JoVE Logo

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • תוצאות
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

פרוטוקול עבור הסינתזה והאפיון של תנועת diffusive של פולימרים מחזוריים ברמת המולקולה הבודדה מוצג.

Abstract

We demonstrate a method for the synthesis of cyclic polymers and a protocol for characterizing their diffusive motion in a melt state at the single molecule level. An electrostatic self-assembly and covalent fixation (ESA-CF) process is used for the synthesis of the cyclic poly(tetrahydrofuran) (poly(THF)). The diffusive motion of individual cyclic polymer chains in a melt state is visualized using single molecule fluorescence imaging by incorporating a fluorophore unit in the cyclic chains. The diffusive motion of the chains is quantitatively characterized by means of a combination of mean-squared displacement (MSD) analysis and a cumulative distribution function (CDF) analysis. The cyclic polymer exhibits multiple-mode diffusion which is distinct from its linear counterpart. The results demonstrate that the diffusional heterogeneity of polymers that is often hidden behind ensemble averaging can be revealed by the efficient synthesis of the cyclic polymers using the ESA-CF process and the quantitative analysis of the diffusive motion at the single molecule level using the MSD and CDF analyses.

Introduction

Cyclic polymers are unique in that they do not have chain ends. They often exhibit unusual behaviors which is distinct from their linear counterpart, including increased thermal stability of polymer micelles by a linear-to-cyclic conversion,1,2 and spatial organization of DNA in bacterial cells by a loop formation.3 Topological interactions between the cyclic chains are believed to be the critical factor for such unusual behaviors.4,5 Therefore, characterizing the motion and relaxation of cyclic polymers under entangled conditions has been an important research topic in polymer science for decades.6

Cyclic polymer dynamics has been investigated using both synthetic and naturally occurring molecules by means of ensemble averaged experimental methods such as nuclear magnetic resonance (NMR), light scattering, and viscosity measurements.7-9 However, these studies often suffer from impurity molecules in the samples.10 Furthermore, spatiotemporal heterogeneities of the motion of individual molecules caused by inherent structural heterogeneity of entangled polymers are often hidden behind the ensemble averaging in these studies. In order to characterize molecular level dynamics of cyclic polymers, a synthesis method that provides high purity cyclic polymers and an experimental and analysis methods that allow for quantitative characterization of molecular motion at the single molecule level have to be developed. Here, we will show a method to synthesize high-purity cyclic and dicyclic poly(THF)s that incorporate a fluorophore unit using an electrostatic self-assembly and covalent fixation (ESA-CF) process11-13 and a method to analyze the motion of the individual fluorophore-incorporated polymer chains using a combination of mean-squared displacement (MSD) and cumulative distribution function (CDF) analyses.

A proper data processing has been shown to be essential for the accurate characterization of the diffusive motion. With an adequate MSD and CDF analyses, a multiple-mode diffusion of the cyclic and dicyclic polymers in the melt and semi-dilute solution of the linear polymer chains has been revealed,14-16 suggesting the significant effects of the topological states of the polymers on the diffusive motion of the chains under entangled conditions.17 While the experimental and analytical approaches to characterize the motion of the cyclic polymers are described in this protocol, the same method can be used to quantitatively characterize the diffusive motion in many other heterogeneous systems. The approach would be especially suitable when multiple diffusion components existing in the samples are to be analyzed.

Protocol

1. סינתזה של Monofunctional ו bifunctional midi (THF)

