Konkav-gözenek PDMS Boncuk mikro-Fabrikasyon

Özet

Mikro yapılı içbükey gözenekliliğe sahip polidimetilsiloksan boncukları oluşturmak için kullanılan prosedürler sunulmuştur. Elektrolit konsantrasyonunun ve kimliğinin sulu faz içindeki etkileri özellikle vurgulanmaktadır.

Özet

Mikro kabarcık üretimi (ince bir emülsiyon kullanılarak), polimer malzemelerin yüzey alanı-hacim (SAV) oranını artırmak için bir araç sağlar, bu da özellikle ayırma uygulamaları için yararlıdır. Gözenekli polidimetilsiloksan (PDMS) boncukları, sulu ve alifatik fazlar arasındaki arayüzün polimerin morfolojisini şekillendirmesine izin veren böyle bir emülsiyonun ısıyla kürlenmesiyle üretilebilir. Burada açıklanan prosedürlerde, hem polimer hem de çapraz bağlayıcı (trietoksisilan) bir soğuk banyo sonikatöründe birlikte sonikleştirilir. Bir çapraz bağlama periyodundan sonra, emülsiyonlar, emülsiyonun sulu fazının ayrılmasına ve gözenekli polimer boncuklar oluşturmasına izin vererek, sıcak bir yüzey aktif madde çözeltisine damla damla eklenir. Emülsiyondaki sulu fazın elektrolit içeriğini ayarlayarak bu yöntemin ayarlanabileceğini ve SAV oranının optimize edilebileceğini gösteriyoruz. Bu şekilde üretilen boncuklar taramalı elektron mikroskobu ile görüntülenir ve temsili SAV oranları Brunauer-Emmett-Teller (BET) analizi kullanılarak belirlenir. Elektrolit kimliği ile önemli ölçüde değişkenlik gözlenir, ancak genel eğilim tutarlıdır: belirli bir konsantrasyonda elde edilen SAV'de bir maksimum vardır, bundan sonra gözeneklilik belirgin şekilde azalır.

Giriş

Polidimetilsiloksan (PDMS), en yaygın kullanılan silikon bileşiklerinden biridir. Biyouyumluluğu, implant ve diğer biyomedikal mühendislik yapılarında yaygın kullanıma yol açmıştır^1,2. Bir organosilil bileşiği (trietoksisilan gibi) kullanılarak elastik yapılara önemsiz bir şekilde çapraz bağlanır, bu da onu bir miktar esnekliğin gerekli olduğu dökme polimer uygulamaları için kullanışlı hale getiren basit ve güvenilir bir prosedürdür³. Çapraz bağlandıktan sonra, PDMS, özellikle biyolojik koşullarda büyük ölçüde inerttir ve bu nedenle çeşitli gıda ve tıbbi uygulamalar için yararlıdır^4,5. Döküm kolaylığı, kimyasal inertlik ve hidrofobiklik, onu mikroakışkan cihazlar için doğal bir seçim haline getirmiştir^6,7. Halojenlenmemiş, polar olmayan organik bileşiklere olan afinitesi, onu ayırma kimyası^8-10'da popüler bir durağan faz haline getirmiştir.

Son zamanlarda, katalizör yapısal substratları olarak veya kimyasal ayırmalarda kullanılmak üzere gözenekli boncuklar oluşturmak için mikro kabarcık fabrikasyonları kullanılmıştır^11,12. Her iki uygulamada da ideal malzemeler, en iyi verimlilik için maksimum yüzey alanı-hacim (SAV) oranına sahip olacaktır. Bir mikro kabarcık üretim sürecinde, malzemelerin mikro yapılandırılması tipik olarak, polimerin sulu sürekli bir fazda emülsifikasyon yoluyla alifatik "mikro kabarcıklar" içinde izole edilmesiyle gerçekleştirilir. Mikro gözenekli PDMS boncuklarının ilk raporu, bunları iki fazın (alifatik ve sulu) mekanik emülsifikasyonu ile ^üretti13. Stok PDMS sıvısı (ve çapraz bağlama maddesi), (sürekli) sulu faz içinde kavitasyona zorlanarak mikroskobik boncuklar halinde yapılandırılan alifatik faz içinde çözülür. Emülsifikasyon, iyonik olmayan bir yüzey aktif maddenin eklenmesiyle stabilize edilir. Emülsiyon, ısıtılmış bir banyoya damla damla eklendiğinde, mikro kabarcıkların çapraz bağlı PDMS'nin küçük küreleri kümeleri halinde topaklanmasıyla katı boncuklar oluşur. Bu protokoldeki amacımız, malzemenin SAV oranını iyileştirmek için ters gözenekliliğe sahip boncuklar geliştirmek için bu prosedürü değiştirmektir.

