Synthese und Charakterisierung von supramolekularen Kolloid-

Chemistry

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Vilanova, N., De Feijter, I., Voets, I. K. Synthesis and Characterization of Supramolecular Colloids. J. Vis. Exp. (110), e53934, doi:10.3791/53934 (2016).

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Abstract

Introduction

Mesostrukturierte kolloidale Materialien finden breite Anwendung in Wissenschaft und Technologie, als Modellsysteme für grundlegende Untersuchungen auf atomarer und molekularer Materialien 1,2, als photonischer Materialien 3,4, als Drug - Delivery - Systeme 5,6, als Beschichtungen 7 und in der Lithographie für Oberflächenstrukturierung 8,9. Da lyophoben Kolloide metastabilen Materialien sind, die schließlich irreversibel aggregieren aufgrund der allgegenwärtigen van der Waals-Wechselwirkungen, deren Manipulation in spezifische Zielstrukturen ist notorisch schwierig. Zahlreiche Strategien wurden kolloidale Selbstaufbau , einschließlich der Verwendung von Additiven , um die elektrostatischen tune 10,11 oder Abreicherung Wechselwirkungen 12,13 oder externe Trigger, wie Magnet 14 oder 15 elektrische Felder zur Steuerung entwickelt. Eine hoch entwickelte alternative Strategie Kontrolle über die Struktur zu erzielen, Dynamik und Mechanik dieser Systeme ist ihre Funktionalisierung with Moleküle durch gezielte und gerichtete Kräfte interagieren. Supramolekularen Chemie bietet eine umfassende Toolbox von kleinen Molekülen mit ortsspezifischen, Richtungs- und starken , aber reversible Wechselwirkungen, die in der Stärke von Losungsmittelpolaritat, Temperatur und Licht 16 moduliert werden kann. Da ihre Eigenschaften extensiv in der Masse und in Lösung untersucht wurden, sind diese Moleküle attraktive Kandidaten weichen Materialien in exotische Phasen in einer vorhersagbaren Weise zu strukturieren. Trotz der klaren Potential eines solchen integrierten Ansatz kolloidalen Montage über der Supramolekularen Chemie zu orchestrieren, haben diese Disziplinen selten eine Schnittstelle , die Eigenschaften mesostrukturierter kolloidalen Materialien 17,18 zuzuschneiden.

Eine solide Basis von supramolekularen Kolloide müssen drei Anforderungen erfüllen. Erstens Kopplung des supramolekularen Gruppierung sollte unter milden Bedingungen durchgeführt werden Abbau zu verhindern. Zweitens Oberflächenkräfte bei separations größer als direkten Kontakt sollten von den angebundenen Motiven dominiert werden, was bedeutet, dass unbeschichtete Kolloide fast ausschließlich über Volumenausschluss Wechselwirkungen interagieren sollen. Daher sollten die physikalisch-chemischen Eigenschaften der Kolloide zugeschnitten werden, um andere Wechselwirkungen inhärent in kolloidalen Systemen zu unterdrücken, wie van der Waals oder elektrostatische Kräfte. Drittens sollte die Charakterisierung für eine eindeutige Zuordnung der Montage auf das Vorhandensein der supramolekularen Einheiten ermöglichen. Um diese drei Voraussetzungen, eine robuste zweistufigen Synthese von supramolekularen Kolloide erfüllen wurde (Abbildung 1a) entwickelt. In einem ersten Schritt hydrophobe NVOC-funktionalisierten Silicateilchen sind zur Dispergierung in Cyclohexan hergestellt. Die NVOC-Gruppe leicht gespalten werden kann, Amin-funktionalisierte Partikel ergibt. Die hohe Reaktivität von Aminen ermöglicht die direkte Nachfunktionalisierung mit der gewünschten supramolekularen Einheit, die eine breite Palette von milden Reaktionsbedingungen. Wir berichten hier über prepare supramolekulare Kolloide durch Funktionalisierung von Silicabeads mit Stearylalkohol und einem Benzol-1,3,5-tricarboxamide (BTA) Derivat 20. Der Stearylalkohol spielt mehrere wichtige Aufgaben: es macht die Kolloide organophile und führt es mit kurzer Reichweite sterische Abstoßungen , die die nicht - spezifische Interaktion zwischen Kolloide 21,22 zu reduzieren hilft. van der Waals - Kräfte sind weiter aufgrund der engen Übereinstimmung zwischen dem Brechungsindex der Kolloide reduziert und das Lösungsmittel 23. Licht-und thermoresponsive Kurzstrecken attraktive Oberflächenkräfte werden durch den Einbau von o - Nitrobenzyl erzeugt BTAs geschützt . 20 O - Nitrobenzyl - Einheit ist ein Foto-spaltbare Gruppe , die blockiert die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten BTAs , wenn sie in den Diskoten auf den Amiden aufgenommen (Abbildung 1b). Beim Photo durch UV-Licht, ist die BTA in Lösung können mit identischen BTA Molekülen durch eine 3-fach h zu erkennen und zu interagieren,ydrogen Bindung Array, mit einer Bindungsstärke , die stark temperaturabhängig 17 ist. Da die van der Waals-Attraktionen sind minimal für Stearyl beschichtete Silicapartikel in Cyclohexan sowie licht- und temperaturunabhängig, die beobachtete stimuliresponsive muss kolloidale Montage sein BTA-vermittelte.

