סינתזה מבוקרת מעקב הקרינה של פולי אחיד מאוד (<em> N</em> -isopropylacrylamide) Microgels
Summary
פילמור ממטרים ללא עוררה מספק גישה אבי טיפוס ודגמים, לשחזור לסינתזה של פולי גירויים רגיש (-isopropylacrylamide N) microgels של התפלגות גודל הצרה. בסינתזה בפרוטוקול זה, אפיון פיזור אור ומעקב קרינת חלקיק בודד של microgels אלה או בהתקנה של מיקרוסקופיה רחב בתחום הם הפגינו.
Abstract
גירויים הרגיש פולי (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) יש microgels שונים יישומים מעשיים פוטנציאליים ושימושי מחקר בסיסי. בעבודה זו, אנו משתמשים חלקיק בודד מעקב microgels PNIPAM שכותרתו fluorescently של כחלון ראווה של גודל microgel כוונון ידי הליך פילמור ממטרים מהיר שאינו זז. גישה זו היא גם מתאימה prototyping קומפוזיציות ותנאי תגובה חדשות או עבור יישומים שאינם דורשים כמויות גדולות של מוצר. סינתזת Microgel, גודל חלקיקי קביעת מבנה ידי פיזור אור דינאמי וסטטי מפורט בפרוטוקול. הוא הראה כי התוספת של comonomers התפקודית יכולה להיות השפעה גדולה על התגרענות החלקיקים ומבנה. מעקב אחר חלקיקים יחידים על ידי מיקרוסקופ פלואורסצנטי רחב בתחום מאפשר חקירה של דיפוזיה של microgels נותב שכותרתו במטריצה מרוכזת של microgels שאינה שכותרתו, מערכת שלא נחקרה בקלות על ידישיטות אחרות כגון פיזור אור דינאמי.
Introduction
גירויים רגיש פולי (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels 1,2 משכו עניין מתמשך במהלך שני העשורים האחרונים בשל הפוטנציאל שלהם ביישומים חכמים שונים. תרחישי שימוש הפגינו כוללים ייצוב תחליבים להחלפה 3-8, microlenses 9, מצעי תרבית תאים עבור תא קציר קל 10,11, ונושאות חכמות עבור תרכובות משקל מולקולריות נמוכות ביו אחר משתמשים 12. מנקודת מחקר בסיסי מבט חלקיקים אלה הוכחו להיות שימושי עבור חוקרת נושאים כמו אינטראקציות קולואידים 13-15 ואינטראקציות פולימר ממסים 16-18.
שימוש מוצלח microgels PNIPAM ונגזרותיהם בכל יישום נתון בדרך כלל דורש ידע על גודל החלקיקים הממוצע ורוחב של התפלגות גודל החלקיקים. לקבלת הפרשנות הנכונה של תוצאות הניסוי היו מעורבים מיקרו PNIPAMג'לים, מבנה החלקיקים, אשר יכול להיות מושפע comonomers פונקציונלי, צריך להיות ידוע. דינמי וסטטי פיזור אור (DLS ו SLS, בהתאמה), מתאימים באופן ייחודי עבור רכישת המידע הזה כי שיטות אלה הן מהירות יחסית וקלים לשימוש; והם לבדוק את תכונות החלקיקים הלא פולשני בסביבת מולדתם (פיזור). DLS ו SLS גם לאסוף נתונים ממספר עצום של חלקיקי הימנעות ההטיה נובעת גודל מדגם קטן, אופייני שיטות מיקרוסקופיה. לכן, המטרה הראשונה של עבודה זו היא להציג תרגול טוב לגבי אור פיזור עבור מתרגלים חדשים לאפיון קולואידים.
