Gecontroleerde Synthese en Fluorescentie Tracking of Highly Uniform Poly (<em> N</em> -isopropylacrylamide) Microgels
Summary
Niet-geroerde precipitatie polymerisatie geeft een snelle, reproduceerbare prototyping aanpak van de synthese van stimuli-gevoelige poly (N -isopropylacrylamide) microgels smalle grootteverdeling. In dit protocol synthese, lichtverstrooiing karakterisering en enkel deeltje fluorescentie volgen van deze microgels in een wide-field microscopie setup worden gedemonstreerd.
Abstract
Stimuli-gevoelige poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels hebben verschillende potentiële praktische toepassingen en toepassingen in fundamenteel onderzoek. In dit werk, gebruiken we enkel deeltje het volgen van fluorescent gelabelde PNIPAM microgels als een showcase voor tuning microgel grootte door een snelle niet-geroerd neerslag polymerisatie procedure. Deze benadering is geschikt voor prototypen nieuwe reactiesamenstellingen voorwaarden of voor toepassingen die geen grote hoeveelheden product vereisen. Microgeldeeltje synthese, deeltjesgrootte en de structuur bepaling door dynamische en statische lichtverstrooiing worden beschreven in het protocol. Er wordt aangetoond dat de toevoeging van functionele comonomeren grote invloed op de deeltjes- nucleatie en structuur hebben. Afzonderlijke deeltjes volgen van wide-field fluorescentie microscopie maakt een onderzoek van de verspreiding van gemerkte tracer microgels in een geconcentreerde matrix ongelabelde microgels, een systeem gemakkelijk onderzocht doorandere werkwijzen zoals dynamische lichtverstrooiing.
Introduction
Stimuli-gevoelige poly (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgels 1,2 zijn continue rente over de afgelopen twee decennia aangetrokken omwille van hun potentieel in diverse slimme toepassingen. Aantoonbare use cases bevatten schakelbare emulsiestabilisatoren 3-8, microlenzen 9, celkweek substraten voor gemakkelijke cel oogsten 10,11, en slimme dragers voor verbindingen met laag molecuulgewicht en andere biomedische gebruikt 12. Vanuit een fundamenteel onderzoek oogpunt van deze deeltjes zijn bewezen nuttig zijn voor het onderzoeken van onderwerpen, zoals colloïdale interacties 13-15 en polymeer-oplosmiddel interacties 16-18.
Succesvolle gebruik van PNIPAM microgels en derivaten daarvan in een bepaalde toepassing vereist gewoonlijk kennis van de gemiddelde deeltjesgrootte en breedte van de deeltjesgrootteverdeling. Voor de juiste interpretatie van de experimentele resultaten met betrekking tot PNIPAM microgels, de deeltjesstructuur, die kan worden beïnvloed door functionele comonomeren, moet gekend worden. Dynamische en statische lichtverstrooiing (DLS en SLS respectievelijk) zijn uitermate geschikt voor het verkrijgen van deze informatie, omdat deze werkwijzen zijn snel en relatief eenvoudig te gebruiken; en ze sonde het deeltje eigenschappen niet-invasief in hun eigen omgeving (dispersie). DLS en SLS ook gegevens verzamelen van de enorme aantal deeltjes vermijden van de vertekening die voortvloeien uit kleine steekproeven, typisch voor microscopie methoden. Daarom is het eerste doel van dit werk is om goede praktijken in te voeren ten aanzien van lichtverstrooiing voor beoefenaars nieuwe colloïdale karakterisering.
Typisch wordt precipitatie polymerisatie in laboratoriumschaal uitgevoerd en vinden van de juiste reactieomstandigheden voor specifieke deeltjeseigenschappen kan moeizaam en vereist vele herhalingen van de synthese. In tegenstelling tot grote batch synthese, niet-geroerde precipitatie polymerisatie 19,20 is arAPID procedure waarbij batches van verschillende reactantsamenstelling kunnen worden gepolymeriseerd gelijktijdig meegevende deeltjes smalle grootteverdeling. Gelijktijdige polymerisatie minimaliseert experimentele variatie en grote output betekent dat de juiste reactie-omstandigheden snel kan worden gevonden voor opschaling van de reactie. Vandaar ons tweede doel is om het gebruik van niet-geroerde precipitatie polymerisatie aantonen prototyping en toepassingen die een grote hoeveelheid product vereisen.
Verschillende aspecten van de synthese en karakterisering komen samen in het voorbeeld van toepassing van fluorescent gemerkte PNIPAM microgels in colloïdale interactie onderzoek. Hier gebruiken we zeer nauwkeurige enkel deeltje volgen van de verspreiding van gemerkte tracer microgels in dispersie van ongelabelde matrix microgels over een breed matrix concentratiegebied te onderzoeken en op te lossen de kooi effect in geconcentreerde colloïdale dispersie. Wide-field fluorescentie microscopie is goed geschikt for dit doel kan het specifieke gedrag van enkele tracer moleculen karakteriseren van een groot aantal potentieel verschillende soorten matrix. Dit is in tegenstelling tot technieken zoals DLS, SLS en reologie, die het geheel gemiddelde eigenschappen van verschillende metingen en daarom kan het gedrag van kleine aantal probe deeltjes niet worden gevonden in een groot systeem. Verder in dit specifieke voorbeeld lichtverstrooiing conventionele werkwijzen kunnen niet worden ook gebruikt door de hoge concentratie van deeltjes, wat leidt tot een sterke meervoudige verstrooiing ongeldig maakt standaardanalyse. Het gebruik van geautomatiseerde verwerking van gegevens en statistische methoden mogelijk te maken analyse van de totale gedrag van het systeem ook voor enkel deeltje tracking, gemiddeld over grote steekproeven.
Protocol
Representative Results
Discussion
Toevoeging van kleine hoeveelheden functionele comonomeer kan een significant effect op de deeltjesgrootte en de structuur van de PNIPAM verkregen microgels bezitten. Gelijktijdig kleinschalige reageerbuis polymerisatie is een goede methode om rekening te houden met deze veranderingen, en helpt bij het snel vinden van de juiste reactant composities voor doel deeltjesgrootte voor het opschalen van de reactie als dat nodig is. De massa van…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
