超分子コロイドの合成とキャラクタリゼーション

要約

A protocol for the synthesis and characterization of colloids coated with supramolecular moieties is described. These supramolecular colloids undergo self-assembly upon the activation of the hydrogen-bonds between the surface-anchored molecules by UV-light.

要約

Control over colloidal assembly is of utmost importance for the development of functional colloidal materials with tailored structural and mechanical properties for applications in photonics, drug delivery and coating technology. Here we present a new family of colloidal building blocks, coined supramolecular colloids, whose self-assembly is controlled through surface-functionalization with a benzene-1,3,5-tricarboxamide (BTA) derived supramolecular moiety. Such BTAs interact via directional, strong, yet reversible hydrogen-bonds with other identical BTAs. Herein, a protocol is presented that describes how to couple these BTAs to colloids and how to quantify the number of coupling sites, which determines the multivalency of the supramolecular colloids. Light scattering measurements show that the refractive index of the colloids is almost matched with that of the solvent, which strongly reduces the van der Waals forces between the colloids. Before photo-activation, the colloids remain well dispersed, as the BTAs are equipped with a photo-labile group that blocks the formation of hydrogen-bonds. Controlled deprotection with UV-light activates the short-range hydrogen-bonds between the BTAs, which triggers the colloidal self-assembly. The evolution from the dispersed state to the clustered state is monitored by confocal microscopy. These results are further quantified by image analysis with simple routines using ImageJ and Matlab. This merger of supramolecular chemistry and colloidal science offers a direct route towards light- and thermo-responsive colloidal assembly encoded in the surface-grafted monolayer.

概要

メソ構造化コロイド物質は表面パターニング用のコーティング⁷のように、リソグラフィーでは、薬物送達システム^5,6のように、フォトニック材料^3,4のように、原子・分子材料^1,2の基礎研究のためのモデル系として、科学技術の幅広い応用を見つけます^8,9。疎液性コロイドは、最終的に起因遍在ファンデルワールス相互作用を不可逆的に凝集する準安定な物質であるため、特定の標的構造へのそれらの操作は悪名高いことは困難です。多数の戦略を調整する添加剤を使用する静電^10,11または枯渇相互作用^12,13、または磁気¹⁴や電動¹⁵フィールドとして外部トリガを含むコロイド自己組織化を制御するために開発されてきました。これらのシステムの構造、ダイナミクスとメカニックの制御を達成するための洗練された別の戦略は、その官能化ウィットあります具体的な方向性の力を介して相互作用時間分子。超分子化学は、溶媒の極性、温度や光¹⁶により強度変調することができるサイト固有の、方向性と強力なまだ可逆的な相互作用を呈する小分子の包括的なツールボックスを提供しています。それらの特性は、バルクで、溶液中で広く研究されているので、これらの分子は、予測可能な方法で外来相に柔らかい素材を構築するための魅力的な候補です。超分子化学によりコロイドアセンブリを調整するために、このような統合的アプローチの明確なポテンシャルにもかかわらず、これらの分野はほとんどメソ構造化コロイド物質^17,18の特性を調整するためにインタフェースされていません。