בדרך כלל, פילמור הממטרים מתבצע בקנה מידת מעבדתי ומציאת תנאי התגובה המתאימה חלקיקי נכסים ספציפיים יכולים להיות מייגעים ודורשים חזרות רבות של הסינתזה. בניגוד סינתזת קבוצה גדולה, פילמור משקעים שאינם עוררה 19,20 הוא arהליך apid שבו קבוצות של הרכב מגיב שונים ניתן polymerized חלקיקים בעלי תשואה זמנית של התפלגות גודל הצרה. פילמור סימולטני ממזער וריאצית ניסיוני תפוקה גדולה כלומר תנאי תגובה תקינים ניתן למצוא מהר עבור upscaling התגובה. לפיכך, המטרה השנייה שלנו היא להדגים את התועלת של פילמור משקעים שאינם זעה אב טיפוס ביישומים שאינם דורשים כמות גדולה של מוצר.
היבטים שונים של סינתזה ואפיון מתאחדים בדוגמה של יישום של microgels PNIPAM שכותרתו ניאון במחקר אינטראקציה קולואידים. כאן אנו משתמשים ביותר מעקב חלקיק יחיד מדויק לחקור את הדיפוזיה של microgels נותב שכותרתו פיזור microgels מטריקס ללא תווית על פני טווח הריכוז מטריקס רחב ולפתור את אפקט הכלוב פיזור colloidal מרוכז. מיקרוסקופ פלואורסצנטי רחב בתחום מתאים גם FOr למטרה זו כפי שהוא יכול לאפיין את ההתנהגות הספציפית של מולקולות נותבו כמה בין מספר רב של מינים שונים מטריקס הפוטנציאלי. זאת בניגוד לטכניקות כגון DLS, SLS ו rheology, אשר למדוד את התכונות ממוצעות האנסמבל של מערכות ולכן לא ניתן לפתור בעיה של מספר הקטן של חלקיקי בדיקה במערכת גדולה. יתר על כן, בדוגמא הספציפית הזו שיטות פיזור אור קונבנציונליות לא יכולות להיות מנוצלות גם בשל ריכוז חלקיקים גבוה, מה שמוביל פיזור מרובה חזק הפוסל כל ניתוח סטנדרטי. שימוש עיבוד נתונים אוטומטיים ושיטות סטטיסטיות לאפשר ניתוח של התנהגות מערכת הכוללת גם למעקב חלקיק בודד, כאשר בממוצע לכל מדגמים גדולים.
Protocol
Representative Results
Discussion
תוספת של כמויות קטנות של comonomer התפקודית יכולה להיות השפעה משמעותית על גודל החלקיקים והמבנה של microgels נגזר PNIPAM. פילמור צינור בקנה המידה קטנה בדיקת סימולטני ה…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) is acknowledged for financial support within the Sonderforschungsbereich SFB 985 “Functional Microgels and Microgel Systems”.
Materials
| Acetone | VWR Chemicals | KRAF13455 | |
| Bisacrylamid | AppliChem | A3636 | |
| n-Hexane | Merck | 104374 | |
| N-Isopropylacrylamide | Fisher Scientific | AC412785000 | recrystallized from n-hexane |
| Methacryloxyethyl thiocarbamoyl rhodamine B | Polysciences | 23591 | |
| Potassium peroxodisulfate | Merck | 105091 | |
| Silicone oil 47 V 350 | VWR Chemicals | 83851 | |
| Toluene | Sigma Aldrich | 244511 | |
| F12 Refrigerated/heating circulator | Julabo | 9116612 | |
| Microscope | Olympus | IX83 | |
| XY(Z) Piezo System | Physik Instrumente | P-545.3R7 | |
| 100x Oil immersion objective | Olympus | UPLSAPO | |
| QuadLine Beamsplitter | AHF Analysentechnik | F68-556T | |
| Cobolt Jive 150 laser | Cobolt | 0561-04-01-0150-300 | |
| Multimode Fiber | Thorlabs | UM22-600 | |
| iXON Ultra 897 EMCCD camera | Andor | DU-897U-CS0-BV | |
| Laser goniometer | SLS Systemtechnik | Mark III | |
| CF40 Cryo-compact circulator | Julabo | 9400340 | |
| Laser goniometer system | ALV GmbH | ALV / CGS-8F | |
| Multi-tau corretator | ALV GmbH | ALV-7004 | |
| Light scattering electronics | ALV GmbH | ALV / LSE 5004 | |
| Photon counting module | PerkinElmer | SPCM-CD2969 | 2 units in pseudo cross-correlation mode |
| 633 nm HeNe Laser | JDS Uniphase | 1145P | |
| F32 Refrigerated/heating circulator | Julabo | 9312632 |
References
- Pelton, R. Temperature-sensitive aqueous microgels. Adv. Colloid Interfac. 85, 1-33 (2000).