Diese detaillierte Video zeigt, wie supramolekulare Kolloide zu synthetisieren und zu charakterisieren, und wie sie ihre Selbstorganisation bei der UV-Bestrahlung durch konfokale Mikroskopie zu untersuchen. Darüber hinaus, um ein einfaches Bildanalyseprotokoll kolloidale Singuletts von gruppierten Kolloide unterscheiden und die Menge der Kolloide pro Cluster zu bestimmen, gemeldet wird. Die Vielseitigkeit der Synthesestrategie ermöglicht es leicht variieren, um Partikelgröße, Oberflächenabdeckung sowie die eingeführte Bindungseinheit, die neue Wege für die Entwicklung einer großen Familie von kolloidalem Bausteine ​​für mesostrukturierter fortschrittliche Materialien eröffnet.

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Protocol

1. Synthese von Kern-Schale-Silica Particles

Anmerkung: Silica - Partikel werden hergestellt nach dem folgenden Verfahren, die auf dem Stöber - Verfahren 24,25 basiert.

  1. Synthese von fluoreszierenden Kieselsäure Samen
    1. Man löst 105 mg (0,27 mmol) von Fluorescein-isothiocyanat in 5 ml Ethanol gegeben.
    2. Füge 100 & mgr; l von (3-Aminopropyl) triethoxysilan (APTES, 0,43 mmol) zu der vorherigen Lösung.
    3. Beschallen die Lösung während 5 Minuten und lassen Sie es bei Raumtemperatur über Nacht unter einer Argonatmosphäre reagieren unter Rühren. Der Farbstoff-funktionalisierte APTES Komplex wird ohne Reinigung verwendet.
    4. In einem 1 L Rundkolben Mischung 2,5 ml der Farbstoff-funktionalisierten APTES mit 25 ml Ammoniak (25% in Wasser) und 250 ml Ethanol gegeben.
    5. 10 ml Tetraethylorthosilikat (TEOS) unter dem Meniskus der vorhergehenden Reaktionsmischung mit Hilfe einer Glaspipette while Rühren mit einem Magnetrührer.
    6. In ähnlicher Weise nach 5 Stunden, eine weitere 1,75 ml TEOS hinzufügen und rühren Sie die Mischung über Nacht unter einer Argonatmosphäre.
    7. Gießen Sie die Dispersion in mehrere 45-ml-Röhrchen.
    8. Zentrifugieren Sie die Röhrchen (350 · g, 30 min), entfernen Sie den Überstand und 30 ml frischem Ethanol in jedem Röhrchen. Beschallen die neuen Dispersionen für 3 min und zentrifugieren wieder den Überstand zu entfernen. Wiederholen Sie diese 3-maligem Waschen Schritte.
    9. Halten Sie die fluoreszierenden Samen in Ethanol in einer Konzentration von etwa 13,6 mg / ml und im Dunkeln (vermeiden Sie Belichtung).
    10. Bereiten nichtfluoreszierenden Samen nach dem gleichen Verfahren die Zugabe des fluoreszierenden Farbstoff weggelassen wurde.
      Anmerkung: Nach diesem Verfahren, Samen von etwa 100 nm im Radius erhalten werden.
  2. Synthese von Kern-Schale - Silicateilchen
    1. Füllen Sie einen 1 L Rundkolben mit 51 ml Ethanol, 17 ml entionisiertes Wasser, 3,4 ml Ammoniak (25% in Wasser) und 4ml der Keimdispersion (54,4 mg von fluoreszierenden Samen ungefähr).
    2. Füllen einer Kunststoffspritze mit 5 ml TEOS und 10 ml Ethanol gegeben.
    3. Füllen eines zweiten Kunststoffspritze mit 1,34 ml Ammoniak (25% in Wasser), 3,4 ml entionisiertes Wasser und 10,25 ml Ethanol.
    4. Verbinden die beiden Spritzen in den Rundkolben, der mit Kunststoffschlauch.
    5. Anlegen des Kolbens mit einem Argonstrom und einem Magnetrührer. Der Argoneinlass mit dem Auslass der zweiten Spritze neben sein Tröpfchen zu vermeiden Kontakt zwischen Ammoniakgasen aus den TEOS sekundäre Keimbildung zu verhindern.
    6. Fügen den Inhalt beider Spritzen gleichzeitig mit 1,7 ml / h unter Verwendung von peristaltischen Pumpen, während die Mischung gerührt wurde. Stellen Sie sicher, frei fallenden Tropfen zu erhalten, an den Wänden zu vermeiden gleiten und somit eine sekundäre Keimbildung.
    7. Stoppen Sie die Zugabe nach 7 h Kern-Schale-Partikel mit einem Radius von etwa 300 nm zu erhalten.
    8. Gießen Sie den Inhalt des Kolbens in mehrere 45-ml-Röhrchen.
    9. Zentrifugieren Sie die Röhrchen (350 · g, 30 min), entfernen Sie den Überstand und 30 ml frischem Ethanol in jedem Röhrchen. Beschallen die neue Dispersion für 3 min und zentrifugieren wieder den Überstand zu entfernen. Wiederholen Sie diese 3-maligem Waschen Schritte.
    10. Halten Sie die Kern-Schale-Teilchen in Ethanol und in der Dunkelheit (vermeiden Belichtung).
    11. Bereiten nichtfluoreszierenden Siliciumdioxidteilchen dem gleichen Verfahren folgend, aber die nicht-fluoreszierenden Samen verwendet.

