Riconosciamo il sostegno finanziario dall'iniziativa di crescita di ricerca (premio No. 101 X 340), National Science Foundation, programma per la strumentazione di ricerca principali (Grant No. PHY-1626450), Greater Milwaukee Foundation (Premio Shaw) e sistema di Università del Wisconsin (Grant di ricerca applicata).

1. reagenti soluzione preparazione
<ol><li>Preparare una soluzione di proteine avviamento diluendo dissoluzione/la proteina di interesse fino alla concentrazione desiderata, utilizzando un buffer di Tris [20 mM tris (idrossimetil) amminometano e 150 mM NaCl, pH 7.4]. Nota: La minima concentrazione di proteina per che cross-linking conduce a idrogeli dipende la proteina usata ed è in genere > 1 mM.</li>
	<li>Preparare scorte di ammonio persolfato (APS) (1 M) e cloruro di tris(bipyridine)ruthenium(II) ([Ru(bpy)3]2 +) soluzioni (6,67 mM) sciogliendo APS e [Ru(bpy)3]2 + polveri nel buffer di Tris.</li>
</ol>2. a base di proteine di sintesi di idrogel
<ol><li>Difficoltà un ago di 23 G su una siringa da 1 mL con uno stantuffo premuto.</li>
	<li>Tagliare un tubo di politetrafluoroetilene (PTFE) 10 cm (con un diametro interno di 0,022 in e un diametro esterno di 0,044 in) utilizzando una lama di rasoio. Fissare l'ago e la siringa ad una estremità del tubo flessibile in PTFE.</li>
	<li>Inserire la seconda estremità del tubo in una soluzione di silano e riempire la provetta ritraendo lo stantuffo della siringa. Lasciare il tubo per circa 30 min.</li>
	<li>Rimuovere la soluzione di silano e asciugare il tubo con aria compressa. Nota: Assicurarsi che tutta la soluzione di silano sia asciutto e che non lasci residui nel tubo.</li>
	<li>Mescolare la soluzione della proteina con APS e [Ru (bpy) 3]2 + in una provetta da 1,5 mL utilizzando un rapporto di volume costante [ad es., 15:1:1 o 15:0.5:0.5 (v: v: v)].</li>
	<li>Vortice la soluzione fotoattiva finché non è completamente mescolato.</li>
	<li>Centrifugare il mix alla massima velocità (ad es., 14.000 x g) per rimuovere tutte le bolle dalla soluzione.</li>
	<li>Inserire l'estremità aperta del tubo flessibile in PTFE trattato il composto fotoattivo e aspirare la soluzione nella provetta ritraendo lo stantuffo della siringa.</li>
	<li>Posizionare il tubo caricato ~ 10 cm da una lampada a mercurio 100 W per prevenire il riscaldamento esso e tenerlo lì per fino a 30 min a temperatura ambiente (Figura 1B). Nota: In alcuni casi, il tempo di esposizione alla luce può essere più basso 30 s. tempi di gelificazione vengono utilizzati qui per gel fluorescente, per limitare photobleaching.</li>
	<li>Rimuovere il tubo dall'ago e tagliare i bordi del tubo vicino alle estremità di idrogel con una lama di rasoio.</li>
	<li>Utilizzare un ago 24 G smussata per estrudere l'idrogel nella soluzione Tris (Figura 1). Nota: Blunted aghi sono usati per evitare qualsiasi tacche o danni al campione di idrogel.</li>
	<li>Ispezionare visivamente i gel per eventuali difetti che potrebbero formare durante l'estrusione o a causa di bolle e scartare i gel con difetti.</li>
</ol>3. allegato a base di proteine idrogel e set-up reometro forza-Clamp
<ol><li>Avviare il programma di controllo dello strumento. Accendere il motore della bobina. Impostare la posizione della bobina su un valore verso la fine dell'intervallo (ad es., 7,5 mm). Nota: La posizione della bobina è consigliabile essere verso la fine dell'intervallo massimo movimento, per massimizzare l'eventuale estensione dell'idrogel.</li>
	<li>Spostare i ganci nel z-senso e allinearli alla curva in x-direzione (che è la coordinata tira; Vedi Figura 2B). Registrare i valori delle viti micrometriche per la x-direzione.</li>
	<li>Tagliare 2 suture sterili in fili di uguale lunghezza (2-3 cm; Vedi Figura 3A e B).</li>
	<li>Un nodo sciolto double overhand in ognuno dei fili e posizionare le 2 asole sul gancio collegato al sensore di forza (Figura 3 e 3D).</li>
	<li>Riempire la camera sperimentale con tampone Tris e trasferire il campione di idrogel nella camera riempita con pinzette medicale.</li>
	<li>Posizionare la bobina di voce e forza ganci sensore vicino alla superficie della soluzione e allineare i ganci in tutte le direzioni utilizzando il x/y/z-manipolatori di posizionamento.</li>
	<li>Utilizzando pinzette medicale, hang entrambi i lati del campione della proteina idrogel sui ganci collegati alla voce bobina e forzare il sensore (Figura 3).</li>
	<li>Stringere 1 anello di sutura intorno al campione di idrogel al gancio di bobina di voce tenendo entrambe le estremità dell'ansa di sutura con pinzette medicale e li tirando contemporaneamente (Figura 3D).</li>
	<li>Ripetere il punto 3.8 per il loop collegato al sensore di forza (Figura 3D). Nota: Evitare un serraggio estreme delle suture per prevenire eventuali danni strutturali e taglio trasversale del campione idrogel.</li>
	<li>Serrare i loop di sutura sulle curve di ogni gancio per evitare qualsiasi slittamento; uso queste curve come riferimento punta a trovare la zero separazione tra i ganci al punto 3.2. Tagliare le lunghezze in eccesso delle suture utilizzando forbici mediche (Figura 3D).</li>
	<li>Spostare l'idrogel allegato utilizzando z-manipolatori lungo l' z-asse verso la camera sperimentale per immergere l'idrogel nella soluzione sperimentale.</li>
	<li>Allineare il campione di idrogel in y-z utilizzando i manipolatori, tale che il gel non è sotto stress.</li>
	<li>Zero il sensore di forza e di separare i due ganci utilizzando x-micrometro fasi fino a quando il gel inizia a sperimentare la forza. Una volta che questo accade, ridurre leggermente la vite micrometrica in x-direzione.</li>
	<li>Registrare la posizione di entrambi manipolatori per il sensore e il motore di bobina di voce e utilizzare la differenza tra questi valori e quelli misurati nel passaggio 3.2 per calcolare l'esatta separazione tra i ganci tethering all'inizio dell'esperimento.</li>
	<li>Impostare l'intervallo per la curva lenta a ~1.5 - 2 mm e misurare l'allentamento di gel (Figura 4A). Nota: Per ogni misurazione slack, cercare di mantenere l'inizio del regime slack vicino alla posizione di bobina di voce iniziale, consentendo un numero ottimale di punti dati per adattare i 2 regimi (Figura 4A). La lunghezza del gel può essere determinata con una risoluzione di micron utilizzando la separazione tra i ganci e l'intersezione tra i 2 regimi la corda della curva (Vedi anche punto 5.1). Come il sensore di forza potrebbe deriva con il tempo a causa di variazioni nelle condizioni sperimentali, la parte della curva lenta dove il gel non è sotto forza rapporti su questa deriva possibile. Il programma di controllo dello strumento compensa automaticamente questa differenza quando si invia il comando set-point al loop PID (inserto diFigura 4A ).</li>
</ol>4. a base di proteine idrogel caratterizzazione tramite rampa di forza controllata e misurazioni di forza costante
<ol><li>
Esperimenti di forza-rampa
	<ol>
<li>Per eseguire un ciclo di forza-rampa aumentando la forza alla velocità di caricamento desiderato (ad es., 0,01 mN/s), input le forze iniziale e finale e la durata del protocollo come una "V" capovolta. Quindi, tenere il gel a 0 mN (o bassa forza) per s > 200 consentire i domini della proteina da ripiegare e l'elasticità del gel per recuperare.</li>
		<li>Salvare la traccia.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Esperimenti di forza costante
	<ol>
<li>Eseguire un protocollo di forza costante applicando una forza bassa (per esempio, 0.1 mN) per 30 s e quindi aumentare la forza di una forza costante (ad es., 1 mN) per un periodo definito di tempo (ad es., 120 s), seguita da tempra la forza torna allo stesso basso valore (per esempio, 0.1 mN) per s > 300 consentire i domini della proteina da ripiegare e l'elasticità del gel per recuperare.</li>
		<li>Seguendo il primo impulso, regolare le impostazioni di PID per massimizzare il tempo di risposta del feedback loop (vedere Figura 2D). Nota: Per i gel rigidi e per piccole variazioni della forza, il tempo di risposta del ciclo è limitato l'elettronica del sensore di forza e il tempo di risposta della bobina e può essere basso come 5 ms7. Per grandi cambiamenti nella forza e più morbido gel, il tempo di risposta è dettato dall'elasticità di idrogeli (Figura 2D).</li>
		<li>Salvare la traccia.</li>
	</ol>
</li>
</ol>5. analisi dei dati
<ol><li>Che utilizzano la separazione misurata tra i ganci e la posizione calcolata bobina, quando il gel inizia a sperimentare la forza (Δx nell'inserto Figura 4A ), calcolare la lunghezza di gel L usando l'equazione: L = L0 + ∆ Qui, L0 è la separazione tra i ganci, misurato dalla posizione delle viti micrometriche prima dell'esperimento (passo 3.14). Nota: Per gel con concentrazioni di proteina bassa che non si traducono in una completa reticolazione, la lunghezza misurata cambierà da traccia a traccia. Inoltre, per lunghi periodi di tempo, proteine all'interno di idrogeli potrebbero verificarsi effetti di invecchiamento25, che provocano un allungamento complessivo del gel.</li>
	<li>Normalizzare l'estensione misurata alla lunghezza di gel per ottenere il ceppo.</li>
	<li>Normalizzare la forza misurata alla superficie trasversale utilizzando il diametro interno del tubo usato per la polimerizzazione.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Cao, Y., Li, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+do+chemical+denaturants+affect+the+mechanical+folding+and+unfolding+of+proteins?.">How do chemical denaturants affect the mechanical folding and unfolding of proteins?.</a> Journal of Molecular Biology. 375 (1), 316-324 (2008).</li><li>Carrion-Vazquez, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+and+chemical+unfolding+of+a+single+protein:+a+comparison.">Mechanical and chemical unfolding of a single protein: a comparison.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (7), 3694-3699 (1999).</li><li>Wiita, A. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+the+chemistry+of+thioredoxin+catalysis+with+force.">Probing the chemistry of thioredoxin catalysis with force.</a> Nature. 450 (7166), 124-127 (2007).</li><li>Lv, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Designed+biomaterials+to+mimic+the+mechanical+properties+of+muscles.">Designed biomaterials to mimic the mechanical properties of muscles.</a> Nature. 465 (7294), 69-73 (2010).</li><li>Plumere, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+redox+hydrogel+protects+hydrogenase+from+high-potential+deactivation+and+oxygen+damage.">A redox hydrogel protects hydrogenase from high-potential deactivation and oxygen damage.</a> Nature Chemistry. 6 (9), 822-827 (2014).</li><li>Kong, N., Peng, Q., Li, H. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rationally+Designed+Dynamic+Protein+Hydrogels+with+Reversibly+Tunable+Mechanical+Properties.">Rationally Designed Dynamic Protein Hydrogels with Reversibly Tunable Mechanical Properties.</a> Advanced Functional Materials. 24 (46), 7310-7317 (2014).</li><li>Khoury, L. R., Nowitzke, J., Shmilovich, K., Popa, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+Biomechanical+Properties+of+Protein-Based+Hydrogels+Using+Force-Clamp+Rheometry.">Study of Biomechanical Properties of Protein-Based Hydrogels Using Force-Clamp Rheometry.</a> Macromolecules. 51 (4), 1441-1452 (2018).</li><li>Auton, M., Rosgen, J., Sinev, M., Holthauzen, L. M. F., Bolen, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Osmolyte+effects+on+protein+stability+and+solubility:+A+balancing+act+between+backbone+and+side-chains.">Osmolyte effects on protein stability and solubility: A balancing act between backbone and side-chains.</a> Biophysical Chemistry. 159 (1), 90-99 (2011).</li><li>Popa, I., Kosuri, P., Alegre-Cebollada, J., Garcia-Manyes, S., Fernandez, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Force+dependency+of+biochemical+reactions+measured+by+single-molecule+force-clamp+spectroscopy.">Force dependency of biochemical reactions measured by single-molecule force-clamp spectroscopy.</a> Nature Protocols. 8 (7), 1261-1276 (2013).</li><li>Aioanei, D., Brucale, M., Tessari, I., Bubacco, L., Samori, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Worm-Like+Ising+Model+for+Protein+Mechanical+Unfolding+under+the+Effect+of+Osmolytes.">Worm-Like Ising Model for Protein Mechanical Unfolding under the Effect of Osmolytes.</a> Biophysical Journal. 102 (2), 342-350 (2012).</li><li>Wheeldon, I. R., Gallaway, J. W., Barton, S. C., Banta, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioelectrocatalytic+hydrogels+from+electron-conducting+metallopolypeptides+coassembled+with+bifunctional+enzymatic+building+blocks.">Bioelectrocatalytic hydrogels from electron-conducting metallopolypeptides coassembled with bifunctional enzymatic building blocks.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (40), 15275-15280 (2008).</li><li>Sathaye, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rheology+of+peptide-+and+protein-based+physical+hydrogels:+are+everyday+measurements+just+scratching+the+surface?.">Rheology of peptide- and protein-based physical hydrogels: are everyday measurements just scratching the surface?.</a> Wiley Interdisciplinary Reviews: Nanomedicine and Nanobiotechnology. 7 (1), 34-68 (2015).</li><li>Ma, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Biocompatible+and+Biodegradable+Protein+Hydrogel+with+Green+and+Red+Autofluorescence:+Preparation,+Characterization+and+In+Vivo+Biodegradation+Tracking+and+Modeling.">A Biocompatible and Biodegradable Protein Hydrogel with Green and Red Autofluorescence: Preparation, Characterization and In Vivo Biodegradation Tracking and Modeling.</a> Scientific Reports. 6, 19370 (2016).</li><li>Fancy, D. A., Kodadek, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemistry+for+the+analysis+of+protein-protein+interactions:+rapid+and+efficient+cross-linking+triggered+by+long+wavelength+light.">Chemistry for the analysis of protein-protein interactions: rapid and efficient cross-linking triggered by long wavelength light.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 96 (11), 6020-6024 (1999).</li><li>Saqlain, F., Popa, I., Fernandez, J. M., Alegre-Cebollada, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Novel+Strategy+for+Utilizing+Voice+Coil+Servoactuators+in+Tensile+Tests+of+Low+Volume+Protein+Hydrogels.">A Novel Strategy for Utilizing Voice Coil Servoactuators in Tensile Tests of Low Volume Protein Hydrogels.</a> Macromolecular Materials and Engineering. 300 (3), 369-376 (2015).</li><li>Sun, F., Zhang, W. B., Mahdavi, A., Arnold, F. H., Tirrell, D. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Synthesis+of+bioactive+protein+hydrogels+by+genetically+encoded+SpyTag-SpyCatcher+chemistry.">Synthesis of bioactive protein hydrogels by genetically encoded SpyTag-SpyCatcher chemistry.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (31), 11269-11274 (2014).</li><li>Thompson, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-assembling+hydrogels+crosslinked+solely+by+receptor-ligand+interactions:+tunability,+rationalization+of+physical+properties,+and+3D+cell+culture.">Self-assembling hydrogels crosslinked solely by receptor-ligand interactions: tunability, rationalization of physical properties, and 3D cell culture.</a> Chemistry. 21 (8), 3178-3182 (2015).</li><li>Kocen, R., Gasik, M., Gantar, A., Novak, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Viscoelastic+behaviour+of+hydrogel-based+composites+for+tissue+engineering+under+mechanical+load.">Viscoelastic behaviour of hydrogel-based composites for tissue engineering under mechanical load.</a> Biomedical Materials. 12 (2), (2017).</li><li>Desai, M. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elastin-Based+Rubber-Like+Hydrogels.">Elastin-Based Rubber-Like Hydrogels.</a> Biomacromolecules. 17 (7), 2409-2416 (2016).</li><li>Fusi, L., Brunello, E., Yan, Z., Irving, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thick+filament+mechano-sensing+is+a+calcium-independent+regulatory+mechanism+in+skeletal+muscle.">Thick filament mechano-sensing is a calcium-independent regulatory mechanism in skeletal muscle.</a> Nature Communications. 7, (2016).</li><li>McDonald, K. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ca2++dependence+of+loaded+shortening+in+rat+skinned+cardiac+myocytes+and+skeletal+muscle+fibres.">Ca2+ dependence of loaded shortening in rat skinned cardiac myocytes and skeletal muscle fibres.</a> Journal of Physiology-London. 525 (1), 169-181 (2000).</li><li>Wu, J. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rationally+designed+synthetic+protein+hydrogels+with+predictable+mechanical+properties.">Rationally designed synthetic protein hydrogels with predictable mechanical properties.</a> Nature Communications. 9, (2018).</li><li>Bharadwaj, N. A., Ewoldt, R. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-point+parallel+disk+correction+for+asymptotically+nonlinear+oscillatory+shear.">Single-point parallel disk correction for asymptotically nonlinear oscillatory shear.</a> Rheologica Acta. 54 (3), 223-233 (2015).</li><li>Valle-Orero, J., Rivas-Pardo, J. A., Popa, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Multidomain+proteins+under+force.">Multidomain proteins under force.</a> Nanotechnology. 28 (17), 174003 (2017).</li><li>Valle-Orero, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+Deformation+Accelerates+Protein+Ageing.">Mechanical Deformation Accelerates Protein Ageing.</a> Angewandte Chemie International Edition. 56 (33), 9741-9746 (2017).</li><li>Fang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Forced+protein+unfolding+leads+to+highly+elastic+and+tough+protein+hydrogels.">Forced protein unfolding leads to highly elastic and tough protein hydrogels.</a> Nature Communications. 4, (2013).</li><li>Gungor-Ozkerim, P. S., Inci, I., Zhang, Y. S., Khademhosseini, A., Dokmeci, M. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Bioinks+for+3D+bioprinting:+an+overview.">Bioinks for 3D bioprinting: an overview.</a> Biomaterial Science. , (2018).</li></ol>

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Qui, descriviamo una tecnica di reometria forza-morsetto per studiare la risposta biomeccanica di idrogeli di base di proteine di basso volume. Inoltre, è disponibile un protocollo di sintetizzare un campione di idrogel di proteina di basso volume cilindrico uniforme. Un protocollo è anche presentato che descrive come legare diversi tipi di idrogel a base di proteine con varie elasticità senza causare qualsiasi deformazione meccanica o danni ai campioni di idrogel a base di proteine o slittamento del gel sui ganci. Il...

Oltre ad avere proprietà fisiche uniche, idrogel a base di proteine con la promessa di rivoluzionare la spettroscopia della forza, consentendo la misurazione di diverse miliardi molecole in una 'tirare', consentendo in tal modo lo studio delle proteine in ambienti affollati, simili a quelle incontrate in pelle ed altri tessuti. Domini proteici rimangano piegati all'interno di idrogeli, permettendo lo studio della loro risposta biomeccanica a forza, associazione partner e condizioni chimiche. Inoltre, la risposta biomeccanica di domini proteici all'interno di idrogeli è simile la risposta vista con tecniche di spettroscopia di forza di singola molecola. Ad esempio, denaturanti chimici e agenti ossidanti diminuiscono la stabilità dello stato piegato, a livello macroscopico4,5 sia la singola proteina dominio livello1,2,3 , 6 , 7. allo stesso modo, osmoliti aumentano la stabilità di singole proteine8,9, che conduce ad una diminuzione nella risposta viscoelastico di idrogeli, per la stessa forza condizioni7,10.
Diversi approcci sono stati implementati per sintetizzare idrogel a base di proteine, mediante utilizzo di interazioni fisiche11,12 o a4,cross-linking covalente13. Covalente reazioni permettono per postazioni fisse di cross-linking e questi idrogeli possono ripristinare lo stato iniziale su una rimozione delle perturbazioni meccaniche o chimiche. Un approccio di successo per cross-linking covalente si basa sulla formazione di legami covalenti carbonio-carbonio tra gli aminoacidi tirosina esposti utilizzando ammonio persolfato (APS) come un ossidante e un sale di rutenio (II) come un iniziatore (Figura 1)14. Sull'esposizione a luce bianca, una soluzione di proteine concentrate può essere trasformata in un idrogel. Controllando quando la reazione si avvia, il mix di proteine-APS può essere iniettata in qualsiasi forma di colata, come il politetrafluoroetilene (PTFE) tubi (Figura 1B e 1C), consentendo l'utilizzo di una soluzione estremamente piccolo volume15. Inoltre, l'uso della luce bianca per innescare la reazione di reticolazione si traduce in una decolorazione limitato di proteine fluorescenti e permette la formulazione di idrogeli compositi con marcatori fluorescenti (Figura 1). Altri metodi di formazione di idrogel a base di proteine utilizzano cross-linking basato sul SpyTag-SpyCatcher interazione covalente16, ammina reticolazione tramite glutaraldeide13o biotina-streptavidina interazioni17.
Analisi dinamico-meccanica (DMA) è attualmente una tecnica ampiamente utilizzata per studiare gli idrogel a base di polimeri13,18. Mentre DMA possa applicare protocolli di forza costante a biomateriali, richiede moduli di Young sopra 10 kPa e campioni di grandi volumi di più di 200 µ l19. A causa di queste limitazioni, proteina idrogeli sono generalmente troppo morbidi per essere studiati da questa tecnica. Come derivati dal poliproteine sono più difficili da sintetizzare di polimeri, in quanto richiedono un sistema vivente per produrre, tali volumi elevati sono inefficienti, alle migliori4,15. Inoltre, la maggior parte dei tessuti biologica sono più morbida di 10 kPa. Diversi approcci sono stati sviluppati per campioni biologici, soprattutto nello studio dell'elasticità muscolare20,21. Queste tecniche funzionano anche sotto feedback per applicare la forza costante ma sono ottimizzate per campioni di piccolo diametro (nella gamma micron) esposti per forzare per tempi molto brevi (in genere meno di 1 s).
Idrogel a base di proteine con successo sono stati studiati con tecniche modificate reometria. Ad esempio, l'idrogel di colata a forma di anello consente l'utilizzo di reometria estensionale per misurare il cambiamento nella forza di esperti come una funzione di estensione4,22. Altri approcci per studiare le proprietà reologiche di idrogel a base di proteine utilizzano sollecitazione di taglio controllata reometria. Queste tecniche possono anche raggiungere campione basso volume e tollerare materiali morbidi. Tuttavia, questi metodi mancanza la capacità di imitare il tirando le forze che causa proteina dispiegarsi in vivo, e modulo di Young viene calcolato sulla base delle teorie complesse che richiedono varie ipotesi e correzioni23.
Recentemente abbiamo segnalato un nuovo approccio che utilizza una piccola quantità di proteine, polimerizzato all'interno di tubi con diametri < 1 mm. Nostra prima implementazione di questa tecnica era operativo in modalità di lunghezza-morsetto, dove il gel è stato esteso in seguito il protocollo desiderato15. In questo metodo, le proteine sperimentare un cambiamento continuo in vigore ed estensione mentre i domini si dispiegano, rendendo complicato l'interpretazione dei dati. Recentemente, abbiamo segnalato una nuova tecnica di reometria forza-morsetto, dove un ciclo di feedback può esporre idrogeli di proteine a basso volume ad una forza predefinita protocollo7 (Figura 2). Un sistema analogico di PID confronta la forza misurata dal sensore di forza con il set point inviati dal computer e regola l'estensione gel spostando la bobina per ridurre al minimo la differenza tra i due ingressi. Questo bloccaggio della forza consente ora di nuovi tipi di esperimenti per misurare la biomeccanica di idrogeli di proteina.
In modalità di forza-rampa, un idrogel di proteina tethered sperimenta un costante aumento e la diminuzione della forza con il tempo. Il PID compensa eventuali deformazioni viscoelastiche cambiando l'estensione in modo non lineare, a seconda del tipo di formulazione della proteina e idrogel. Il vantaggio principale della rampa di forza è che permette la quantificazione dei parametri standard, come modulo di Young e dissipazione di energia, a causa di un dispiegamento e ripiegamento di domini proteici.
In modalità a forza costante, la forza applicata cambia in una passaggio-come la moda. In questa modalità, il gel si estende e contratti elasticamente quando la forza è aumentata o diminuita, rispettivamente, seguita da una deformazione dipendente dal tempo. Questa deformazione viscoelastica, che si svolgono mentre il gel sperimenta una forza costante, è direttamente correlata al dominio dispiegarsi/ripiegamento. In modo semplificato, questa estensione può essere visto come l'equivalente di numerose tracce di singola molecola miliardi in media insieme e misurato tutto in una volta. Forza costante protocolli utilizzabili per studiare lo scorrimento e il relax di idrogeli di proteine in funzione della forza e tempo. In funzione della forza, per proteina basata su BSA idrogeli, noi abbiamo recentemente dimostrato che esiste una relazione lineare tra l'elastico e viscoelastico estensione e ritrazione con la sforzo applicato7.
Qui abbiamo dettagliatamente il funzionamento di un reometro di forza-morsetto utilizzando gel composito composto da una miscela di proteine L (8 domini24, raffigurato come L8) e un costrutto di proteina L-eGFP (L-eGFP), che rende l'idrogel complessiva fluorescente e facile da dimostrare.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>SI-KG4A force transducer</td>
			<td>World Precision Instruments (WPI)</td>
			<td>SI-KG4A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Linear Voice Coil Motor</td>
			<td>Equipement Solutions</td>
			<td>LFA2010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovine serum albumin</td>
			<td>Rocky Mountain Biologicals (RMBIO)</td>
			<td>BSA-AAF-1XG / 100 G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trizma</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>T1503-1KG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium chloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>S7653-1KG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ammonium persulfate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>248614-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tris(bipyridine)ruthenium(II) chloride</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>544981-1G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EXPRESS MEDICAL SUPPLIES&#160;6-0 NYLON SUTURE 12/PK</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>NC0395626</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1mL Syringe Only, Luer-Lok Tip</td>
			<td>BD</td>
			<td>309628</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silane, Sigmacote</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>SL2-25ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Microbore PTFE Tubing, 0.022&#34;ID x 0.042&#34;OD, 100 ft/roll</td>
			<td>Cole-Parmer</td>
			<td>EW-06417-21</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hypodermic Needle, 23 Gauge</td>
			<td>Healthcare Supply Pros</td>
			<td>305194</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Jensen Global JG24-1.5X Red IT Dispensing Tips - 24 gauge</td>
			<td>KIMCO</td>
			<td>JG24-1.5X</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>USH-103D USHIO 100W Short Arc Mercury Lamp</td>
			<td>ALB</td>
			<td>USH-103D USHIO</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medical Tweezers</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medical scissors</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Olympus</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>The computer code and CAD design of the custom parts can be made available on request to the corresponding author.</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

force-clamp rheometry for characterizing protein-based hydrogels

Qui, descriviamo un metodo di reometria forza-morsetto per caratterizzare le proprietà biomeccaniche di idrogel a base di proteine. Questo metodo utilizza un sistema di (PID) proporzionale-integrale-derivato analogico di applicare protocolli di forza controllata su campioni cilindrici idrogel a base di proteine, che sono legati tra un motore lineare voice-coil e un trasduttore di forza. Durante il funzionamento, il sistema PID regola l'estensione del campione idrogel di seguire un protocollo di forza predefinita riducendo al minimo la differenza tra le forze misurate e set-point. Questo approccio unico a idrogel a base di proteine consente il tethering di idrogel estremamente basso volume campioni (< 5 µ l) con concentrazioni differenti della proteina. In protocolli di forza-rampa, dove la sollecitazione applicata aumenta e diminuisce in modo lineare con il tempo, il sistema consente lo studio dei comportamenti elasticità e isteresi connesso con la piegatura (ONU) di proteine e la misura dell'elastico standard e parametri viscoelastici. Sotto costante-forza, dove l'impulso di forza ha una forma a gradini, la risposta elastica, dovuto al cambio in vigore, è disaccoppiato dalla risposta viscoelastico, che deriva dal dominio della proteina dispiegamento e ripiegamento. Grazie al basso volume campione e versatilità nell'applicazione varie perturbazioni meccaniche, forza-morsetto reometria è ottimizzato per studiare la risposta meccanica delle proteine sotto forza utilizzando un approccio di massa.

Figura 1A Mostra lo schema della reazione fotoattivo utilizzato per sintetizzare l'idrogel di8 L-EGP/L. Figura 1B Mostra la miscela di idrogel in tubo flessibile in PTFE, prima e dopo la fotoattivazione. Figura 1 presenta l'idrogel di8 L-eGFP-L estruso all'interno di una soluzione di Tris. Il campione di idrogel non ha nessun difetti strutturali come tacche. Idrogel con danni ch...

Watch this Scientific Journal Video about Force-Clamp Rheometry for Characterizing Protein-based Hydrogels at JoVE.com

Force-Clamp Rheometry for Characterizing Protein-based Hydrogels

Reometria forza-morsetto per la caratterizzazione di idrogel a base di proteine

Una nuova tecnica di reometria forza-morsetto è utilizzata per studiare le proprietà meccaniche di campioni di idrogel a base di proteine a basso volume legati tra un motore bobina di voce e un sensore di forza. Un sistema (PID) di proporzionale-integrale-derivato analogico consente il bloccaggio della forza con esperienza per il protocollo desiderato.

Here, we describe a force-clamp rheometry method to characterize the biomechanical properties of protein-based hydrogels. This method uses an analog ...

force-clamp-rheometry-for-characterizing-protein-based-hydrogels

Research

JoVE Journal

Engineering

6.9K Views.  University of Wisconsin-Milwaukee. Una nuova tecnica di reometria forza-morsetto è utilizzata per studiare le proprietà meccaniche di campioni di idrogel a base di proteine a basso volume legati tra un motore bobina di voce e un sensore di forza. Un sistema (PID) di proporzionale-integrale-derivato analogico consente il bloccaggio della forza con esperienza per il protocollo desiderato.

Video: Force-Clamp Rheometry for Characterizing Protein-based Hydrogels

Compact Quantum Dots for Single-molecule Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the spatial and temporal heterogeneity of molecular behaviors that underlie cellular biology 1-4. To image an individual molecule of interest, it is typically conjugated to a fluorescent tag (dye, protein, bead, or quantum dot) and observed with epifluorescence or total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. While dyes and fluorescent proteins have been the mainstay of fluorescence imaging for decades, their fluorescence is unstable under high photon fluxes necessary to observe individual molecules, yielding only a few seconds of observation before complete loss of signal. Latex beads and dye-labeled beads provide improved signal stability but at the expense of drastically larger hydrodynamic size, which can deleteriously alter the diffusion and behavior of the molecule under study.
Quantum dots (QDs) offer a balance between these two problematic regimes. These nanoparticles are composed of semiconductor materials and can be engineered with a hydrodynamically compact size with exceptional resistance to photodegradation 5. Thus in recent years QDs have been instrumental in enabling long-term observation of complex macromolecular behavior on the single molecule level. However these particles have still been found to exhibit impaired diffusion in crowded molecular environments such as the cellular cytoplasm and the neuronal synaptic cleft, where their sizes are still too large 4,6,7.
Recently we have engineered the cores and surface coatings of QDs for minimized hydrodynamic size, while balancing offsets to colloidal stability, photostability, brightness, and nonspecific binding that have hindered the utility of compact QDs in the past 8,9. The goal of this article is to demonstrate the synthesis, modification, and characterization of these optimized nanocrystals, composed of an alloyed HgxCd1-xSe core coated with an insulating CdyZn1-yS shell, further coated with a multidentate polymer ligand modified with short polyethylene glycol (PEG) chains (Figure 1). Compared with conventional CdSe nanocrystals, HgxCd1-xSe alloys offer greater quantum yields of fluorescence, fluorescence at red and near-infrared wavelengths for enhanced signal-to-noise in cells, and excitation at non-cytotoxic visible wavelengths. Multidentate polymer coatings bind to the nanocrystal surface in a closed and flat conformation to minimize hydrodynamic size, and PEG neutralizes the surface charge to minimize nonspecific binding to cells and biomolecules. The end result is a brightly fluorescent nanocrystal with emission between 550-800 nm and a total hydrodynamic size near 12 nm. This is in the same size range as many soluble globular proteins in cells, and substantially smaller than conventional PEGylated QDs (25-35 nm).

We describe the preparation of colloidal quantum dots with minimized hydrodynamic size for single-molecule fluorescence imaging. Compared to conventional quantum dots, these nanoparticles are similar in size to globular proteins and are optimized for single-molecule brightness, stability against photodegradation, and resistance to nonspecific binding to proteins and cells.

Compact Quantum Dots per singola molecola Imaging

Single-molecule imaging is an important tool for  understanding the mechanisms of biomolecular function and for visualizing the  spatial and temporal ...

Ricerca

Ingegneria

Hyperpolarized Xenon for NMR and MRI Applications

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 T generate only a small detectable net-magnetization of the sample at room temperature 1. Hence, most NMR and MRI applications rely on the detection of molecules at relative high concentration (e.g., water for imaging of biological tissue) or require excessive acquisition times. This limits our ability to exploit the very useful molecular specificity of NMR signals for many biochemical and medical applications. However, novel approaches have emerged in the past few years: Manipulation of the detected spin species prior to detection inside the NMR/MRI magnet can dramatically increase the magnetization and therefore allows detection of molecules at much lower concentration 2.
Here, we present a method for polarization of a xenon gas mixture (2-5% Xe, 10% N2, He balance) in a compact setup with a ca. 16000-fold signal enhancement. Modern line-narrowed diode lasers allow efficient polarization 7 and immediate use of gas mixture even if the noble gas is not separated from the other components. The SEOP apparatus is explained and determination of the achieved spin polarization is demonstrated for performance control of the method.
The hyperpolarized gas can be used for void space imaging, including gas flow imaging or diffusion studies at the interfaces with other materials 8,9. Moreover, the Xe NMR signal is extremely sensitive to its molecular environment 6. This enables the option to use it as an NMR/MRI contrast agent when dissolved in aqueous solution with functionalized molecular hosts that temporarily trap the gas 10,11. Direct detection and high-sensitivity indirect detection of such constructs is demonstrated in both spectroscopic and imaging mode.

The production of hyperpolarized xenon by means of spin exchange optical pumping (SEOP) is described. This method yields a ~10000-fold enhancement of the nuclear spin polarization of Xe-129 and has applications in nuclear magnetic resonance spectroscopy and imaging. Examples of gas phase and solution state experiments are given.

Xenon iperpolarizzato per NMR e applicazioni MRI

Nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and imaging (MRI) suffer from intrinsic low sensitivity because even strong external magnetic fields of ~10 ...

Concurrent Quantitative Conductivity and Mechanical Properties Measurements of Organic Photovoltaic Materials using AFM

Organic photovoltaic (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale inhomogeneity of OPV materials affects performance of photovoltaic devices. Thus, understanding of spatial variations in composition as well as electrical properties of OPV materials is of paramount importance for moving PV technology forward.1,2 In this paper, we describe a protocol for quantitative measurements of electrical and mechanical properties of OPV materials with sub-100 nm resolution. Currently, materials properties measurements performed using commercially available AFM-based techniques (PeakForce, conductive AFM) generally provide only qualitative information. The values for resistance as well as Young's modulus measured using our method on the prototypical ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC61BM system correspond well with literature data. The P3HT:PC61BM blend separates onto PC61BM-rich and P3HT-rich domains. Mechanical properties of PC61BM-rich and P3HT-rich domains are different, which allows for domain attribution on the surface of the film. Importantly, combining mechanical and electrical data allows for correlation of the domain structure on the surface of the film with electrical properties variation measured through the thickness of the film.

Organic photovoltaic (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale inhomogeneity of OPV materials affects performance of photovoltaic devices. In this paper, we describe a protocol for quantitative measurements of electrical and mechanical properties of OPV materials with sub-100 nm resolution.

Concurrent conducibilità quantitativa e meccaniche Misure Proprietà dei materiali organici fotovoltaici utilizzando AFM

Organic photovoltaic  (OPV) materials are inherently inhomogeneous at the nanometer scale. Nanoscale  inhomogeneity of OPV materials affects performance ...

Micro-masonry for 3D Additive Micromanufacturing

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to a different substrate by utilizing elastomeric stamps. Transfer printing enables the integration of heterogeneous materials to fabricate unexampled structures or functional systems that are found in recent advanced devices such as flexible and stretchable solar cells and LED arrays. While transfer printing exhibits unique features in material assembly capability, the use of adhesive layers or the surface modification such as deposition of self-assembled monolayer (SAM) on substrates for enhancing printing processes hinders its wide adaptation in microassembly of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. To overcome this shortcoming, we developed an advanced mode of transfer printing which deterministically assembles individual microscale objects solely through controlling surface contact area without any surface alteration. The absence of an adhesive layer or other modification and the subsequent material bonding processes ensure not only mechanical bonding, but also thermal and electrical connection between assembled materials, which further opens various applications in adaptation in building unusual MEMS devices.

This paper introduces a 3D additive micromanufacturing strategy (termed &#8216;micro-masonry&#8217;) for the flexible fabrication of microelectromechanical system (MEMS) structures and devices. This approach involves transfer printing-based assembly of micro/nanoscale materials in conjunction with rapid thermal annealing-enabled material bonding techniques.

Micro-muratura per 3D Additivo Micromanufacturing

Transfer printing is a method to transfer solid micro/nanoscale materials (herein called &#8216;inks&#8217;) from a substrate where they are generated to ...

Selective Area Modification of Silicon Surface Wettability by Pulsed UV Laser Irradiation in Liquid Environment

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of biosensing devices. We report on a protocol of using KrF and ArF lasers irradiating Si (001) samples immersed in a liquid environment with low number of pulses and operating at moderately low pulse fluences to induce Si wettability modification. Wafers immersed for up to 4 hr in a 0.01% H2O2/H2O solution did not show measurable change in their initial contact angle (CA) ~75&#176;. However, the 500-pulse KrF and ArF lasers irradiation of such wafers in a microchamber filled with 0.01% H2O2/H2O solution at 250 and 65 mJ/cm2, respectively, has decreased the CA to near 15&#176;, indicating the formation of a superhydrophilic surface. The formation of OH-terminated Si (001), with no measurable change of the wafer&#8217;s surface morphology, has been confirmed by X-ray photoelectron spectroscopy and atomic force microscopy measurements. The selective area irradiated samples were then immersed in a biotin-conjugated fluorescein-stained nanospheres solution for 2 hr, resulting in a successful immobilization of the nanospheres in the non-irradiated area. This illustrates the potential of&#160;the method for selective area biofunctionalization and fabrication of advanced Si-based biosensing architectures. We also describe a similar protocol of irradiation of wafers immersed in methanol (CH3OH) using ArF laser operating at pulse fluence of 65 mJ/cm2 and in situ formation of a strongly hydrophobic surface of Si (001) with the CA of 103&#176;. The XPS results indicate ArF laser induced formation of Si&#8211;(OCH3)x compounds responsible for the observed hydrophobicity. However, no such compounds were found by XPS on the Si surface irradiated by KrF laser in methanol, demonstrating the inability of the KrF laser to photodissociate methanol and create -OCH3 radicals.

We report on a process of in situ alteration of HF treated Si (001) surface into a hydrophilic or hydrophobic state by irradiating samples in microfluidic chambers filled with&#160;H2O2/H2O solution (0.01%-0.5%) or methanol solutions using pulsed UV laser of a relative low pulse fluence.

Area selettiva Modifica della Silicon bagnabilità della superficie da impulsi laser UV irradiazione in ambiente liquido

The wettability of silicon (Si) is one of the important parameters in the technology of surface functionalization of this material and fabrication of ...

Detection and Recovery of Palladium, Gold and Cobalt Metals from the Urban Mine Using Novel Sensors/Adsorbents Designated with Nanoscale Wagon-wheel-shaped Pores

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in industrialized countries. Here, the development of optical mesosensors/adsorbents (MSAs) for efficient recognition and selective recovery of Pd(II), Au(III), and Co(II) from urban mine was achieved. A simple, general method for preparing MSAs based on using high-order mesoporous monolithic scaffolds was described. Hierarchical cubic Ia3d wagon-wheel-shaped MSAs were fabricated by anchoring chelating agents (colorants) into three-dimensional pores and micrometric particle surfaces of the mesoporous monolithic scaffolds. Findings show, for the first time, evidence of controlled optical recognition of Pd(II), Au(III), and Co(II) ions and a highly selective system for recovery of Pd(II) ions (up to ~95%) in ores and industrial wastes. Furthermore, the controlled assessment processes described herein involve evaluation of intrinsic properties (e.g., visual signal change, long-term stability, adsorption efficiency, extraordinary sensitivity, selectivity, and reusability); thus, expensive, sophisticated instruments are not required. Results show evidence that MSAs will attract worldwide attention as a promising technological means of recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals.

Because of the importance and extensive use of palladium, gold and cobalt metals in high-technology equipment, their recovery and recycling constitute an important industrial challenge. The metal recovery system described herein is a simple, low-cost means for the effective detection, removal, and recovery of these metals from the urban mine.

Rilevamento e recupero di palladio, oro e metalli di cobalto dalla miniera urbana Utilizzando novelli Sensori / Adsorbenti designate con nanoscala Wagon a forma di ruote pori

Developing low-cost, efficient processes for recovering and recycling palladium, gold and cobalt metals from urban mine remains a significant challenge in ...

Characterizing Far-infrared Laser Emissions and the Measurement of Their Frequencies

The generation and subsequent measurement of far-infrared radiation has found numerous applications in high-resolution spectroscopy, radio astronomy, and Terahertz imaging. For about 45 years, the generation of coherent, far-infrared radiation has been accomplished using the optically pumped molecular laser. Once far-infrared laser radiation is detected, the frequencies of these laser emissions are measured using a three-laser heterodyne technique. With this technique, the unknown frequency from the optically pumped molecular laser is mixed with the difference frequency between two stabilized, infrared reference frequencies. These reference frequencies are generated by independent carbon dioxide lasers, each stabilized using the fluorescence signal from an external, low pressure reference cell. The resulting beat between the known and unknown laser frequencies is monitored by a metal-insulator-metal point contact diode detector whose output is observed on a spectrum analyzer. The beat frequency between these laser emissions is subsequently measured and combined with the known reference frequencies to extrapolate the unknown far-infrared laser frequency. The resulting one-sigma fractional uncertainty for laser frequencies measured with this technique is &#177; 5 parts in 107. Accurately determining the frequency of far-infrared laser emissions is critical as they are often used as a reference for other measurements, as in the high-resolution spectroscopic investigations of free radicals using laser magnetic resonance. As part of this investigation, difluoromethane, CH2F2, was used as the far-infrared laser medium. In all, eight far-infrared laser frequencies were measured for the first time with frequencies ranging from 0.359 to 1.273 THz. Three of these laser emissions were discovered during this investigation and are reported with their optimal operating pressure, polarization with respect to the CO2 pump laser, and strength.

We describe the generation of far-infrared radiation using an optically pumped molecular laser along with the measurement of their frequencies with heterodyne techniques. The experimental system and techniques are demonstrated using difluoromethane (CH2F2) as the laser medium whose results include three new laser emissions and eight measured laser frequencies.

Caratterizzare lontano infrarosso Emissioni laser e la misurazione delle loro frequenze

The generation and subsequent measurement of far-infrared radiation has found numerous applications in high-resolution spectroscopy, radio astronomy, and ...

A Simple Dewar/Cryostat for Thermally Equilibrating Samples at Known Temperatures for Accurate Cryogenic Luminescence Measurements

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and a CCD spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, fast sample freezing, fast alignment of the sample, accurate and stable sample temperatures, and small size and portability of the Dewar/cryostat cryogenic unit. When coupled with the fast data acquisition rates of the CCD spectrograph, this Dewar/cryostat is capable of supporting cryogenic luminescence spectroscopic measurements on luminescent samples at a series of known, stable temperatures in the 77-300 K range. A temperature-dependent study of the oxygen quenching of luminescence in a rhodium(III) transition metal complex is presented as an example of the type of investigation possible with this Dewar/cryostat. In the context of this apparatus, a stable temperature for cryogenic spectroscopy means a luminescent sample that is thermally equilibrated with either liquid nitrogen or gaseous nitrogen at a known measureable temperature that does not vary (&#916;T &#60; 0.1 K) during the short time scale (~1-10 sec) of the spectroscopic measurement by the CCD. The Dewar/cryostat works by taking advantage of the positive thermal gradient dT/dh that develops above liquid nitrogen level in the Dewar where h is the height of the sample above the liquid nitrogen level. The slow evaporation of the liquid nitrogen results in a slow increase in h over several hours and a consequent slow increase in the sample temperature T over this time period. A quickly acquired luminescence spectrum effectively catches the sample at a constant, thermally equilibrated temperature.

A simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus comprised of a small fused silica optical Dewar, a thermocouple, and a charge-coupled device (CCD) spectrograph are described. The experiments for which this Dewar/cryostat is designed require fast sample loading, freezing, and alignment, accurate and stable sample temperatures, and small size/portability.

A Simple Dewar / criostato per equilibrare termicamente i campioni a temperature criogeniche noti accurate misurazioni di luminescenza

The design and operation of a simple liquid nitrogen Dewar/cryostat apparatus based upon a small fused silica optical Dewar, a thermocouple assembly, and ...

Atmospheric Pressure Fabrication of Large-Sized Single-Layer Rectangular SnSe Flakes

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for applications in two-dimensional nanoelectronics devices. Although many methods to synthesize SnSe nanocrystals have been developed, a simple way to fabricate large-sized single-layer SnSe flakes remains a great challenge. Herein, we show the experimental method to directly grow large-sized single-layer rectangular SnSe flakes on commonly used SiO2/Si insulating substrates using a straightforward two-step fabrication method in an atmospheric pressure quartz tube furnace system. The single-layer rectangular SnSe flakes with an average thickness of ~6.8 &#197; and lateral dimensions of about 30 &#181;m &#215; 50 &#181;m were fabricated by a combination of vapor transport deposition technique and nitrogen etching route. We characterized the morphology, microstructure, and electrical properties of the rectangular SnSe flakes and obtained excellent crystallinity and good electronic properties. This article about the two-step fabrication method can help researchers grow other similar two-dimensional, large-sized, single-layer materials using an atmospheric pressure system.

A protocol is presented demonstrating a two-step fabrication technique to grow large-sized single-layer rectangular shaped SnSe flakes on low-cost SiO2/Si dielectrics wafers in an atmospheric pressure quartz tube furnace system.

Pressione atmosferica fabbricazione di fiocchi di medie e grandi monostrato rettangolare SnSe

Tin selenide (SnSe) belongs to the family of layered metal chalcogenide materials with a buckled structure like phosphorene, and has shown potential for ...

Hybrid Printing for the Fabrication of Smart Sensors

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, three substrates (acrylate, ceramics, and copper) are prepared. To determine the resulting material properties of these substrates, profilometer, contact angle, scanning electron microscope (SEM), and focused ion beam (FIB) measurements are done. The achievable printing resolution and suitable drop volume for each substrate are, then, found through the drop size tests. Then, layers of insulating and conductive ink are inkjet printed alternately to fabricate the target sensor structures. After each printing step, the respective layers are individually treated by photonic curing. The parameters used for the curing of each layer are adapted depending on the printed ink, as well as on the surface properties of the respective substrate. To confirm the resulting conductivity and to determine the quality of the printed surface, four-point probe and profilometer measurements are done. Finally, a measurement set-up and results achieved by such an all-printed sensor system are shown to demonstrate the achievable quality.

Here we present a protocol for the fabrication of inkjet-printed multilayer sensor structures on additively manufactured substrates and foil.

Ibrido di stampa per la fabbricazione di sensori intelligenti

A method to combine additively manufactured substrates or foils and multilayer inkjet printing for the fabrication of sensor devices is presented. First, ...