- Pich, A., Richtering, W. Microgels by Precipitation Polymerization: Synthesis, Characterization and Functionalization. Adv. Polym. Sci. 234, 1-37 (2010).
- Richtering, W. Responsive Emulsions Stabilized by Stimuli-Sensitive Microgels: Emulsions with Special Non-Pickering Properties. Langmuir. 28 (50), 17218-17229 (2012).
- Wiese, S., Spiess, A. C., Richtering, W. Microgel-Stabilized Smart Emulsions for Biocatalysis. Angew. Chem. Int. Edit. 52 (2), 576-579 (2012).
- Schmitt, V., Ravaine, V. Surface compaction versus stretching in Pickering emulsions stabilised by microgels. Curr. Opin. Colloid In. 18 (6), 532-541 (2013).
- Wellert, S., Richter, M., Hellweg, T., von Klitzing, ., R, Y., Hertle, Responsive Microgels at Surfaces and Interfaces. Z. Phys. Chem. 229 (7-8), 1-26 (2015).
- Li, Z., Harbottle, D., Pensini, E., Ngai, T., Richtering, W., Xu, Z. Fundamental Study of Emulsions Stabilized by Soft and Rigid Particles. Langmuir. 31 (23), 6282-6288 (2015).
- Deshmukh, O. S., van den Ende, D., Stuart, M. C., Mugele, F., Duits, M. H. G. Hard and soft colloids at fluid interfaces: Adsorption, interactions, assembly & rheology. Adv. Colloid Interfac. 222, 215-227 (2015).
- Serpe, M. J., Kim, J., Lyon, L. A. Colloidal Hydrogel Microlenses. Adv. Mater. 16 (2), 184-187 (2004).
- Schmidt, S., Zeiser, M., Hellweg, T., Duschl, C., Fery, A., Möhwald, H. Adhesion and Mechanical Properties of PNIPAM Microgel Films and Their Potential Use as Switchable Cell Culture Substrates. Adv. Func. Mater. 20 (19), 3235-3243 (2010).
- Xia, Y., He, X., et al. Thermoresponsive Microgel Films for Harvesting Cells and Cell Sheets. Biomacromolecules. 14 (10), 3615-3625 (2013).
- Guan, Y., Zhang, Y. PNIPAM microgels for biomedical applications: from dispersed particles to 3D assemblies. Soft Matter. 7 (14), 6375 (2011).
- Yunker, P. J., Chen, K., Gratale, M. D., Lohr, M. A., Still, T., Yodh, A. G. Physics in ordered and disordered colloidal matter composed of poly(N-isopropylacrylamide) microgel particles. Rep. Prog. Phys. 77 (5), 056601-056629 (2014).
- Lohr, M. A., Still, T., et al. Vibrational and structural signatures of the crossover between dense glassy and sparse gel-like attractive colloidal packings. Phys. Rev. E. 90 (6), 062305 (2014).
- Dreyfus, R., Xu, Y., Still, T., Hough, L. A., Yodh, A. G., Torquato, S. Diagnosing hyperuniformity in two-dimensional, disordered, jammed packings of soft spheres. Phys. Rev. E. 91 (1), 012302-012312 (2015).
- Kojima, H., Tanaka, F. Reentrant volume phase transition of cross-linked poly(N-isopropylacrylamide) gels in mixed solvents of water/methanol. Soft Matter. 8 (10), 3010-3011 (2012).
- Hofmann, C. H., Plamper, F. A., Scherzinger, C., Hietala, S., Richtering, W. Cononsolvency Revisited: Solvent Entrapment by N-Isopropylacrylamide and N, N-Diethylacrylamide Microgels in Different Water/Methanol Mixtures. Macromolecules. 46 (2), 523-532 (2013).