  1. פולי Monofunctional (THF)
    1. הלהבה לייבש בקבוקון מסביב לתחתית 2-צוואר 100 מ"ל. ואקום למלא את הבקבוק עם חנקן (3 מחזורים).
    2. להוסיף tetrahydrofuran מזוקקים (THF) (50 מ"ל) אל הבקבוק. שים את הבקבוק באמבט מים בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס, לאזן את הטמפרטורה.
    3. להוסיף triflate מתיל (0.5 מילימול) אל הבקבוק על ידי מזרק. מערבבים את התערובת למשך 5-10 דקות ב 20 מעלות צלזיוס.
    4. להוסיף N -phenyl pyrrolidine (4-6 equiv.) אל הבקבוק על ידי מזרק. מערבבים את התערובת במשך 30-60 דקות.
    5. להסיר לחלוטין את הממס בלחץ מופחת (בערך 100 Torr). ממיסים את שאריות 3-5 מ"ל של אצטון. מוסיפים את פתרון אצטון לתוך 300-500 מ"ל של n -hexane. סנן את המשקע ולייבש אותו בלחץ מופחת.
  2. פולי bifunctional (THF)
    1. הלהבה לייבש בקבוקון מסביב לתחתית 2-צוואר 100 מ"ל. Vacuum ולמלא את הבקבוק עם חנקן (3 מחזורים).
    2. להוסיף THF מזוקקים (50 מ"ל) אל הבקבוק. שים את הבקבוק באמבט מים בטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס, לאזן את הטמפרטורה.
    3. להוסיף אנהידריד triflic (0.3 מילימול) אל הבקבוק על ידי מזרק. מערבבים את התערובת למשך 5-10 דקות ב 20 מעלות צלזיוס.
    4. להוסיף N -phenyl pyrrolidine (4-6 equiv.) אל הבקבוק על ידי מזרק. מערבבים את התערובת במשך 30-60 דקות.
    5. להסיר לחלוטין את הממס בלחץ מופחת (בערך 100 Torr). ממיסים את שאריות 3-5 מ"ל של אצטון. מוסיפים את פתרון אצטון כדי 300-500 מ"ל של n -hexane. סנן את המשקע ולייבש אותו בלחץ מופחת.

2. סינתזה של Perylene Diimide-משולב 4-חמוש כוכב ו -8 בצורה Dicyclic midi (THF)

  1. פולי כוכב המזוינים (THF)
    1. חילוף יונים
      1. ממיסים מלח נתרן diimide tetracarboxylate perylene במים (10 מ"ג / מ"ל, 150 מ"ל). לְהִתְמוֹסֵספולי monofunctional (THF) אצטון (160 מ"ג / מ"ל, 4 מ"ל). מוסיפים את dropwise פתרון אצטון לתוך בתמיסה מימית וערבבה במרץ. אסוף את המשקע שנוצר על ידי סינון.
      2. חזור על התהליך הנ"ל עם המשקע התאושש (2.1.1.1) ארבע פעמים.
    2. קיבעון קוולנטיים
      1. ממיסים את המשקע שהתקבל טולואן (5 מ"ג / מ"ל). ריפלוקס הפתרון עבור 4 שעות.
      2. להסיר לחלוטין את הממס בלחץ מופחת (בערך 100 Torr). סנן את השאריות באמצעות תקע של סיליקה ג'ל עם אצטון n -hexane / (2/1 כרך / כרך). מוסיף את הפתרון לתוך מים מקוררים-קרח (300-500 מיליליטר) כדי לזרז את המוצר. אסוף את המשקע על ידי סינון.
  2. פולי 8 בצורת Dicyclic (THF)
    1. חילוף יונים
      1. ממיסים מלח נתרן diimide tetracarboxylate perylene במים (6 מ"ג / מ"ל, 50 מ"ל). ממיסים פולי bifunctional (THF) (0.5 גרםב) 30-50 מ"ל של אצטון. מוסיפים את dropwise פתרון אצטון לתוך בתמיסה מימית וערבבה במרץ ב- C ° 0. אסוף את המשקע שנוצר על ידי סינון.
      2. חזור על התהליך הנ"ל עם המשקע התאושש (2.2.1.1).
    2. קיבעון קוולנטיים
      1. ממיסים את המשקע שהתקבל טולואן (0.05 גר '/ ל). ריפלוקס הפתרון עבור 4 שעות.
      2. להסיר לחלוטין את הממס בלחץ מופחת (בערך 100 Torr). להוסיף טולואן לפזר את השאריות חלקיות. Re-לזרז לתוך 300-500 מ"ל של -hexane n.
      3. סנן את המשקע שנוצר באמצעות תקע של סיליקה ג'ל עם אצטון n -hexane / (2/1 כרך / כרך). Re-לזרז לתוך 300-500 מ"ל מים.
      4. לטהר את המשקע שנוצר על ידי כרומטוגרפיה בעמודה 18 באמצעות ג'ל קלקר. בהמשך לטהר את המוצר הגולמי ידי כרומטוגרפיה חלחול ג'ל preparative (GPC) 19 עם eluent של CHCl 3 עד remתוצרי לוואי אובה ידי ניטור מקדם השבירה (RI) וגלאי UV.