Daha önce bildirildiği gibi, boncukların kontrolü, emülsiyondaki alifatik: sulu oranlar tarafından bir dereceye kadar yönlendirilebilir. Bununla birlikte, son zamanlarda platin (IV) klorür (PtCl₄) ilavesinin gözenekliliği tersine çevirdiğini bildirdik: PDMS'nin içbükey gözenekler¹⁴ ile delik deşik olduğu malzemeler oluşur. Bu, orijinal çalışmada¹³ yayınlananlara benzer alifatik: sulu oranlara sahip olmasına rağmen, sulu tabakanın alifatik olanın içinde kavitasyon yaptığını gösterir. Yöntemimizin birincil avantajı, bu içbükey gözenekliliğin doğal olarak artan bir SAV oranı ile sonuçlanması ve böylece analitik kimya uygulamaları için verimliliğin artmasıdır. Platin bileşiğinin eklenmesinin spesifik etkilerini keşfetmeye devam ederken, burada aynı etkinin, belki de azaltılmış bir ölçüde olsa da, suda çözünen herhangi bir iyonik bileşik kullanılarak gerçekleştirilebileceğini gösteriyoruz. Tekniklerimiz daha önce bildirilenlerden bazı önemli yönlerden farklı olduğundan, başkalarını yöntemlerimizi genişletmeye teşvik etmek için protokollerimizi burada bir video olarak sunuyoruz. En önemlisi, mikro kabarcık imalatında sıklıkla kullanılan (önemli ölçüde daha pahalı) prob sonikatörü yerine, cam eşyaları veya diğer ekipmanları temizlemek için kullanılan tipte ortak bir banyo sonikatörü kullanıyoruz. Mikro kabarcık üretim prosedürüne yönelik bu düzeltilmiş yaklaşım, biyomedikal cihazlar, havacılık ve otomotiv endüstrisi veya kimyasal kataliz için substratlar için uygulamalara sahip olabilecek gözenekli levhalar veya levhalar oluşturarak, büyük miktarlarda dökme malzemelerin üretimi için de potansiyel olarak genişletilebilir. Bu tür analizler için diğer benzer polimerleri kullanarak yüksek SAV oranlı, mikro yapılı malzemeler üretmek isteyen kullanıcılar, protokollerimizin mikro kabarcık emülsiyon tekniğinin uygulanabileceği herhangi bir polimere genişletilebileceğini görebilirler.

Protokol

Emülsiyon hazırlanması 1.