- Bischofberger, I., Calzolari, D. C. E., Trappe, V. Co-nonsolvency of PNiPAM at the transition between solvation mechanisms. Soft Matter. 10 (41), 8288-8295 (2014).
- Virtanen, O. L. J., Richtering, W. Kinetics and particle size control in non-stirred precipitation polymerization of N-isopropylacrylamide. Colloid Polym. Sci. 292 (8), 1743-1756 (2014).
- Virtanen, O. L. J., Ala-Mutka, H. M., Richtering, W. Can the Reaction Mechanism of Radical Solution Polymerization Explain the Microgel Final Particle Volume in Precipitation Polymerization of N-Isopropylacrylamide?. Macromol. Chem. Phys. 216 (13), 1431-1440 (2015).
- Glatter, O. A new method for the evaluation of small-angle scattering data. J. Appl. Crystallogr. 10 (5), 415-421 (1977).
- Svergun, D. I. Determination of the regularization parameter in indirect-transform methods using perceptual criteria. J. Appl. Crystallogr. 25 (4), 495-503 (1992).
- Glatter, O. Convolution Square Root of Band-Limited Symmetrical Functions and Its Application to Small-Angle Scattering Data. J. Appl. Crystallogr. 14, 101-108 (1981).
- Glatter, O., Hainisch, B. Improvements in Real-Space Deconvolution of Small-Angle Scattering Data. J. Appl. Crystallogr. 17, 435-441 (1984).
- Cheezum, M. K., Walker, W. F., Guilford, W. H. Quantitative Comparison of Algorithms for Tracking Single Fluorescent Particles. Biophys. J. 81 (4), 2378-2388 (2001).
- Wöll, D., Kölbl, C., Stempfle, B., Karrenbauer, A. A novel method for automatic single molecule tracking of blinking molecules at low intensities. Phys. Chem. Chem. Phys. 15 (17), 6196-6205 (2013).
- Saxton, M. J., Jacobson, K. Single-particle tracking: Applications to membrane dynamics. Annu. Rev. Bioph. Biom. 26, 373-399 (1997).
- Pusey, P. N., van Megen, W. Detection of small polydispersities by photon correlation spectroscopy. J. Chem. Phys. 80 (8), 3513 (1984).
- Stieger, M., Pedersen, J. S., Richtering, W., Lindner, P. Small-angle neutron scattering study of structural changes in temperature sensitive microgel colloids. J. Chem. Phys. 120 (13), 6197-6206 (2004).
- Wu, X., Pelton, R. H., Hamielec, A. E., Woods, D. R., McPhee, W. The kinetics of poly(N-isopropylacrylamide) microgel latex formation. Colloid Polym. Sci. 272, 467-477 (1994).
- Weeks, E. R., Weitz, D. A. Subdiffusion and the cage effect studied near the colloidal glass transition. Chem. Phys. 284 (1-2), 361-367 (2002).
- Ernst, D., Köhler, J., Weiss, M. Probing the type of anomalous diffusion with single-particle tracking. Phys. Chem. Chem. Phys. 16 (17), 7686-7691 (2014).
- . FitIt! (Version 1.1.4) Available from: https://www.github.com/ovirtanen/fitit (2015)
- Provencher, S. W. A Constrained Regularization Method For Inverting Data Represented By A Linear Algebraic or Integral Equations. Comput. Phys. Commun. 27 (3), 213-227 (1982).
- Holtzer, L., Meckel, T., Schmidt, T. Nanometric three-dimensional tracking of individual quantum dots in cells. Appl. Phys. Lett. 90 (5), 053902-053904 (2007).
- Diezmann, A. V., Lee, M. Y., Lew, M. D., Moerner, W. E. Correcting field-dependent aberrations with nanoscale accuracy in three-dimensional single-molecule localization microscopy. Optica. 2 (11), 985-989 (2015).
- Lindner, P., Zemb, T. . Neutrons, X-rays and Light: Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter. , (2002).