2. Funktionalisierung von Siliciumdioxidkolloide

  1. Synthese von NVOC-funktionalisierten Kolloide
    1. Disperse 10 mg der Kern-Schale-Siliciumdioxidteilchen in 1 ml Ethanol mit 12 mg (0,03 mmol) der NVOC-C11-OH-Molekül und 31 mg (0,11 mmol) Stearylalkohol in einem 50 ml Rundkolben (resultierend in einem 20/80 NVOC-C11-OH / Stearylalkohol Molverhältnis).
    2. Beschallen die Mischung 10 min, um sicherzustellen, dass alle Moleküle gelöst sind, und die Teilchen sind gut dispeRSED.
    3. In dem Gemisch einen magnetischen Rührstab und dampfe das Ethanol mit einem stetigen Strom von Argon bei Raumtemperatur. Bevor Sie fortfahren, stellen Sie sicher, dass es kein Ethanol vorhanden ist, sonst ist es mit den Silanolgruppen der Partikel reagieren könnten. Um zu überprüfen, ob das Ethanol vollständig achten Sie auf die Temperatur des Bodens des Kolbens verdampft. Wenn es fühlt sich kalt wird Ethanol noch nicht vollständig verdampft.
    4. Wird der Kolben bis zu 180 ° C für 6 Stunden unter kontinuierlichem Rühren und unter einem stetigen Strom von Argon 22.
    5. Lassen Sie den Kolben auf Raumtemperatur abkühlen.
    6. 3 ml CHCl 3 in den Kolben gegeben und mit Ultraschall 5 min (oder bis das gesamte Feststoffgehalt gelöst oder dispergiert wurde).
    7. Zentrifugieren der Dispersion (2600 × g, 4 min), entfernen Sie den Überstand und fügen Sie frische CHCl 3. Beschallen die neue Dispersion für 3 min und zentrifugieren wieder den Überstand zu entfernen. Wiederholen Sie diese 6-maliges Waschen Schritte. Trocknen Sie die Partikel bei 70 ° C im Vakuum über Nacht und speichern sie in einem Exsikkator.
  2. Synthese von BTA-Kolloide
    1. Disperse 10 mg der Teilchen mit einem 20/80 Molverhältnis von funktionalisierten NVOC-C11-OH / Stearylalkohol in 3 ml CHCl 3.
    2. Bestrahlen , um die Dispersion in einem UV-Ofen (λ max = 354 nm) für 1 Stunde die NVOC Gruppe zu spalten. Sicherzustellen, dass die Entfernung der Schutzgruppen an der Oberfläche der Partikel durch Rühren der Dispersion leicht mit einem Magnetrührer homogen ist, während Entschützen. Dies ergibt die Amin-funktionalisierten Partikel (Abbildung 1a).
    3. Man löst 9 mg des Benzol-1,3,5-tricarboxamide Derivat (BTA, 0,01 mmol), 8,7 & mgr; l N, N - Diisopropylethylamin (DIPEA, 0,05 mmol) und 5,2 mg (Benzotriazol-1-yloxy) tripyrrolidinophosphonium - hexafluorophosphat ( PyBOP, 0,01 mmol) in 1 ml CHCl 3.
    4. Fügen Sie die Lösung für das Amin- funktionalisierten pArtikel Dispersion hinzu und rühre über Nacht bei Raumtemperatur und unter einer Argonatmosphäre.
    5. Zentrifugieren der Dispersion (2600 × g, 4 min), der Überstand entfernt und 3 ml frischem CHCl 3. Beschallen die neue Dispersion für 3 min und zentrifugieren wieder den Überstand zu entfernen. Wiederholen Sie diese 6-maliges Waschen Schritte.
    6. Trocknen Sie die Partikel bei 70 ° C im Vakuum für 48 Stunden und speichert sie in einem Exsikkator.