超分子コロイドの強固なプラットフォームは、3つの主要な要件を満たす必要があります。まず、超分子部分のカップリングは、劣化を防ぐために、軽度の条件下で行われるべきです。 separatiで第二に、表面力アドオンの直接接触よりも大きいがコーティングされていないコロイドがほぼ独占的に除外され、ボリュームの相互作用を介して相互作用する必要があることを意味係留モチーフによって支配されるべきです。したがって、コロイドの物理化学的性質は、ファンデルワールス又は静電力のようなコロイド系における固有の他の相互作用を抑制するように調整されるべきです。第三に、特徴付けは、超分子部分の存在にアセンブリの明確な帰属を可能にすべきです。これら三つの前提条件を満たすために、超分子コロイドの強固な2段階合成は、（ 図1a）を開発しました。第1のステップでは、疎水性NVOC官能化シリカ粒子は、シクロヘキサン中での分散のために調製されます。 NVOC基は容易にアミン官能化粒子を得、切断することができます。アミンの高い反応性は、温和な反応条件の広い範囲を使用して所望の超分子部分との直接的なポスト機能化を可能にします。ここで、我々広報ステアリルアルコール、ベンゼン-1,3,5-トリカルボキシ^（BTA）20誘導体とシリカビーズの官能化により、超分子コロイドをepare。ステアリルアルコールは、いくつかの重要な役割を果たしている：それは、コロイドの親有機性を作り、それがコロイド^21,22の間の非特異的な相互作用を低減するために助ける短距離立体反発を紹介します。ファンデルワールス力はさらにためコロイドの屈折率と溶媒²³との間の密接な一致で低減されます。光と熱応答性短距離魅力表面力は、ニトロベンジル保護のBTA ²⁰ Oを組み込むことによって生成される。Oニトロベンジル部分discoticsでアミドに組み込まれた場合、そのブロックの隣接のBTAとの間の水素結合の形成、光切断可能な基であり、 （ 図1b）。 UV光による光開裂の際に、溶液中のBTAを3倍hを介して認識し、同一のBTA分子と相互作用することができます温度に強く依存して¹⁷で結合力を持つydrogen結合アレイ。ファンデルワールスの観光スポットには、シクロヘキサン中のステアリルコーティングされたシリカ粒子のための最小限のと同様に光 - 及び温度に依存しないので、観測された刺激応答性コロイドアセンブリは、BTA媒介にする必要があります。

この詳細ビデオは、共焦点顕微鏡によりUV照射時に、その自己組織化を研究するために合成し、超分子コロイドを特徴付けるし、どのようにする方法を示しています。また、クラスタ化されたコロイドからコロイドシングレットを識別し、クラスタ当たりのコロイドの量を決定するために、単純な画像解析プロトコルが報告されています。合成戦略の多様性は、容易に粒子サイズ、表面被覆率だけでなく、メソ構造の高度な材料のためのコロイド状ビルディングブロックの大家族の開発のための新たな道を切り開く導入結合部分を、変化させることができます。

プロトコル

コア - シェルシリカ粒子の1の合成

注：シリカ粒子は、ストーバー法^24,25に基づいて、以下の手順に従って合成されます。

1. 蛍光シリカシードの合成
   1. フルオレセインイソチオシアネートのエタノール5ml中の105mgの（0.27ミリモル）を溶​​解します。
   2. 以前のソリューションへ（3-アミノプロピル）トリエトキシシラン（APTES、0.43ミリモル）の100μLを加えます。
   3. 5分の間、溶液を超音波処理し、撹拌しながら、室温でアルゴン雰囲気下で一晩反応させ。染料官能APTES複合体を精製することなく使用します。
   4. 1リットルの丸底フラスコミックスアンモニアの25ミリリットル（水中25％）とエタノール250ミリリットルと色素官能APTESの2.5ミリリットルで。
   5. ガラスピペットwhilの助けを借りて、前の反応液のメニスカスの下にテトラエチルオルトシリケート（TEOS）10 mlを加え電子マグネチックスターラーで撹拌。
   6. 同様に、5時間後に、TEOSの別の1.75ミリリットルを加え、アルゴン雰囲気下で一晩混合物をかき混ぜます。
   7. いくつかの45ミリリットルチューブに分散液を注ぎます。
   8. 遠心管（350×gで、30分）、上清を除去し、各チューブに新鮮エタノール30ミリリットルを追加します。上清を除去するために、再び3分のための新しい分散液を超音波処理し、遠心操作します。これらの洗浄を3回ステップを繰り返します。
   9. （光への暴露を避けるため）ミリリットル、暗所で約13.6ミリグラム/の濃度でエタノール中の蛍光種を保管してください。
   10. 蛍光色素の添加を省略し、同じ手順に従い、非蛍光種を準備します。
       注：この手順に続いて、半径約100nmの種子が得られます。
2. コア-シェルシリカ粒子の合成
   1. エタノール51ミリリットル、脱イオン水17ミリリットル、アンモニアの3.4ミリリットル（水中25％）と4で1リットル丸底フラスコを埋めますシード分散のミリリットル（約蛍光種子の54.4 mg）を。
   2. 5 TEOSのミリリットルとエタノール10mlとプラスチックシリンジを埋めます。
   3. アンモニアの1.34ミリリットル（水中25％）、3.4脱イオン水のミリリットルのエタノール10.25ミリリットルと第2のプラスチック注射器を埋めます。
   4. プラスチック管を備えた丸底フラスコに、両方のシリンジを接続します。
   5. アルゴン流量及び磁気スターラーをフラスコに装備。アルゴン注入口は、二次核生成を防ぐために、TEOS液滴からのアンモニアガスとの接触を回避するために第2のシリンジの出口の隣でなければなりません。
   6. 混合物を攪拌しながら、蠕動ポンプを使用して、1.7ミリリットル/ hrで同時に両方のシリンジの内容を追加します。壁したがって、二次核生成に滑空回避するために、自由落下液滴を得ることを確認してください。
   7. 半径約300nmのコア - シェル粒子を得るために、7時間後に加算を停止します。
   8. いくつかの45ミリリットルチューブにフラスコの内容物を注ぎます。
   9. 遠心管（350×gで、30分）、上清を除去し、各チューブに新鮮エタノール30ミリリットルを追加します。上清を除去するために、再び新しい3分間分散し、遠心分離機を超音波処理します。これらの洗浄を3回ステップを繰り返します。
   10. コア - シェル粒子は、（光への暴露を避ける）をエタノールにし、暗所に保管してください。
   11. 非蛍光シリカ粒子は同じ手順に従ってなく非蛍光種を使用して調製します。