1. Emülsiyon İçerik
   1. Kütle tuzunun, uygun bir miktar 0,03-M çözelti 10 ml üretmek. Platin (IV) klorür ölçüsü 0,101 g, çinko (II) klorid _(ZnCl2) ölçüsü 0,032 g ve sodyum klorür (NaCl) ölçüsü 0,018 g için.
   2. Ayrı ayrı test tüpleri içinde, DI 10 ml su her bir tuzu çözülür. Daha sonra kullanmak üzere bir kenara koyun.
   3. Bu işlem boyunca içeriği için bir 20-ml kapatılabilir Cam şişe kullanın. Cam şişeye bir denge Dara.
   4. Yavaş bir karıştırma çubuğu tekrar sıfırlanmış ölçekte dinlenme bir cam şişe içine dökülerek, vinil-sonlu polidimetilsiloksan tartılır. (1,080 ml eşdeğer) 1.02 g tartılır.
      NOT: Bu polimerin yüksek viskoziteli pipetleme uygulanamaz hale getirir.
   5. Pipet şişeye n-Heptan 1,02 mi. Şişeye iyonik olmayan yüzey aktif madde (sorbitan monooleat olabilir) 2 damla ekleyin. Pipet tuzu çözeltisinin 0,3 ml şişeye DI su 0.45 ml.
   6. Sıkıca kapağı vidalama cam şişe Seal. Sonikasyon başlamadan önce emülsiyon başlatmak için 60 saniye boyunca kuvvetlice çalkalayın.
2. Su banyosu Sonikatör Aparatı İnşaatı
   1. Minimum doldurma çizgisine kadar su ile sonikatör doldurun. 400 ml'lik bir deney şişesine musluk suyu 250 ml ilave edilir. Su seviyesi sadece RIM böylece buz ile 400 ml beher doldurun.
   2. Su banyosu sonikatör içinde bu behere koyun. Sonikatöre dolgu hattı, gerekirse ayarlama edin. Bir halka su banyosu sonikatör hemen yanında durmak yerleştirin.
   3. Bir kol dışarı uzatılmış, böylece iki yüzük, kelepçeler durmak onları konumlandırmak kullanarak, halka dik durmak ve buzlu su ile dolu beher içine aşağıya bakacak şekilde diğeri su banyosu doğru uzatılır. Sıcaklık sonikasyon boyunca izlenebilir ve böylece halka bir kelepçe aşağı 400 ml'lik bir behere bir termometre ile öne takın.
3. Emülsiyonlaştırıcılarication Prosedürü
   1. Tam beher içine çıkıntı yapan ve kelepçe içine sabitleyerek 400 ml'lik bir behere daldırılır ve böylece emülsiyon ihtiva eden şişe yerleştirin.
   2. PDMS karışımı içeren cam şişe sürtünmeden kaynaklanan ısının ortadan kaldırmak için beherin tarafları dokunmadan olmadığından emin olun.
   3. Sonikatöre açın ve 7 dakika sonication süresini ayarlayın. Emülsiyon ait ısıya karşı hassas olduğundan, beher içinde sıcaklığı 0 ° C ila 5 sonikasyon boyunca olduğundan emin olun. Beher içindeki sıcaklık arzu edilir bir kez sonikasyon başlatın.
   4. Sonikasyon 7 dakika sonra, emülsiyon içindeki oluşturacağı kümeleri ortadan kaldırmak için şişenin üst tutarak 1 dakika / girdap yavaşça çalkalayın flakon kaldırıp.
   5. Beher içeriğinin atınız. 250 ml su ilave ediniz ve 1 cm mesafede olan dolgu beherin üstünü buz eklenir.
   6. Geri kelepçe flakon yerleştirin. Resum buz su altında daldırın7 dakika için sonikasyon e.
   7. Yineleyin sekiz, 7 dakikalık sonication dönemleri olmak üzere toplam 1.3.6 için 1.3.3 adımları veya sonikasyon homojen görünüyor ve hiçbir kümeleri mevcut olana kadar. Oda sıcaklığında saklayın.
      Not: emülsiyonlaştırıcı birkaç gün stabil olması gerekir, ama homojen görünene kadar 7 dakikalık aralıklarla yukarıda sonikasyon ile geri kazanılabilir. Oda sıcaklığında saklayın.