3. Statische Streulichtmessungen (SLS)

Anmerkung: Mit nicht-fluoreszierenden Teilchen, da das fluoreszierende Kern Licht der gleichen Wellenlänge wie das einfallende Laserlicht von herkömmlichen Lichtstreuungsgeräte aufnimmt.

  1. Funktionalisieren 10 mg nicht-fluoreszierenden Silicapartikel mit Stearylalkohol nur (keine NVOC-C11-OH) nach dem in Abschnitt 2.1 beschriebenen Verfahren.
  2. Bereiten 500 ul einer Dispersion von 0,033 mg / ml nicht-funktionalisierten Partikel in Wasser und einemandere von 2 mg / ml der Stearylalkohol-beschichteten Teilchen in Cyclohexan.
  3. Beschallen beide Dispersionen für mindestens 20 min, um sicherzustellen, daß die Teilchen gut dispergiert sind.
  4. Messung der Streuintensität der beiden Dispersionen, die Lösungsmittel und die Referenz Lösungsmittel von 30 ° bis 120 ° in 5 ° -Schritten.
  5. Plotten der Intensität der Probe (I Probe) als eine Funktion des q
    (Gleichung 1) q =n Lösungsmittel sin / 2) / λ o
    mit dem Streuwinkel θ, der Brechungsindex des Lösungsmittels n Lösungsmittel und die Wellenlänge des Lasers λ o.
  6. Montieren Sie die Daten an die folgende Gleichung unter Verwendung von Software (zB Origin)
    (Gleichung 2) I Probe = CP (qR)
    wobei C eine Konstante ist und der Formfaktor P (qR) gegeben ist durch
    (Gleichung 3) <img alt = "Gleichung 3" src = "/ files / ftp_upload / 53934 / 53934eq3.jpg" />

    wobei der mittlere Radius der kugelförmigen Kolloiden ist R.
  7. Auszug R aus den Passungen für jede Dispersion.
  8. Berechne die Rayleigh - Verhältnis (R θ), das für die Intensität des gestreuten Lichts ein absolutes Maß ist, gemäß der folgenden Gleichung für jedes θ.
    (Gleichung 4) Gleichung 4

    mit der Intensität der Probe, das Lösungsmittel und der Referenz, Probe I, I Solvent und I Referenz bzw. der Brechungsindex des Lösungsmittels und der Referenz n Lösungsmittel und n Referenz, entsprechend und das Rayleigh - Verhältnis der Referenz R Referenz. Hier verwenden Toluol als Referenz, So dass n Wasser = 1,332, n Toluol = 1,497, n Cyclohexan = 1,426; R Toluol = 2.74x10 -3 m -1 26.
  9. Berechnen des mittleren Brechungsindex der Kolloide (n Colloids) von R und θ die Gleichung 5.
    (Gleichung 5) Gleichung 5

    wobei die Anzahl der Teilchen pro Volumen N, das Volumen eines Teilchens v Partikels durch v Teilchen gegeben = 4/3 & pgr; R 3 und unter der Annahme , dass der Strukturfaktor S (q) ~ 1, die die Grenze der nicht-interagierenden Teilchen ist.

4. Quantifizierung der Anzahl der aktiven Zentren pro Teilchen

Hinweis: Verwenden Sie kleine Partikel von 13 nm im Radius (mit einer größeren Fläche zu-Volumen-Verhältnis).

