Anwendung von Spannung in der dynamischen Lichtstreuung Partikelgrößenanalyse
Summary
Hier wird ein Protokoll zur Anwendung von Spannung auf die Lösung bei dynamischen Lichtstreuungspartikelgrößenmessungen vorgestellt, mit der Absicht, die Auswirkungen von Spannungs- und Temperaturänderungen auf die Polymeraggregation zu untersuchen.
Abstract
Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine gängige Methode zur Charakterisierung der Größenverteilung von Polymeren, Proteinen und anderen Nano- und Mikropartikeln. Moderne Instrumentierung ermöglicht die Messung der Partikelgröße in Abhängigkeit von Zeit und/oder Temperatur, aber derzeit gibt es keine einfache Methode für die Durchführung von DLS-Partikelgrößenverteilungsmessungen in Gegenwart von angelegter Spannung. Die Möglichkeit, solche Messungen durchzuführen, wäre bei der Entwicklung von elektroaktiven, reizempfindlichen Polymeren für Anwendungen wie Sensorik, Softrobotik und Energiespeicherung nützlich. Hier wird eine Technik mit angelegter Spannung gekoppelt mit DLS und einer Temperaturrampe zur Beobachtung von Veränderungen der Aggregation und Partikelgröße in thermoresponsiven Polymeren mit und ohne elektroaktive Monomere vorgestellt. Die in diesen Experimenten beobachteten Veränderungen des Aggregationsverhaltens waren nur durch die kombinierte Anwendung von Spannungs- und Temperaturregelung möglich. Um diese Ergebnisse zu erhalten, wurde ein Potentiostat an eine modifizierte Küvette angeschlossen, um Spannung auf eine Lösung anzuwenden. Veränderungen der Polymerpartikelgröße wurden mit DLS in Gegenwart konstanter Spannung überwacht. Gleichzeitig wurden aktuelle Daten erstellt, die mit Partikelgrößendaten verglichen werden konnten, um die Beziehung zwischen Strom- und Partikelverhalten zu verstehen. Das Polymerpoly(N-Isopropylacrylamid) (pNIPAM) diente als Testpolymer für diese Technik, da die Reaktion von pNIPAM auf die Temperatur gut untersucht ist. Veränderungen im aggregationsverhalten der niedrigeren kritischen Lösungstemperatur (LCST) von pNIPAM und Poly(N-Isopropylacrylamid)-Block-poly(Ferrocenylmethylmethacrylat), einem elektrochemisch aktiven Block-Copolymer, in Gegenwart von angelegter Spannung werden beobachtet. Das Verständnis der Mechanismen hinter solchen Veränderungen wird wichtig sein, wenn man versucht, reversible Polymerstrukturen in Gegenwart von angelegter Spannung zu erreichen.
Introduction
Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine Technik zur Bestimmung der Partikelgröße durch die Verwendung zufälliger Veränderungen in der Intensität des Lichts, das durch Lösung1gestreut wird. DLS ist in der Lage, die Aggregation von Polymeren durch Die Bestimmung der Partikelgröße zu messen. Für dieses Experiment wurde DLS mit kontrollierten Temperaturänderungen gekoppelt, um zu beobachten, wann ein Polymer Aggregate, die auf eine Überschreitung der niedrigeren kritischen Lösungstemperatur (LCST)2,3hindeuten. Unterhalb des LCST gibt es eine homogene Flüssigphase; über dem LCST wird das Polymer weniger löslich, aggregiert und kondensiert aus lösungsaus. Eine angelegte Spannung (d. h. angelegtes Potential oder elektrisches Feld) wurde über das Streufeld eingeführt, um die Auswirkungen des elektrischen Feldes auf Aggregationsverhalten und LCST zu beobachten. Die Anwendung von Spannung in Partikelgrößenmessungen ermöglicht neue Einblicke in das Partikelverhalten und nachfolgende Anwendungen in den Bereichen Sensoren, Energiespeicherung, Arzneimittelabgabesysteme, Softrobotik und andere.
In diesem Protokoll wurden zwei Beispielpolymere verwendet. Poly(N-Isopropylacrylamid) oder pNIPAM ist ein thermisch empfindliches Polymer, das sowohl eine hydrophile Amidgruppe als auch eine hydrophobe Isopropylgruppe auf der makromolekularen Kette4,5enthält. Thermisch-responsive Polymermaterialien wie pNIPAM wurden in den letzten Jahren häufig in kontrollierter Wirkstofffreisetzung, biochemischer Trennung und chemischen Sensoren eingesetzt3,4. Der LCST-Literaturwert von pNIPAM liegt bei 30-35 °C4. pNIPAM ist in der Regel nicht elektrochemisch aktiv. Daher wurde dem Polymer als zweites Probenpolymer ein elektrochemisch-aktiver Block zugesetzt. Insbesondere wurde Ferrocenylmethylmethacrylat verwendet, um ein Poly(N-isopropylacrylamid)-Block-poly(ferrocenylmethyl methacrylat) Block-Copolymer oder p(NIPAM-b-FMMA)6,7zu erstellen. Beide Beispielpolymere wurden durch reversible Additionsfragmentierung Kettentransferpolymerisation mit kontrollierter Kettenlänge8,9,10synthetisiert. Das nichtelektrochemisch aktive Polymer pNIPAM wurde als 100-mer-reines pNIPAM synthetisiert. Das elektrochemisch aktive Polymer p(NIPAM-b-FMMA) war ebenfalls 100 mer Kettenlänge, die 4% Ferrocenylmethylmethacrylat (FMMA) und 96% NIPAM enthält.
In diesem Artikel wird ein Protokoll und eine Methodik zur Untersuchung der Auswirkungen der angelegten Spannung auf die Polymeraggregation demonstriert. Diese Methode könnte auch auf andere Anwendungen von DLS ausgedehnt werden, wie die Analyse von Proteinfaltung/-Entfaltung, Protein-Protein-Wechselwirkungen und Agglomeration von elektrostatisch geladenen Partikeln, um nur einige zu nennen. Die Probe wurde von 20 °C auf 40 °C erhitzt, um die LCST in Abwesenheit und Vorhandensein eines 1 V angewendeten Feldes zu identifizieren. Anschließend wurde die Probe von 40 °C auf 20 °C abgekühlt, ohne das angewandte Feld zu stören, um hysteretische oder Gleichgewichtseffekte zu untersuchen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Anwenden von Spannung auf pNIPAM- oder p(NIPAM-b-FMMA)-Lösungen veränderte das Polymeraggregationsverhalten als Reaktion auf die Temperatur. Bei beiden Materialien blieb die Volumengröße der Polymere auch bei der Kühlung der Lösungen unterhalb ihres LCST hoch, wenn eine angelegte Spannung vorhanden war. Dies war ein unerwartetes Ergebnis, da die Versuche ohne Spannung zeigten, dass die Polymere zu ihren ursprünglichen Größen zurückkehrten. Diese Experimente lassen den Schluss zu, dass die Polymerag…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren möchten die finanzielle Unterstützung durch NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131) und das Hamel Center for Undergraduate Research an der UNH würdigen. Darüber hinaus möchten die Autoren die Unterstützung von Darcy Fournier für die Unterstützung bei der Verkabelung und Scott Greenwood für den Zugang zum DLS würdigen.
Materials
| 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 |
Riferimenti
- 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).