3. ניסוי דימות פלואורסצנטי מולקולה בודדת

  1. להכנת דגימות
    1. ניקוי של תלושי מיקרוסקופ כיסוי
      1. מקום מס '1.5 24 x כיסוי מיקרוסקופ מ"מ 24 מחליק בצנצנת מכתים.
      2. הוסף 1 פתרון הידריד M אשלגן (100 מ"ל) לתוך הצנצנת sonicate במשך 15 דקות. יוצקים את פתרון אשלגן ידי decantation ולשטוף את תלושי לכסות עם מים טהורים במשך כמה פעמים. הוספת אתנול כיתה ספקטרוסקופיות (100 מ"ל) לתוך הצנצנת sonicate במשך 15 דקות.
      3. יוצקים את אתנול על ידי decantation ולשטוף את תלושי לכסות עם מים טהורים במשך כמה פעמים. לאחר שמזג את המים הטהורים ידי decantation, לחזור על השלב 3.1.1.2.
      4. מוסיפים מים טהורים אל הצנצנת sonicate במשך 15 דקות. שוטף את התלושים לכסות עם מים טהורים עבור מספר פעמים. קח את התלושים לכסות מהצנצנת ידי פינצטה פלסטיק ולייבש אותם באמצעות אוויר יבש או חנקן יבש.
    2. הכנת דגימות להמיס פולימר 14,15
      1. הוספת 100 μl של פולי ליניארי שכותרתו (THF) בבקבוק זכוכית ומחממים לטמפרטורה מעל נקודת התכה (כ -25 ° C) בעזרת מייבש שיער.
      2. ממיסים את פולימר משולב-fluorophore (ליניארי, כוכב 4-חמושים, מחזורית, או 8 בצורת dicyclic מסונתז 2.1 ו -2.2) כלורופורם (1 מ"ל, 10 -6 M). הוסף 1 μl של פתרון 100 μl של להמיס של פולי ליניארי שכותרתו (THF).
      3. לאחר ערבוב המדגם ביסודיות עם קצה פיפטה, להתאדות כלורופורם על ידי חימום מדגם בעזרת מייבש.
        הערה: זו מספקת להמיס של פולי ליניארי שכותרתו (THF) המכיל 10 -8 M של פולימרים משולבים fluorophore.
      4. קח 10 μl של המדגם באמצעות מיקרו-פיפטה דROP אותו על פיסת כיסוי לנקות. במילים אחרות לכסות להחליק ניקה על המדגם כריך במדגם בין שני תלושי לכסות.
      5. לחץ על המדגם בעדינות בעזרת פינצטה פלסטיק.
  2. דימות פלואורסצנטי רחב בתחום ההתקנה 15
    1. מבוא של ליזר עירור (488 ננומטר) ליציאה האחורית של מיקרוסקופ הפוכה
      1. כנס מסנן bandpass העירור מקטב לתוך נתיב הקרן.
      2. הרחב את הקורה של כ 1 סנטימטר קוטר על ידי הרחבה קורית.
      3. הכנס צלחת גל ברבעון לתוך נתיב קרן. הגדר את לציר האופטי של לוחית הגל ב 45 מעלות ביחס לזה של המקטב. לחלופין, כנס מפצה ברק ולהגדיר את העיכוב האופטי כדי λ / 4.
      4. כנס סרעפת בנתיב קרן עירור כדי להתאים את גודל הקורה.
      5. לפני החדרת קרן הליזר ליציאה האחורית של microsco האופטי ההפוךPE, הכנס העדשה מתמקדת (עדשה קמורה תוכנית, אורך מוקדי ≈ 300 מ"מ) לעמדה שבה קרן לייזר מתוך העדשה המטרה היא collimated.
    2. לאחר המשקף את קרן הליזר באמצעות מראה dichroic רכוב על קובייה מסננת, להציג את קרן הליזר אל המדגם באמצעות צמצם מספרי גבוה (NA) עדשה אובייקטיבית (למשל, NA 1.3, גדלת 100X, טבילת שמן).
    3. צרף מחמם אובייקטיבי העדשה האובייקטיבית להגדיר את הטמפרטורה עד 30 מעלות צלזיוס.
    4. הרכבה המדגם על הבמה של מיקרוסקופ הפוכה
      1. טיפת טיפה אחת של שמן טבילה על העדשה האובייקטיבית הר המדגם על מצב מיקרוסקופ.
      2. ודא כי עובי המדגם של כ -10 מיקרומטר מתקבל על ידי סימון המיקום הצירי של המשטח התחתון והעליון של המדגם.
      3. התאם את המיקוד של מיקרוסקופ כדי מיקרומטרים אחדים מעל המשטח התחתון של המדגם.
    5. השג אור העירור מקוטב מעגלי תחת העדשה האובייקטיבית
      1. הכנס מקטב לתוך קרן לייזר collimated מתוך העדשה אובייקטיבי.
      2. רשום את עוצמת הלייזר מועבר דרך מקטב על ידי החדרת מד הכוח לאחר מקטב. רשום את כוח הליזר מועבר בזוויות קיטוב שונות על ידי סיבוב המקטב.