  1. Funktionalisieren kleine kommerziell erhältlichen Partikel mit einem 20/80 Molverhältnis von NVOC-C11-OH / Stearylalkohol die in Abschnitt 2.1 beschriebenen Verfahren.
  2. Disperse 20 mg der kleinen funktionalisierte Partikel in 1 ml CHCl 3 und bestrahlen die Dispersion in einem UV-Ofen (λ max = 354 nm) für 1 Stunde die NVOC - Gruppe abzuspalten. Rühren Sie die Dispersion vorsichtig mit einem Stab Magnetrührer während Entschützen. Auf diese Weise haben die Kolloide nicht sedimentieren und deren Oberfläche bleibt mit dem UV-Licht ausgesetzt, damit homogene Entschützung gewährleisten.
  3. Spin down die resultierende Amin-funktionalisierte Partikel (3.400 × g, 10 min) und der Überstand entfernt.
  4. Trocknen der Teilchen bei 70 ° C für 2 Stunden.
  5. Man löst 0,50 mg Succinimidyl-3- (2-pyridyldithio) propionat (SPDP, 0,0016 mmol) in 200 ul Dimethylformamid (DMF).
  6. Fügen Sie die SPDP Lösung für die 20 mg der getrockneten Amin-funktionalisierten Partikel und Wirbel derSystem für 30 min. Innerhalb dieser Zeit werden alle verfügbaren primären Amine auf den Kolloiden wurden mit dem SPDP umgesetzt.
  7. Waschen der Teilchen mit 1 ml DMF für 6 Mal (oder bis kein freies SPDP wird in dem Überstand durch UV-Vis-Spektroskopie bei λ = 375 nm nachgewiesen). In dem letzten Waschschritt versuchen, so viel Überstand wie möglich zu entfernen.
  8. Man löst 0,53 mg Dithiothreitol (DTT, 0,0034 mmol) in 50 & mgr; l DMF. Fügen Sie die DTT-Lösung auf die Partikel und verwirbeln die Dispersion 30 min. Innerhalb dieser Zeit wird das Pyridin-2-thion-Gruppe abgespalten.
  9. Bestimme die Extinktion des freien Pyridin-2-thion in dem Überstand befreit bei λ = 293 nm mit einem Mikrovolumen-UV-Vis-Spektrophotometer.
  10. Einer Eichkurve des Extinktionskoeffizienten ɛ (~ 12.1x10 3 M -1 cm -1) des Pyridin-2-thion in DMF zu bestimmen , indem die Extinktion einer Verdünnungsreihe von verschiedenen bekannten Mengen von SPDP mit einem Überschuss an DTT Mess .
  11. C p2t, das von den Teilchen unter Verwendung des Lambert-Beer'schen Gesetz Berechnen gespalten wird:
    (Gleichung 6) Abs = C p2t ε l
    mit der molaren Konzentration von Pyridin-2-thion C p2t, dem Extinktionskoeffizienten ɛ und der Weglänge l.
  12. Berechnen der Anzahl der aktiven Stellen (Amine) pro Teilchen mit der folgenden Gleichung
    (Gleichung 7) Gleichung 7
    mit der Masse eines Teilchens M Partikel dh M Teilchen = 4 / 3πR 3 ρ mit ρ = 1,295 g / cm 3, die gesamte gewichtete Masse von Teilchen M insgesamt (20 mg) und das Gesamtvolumen V total (50 ul). Diese Gleichung geht davon aus, dass alle verfügbarenAmine reagieren mit dem SPDP und DTT reduziert alle SPDP-Molekülen an die Partikel gebunden.

5. Überwachen Kolloidales Montage durch konfokale Mikroskopie

Anmerkung: Mit Core-Shell-Siliciumdioxidteilchen (mit einem fluoreszierenden Kern und einem nicht-fluoreszierenden Shell).

  1. Bereiten 400 ul einer Dispersion von 0,1 Gew% der BTA-funktionalisierten Partikel in Cyclohexan und beschallen die Probe für 20 min.
  2. Bestrahlen , um die Probenfläschchen im UV - Ofen (λ max = 354 nm) , die o - Nitrobenzyl - Gruppe des BTA abzuspalten. 25 & mgr; l Aliquots zu verschiedenen Zeitpunkten der Bestrahlung, beispielsweise von 0 bis zu 30 min, die Clustering-Prozess zu überwachen.
  3. Legen Sie die verschiedenen Teilmengen auf verschiedenen Glasobjektträger mit Hilfe eines Abstandshalters und schließen Sie die Kammern mit einem Deckglas (Kammergröße ist 13 mm Durchmesser x 0,12 mm Höhe). Nach dem Schließen der Kammer, drehen Sie das Deckglas den Kopf die Partikel Sediment und Adsor zu lassenb auf das Glas, das die Bildgebung erleichtert.
  4. Nehmen mehrerer Bilder jeder Probe mit dem konfokalen Mikroskop möglichst bald nach der Probenvorbereitung für jede Bestrahlungszeit.

