinde faz değişiminin gözlendiği p(NIPAM-b-FMMA) LCST'sinin hemen üzerindedir (Şekil 9). X ekseni, deneyin başlangıcından bu yana geçen süreyi ve çeşitli zaman noktalarındaki sıcaklığı gösterir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 11: PNIPAM denemesinde verilerde hataya yol açan kötü bağlanmış devre. Soldaki resimde resmedilen DLS verileri, bağlantısız ve eksik bir devre yle açıklanan gerilimsiz denemelerden elde edilen verilere benzer. Bu kötü bağlı devre teorisi, sağdaki resimde bulunan dağınık akım verileriyle desteklenir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
PNIPAM veya p(NIPAM-b-FMMA) çözeltilerine gerilim uygulanması, polimer toplama davranışını sıcaklığa göre değiştirdi. Her iki malzemede de, uygulamalı bir gerilim mevcutolduğunda, çözeltiler LCST'lerinin altında soğutulsa bile polimerlerin hacim boyutu yüksek kalmıştır. Bu beklenmeyen bir sonuçoldu, çünkü voltajsız denemeler polimerlerin orijinal boyutlarına geri döndüğünü gösterdi. Bu deneyler, sıcaklık aralığımız için ve uygulanan bir gerilimle, pNIPAM'a eklenen elektroaktif monomerlerden bağımsız olarak polimer agregasyonunun tamamen geri döndürülemez olduğu sonucuna varmamızı sağlar.
Şekil 9 ve p(NIPAM-b-FMMA) LCST değişikliklerinin daha fazla incelenmesinde bir başka ilginç sonuç da görülebilir. Gerilim olmadan, maksimum hacim boyutu 1000 nm civarındadır ve toplama geri döndürülebilir. Ancak, uygulanan gerilim ile, kararlı aglomerasyon yaklaşık 100 nm ve geri dönüşümlü değildir. Bu, gerilim yokluğuna göre uygulanan gerilimle oluşan yeni bir kararlı aglomerasyon durumunu gösterir.
Sabit uygulanan gerilimden gelen akım tepkisi de toplama tepkisi ne kadar içgörüsağlayabilirse. Dosyalar zaman damgalı olduğundan, sıcaklıkta göreceli değişikliklere sahip akım eşleşebilir, ancak her adımda saçılma yoğunluğu ve zayıflamasına bağlı olarak otomatik optimizasyon nedeniyle sıcaklık ve zaman arasında eşit aralık yoktur. DLS ayarları. Verilerimiz sıcaklıkla birlikte akım artışlarını gösterir, lcst geçtikten hemen sonra azalmaya başlar. Net eğilimler, yaklaşık toplama süresiyle ilişkilidir ve çözeltide düşük direnç gösterir ve bu da daha az akım sağlar. Soğutma sırasında akım artar, ancak ısıtma sırasında olduğu kadar hızlı artmaz. Mevcut veriler, polimer davranışına bilgi ve olası içgörü ekler.
Dinamik ışık saçılımı parçacık boyutu dağılım ölçümlerine gerilim uygulama metodolojisi başarılı oldu. Bir sıcaklık rampası trendi sırasında gerilimsiz kasaya göre uygulanan bir gerilim infilak etmesi sırasında parçacık boyutu dağılım ölçümleri ile ilişkili polimer agregasyon davranışındaki farklılıklar gözlenmiştir. Gözlenen davranış sadece uygulanan voltaj ve sıcaklık rampası kullanıldığında mevcuttu.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarlar çıkar çatışması beyan etmezler.
Acknowledgments
Yazarlar NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM1113131) ve UNH'daki Hamel Lisans Araştırma Merkezi'nden gelen mali desteği kabul etmek isterler. Ayrıca, yazarlar DLS erişim için kablolama ve Scott Greenwood yardım için Darcy Fournier yardım tanımak istiyorum.
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).