      3. אם כוח הליזר המועבר אינו קבוע בכל זוויות הקיטוב, מעט לסובב את הצלחת ברבעון הגל או מפצה ברק הוכנסה נתיב קרן עירור.
      4. חזור על שלב 3.2.5.2 ו 3.2.5.3 עד כוח ליזר מועבר הקבוע מתקבלים בכל זוויות הקיטוב. ודא כי אור המקוטב המעגלי מתקבל על המדגם.
    6. הגדר את EM (הכפלת אלקטרונים) -charge מכשיר מצמיד (CCD) מצלמה
      1. צרף את המצלמה-CCD EM לנמל בצד של המיקרוסקופ ולחבר אותו ל- tהוא תוכנת רכישת התמונה.
      2. במידת הצורך, לסנכרן את החשיפה המצלמה צמצם מכני או מסנן מתכונן אופטי acousto הוכנס נתיב קרן עירור על ידי שליחת ההיגיון-טרנזיסטור טרנזיסטור (TTL) אותות שנוצר על ידי המצלמה EM-CCD להתקנים. לחלופין, לסנכרן את החשיפה המצלמה פלט לייזר על ידי שליחת אותות TTL שנוצר על ידי המצלמה EM-CCD ללייזר.
        הערה: האפשרות האחרונה היא ישים רק כאשר לייזר מצב מוצק שכוחם פלט יכול להיות מווסתת על ידי קלט טרנזיסטור טרנזיסטור ההיגיון (TTL) אותות משמש לצורך הניסוי.
      3. החל רווח EM (בדרך כלל כ 300) למצלמת CCD באמצעות תוכנת שליטה על המצלמה כדי לקבל תמונת קרינה באיכות גבוהה של fluorophore היחיד.
      4. הגדרת האזור של עניין (ROI) (בדרך כלל 128 x 128 פיקסלים במרכז שדה הראייה) באמצעות תוכנת השליטה במצלמה.
        הערה: זו מאפשרת Imagiניסויי ng בשיעורי המסגרת של 100 - 200 הרץ במצב העברת מסגרת, אשר נדרש לדמיין את ההצעה של שרשרות הפולימר-משולב fluorophore במדגם להמס.
  3. הפעלת הניסוי
    1. אופטימיזציה של תנאי הניסוי
      1. התאם את אזור התאורה המדגמת לכ -20 מיקרומטר קוטר באמצעות הסרעפת הוכנסה נתיב קרן עירור.
      2. הגדר את כוח ליזר עירור על מדגם 4 - 8 mW על ידי בחירה ידנית צפיפות ניטראלית מתאים (ND) מסנן הוכנס נתיב קרן עירור.
        הערה: זה מספק את כוח לייזר ממוצע של 1 - 2 כ"ס -2 ס"מ על מדגם.
      3. תמונות קרינת שיא של המדגם בשיעורי המסגרת של 100 - 200 רץ. אם עוצמת הקרינה המתקבלת פולימרי fluorophore-משולב הפרט היא נמוכה מדי, להגדיל בהדרגה את כוח העירור באמצעות הדואר ND מסנן עד שמגיעים כ 100 מגה ואט עם המדגם.
      4. אם איכות התמונה הקרינה מולקולה בודדת עדיין אינה משביעת רצון, לבדוק את הזיהומים הקרינה במדגם ידי הקלטת תמונות הקרינה של להמיס טהור של פולי אי שכותרתו (THF). במקרה רקע קרינה גבוה הוא ציין, להשתמש פולי אי שכותרתו שונים (THF).
      5. אם את הצפיפות של מקום הקרינה המתקבל הפולימרים משולבים fluorophore ב להמס גבוהה מדי כדי לבודד אותם מרחבית (הדבר גורם שגיאות בניתוח של תנועת diffusive), להקטין את הריכוז של הפולימרים משולבים fluorophore במדגם עד מרחבית הם נצפו כתמים בודדים.
      6. אם את הצפיפות של המקום הקרינה המתקבל פולימרים משולבים fluorophore ב להמיס הוא נמוך מדי (זה גורם תפוקה נמוכה של ניסוי הדמיה), להגדיל את הריכוז של פולימרים משולבים fluorophore במדגם עד להשגת approprצפיפות iate של מקום הקרינה הוא הגיע.
      7. אם תמונות הקרינה המתקבלות הפולימרים משולבים fluorophore ב להמס מיטשטשים, להגדיל את מסגרת החליפין של רכישת ההדמיה.
        הערה: זה בדרך כלל דורש החזר השקעה קטנה, בדרך כלל 64 x 64 פיקסלים.
  4. תמונת רכישה
    1. ברגע תנאי הניסוי ממוטבים, לעזוב את המדגם רכוב על במת מיקרוסקופ במשך שעה כך המדגם מגיע תנאי שיווי משקל.
    2. הקלט 500 - 1,000 רצפים תמונה הקרינה של פולימרים משולבים fluorophore במדינת להמיס בכל 100 - קצב הפריימים 200 הרץ. אם קובץ בפורמט ברירת מחדל הוא לא TIFF, להמיר את כל רצפי תמונות לפורמט TIFF.