6. Bildanalyse

  1. Quantifizierung der Anzahl von Singuletts mit ImageJ
    Hinweis: Alle Befehle verwendet, um das Skript zu schreiben, werden in der ImageJ Handbuch beschrieben:
    http://imagej.nih.gov/ij/docs/guide/user-guide.pdf
    1. Glätten Sie die konfokale Bilder isolierte Pixel von den Kanten zu entfernen und füllen kleine Löcher laufen die "Smooth" -Funktion.
    2. Da nur die Kerne sind fluoreszierend, erweitern die hellen Bereiche, bis der Rand der Partikel, die zu demselben Cluster gehören Touch und Partikel verschmelzen. Tun Sie dies das "Dilate" Filter. Mit Teilchen mit etwa 180 nm Schalendicke und Bilder mit einer Auflösung von 0,02 & mgr; m / Pixel sind zwei Dilatation Schritte genug.
    3. Konvertieren Sie die Bilderin ein binäres Bild, um die "Make binäre" Funktion ausgeführt wird.
    4. Stellen Sie die Skala von der "" Set-Skala ... "ausgeführt wird, Abstand = 1 bekannt = 0,02 Pixel = 1 Einheit = um" "für mit einer Auflösung aufgenommenen Bilder von 0,02 & mgr; m / Pixel zum Beispiel.
    5. Tragen Sie eine Schwellengröße Rauschen zu unterscheiden und out-of-Fokus-Partikel von in-Fokus-Partikel. Zum Beispiel mit Bildern mit einer Auflösung von 0,02 & mgr; m / Pixel genommen, alle Flächen, die kleiner als 0,2 Pixel sind ausgeschlossen. Tun Sie dies die Verwendung von "Analyze Teilchen ...", "size = 0,2-Infinity" Befehl.
    6. Erstellen Sie ein all.jpg Bild und eine all.txt Datei mit der Größe aller hellen Bereiche im Bild (Cluster und Singuletts), indem Sie die Befehle mit "" Ergebnisse ", _all.txt" "und" "JPEG", "all" ".
    7. Angenommen , dass alle hellen Bereiche zwischen 0,2 und 0,7 Pixel groß und mit einer Zirkularität (Kreisförmigkeit = 4 π Fläche / Umfang 2) zwischen 0,7 und 1,0 sindsinglets den Befehl "Analysieren Partikel ..." laufen "Kreisförmigkeit = 0,7-1,0".
    8. Erstellen Sie ein singlets.jpg Bild und eine singlets.txt Datei mit den Informationen aller hellen Bereiche, die Singuletts sind durch die Befehle mit "" Ergebnisse ", _singlets.txt" "und" "JPEG", "singlets" ".
  2. Verarbeiten Sie die Informationen mit Matlab
    1. Lesen Sie den Singulett - TXT - Datei und berechnen Sie die durchschnittliche Größe eines Singulett pro Bild (A Singulett).
    2. Verwenden Sie die durchschnittliche Größe eines Singulett die Anzahl der Partikel pro Cluster (Dublette = 2A Singulett, ein Triplett = 3A Singulett ...) zu berechnen und die Gesamtzahl der Teilchen in dem Bild von der anderen all.txt Datei.
    3. Berechnen Sie den Anteil an Partikeln in Singuletts für jede Belichtungszeit: f singlets = Anzahl singlets / Gesamt Teilchen
    4. Berechnen Sie den Anteil von Doubletten, Drillinge usw.: F Dubletten = 2 * Anzahl der Dubletten / Gesamt Teilchen usw.

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Representative Results

Da das zweistufige Verfahren verwendet , um die supramolekularen Kolloide (Abbildung 1a) zu synthetisieren, koppelt die BTA- Derivate (Abbildung 1b) in einem zweiten Schritt bei Raumtemperatur und in milden Reaktionsbedingungen, die Stabilität gewährleistet ist.

