Sintesi controllata e fluorescenza di monitoraggio altamente uniforme Poli (<em> N</em> -isopropylacrylamide) microgel
Summary
Non agitata polimerizzazione precipitazione fornisce un rapido, riproducibile approccio prototipazione alla sintesi di stimoli-sensibili poli (N -isopropylacrylamide) microgel di distribuzione dimensionale ristretta. In questa sintesi protocollo, luce caratterizzazione dispersione e unico rilevamento di fluorescenza delle particelle di questi microgel in una configurazione di microscopia a largo campo sono dimostrati.
Abstract
Gli stimoli sensibili poli (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgel ha diverse applicazioni pratiche prospettici e utilizza nella ricerca fondamentale. In questo lavoro, usiamo singola particella monitoraggio microgel PNIPAM di fluorescente come una vetrina per dimensioni sintonizzazione Microgel da un procedimento di precipitazione di polimerizzazione rapida non si mosse. Questo approccio è adatto per prototipazione nuove composizioni di reazione e condizioni o per applicazioni che non richiedono grandi quantità di prodotto. sintesi Microgel, la dimensione delle particelle e la determinazione struttura per dispersione della luce dinamica e statica sono dettagliati nel protocollo. È dimostrato che l'aggiunta di comonomeri funzionali può avere una grande influenza sulla nucleazione delle particelle e la struttura. inseguimento singola particella grande campo microscopia a fluorescenza consente un'indagine della diffusione di microgel traccianti marcati in una matrice concentrata di microgel non etichettati, un sistema non facilmente indagine daaltri metodi come dynamic light scattering.
Introduction
Gli stimoli sensibili poli (N -isopropylacrylamide) (PNIPAM) microgel 1,2 hanno attirato l'interesse continuo nel corso degli ultimi due decenni a causa del loro potenziale in varie applicazioni intelligenti. Casi d'uso dimostrate includono stabilizzatori commutabili emulsione 3-8, microlenti 9, substrati di coltura cellulare per facilitare la raccolta di cellule 10,11, e trasportatori intelligenti per i composti a basso peso molecolare e altri usi biomedici 12. Da un punto di vista fondamentale di ricerca queste particelle hanno dimostrato di essere utile per indagare temi come le interazioni colloidali 13-15 e le interazioni polimero-solvente 16-18.
uso di successo di microgel PNIPAM e loro derivati in qualsiasi applicazione in genere richiede la conoscenza della dimensione media delle particelle e la larghezza della distribuzione granulometrica. Per una corretta interpretazione dei risultati sperimentali che coinvolgono PNIPAM microgel, la struttura delle particelle, che può essere influenzata da comonomeri funzionali, deve essere conosciuta. Dinamico e statico Light Scattering (DLS e SLS, rispettivamente) sono particolarmente adatto per l'acquisizione di queste informazioni perché questi metodi sono veloci e relativamente facile da usare; e sondare le proprietà delle particelle in modo non invasivo nel loro ambiente nativo (dispersione). DLS e SLS raccolgono anche i dati provenienti da gran numero di particelle evitando la distorsione derivante da campioni di piccole dimensioni, tipiche per i metodi di microscopia. Pertanto, il primo obiettivo di questo lavoro è quello di introdurre buone pratiche in materia di dispersione della luce per gli operatori nuovi alla caratterizzazione colloidale.
Tipicamente, precipitazione polimerizzazione viene effettuata in scala di laboratorio e cercando le giuste condizioni di reazione per le proprietà delle particelle specifici possono essere laborioso e richiede molte ripetizioni della sintesi. In contrasto con la sintesi in grande serie, precipitazione polimerizzazione non agitata 19,20 è arProcedura APID in cui gruppi di diversa composizione reagente può essere polimerizzato particelle contemporaneamente rendimento di distribuzione delle dimensioni stretta. polimerizzazione simultanea riduce al minimo la variazione sperimentale e grande uscita significa che le condizioni di reazione di destra può essere trovato veloce per l'upscaling la reazione. Quindi, il secondo scopo è quello di dimostrare l'utilità di polimerizzazione non agitata precipitazione nella prototipazione e in applicazioni che non richiedono una grande quantità di prodotto.
Diversi aspetti della sintesi e caratterizzazione si incontrano nel esempio di applicazione fluorescenti etichettati microgel PNIPAM nella ricerca interazione colloidale. Qui usiamo altamente accurato monitoraggio singola particella di indagare la diffusione di microgel traccianti marcati in dispersione di microgel matrice senza etichetta in un ampio intervallo di concentrazione della matrice e risolvere l'effetto gabbia in dispersione colloidale concentrata. Wide-field microscopia a fluorescenza è adatto FOr tale scopo, come si può caratterizzare il comportamento specifico di alcune molecole traccianti tra un gran numero di diverse specie potenzialmente matrice. Questo è in contrasto con tecniche come DLS, SLS e reologia, che misurano le proprietà medie insieme di sistemi e quindi non può risolvere comportamento del piccolo numero di particelle sonda in un grande sistema. Inoltre, in questo esempio specifico metodi di diffusione della luce convenzionali non possono essere utilizzati anche per concentrazione elevata di particelle, che porta ad una forte scattering multiplo invalidazione analisi standard. L'utilizzo di trattamento automatizzato di dati e metodi statistici consentire l'analisi del comportamento del sistema globale anche per il monitoraggio singola particella, quando in media su campioni di grandi dimensioni.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'aggiunta di piccole quantità di comonomero funzionale può avere un effetto significativo sulla dimensione delle particelle e la struttura dei PNIPAM derivato microgel. Simultanea su piccola scala provetta di polimerizzazione è un buon metodo per tenere conto di tali cambiamenti, e aiuta a trovare rapidamente le composizioni reagenti giusti per dimensioni di destinazione delle particelle per l'upscaling la reazione, se necess…
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).