シリカコロイドの2官能

1. NVOC官能コロイドの合成
   1. 得られた（50mLの丸底フラスコ中で一緒にステアリルアルコールのNVOC-C11-OH分子の12ミリグラム（0.03ミリモル）及び31ミリグラム（0.11ミリモル）をエタノール1ml中のコア - シェルシリカ粒子10mgを分​​散させます20/80 NVOC-C11-OH /ステアリルアルコールのモル比で）。
   2. すべての分子が溶解し、粒子がよくdispeされていることを確認するために10分間、混合物を超音波処理rsed。
   3. 混合物に、磁気スターラーバーを追加し、室温でアルゴンの安定した流れでエタノールを蒸発させます。先に進む前に、それ以外の場合は、粒子のシラノール基と反応することができ、残されたエタノールが存在しないことを確認してください。エタノールは完全にフラスコの底の温度に注意を払う蒸発させるかどうかを確認します。それは寒いと感じる場合は、エタノールはまだ完全に蒸発されていません。
   4. 連続的に攪拌しながら、アルゴン²²の安定した流れの下で6時間、180℃にフラスコまで加熱します。
   5. フラスコを室温まで冷却してみましょう。
   6. 5分間（またはすべての固形分を溶解または分散されるまで）をフラスコ超音波処理へのCHCl ₃ 3ミリリットルを追加します。
   7. 遠心分離機は、分散（2,600×gで、4分）、上清を除去し、新鮮な_の CHCl _3を追加_します。上清を除去するために、再び新しい3分間分散し、遠心分離機を超音波処理します。これらの洗浄は6回ステップを繰り返します。
   8. 一晩真空中で 70℃で粒子を乾燥させ、デシケーターに保管してください。
2. BTA-コロイドの合成
   1. CHCl ₃ 3ml中NVOC-C11-OH /ステアリルアルコールの20/80モル比で官能化された粒子10mgを分散させます。
   2. NVOCグループを切断するために1時間UV-オーブン（λ _最大 = 354 nm）でのばらつきを照射します。脱保護は、脱保護しながら、マグネチックスターラーで穏やかに分散液を攪拌することにより、粒子の表面に均一であることを確認してください。これは、アミン官能化粒子（ 図1a）が得られます。
   3. （ベンゼン-1,3,5-トリカルボキシアミド誘導体の9ミリグラム（BTA、0.01ミリモル）、Nの8.7μlを、Nジイソプロピルエチルアミン（DIPEA、0.05 mmol）および（ベンゾトリアゾール-1-イルオキシ）トリピロリジノホスホニウムヘキサフルオロホスフェートの5.2ミリグラムを溶解させますCHCl ₃ 1ml中のPyBOP、0.01ミリモル）。
   4. アミン官能基化pにソリューションを追加します。物品分散液を、室温で、アルゴン雰囲気下で一晩撹拌しました。
   5. 遠心分離機は、分散（2,600×gで、4分）、上清を除去し、新鮮なのCHCl ₃ 3ミリリットルを追加します。上清を除去するために、再び新しい3分間分散し、遠心分離機を超音波処理します。これらの洗浄は6回ステップを繰り返します。
   6. 48時間、真空下で 70℃で粒子を乾燥させ、デシケーターに保管してください。