Abbildung 1
Abbildung 1 : Schema der Synthese von supramolekularen Kolloide. A) Die Kopplung des Stearylalkohol und der NVOC-geschützten Alkylkette den Siliciumdioxidkolloide, gefolgt von Amin Entschützung bei Bestrahlung durch UV-Licht in einem UV-Ofen und die anschließende Kupplung des BTA - Moleküls. B) Struktur des Benzol-1 , 3,5-tricarboxamide (BTA) Derivat verwendet. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Silica = 1,391 und n Silica @ Stearylalkohol = 1,436 (Abbildung 2). Dies zeigt deutlich, dass Oberflächenfunktionalisierung einen Einfluss auf den Brechungsindex der Kolloide ist. Die chemische Zusammensetzung der Monoschicht von Stearylalkohol beschichteten Kolloiden und den BTA-Kolloiden ist sehr ähnlich, da der molare Anteil an BTA höchstens 0,2. Daher gehen wir davon aus, dass der Brechungsindex der BTA-Kolloide zu Alkohol n Silica @ Stearyl nahe = 1,436.

Figur 2
Abbildung 2. Statische Lichtstreuungsmessungen Siliciumdioxidkolloide. Intensität des gestreuten Lichts als Funktion des Erfassungswinkels θ A für B) Stearylalkohol beschichteten Teilchen in Cyclohexan. Eine gestrichelte Linien sind die Anpassungen an die experimentellen Datenpunkten. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Verwendung des Reaktionsschemas in Figur 3 gezeigt, funktionalisiert kleine Teilchen mit einem 20/80 NVOC-C11-OH / Stearylalkohol Molverhältnis Ergebnis in 1 Amin pro 46,4 nm 2 auf ihrer Oberfläche. Diese Zahl kann wiederum auf die Anzahl der supramolekularen Einheiten, korreliert werden, die gekoppelt werden können, die wir als der Multivalenz der Teilchen beziehen.

Figur 3
Abbildung 3. Bewertung der Menge an aktiven Stellen pro Teilchen. Endes Verfahren um die Menge zu bestimmenvon Aminen pro Teilchen: Amin-funktionalisierten Kolloide werden mit SPDP umgesetzt. Danach wird DTT zu dem System hinzugefügt , um das Pyridin-2-thion - Gruppe abzuspalten, die photospektrometrisch an seinem Absorptionsmaximum λ max = 293 nm in DMF nachgewiesen werden können. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

In den konfokalen Bildern, die meisten der supramolekularen Kolloide der Dispersion vor der Bestrahlung mit UV - Licht sind Singuletts (Abbildung 4, oben). Interessanterweise ist bei Bestrahlung eine Entwicklung aus dem Singulett - Zustand in den Clusterzustand wird beobachtet (Abbildung 4 Mitte und unten). Die Bildanalyse wird verwendet, um die Aggregation in einer quantitativen Art und Weise zu überwachen. Ein starker Rückgang der Zahl der singlets von 80% auf 9% wird bei der UV-Bestrahlung innerhalb der ersten 5 beobachtetProtokoll.

Abbildung 4
Abbildung 4. Bildverarbeitungsverfahren. Original - konfokale Mikroskopie Bilder, binäre Bilder und die Fläche von Singuletts für Proben entschützt für (oben) 0 min, (Mitte) 15 sec und (unten) 5 min. Der Maßstab entspricht 10 & mgr; m. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Wenn Cyclohexan, mit einem Brechungsindex von 1,426, als Lösungsmittel verwendet wird, um die BTA-Kolloide, van der Waals-Wechselwirkungen sind sehr schwach, da die Brechungsindices von Kolloiden und Lösungsmittel sind nahezu gleich zu dispergieren. Man beachte, dass die Konzentration von funktionalisierten Kolloide für die SLS-Experimente in Cyclohexan verwendet wird, ist viel höher im Vergleich zu den bloßen Siliciumdioxidkolloide in Wasser. Dies ist notwendig, um eine ausreichend starke Streuung aufgrund der geringen Kontrast als die Brechungsindizes zu erhalten, sind nahezu abgestimmt. Spurenmengen von Wasser in den Cyclohexan Proben werden sofort erkannt, wenn auch indirekt, durch nicht vernachlässigbare clustering aufgrund von Kapillarkräften. Daher ist es von größter Bedeutung , um sicherzustellen , dass die Kolloide während aller Syntheseschritte frei von Wasser sind , indem sie in vacuo für lange Zeiträume Trocknen wie in dem Protokoll beschrieben.

Da das Verfahren verwendet, um die Amine quantitativ analysiert die Menge an Pyridin-2-thione aus den Teilchen gespalten, umgeht es Artefakte aufgrund der Streuung der Teilchen, die unter Verwendung anderer Techniken, wie NMR konfrontiert werden. Unter der Annahme gleicher Flächendichte für kleine und große Teilchen, entspricht die erfasste Amindichte für die kleinen Teilchen zu etwa 24.350 pro Amine großen Kolloiden von 300 nm im Radius. Interessanterweise kann das eingeführte Ansatz der Multivalenz der supramolekularen Kolloiden zu regulieren durch einfache Änderung der NVOC-C11-OH / Stearylalkohol Molverhältnis während der ersten Funktionalisierungsschritt. Eine derartige Variation in der Multivalenz kann weiter durch das gleiche Amin Quantifizierungsverfahren quantifiziert werden.