4. ניתוח של Motion הפעפוע

  1. עקירת Mean-בריבוע (MSD) ניתוח
    1. חתוך את רצפי תמונת קרינה בצורה כזאתשכל רצף תמונה מכיל תוכנות עיבוד תמונה באמצעות פולימר לשדר יחידה היטב ממוקדות משולב-fluorophore, כגון ImageJ.
    2. כאשר הבסיסים המשלימים התמונה החתוכה להכיל יותר מ -10 מסגרות, לפצל את התמונה sequences לתוך רצפים מרובים כך שכל רצף מורכב של 10 פריימים.
    3. לקבוע את עמדותיהם של מולקולות בכל רצפים תמונה מדויקת על ידי הולם גאוס דו מימדי של התמונות.
    4. קבע את מקדם הדיפוזיה (D) של מולקולות בודדות ידי ניתוח עקירה בריבוע אומר (MSD) של מסלולי דיפוזיה (כלומר, עמדות תלויות זמן של המולקולה) באמצעות משוואה 20
      figure-protocol-15293
      כאשר x ו- y i i הן עמדות של המולקולה מסגרת התמונה i, ו- n מציין את מספר הפריים עם הזמן לשגות Δt ממסגרת i.
    5. מגרש את מקדמי דיפוזיההיסטוגרמה תדירה.
      הערה: בדרך כלל, היסטוגרמה בנוי יותר מ -100 מולקולות.
  2. פונקציית התפלגות מצטברת (CDF) ניתוח
    הערה: CDF, P (r 2, i Δ t) תואמת את ההסתברות המצטברת של מציאת מולקולות לשדר ברדיוס r מהראשית בפיגור זמן מסוים אני Δ t.
    1. חשב את העקירה בריבוע המתרחשת בזמן מפגר של 1Δt, 2Δt, ····, iΔt עבור כל מסלולי דיפוזיה שהושגו 4.1.3.
      הערה: לתת חישובים אלה מ סכו i בריבוע-התקות בפעם מפגרת של iΔt.
    2. לחשב מספרים של-ההתקות בריבוע (i l) במסגרת קבוצת הנתונים i מ הכוללת כי הם קטנים מ r 2 בערכי r 2 שונים (0 אני l מנורמל vs r 2 מגרשים תואמים את CDF, P (r 2, iΔt).
  3. ניתוח של CDFS עם מודלים דיפוזיה ברורים
    הערה: CDFS השיג מצוידים ידי מודלים דיפוזיה ברורים; מודל דיפוזיה הומוגנית, מצבי דיפוזיה מרובה, בהם חלוקת D מתואר על ידי (מודל גאוס יחיד) גאוס, מצבי דיפוזיה מרובה, בהם חלוקת D מתואר על ידי מספר רב של גאוס (מודל גאוס מרובים).
    1. במודל דיפוזיה הומוגנית, לקבוע ממוצעת D על ידי התאמת CDF באמצעות משוואה 21
      figure-protocol-17083
      הערה: כל סטייה מן המשוואה מרמזת על דיפוזיה הטרוגנית של המולקולה.
    2. במודל גאוס יחיד, לקבוע את התפלגות ההסתברות של D מתואר על ידי גאוס (f (D)) על ידי התאמת CDF באמצעות 15
      on3 "src =" / files / ftp_upload / 54,503 / 54503equation3.jpg "/>
      figure-protocol-17496
      כאשר A, W, ו- D 0 הם משרעת, רוחב, ובמרכז גאוס.