2. Çapraz bağlama

1. Trietoksisilan / yüzey aktif madde çözeltisinin eklenmesi için kurulum
   1. Pipet 5.4 ml bir test tüpüne trietoksisilan. Daha sonra kullanılmak üzere kaputun altında bir test tüpü rafta yerleştirin.
   2. Buzlu su ile 400 ml'lik beher doldurun ve kaputun altına yerleştirin. Sonraki halka bağlı bir kelepçe ile ayakta 400 ml beher yere, beher açılması üzerine doğrudan genişletilmiş. Bu trietoksisilan eklenmesi için buz banyosu olacaktır.
   3. Halka destekle diğer tarafında bir sıcak plaka koyun. Yaklaşık 700 ml ile 800 ml beher doldurunmusluk suyu. Sıcak plaka üzerine yerleştirin.
   4. Sıcak plaka açın ve 800 ml'lik bir behere içinde 85 ° C 75 bir sıcaklığı muhafaza. 800 ml'lik bir cam içindeki suyun sıcaklığının izlenebilir bir halka stand bir termometre ile bir kelepçe takın.
   5. Su 375 ml (4,62 mM) sodyum dodesil sülfat 0.5 g çözülmesiyle yüzey aktif madde çözeltisi üretir. Temiz, boş test tüpüne yüzey aktif madde solüsyonu, yaklaşık 10 ml ekleyin.
   6. Halka başka kelepçe yüzey test tüpü ile kaputun altında durmak takın sıvı seviyesi 800 ml beher içine su yüzeyinin altında olduğu gibi güvenli. Termal dengeleme için 10 dakika bekleyin.
   7. Filtre kağıdı parçası ıslatın ve küçük bir huninin üst yerleştirin. 250 ml'lik bir Erlenmeyer balon içerisinde huninin Vidalı mil ve başlık altında balon yerleştirin.
2. Trietoksisilan ilavesi
   1. Buzlu su gaga üzerinde kelepçe emülsiyon flakon yerleştirinkaput içinde er. Kavanozun içeriği, su yüzeyinin altında, böylece kelepçe PDMS karışımı yerleştirin. Trietoksisilan eklenmesi ekzotermik bir reaksiyonun neden olur, bu yüzden emülsiyon yapısını korumak için soğuk tutulmalıdır.
   2. Gaz birikmesini önlemek için cam şişeye kapağını çıkarın.
   3. Yavaşça yaklaşık 10 sn (yaklaşık 0.5 ml / sn) bir süre boyunca sürekli bir akış içinde bir cam şişe içine tüp içeren trietoksisilan dökün.
      DİKKAT: trietoksisilan eklenmesi ekzotermik bir reaksiyonun ve kostik hidrojen klorür (HCl) gazın serbest başlatır. Flakon son derece sıcak olacak ve zehirli bir gaz karışımından gelişecektir. Trietoksisilan eklerken içeriğini KARISTIR ETMEYİN.
   4. Bir ısı koruyucu eldiven giyerek tamamen trietoksisilan ekledikten sonra, yavaşça cam karıştırma çubuğu ile içeriği karıştırın. 2 dakika süreyle veya tüpten gelişen gaz durana kadar bekleyin.
   5. Follçapraz bağlantı sayesinde, numune görünür hiç bir faz ayrılması bulunmaktadır. Kümeleri varsa, şişeyi mühür ve kapakla şişeyi tutarken 20 saniye boyunca titizlikle çalkalayın.
3. Boncuk üretimi
   1. Cam şişeye gelen çapraz bağlı emülsiyonu çizmek için temiz, cam Pasteur pipet kullanın. Damla damla test tüpü damlalar arasında mümkün olduğu kadar az zaman alması için (75 ve 85 ° C arasında muhafaza edilmelidir) yüzey aktif madde çözeltisine çapraz bağlanmış emülsiyonu ekleyin.
   2. 30 sn emülsiyon ilave edildikten sonra 1 dakika için katı bir test tüpüne içinde oluşmaya başlar olarak, yüzey aktif madde çözeltisi yavaş yavaş gazı ortaya başlayacaktır.
   3. Isı koruyucu eldiven giyerek, kelepçe dışında deney tüpünü alıp başlık altında filtreleme aparatı içine tüm içeriğini dökün. 5 dakika boyunca Filtre. Filtreden filtre kağıdı çıkarın.
   4. S'in altındaki O / N kurutulması için bir saat camı ve ayrı boncuklar üzerine süzülmüş katı aktarınood. Boncuk temizleme süresiz olarak ertelendi edilebilir. Mağaza gerekli olana kadar kapalı bir cam şişe içinde oda sıcaklığında kurutuldu boncuklar, ve temiz kullanımdan hemen önce.
4. Boncuk Temizlik
   1. Başlık altında bir filtreleme aparatı oluşturma ve filtre kağıdı üzerine huni içinde kurutuldu boncuklar yerleştirin.
   2. Tüm boncuklar durulanır sağlamak için etrafında hafifçe hareket hafifçe boncuk durulamak için DI-su ile dolu bir plastik yıkama şişesi kullanın.
   3. Boncuklar kaputun altında bir saat camına yerleştirerek 1 saat kurumasını bekleyin. Su ile durulama için aynı yöntemi kullanarak boncuk durulayın hekzan ile dolu bir yıkama şişesi kullanın.
   4. Bir saat camına boncuk yerleştirin. Izlemek camını yerleştirin ve kaputun altında boncuklar kuru.
   5. Boncuklar tamamen kuruduktan sonra, ileride kullanmak üzere oda sıcaklığında küçük bir yapışmalı cam şişe ve mağaza koyun.
5. SEM Analizi ve SEM Ayarları için Boncuk Montaj
   1. Do bir şerit yerleştirinboncuklar monte edileceği üzerine saplama üstünde uble taraflı karbon iletken bant. Makas kullanarak, kenarları üzerinde hiçbir kaset kilitleniyor sağlamak için saplama etrafında kırpın.
   2. Düz bir yüzeye saplama altında filtre bir parça kağıt yerleştirin. Yapışkan alt maruz böylece banttan üst tabaka çıkarın.
   3. Yavaşça saplama üzerine boncuk dökün. Bazı boncuklar bant sopa, ama çoğu filtre kağıdı üzerinde kapalı çıkma ve arazi olacak. Onlar filtre kağıdı üzerinde kaldı, şişenin içine bu geri dökün. Gerekirse kontamine hale (2.4.5 için 2.4.2 göre) herhangi bir boncuk yıkama, tekrarlayın.
   4. Boncuk saplama güvenli olmasını sağlamak için, ampul şırınga kullanmak ve hafifçe saplama yüzeye çok yakın darbe. Sadece birkaç bant yapıştırılır eğer saplama üzerinde daha fazla boncuk dökün. Tüm boncuklar SEM odasına saplama yerleştirme ve tahliye önce güvenli olduğundan emin olun.
   5. Numuneler düzgün monte edildikten sonra artık SEM anal geçmesi hazırızYsis ^15. Boncuk yüzey özellikleri çözünürlüğünü optimize etmek için 15 keV de DÜŞÜK VAC modunda görüntüleri toplayın.

Sonuçlar

Farklı elektrolit koşulları emülsiyonlardan oluşan boncukların Örnek SEM görüntüleri, Şekil 1 'de gösterilmiştir. Şekil 1A DUFAUD ile elde edilenler, ve ark., ¹³ benzer bir boncuk gösterir, herhangi bir elektrolit ilavesi olmadan, prosedürler kullanılarak üretilmiş. Boncuk her metal iyonu için farklı morfolojileri sonuçlanan Şekil 1B-D gösterilen. Gösterilen tüm görüntüler için, 0,03-M elektrolit çözeltileri 300 ul bu faz içinde 0.012 M bir elektrolit konsantrasy...

Tartışma

Şekil 1'de diğer SEM görüntüleri Şekil 1A karşılaştırılması ile görüldüğü gibi, bu protokolü kullanarak (ve elektrolit konsantrasyonu ve kimliğini ayarlayarak) üretilen boncuklar., Düşük iyonik kuvvet emülsiyonu ile üretilen temelde farklı Bizim ilk raporu kullanılan ayrıca sulu-alifatik bir arayüz ¹⁴ polimerizasyon çapraz bağlanmasını katalize niyeti ile PTCL _4. Bu raporda, büyük konkav girintiler görüldü. Bu raporda, biz SAV oranı için optimize prosedürlerimi...

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Poli (dimetilsiloksan), vinil sonlu	Sigma-Aldrich	68083-19-2
n-Heptan	Sigma-Aldrich	142-82-5	Yanıcı
Trietoksisilan	Sigma-Aldrich	998-30-1	Yanıcı, Aküsküllü
Toksik Sorbitan Monoleat (Span-80)	Fluker	1338-43-8
Platin (IV) Klorür	Sigma-Aldrich	13454-96-1	Aktüel Toksik
Çinko (II) Klorür	Sigma-Aldrich	7646-85-7
Sodyum Klorür	Sigma-Aldrich	7647-14-5
2.8 L Su Banyosu Sonikatörü	VWR	97043-964