Die erfolgreiche Verteilung der Kolloide in singlets vor Lichtaktivierung mittels konfokaler Mikroskopie beobachtet, ist im Einklang mit den sehr schwachen Van - der - Waals - Wechselwirkungen und vernachlässigbare Wasserstoffbrücken in Cyclohexan vor Photo der Schutz o - Nitrobenzyl - Gruppe. Daher photoinduzierten clusteringwerden kann, um den supramolekularen Einheiten ohne weiteres zurückgeführt. Dies ist entscheidend, da wir Clustering über supramolekulare Kräfte zu lenken wollen. Abspaltung der o - Nitrobenzyl - Gruppe durch UV-Licht ermöglicht zwar BTAs für auf verschiedene Kolloide verankert zu interagieren, damit kolloidale Selbstorganisation zu fördern , wie durch die Bildung von Clustern bestätigt.

Zusammenfassend haben wir eine einfache Methode zur Kopplung BTA-Derivate auf Siliciumdioxidteilchen in einer kontrollierten Weise demonstriert. Das Verhalten der resultierenden supramolekularen Kolloiden durch die anziehende Wechselwirkungen zwischen oberflächen gepfropften Molekülen, nämlich intermolekularen Wasserstoffbrücken erfolgreich geregelt. Diese Methode kann leicht ein breites Spektrum an unterschiedlichen supramolekularen Kolloide mit anderen Arten von supramolekularen Einheiten eingerichtet zu synthetisieren, erweitert werden. Daher bereitet das Protokoll hier beschrieben den Weg für die Entwicklung einer neuen Familie von Bausteinen mesostrukturierten kolloidalen zu bildenMaterialien.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Acknowledgements

Die Autoren erkennen an, der niederländischen Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO ECHO-STIP Zuschuss 717.013.005, NWO VIDI Zuschuss 723.014.006) für die finanzielle Unterstützung.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
APTES Sigma-Aldrich
FTIC Sigma-Aldrich
TEOS Sigma-Aldrich
LUDOX AS-40 Sigma-Aldrich Silica particles of 13 nm in radius
MilliQ --- --- 18.2 MΩ·cm at 25 °C
Ethanol SolvaChrom ---
Ammonia (25% in water) Sigma-Aldrich ---
Chloroform SolvaChrom ---
Cyclohexane Sigma-Aldrich ---
Dimethylformamide (DMF) Sigma-Aldrich ---
Stearyl alcohol Sigma-Aldrich ---
N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA) Sigma-Aldrich ---
Benzotriazol-1-yl-oxytripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate (PyBOP) Sigma-Aldrich ---
Succinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionate (SPDP) Sigma-Aldrich ---
Dithiothreitol (DTT)  Sigma-Aldrich ---
NVOC-C11-OH Synthesized --- I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands
BTA Synthesized --- I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands
Centrifuge Thermo Scientific Heraeus Megafuge 1.0
Ultrasound bath VWR Ultrasonic cleaner
Peristaltic pumps Harvard Apparatus PHD Ultra Syringe Pump
UV-oven Luzchem LZC-a V UV reactor equipped with 8x8 UVA light bulbs (λmax=354 nm)
Stirrer-heating plate Heidolph MR-Hei Standard
 
Name Company Catalog Number Comments
Light Scattering ALV CGS-3 MD-4 compact goniometer system, equipped with a Multiple Tau digital real time correlator (ALV-7004) and a solid-state laser (λ=532 nm, 40 mW)
UV-Vis spectrophotometer Thermo Scientific NanoDrop 1000 Spectrophotometer
Confocal microscope Nikon Ti Eclipse with an argon laser with λexcitation=488 nm
Slide spacers Sigma-Aldrich Grace BioLabs Secure seal imaging spacer (1 well, diam. × thickness 13 mm × 0.12 mm)
Syringes BD Plastipak 20 ml syringe
Plastic tubing SCI BB31695-PE/5 Ethylene oxide gas sterilizable micro medical tubing
Pulsating vortex mixer VWR Electrical: 120 V, 50/60 Hz, 150 W Speed Range: 500–3,000 rpm

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References

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