    3. במודל גאוס כפול, לקבוע את התפלגות ההסתברות של j ה מרכיב של D מתואר על ידי גאוס (f (D)) על ידי התאמת CDF באמצעות 14
      figure-protocol-17889
      figure-protocol-17967
      כאשר A j הוא שבריר של כל רכיב דיפוזיה, ו α j, w j, ו j D 0 הם משרעת, רוחב, ובמרכז j ה מרכיב של גאוס.
  4. חישוב distri ההסתברות התיאורטיbution של מקדם הדיפוזיה
    הערה: ההסתברויות של D המתרחשות עקב הטעויות הסטטיסטיות (p (D) ד ד) מחושבות עבור דגמי דיפוזיה השונים; מודל דיפוזיה הומוגנית, מצבי דיפוזיה מרובה, בהם חלוקת D מתואר על ידי (מודל גאוס יחיד) גאוס, מצבי דיפוזיה מרובה, בהם חלוקת D מתואר על ידי מספר רב של גאוס (מודל גאוס מרובים).
    1. במודל דיפוזיה הומוגנית, לחשב את התפלגות ההסתברות הסטטיסטית של D באמצעות משוואה 22
      figure-protocol-18910
      כאשר N הוא מספר נקודות הנתונים במסלול דיפוזיה (N = 10, ראה 4.1.2), D 0 הוא מקדם הדיפוזיה הממוצע (הנקבע על ידי ניתוח CDF, ראה 4.2.3.1), ו- D הוא השיג באופן ניסיוני מקדם הדיפוזיה עבור מסלול פרט.
    2. במודל דיפוזיה גאוס יחיד, לחשב את התפלגות ההסתברות הסטטיסטית של D באמצעות משוואה 15
      figure-protocol-19343
      כאשר f (D) מציין התפלגות הסתברות של D שקבעה ניתוח CDF (ראה 4.2.3.2), ו- D 0 הוא מקדם הדיפוזיה הממוצע (הנקבע על ידי ניתוח CDF, ראה 4.2.3.2).
    3. במודל דיפוזיה גאוס הכפול, לחשב את התפלגות ההסתברות הסטטיסטית של D באמצעות משוואה 14
      figure-protocol-19724
      כאשר f (D j) מציינת התפלגות ההסתברות של j ה מרכיב של D (j D) שקבע ניתוח CDF (ראה 4.2.3.3), ו- D 0j הוא מקדם הדיפוזיה הממוצע של j ה מרכיב (הנקבעת על ידי CDF ניתוח, ראה 4.2.3.3).

תוצאות

Perylene diimide-משולב 4 כוכבים-חמושים ו -8 בצורת פולי dicyclic (THF) s היו מסונתז באמצעות הרכבה עצמית אלקטרוסטטי וקיבוע קוולנטי (ESA-CF) תהליך (איור 1, איור 2). תמונות הקרינה מולקולה בודדת זמן לשגות נמדדו עבור (איור 3 א) 4-חמושים בצורת 8 (איו?...

Discussion

הפולימרים 4-חמושים בצורת 8 הוכנו באמצעות פרוטוקול ESA-CF (איור 1), אשר הוא שלב קריטי לסינתזה. 12,24 Monofunctional פולי ליניארי bifunctional (THF) s עם קבוצות סוף N -phenylpiperidinium היו מסונתז על פי הנוהל הקודם. 11 חילוף היונים בוצע על ידי reprecipitation של פתרון אצטון של מבשר פול?...