3.静的光散乱測定（SLS）

注：使用して、非蛍光粒子、蛍光体コアは、従来の光散乱装置の入射レーザ光と同じ波長の光を吸収するからです。

1. セクション2.1に記載の手順に従ってステアリルアルコールのみ（NVOC-C11-OH）と非蛍光シリカ粒子10mgを官能。
2. 水と非官能化された粒子の0.033 mg / mlでの分散液の500μlのを準備しますシクロヘキサン中のステアリルアルコールでコーティングされた粒子の2 mg / mlでの他の1。
3. 粒子が十分に分散されていることを確認するために、少なくとも20分間、両方の分散液を超音波処理します。
4. 両方の分散液の散乱強度、溶剤および5°刻みで30〜120°から基準溶剤を測定します。
5. qの関数としてのサンプル（I _サンプル ）の強度をプロット
   （式1） のq =4πn は_溶剤罪（θ/ _2）/λ0
   散乱角θで、溶媒のn _溶媒レーザ_λ0の波長の屈折率。
6. ソフトウェアを使用して、以下の式にデータをフィット（ 例えば 、オリジン）
   （式2）I _サンプル = CP（QR）
   Cは定数であり、フォームファクタP（QR）は、で与えられます
   （式3）
   
   前記球状コロイドの平均半径はRです。
7. 各分散のためのフィットからRを抽出します。
8. 各θのために、以下の式に従って、散乱光の強度の絶対的尺度であるレイリー比（Rの_θ）を 、計算します。
   （式4）
   
   サンプル、溶媒及び参照の強さで、 私は _溶媒 、 _サンプル そして、 私は 、それぞれの溶媒の屈折率と基準nは _溶剤およびn _参照 、それに対応し、及び基準R _参照のレイリー比を_参照します。ここに参考としてトルエンを使用し、その結果、n個の _水 = 1.332、nは _トルエン = 1.497、nは _{シクロヘキサン} = 1.426; R _トルエン = 2.74x10 ^-3メートル^{-1 26。}
9. _Rθと式5からコロイド（nは_コロイド ）の平均屈折率を計算します。
   （式5）
   
   ボリュームN、V _粒子によって与えられる粒子V _粒子の体積当たりの粒子数= ^4/3πR3であり、と仮定すると、非相互作用粒子の限界である構造因子S（q）は約1、。

粒子当たり活性部位の数の4定量

注意：表面に大きいとする半径13 nmでの使用小さな粒子（-volume比）。

1. 2.1節に記載の手順に従ってNVOC-C11-OH /ステアリルアルコールの20/80モル比で小さい市販の粒子を官能。
2. 1ミリリットルのCHCl ₃で小、官能化された粒子20mgを分散させ、NVOCグループを切断するために1時間UV-オーブン（λ _最大 = 354 nm）でのばらつきを照射します。脱保護しながら磁気撹拌棒で軽く分散液を攪拌します。このようにコロイドは沈殿せず、その表面は、従って均一な脱保護を確実に、UV光に露光残ります。
3. 得られたアミン官能化粒子をスピンダウン（3400×gで、10分）して上清を除去します。
4. 2時間70℃で粒子を乾燥させます。
5. スクシンイミジル3-（2-ピリジルジチオ）プロピオン酸のジメチルホルムアミド200μl中（SPDP、0.0016ミリモル）（DMF）の0.50 mgの溶かします。
6. 乾燥したアミン官能化粒子と渦の20 mgのSPDP溶液を加えます30分間のシステム。この時間内に、コロイド上のすべての利用可能な第一級アミンは、SPDPと反応しました。
7. 6回のDMF 1mlで粒子を洗浄（または空きSPDPは、λ= 375 nmのUV-Visの分光法により上清中に検出されなくなるまで）。最後の洗浄工程では、できるだけ多くの上清を除去しようとします。
8. DMF50μlにジチオスレイトールの0.53ミリグラム（DTT、0.0034ミリモル）を溶​​解します。粒子へのDTTの溶液を加え、30分間分散をボルテックス。この時間内に、ピリジン-2-チオン基が切断されます。
9. 微量紫外可視分光光度計を用いてλ= 293 nmで上清中に遊離し、ピリジン-2-チオンの吸光度を決定します。
10. DTT過剰のSPDPの異なる既知の量の希釈系列の吸光度を測定することにより、吸光係数ɛ（〜12.1x10 ³ M ^-1 cm ^-1で）DMF中のピリジン-2-チオンのを決定するための較正曲線を構築します。
11. ランベルト・ベールの法則を使用して、粒子から切断されたピリジン-2-チオン、Cの_P2Tの濃度を計算します。
    （式6） のAbs = Cの_P2T率 εリットル
    ピリジン-2-チオンのC _P2T、吸光係数ɛと光路長Lのモル濃度を有します。
12. 次の式で粒子あたりの活性部位（アミン）の数を計算します
    （式7）
    1粒子M _粒子の質量を持ちます それは、ρ= 1.295グラム/ cm ³であり、粒子Mの _合計 （20 mg）を合計加重質量と全体積V _の合計 （50μL）とM _粒子 = 4 ^/3πR3ρ、です。この式は、使用可能なすべてのことを前提としていアミンは、SPDPと反応し、DTTは、粒子に接続されているすべてのSPDP分子を減少させます。

共焦点顕微鏡による5.モニターコロイドアセンブリ

注：使用したコア - シェルシリカ粒子（蛍光体コアと非蛍光性シェルを有します）。

1. シクロヘキサン中のBTA-官能化された粒子の0.1重量％の分散液の400μlのを準備し、20分間サンプルを超音波処理。
2. BTAのOニトロベンジル基を切断するために、UVオーブンでサンプルバイアル（λ _最大 = 354 nm）を照射します。クラスタリング処理を監視するために、0から30分まで、例えば、照射の異なる時点で25μlのアリコートを取ります。
3. （チャンバーサイズは0.12ミリメートル×高さ13ミリメートルの直径である）スペーサの助けを借りて、別のガラススライド上の異なるアリコートを置き、カバースリップでチャンバーを閉じます。チャンバーを閉じた後、粒子の堆積物とadsorをできるように逆さまにカバースリップを回しますイメージングを容易にガラス、上にB。
4. 各照射時間のための試料調製後できるだけ早く、共焦点顕微鏡を用いて、各試料の複数の画像を取ります。

6.画像解析

1. ImageJのでシングレットの数の定量化
   注：スクリプトを記述するために使用されるすべてのコマンドは、ImageJのマニュアルに記載されています。
   http://imagej.nih.gov/ij/docs/guide/user-guide.pdf
   1. エッジから孤立したピクセルを削除し、「スムーズ」機能を実行している小さな穴を埋めるために共焦点画像を滑らかに。
   2. コアのみが蛍光性であることを考えると、同じクラスタtouchに属し、粒子がマージ粒子のエッジまで明るい領域を拡張させます。 「拡張」フィルターを使用してこれを行います。 0.02ミクロン/ピクセルの解像度を持つ約180 nmのシェルの厚さを有する粒子、および写真で、2膨張段階で十分です。
   3. 画像を変換「メイクバイナリ」機能を実行しているバイナリ画像に変換します。
   4. 例えば、0.02ミクロン/ピクセルの解像度で撮影した画像のためのツール ""設定スケール... "、距離= 1知ら= 0.02ピクセル= 1単位=ええと"を "実行することにより、スケールを設定します。
   5. 中・オブ・フォーカス粒子からのノイズやピンボケ粒子を識別するためにしきい値サイズを適用します。例えば、0.02ミクロン/ピクセルの解像度で撮影した画像で、すべてのエリアが0.2未満のピクセルが除外されています。 「粒子の分析... "、"サイズ= 0.2-インフィニティ」コマンドを使用してこれを行います。
   6. ""結果 "」コマンドを使用してall.jpg画像と画像（クラスターとシングレット）内のすべての明るい領域のサイズとall.txtファイルを作成し、_all.txt" "と" "JPEG"、 "すべて"。
   7. ある0.2と0.7ピクセル間のすべての明るい領域のサイズの円形度（円形度= 4πエリア/ペリメーター^2）で0.7と1.0の間と仮定コマンド」粒子を分析... "、"真円= 0.7〜1.0」を実行している一重。
   8. singlets.jpgイメージとコマンド ""結果 "、_singlets.txt" "と" "JPEG"、 "シングレットを" "使用してシングレットであるすべての明るい領域の情報とsinglets.txtファイルを作成します。
2. MATLABに情報を処理
   1. 一重の.txtファイルを読み、絵あたり一（ _一重 ）の平均サイズを計算します。
   2. クラスタ当たりの粒子数（ _{ダブレット} = 2Aの_一重 、 _三重 = 3Aの_一重 ...）と他のall.txtファイルから画像中の粒子の総数を計算するために、一重の平均サイズを使用してください。
   3. F _{シングレット} =数のシングレット/総粒子：各露光時間のために一重に粒子の割合を計算します
   4. ダブレット、トリプレットなどの割合を計算します： _{ダブレット} = 2 *ダブレットの数/総粒子など F

結果

室温で穏やかな反応条件下で第二段階で超分子コロイド（ 図1a）、カップルBTA-誘導体（ 図1B）を合成するために使用される二段階手順は、その安定性が確保されていることを考えます。

超分子コロイドの合成の1のスキーム図。ベン...

ディスカッション

1.426の屈折率、BTA-コロイドを分散させる溶媒として使用する場合、シクロヘキサン、ファンデルワールス相互作用は、コロイドの屈折率のため、非常に弱く、溶媒はほぼ同じです。シクロヘキサン中のSLSの実験のために使用官能基化コロイドの濃度は、水中での裸のシリカコロイドに比べてはるかに高いことに注意してください。屈折率がほぼ一致しているようにこれは、低コントラストに...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
APTES	Sigma-Aldrich
FTIC	Sigma-Aldrich
TEOS	Sigma-Aldrich
LUDOX AS-40	Sigma-Aldrich		Silica particles of 13 nm in radius
MilliQ	---	---	18.2 MΩ·cm at 25 °C
Ethanol	SolvaChrom		---
Ammonia (25% in water)	Sigma-Aldrich		---
Chloroform	SolvaChrom		---
Cyclohexane	Sigma-Aldrich		---
Dimethylformamide (DMF)	Sigma-Aldrich		---
Stearyl alcohol	Sigma-Aldrich		---
N,N-Diisopropylethylamine (DIPEA)	Sigma-Aldrich		---
Benzotriazol-1-yl-oxytripyrrolidinophosphonium hexafluorophosphate (PyBOP)	Sigma-Aldrich		---
Succinimidyl 3-(2-pyridyldithio)propionate (SPDP)	Sigma-Aldrich		---
Dithiothreitol (DTT)	Sigma-Aldrich		---
NVOC-C11-OH	Synthesized	---	I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands
BTA	Synthesized	---	I. de Feijter, 2014 Responsive materials from adaptive supramolecular constructs, Doctoral thesis, Technical University of Eindhoven, The Netherlands
Centrifuge	Thermo Scientific		Heraeus Megafuge 1.0
Ultrasound bath	VWR		Ultrasonic cleaner
Peristaltic pumps	Harvard Apparatus		PHD Ultra Syringe Pump
UV-oven	Luzchem		LZC-a V UV reactor equipped with 8x8 UVA light bulbs (λmax=354 nm)
Stirrer-heating plate	Heidolph		MR-Hei Standard
[header]
Light Scattering	ALV		CGS-3 MD-4 compact goniometer system, equipped with a Multiple Tau digital real time correlator (ALV-7004) and a solid-state laser (λ=532 nm, 40 mW)
UV-Vis spectrophotometer	Thermo Scientific		NanoDrop 1000 Spectrophotometer
Confocal microscope	Nikon		Ti Eclipse with an argon laser with λexcitation=488 nm
Slide spacers	Sigma-Aldrich		Grace BioLabs Secure seal imaging spacer (1 well, diam. × thickness 13 mm × 0.12 mm)
Syringes	BD Plastipak		20 ml syringe
Plastic tubing	SCI	BB31695-PE/5	Ethylene oxide gas sterilizable micro medical tubing
Pulsating vortex mixer	VWR		Electrical: 120 V, 50/60 Hz, 150 W Speed Range: 500–3,000 rpm