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by a Grant-in-Aid for Scientific Research No. 22750122 (S.H.), No. 26288099 (T.Y.), and No. 23350050 (Y.T.) of the Japan Society for the Promotion of Science. S.H. is grateful for The Kurata Memorial Hitachi Science and Technology Foundation. The research reported in this publication was supported by the King Abdullah University of Science and Technology (S.H.).

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Materials
THFGodo
Wakosil C-300Wako Pure Chemical Industries
AcetoneGodo
TolueneGodo
n-HexaneGodo
CHCl3Kanto Chemical
Bio-Beads S-X1Bio-Rad
Methyl triflateNacalai Tesque
Triflic anhydrideNacalai Tesque
Potassium HydroxideWako Pure Chemical Industries
EthanolWako Pure Chemical Industries
Poly(tetrahydrofuran)Aldrich
ChloroformWako Pure Chemical Industries
Immersion oilCargilleType 37 / Type A
Equipment
2-Neck 100-ml round-bottom flask
Flask
Beaker
Funnel
Filter paperWhatman
Reflux condenser
Syringe
Water bath
Magnetic stirrer
Rotary evaporator
Microscope cover slips (24 x 24 mm, No. 1)Matsunami GlassCO22241
Staining jarAS ONE Corporation1-7934-01
Ultrasonic cleanerVWR International 142-0047
Inverted microscopeOlympusIX71
Ar-Kr ion laserCoherentInnova 70C
Berek compensatorNewport5540
Excitation filterSemrockLL01-488-12.5
Dichloric mirrorOmega optical500DRLP
Emission filterSemrockBLP01-488R-25
Lens and mirrorThorlabs
EM-CCD cameraAndor TechnologyiXon
Objective lens (100X, N.A. = 1.3)OlympusUPLFLN 100XOP
Objective heaterBioptechs
Preparative GPCJapan Analytical IndustryLC-908

References

  1. Honda, S., Yamamoto, T., Tezuka, Y. Topology-Directed Control on Thermal Stability: Micelles Formed from Linear and Cyclized Amphiphilic Block Copolymers. J. Am. Chem. Soc. 132 (30), 10251-10253 (2010).
  2. Honda, S., Yamamoto, T., Tezuka, Y. Tuneable enhancement of the salt and thermal stability of polymeric micelles by cyclized amphiphiles. Nat. Commun. 4, (2013).
  3. Jun, S., Mulder, B. Entropy-driven spatial organization of highly confined polymers: Lessons for the bacterial chromosome. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 103 (33), 12388-12393 (2006).
  4. McLeish, T. Polymers without beginning or end. Science. 297 (5589), 2005-2006 (2002).
  5. McLeish, T. Polymer dynamics: Floored by the rings. Nat. Mater. 7 (12), 933-935 (2008).
  6. Roovers, J., Tezuka, Y. . Topological Polymer Chemistry: Progress of Cyclic Polymers in Syntheses, Properties and Functions. , 137-156 (2013).
  7. Klein, J. Evidence for reptation in an entangled polymer melt. Nature. 271 (5641), 143-145 (1978).
  8. Leger, L., Hervet, H., Rondelez, F. Reptation in entangled polymer-solutions by forced rayleigh light-scattering. Macromolecules. 14 (6), 1732-1738 (1981).
  9. von Meerwall, E. D., Amis, E. J., Ferry, J. D. Self-diffusion in solutions of polystyrene in tetrahydrofuran - comparison of concentration dependences of the diffusion-coefficients of polymers, and a ternary probe component. Macromolecules. 18 (2), 260-266 (1985).
  10. Kapnistos, M., et al. Unexpected power-law stress relaxation of entangled ring polymers. Nat. Mater. 7 (12), 997-1002 (2008).
  11. Adachi, K., Takasugi, H., Tezuka, Y. Telechelics having unstrained cyclic ammonium salt groups for electrostatic polymer self-assembly and ring-emitting covalent fixation. Macromolecules. 39 (17), 5585-5588 (2006).
  12. Oike, H., Imaizumi, H., Mouri, T., Yoshioka, Y., Uchibori, A., Tezuka, Y. Designing unusual polymer topologies by electrostatic self-assembly and covalent fixation. J. Am. Chem. Soc. 122 (40), 9592-9599 (2000).
  13. Yamamoto, T., Tezuka, Y. Topological polymer chemistry: a cyclic approach toward novel polymer properties and functions. Polym. Chem. 2 (9), 1930-1941 (2011).
  14. Habuchi, S., Fujiwara, S., Yamamoto, T., Tezuka, Y. Single-molecule imaging reveals topological isomer-dependent diffusion by 4-armed star and dicyclic 8-shaped polymers. Polym. Chem. 6 (22), 4109-4115 (2015).
  15. Habuchi, S., Fujiwara, S., Yamamoto, T., Vacha, M., Tezuka, Y. Single-Molecule Study on Polymer Diffusion in a Melt State: Effect of Chain Topology. Anal. Chem. 85 (15), 7369-7376 (2013).
  16. Habuchi, S., Satoh, N., Yamamoto, T., Tezuka, Y., Vacha, M. Multimode Diffusion of Ring Polymer Molecules Revealed by a Single-Molecule Study. Angew. Chem. Int. Ed. 49 (8), 1418-1421 (2010).
  17. Habuchi, S., Tezuka, Y. . Topological Polymer Chemistry: Progress of Cyclic Polymers in Syntheses, Properties and Functions. , 265-290 (2013).
  18. Fernandez, P., Bayona, J. M. Use of off-line gel-remeation chromatography normal-phase liquid-chromatography fro the determination of polycyclic aromatic-compounds in environmental-samples and standard reference materials (air particulate matter and marine sediment). J. Chromatogr. 625 (2), 141-149 (1992).
  19. Biesenberger, J. A., Tan, M., Duvdevan, I., Maurer, T. Recycle gel permeation chromatography. 1. recycle principle and design. J. Polym. Sci. Pol. Lett. 9 (5), 353 (1971).
  20. Kusumi, A., Sako, Y., Yamamoto, M. Confined lateral diffusion of membrane-receptors as studied by single-particle tracking (nanovid microscopy) - effects of calcium-induced differentiation in cultured epithelial-cells. Biophys. J. 65 (5), 2021-2040 (1993).
  21. Schutz, G. J., Schindler, H., Schmidt, T. Single-molecule microscopy on model membranes reveals anomalous diffusion. Biophys. J. 73 (2), 1073-1080 (1997).
  22. Vrljic, M., Nishimura, S. Y., Brasselet, S., Moerner, W. E., McConnell, H. M. Translational diffusion of individual class II MHC membrane proteins in cells. Biophys. J. 83 (5), 2681-2692 (2002).
  23. Margineanu, A., et al. Photophysics of a water-soluble rylene dye: Comparison with other fluorescent molecules for biological applications. J. Phys. Chem. B. 108 (32), 12242-12251 (2004).
  24. Tezuka, Y., Oike, H. Self-assembly and covalent fixation for topological polymer chemistry. Macromol. Rapid Commun. 22 (13), 1017-1029 (2001).
  25. Deres, A., et al. The Origin of Heterogeneity of Polymer Dynamics near the Glass Temperature As Probed by Defocused Imaging. Macromolecules. 44 (24), 9703-9709 (2011).
  26. Flier, B. M. I., et al. Heterogeneous Diffusion in Thin Polymer Films As Observed by High-Temperature Single-Molecule Fluorescence Microscopy. J. Am. Chem. Soc. 134 (1), 480-488 (2012).
  27. Habuchi, S., Oba, T., Vacha, M. Multi-beam single-molecule defocused fluorescence imaging reveals local anisotropic nature of polymer thin films. Phys. Chem. Chem. Phys. 13 (15), 6970-6976 (2011).
  28. Zettl, U., et al. Self-Diffusion and Cooperative Diffusion in Semidilute Polymer Solutions As Measured by Fluorescence Correlation Spectroscopy. Macromolecules. 42 (24), 9537-9547 (2009).
  29. Kirstein, J., Platschek, B., Jung, C., Brown, R., Bein, T., Brauchle, C. Exploration of nanostructured channel systems with single-molecule probes. Nat. Mater. 6 (4), 303-310 (2007).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

115

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Research

Education

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved