単一分子レベルでの環状ポリマーの合成と溶融状態におけるそれらの拡散運動のキャラクタリゼーション

要約

単一分子レベルでの環状ポリマーの拡散運動の合成と特性評価のためのプロトコルが提示されています。

要約

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.

概要

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) process^11-13 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.

プロトコル

単官能性および二官能性ポリ（THF）の1の合成

1. 単官能性ポリ（THF）
   1. 炎は2首100ml丸底フラスコを乾燥させます。窒素（3回）でフラスコを真空と入力します。
   2. フラスコに蒸留したテトラヒドロフラン（THF）（50ミリリットル）を追加します。 20℃の水浴中にフラスコを入れ、温度を平衡化。
   3. シリンジでフラスコにメチルトリフレート（0.5ミリモル）を追加します。 20℃で5〜10分間混合物を撹拌しました。
   4. シリンジでフラスコにN個のフェニルピロリジン（4-6当量）を追加します。 30-60分間、混合液を撹拌しました。
   5. 完全に減圧（ 約 100トル）下で溶媒を除去しました。アセトン3〜5ミリリットル中に残留物を溶解させます。 n個のヘキサンの300〜500ミリリットルにアセトン溶液を追加します。沈殿物を濾過し、減圧下で乾燥します。
2. 二官能性ポリ（THF）
   1. 炎は2首100ml丸底フラスコを乾燥させます。バージニアcuumと窒素（3回）でフラスコを埋めます。
   2. フラスコに蒸留したTHF（50ミリリットル）を追加します。 20℃の水浴中にフラスコを入れ、温度を平衡化。
   3. シリンジでフラスコにトリフルオロメタンスルホン酸無水物（0.3ミリモル）を追加します。 20℃で5〜10分間混合物を撹拌しました。
   4. シリンジでフラスコにN個のフェニルピロリジン（4-6当量）を追加します。 30-60分間、混合液を撹拌しました。
   5. 完全に減圧（ 約 100トル）下で溶媒を除去しました。アセトン3〜5ミリリットル中に残留物を溶解させます。 n個のヘキサン300〜mlにアセトン溶液を追加します。沈殿物を濾過し、減圧下で乾燥します。

2.ペリレンの合成ジイミド内蔵4 - 武装スターと8の字型二環ポリ（THF）

1. 武装星ポリ（THF）
   1. イオン交換
      1. 水中のペリレンテトラカルボン酸ジイミドのテトラナトリウム塩（10 mg / mlで、150ml）に溶解します。ディゾルブアセトン中の単官能性ポリ（THF）（160 mg / mlで、4ミリリットル）。激しく撹拌水溶液中にアセトン溶液を滴下して加えます。濾過により形成された沈殿物を収集します。
      2. 回収した沈殿物（2.1.1.1）の4倍で、上記の手順を繰り返します。
   2. 共有結合固定
      1. トルエン中の得られた沈殿物（5 mg / mlで）を溶解します。 4時間のためのソリューションを還流。
      2. 完全に減圧（ 約 100トル）下で溶媒を除去しました。 n個のヘキサン/アセトン（2/1体積/体積）を用いてシリカゲルのプラグを通して残留物をフィルタリングします。生成物を沈殿させ、氷冷した水（300〜500ミリリットル）にソリューションを追加します。濾過により沈殿物を収集します。
2. 二環8の字型のポリ（THF）
   1. イオン交換
      1. 水中のペリレンテトラカルボン酸ジイミドテトラナトリウム塩（6 mg / mlで50 ml）に溶解します。二官能性ポリ（THF）（0.5グラムを溶かし）アセトンの30〜50ミリリットルインチ0℃で激しく撹拌した水溶液中にアセトン溶液を滴下して加えます。濾過により形成された沈殿物を収集します。
      2. 回収した沈殿物（2.2.1.1）で上記の手順を繰り返します。
   2. 共有結合固定
      1. トルエン中の得られた沈殿物（0.05グラム/ Lの）を溶解します。 4時間のためのソリューションを還流。
      2. 完全に減圧（ 約 100トル）下で溶媒を除去しました。部分的に残留物を溶解するためにトルエンを追加します。再沈殿のnヘキサンの300〜500ミリリットルに。
      3. n個のヘキサン/アセトン（2/1体積/体積）を用いてシリカゲルのプラグを介して形成された沈殿物をフィルタリングします。再沈殿させ、水の300〜500ミリリットルに。
      4. ポリスチレンゲルを使用するカラムクロマトグラフィー¹⁸によって形成された沈殿物を精製します。さらにREMへのCHCl ₃を溶離液^19を取ゲル浸透クロマトグラフィー（GPC）により粗生成物を精製屈折率（RI）およびUV検出器を監視することによって、オベ副産物。

3. 1分子蛍光イメージング実験

1. 試料調製
   1. 顕微鏡カバースリップのクリーニング
      1. 顕微鏡カバーが染色ジャーにスリッププレイス号1.5 24のx 24ミリメートル。
      2. 15分間の瓶や超音波処理に1 M水素化カリウム溶液（100ミリリットル）を追加します。デカンテーションによって水酸化カリウム溶液を捨て、数回、超純水を用いてカバースリップを洗浄。分光グレードエタノール（100ml）を15分間瓶超音波処理に追加します。
      3. デカンテーションによりエタノールを捨て、数回の超純水でカバースリップをすすぎます。デカンテーションにより超純水をオフに注いだ後、ステップ3.1.1.2を繰り返します。
      4. 15分間の瓶や超音波処理に超純水を追加します。数回のために超純水を用いてカバースリップをすすぎます。プラスチックピンセットによって瓶からカバーガラスを取り出し、乾燥空気または乾燥窒素のいずれかによってそれらを乾燥させます。
   2. ポリマー溶融試料^14,15の調製
      1. ガラス瓶に非標識線状ポリ（THF）100μlを添加し、ヘアドライヤーを使用して、融点（約25℃）以上の温度に加熱します。
      2. フォア導入ポリマー（リニア、4-武装スター、環式、または8の字型二環2.1と2.2で合成）のクロロホルム（1ミリリットル、10 ^-6 M）を溶解します。非標識線状ポリ（THF）の溶融物の100μlに溶液1μlを追加します。
      3. 徹底的にピペットチップでサンプルを混合した後、乾燥機を使用してサンプルを加熱することにより、クロロホルムを蒸発させます。
         注：これは、フルオロフォア組み込まれたポリマーの10 ^-8 Mを含む非標識線状ポリ（THF）の溶融物を提供します。
      4. マイクロピペットおよびdを用いて、10μlのサンプルを取ります清掃カバースリップ上にROP。サンプル上の別の洗浄カバースリップを入れて、2つのカバースリップの間にサンプルを挟みます。
      5. 優しくプラスチックピンセットを使用してサンプルを押してください。
2. 広視野蛍光イメージングの設定¹⁵
   1. 倒立顕微鏡の背面ポートに励起レーザー（488 nm）でのご紹介
      1. ビーム経路に励起バンドパスフィルタや偏光板を挿入します。
      2. ビームエキスパンダによって、直径約1cmにビームを展開します。
      3. ビーム経路に四分の一波長板を挿入します。偏光子のそれに対して45度で波長板の光軸を設定します。また、ベレック補償器を挿入し、λ/ 4に光遅延を設定します。
      4. ビームサイズを調整するために、励起ビーム光路に絞りを挿入します。
      5. 倒立型光学microscoの背面ポートにレーザー光を導入する前にPEは、対物レンズのうち、レーザビームがコリメートされる位置でのフォーカスレンズ（平面凸レンズ、≈300ミリメートル焦点距離）を挿入します。
   2. フィルターキューブに取り付けられたダイクロイックミラーを用いたレーザビームを反射した後、高開口数（NA）の対物レンズを介して試料にレーザー光を導入する（ 例えば、NA 1.3、100X倍率、オイル浸漬）。
   3. 対物レンズに客観的なヒーターを取り付け、30℃に温度を設定。
   4. 倒立顕微鏡のステージ上に試料を載置
      1. 対物レンズにイマージョンオイルを一滴落とし、顕微鏡状態にサンプルをマウントします。
      2. 10μm程度の試料の厚さは、サンプルの底面と上面の軸方向の位置を確認することによって得られることを確認してください。
      3. サンプルの底面より数マイクロメートルに顕微鏡の焦点を調整します。
   5. 対物レンズの下に円偏励起光を得ます
      1. 対物レンズのうち、コリメートされたレーザビームに偏光板を挿入します。
      2. 偏光子の後にパワーメータを挿入することにより、偏光子を透過したレーザの強度を記録します。偏光子を回転させることにより、異なる偏光角で透過したレーザパワーを記録します。
      3. 透過したレーザパワーは、すべての偏光角で一定でない場合には、わずかに励起光路に挿入された四分の一波長板またはベレック補償板を回転させます。
      4. 手順を繰り返し3.2.5.2と3.2.5.3一定の透過したレーザパワーがすべての偏光角で得られるまで。円偏光を試料で得られていることを確認してください。
   6. セットアップEM（電子増倍）は、結合素子（CCD）カメラを-charge
      1. 顕微鏡のサイドポートにEM-CCDカメラを取り付け、トンに接続彼の画像取得ソフトウェア。
      2. 必要であれば、デバイスにEM-CCDカメラによって生成されたトランジスタ - トランジスタ論理（TTL）信号を送信することによって励起光路に挿入され、機械的シャッターまたは音響光学チューナブルフィルタのカメラの露出を同期させます。また、レーザにEM-CCDカメラによって生成されたTTL信号を送信することにより、レーザ出力にカメラの露出を同期させます。
         注：後者のオプションは、その出力電力入力トランジスタ - トランジスタ論理（TTL）信号によって変調することができる固体レーザが実験に使用されている場合にのみ適用可能です。
      3. 単一のフルオロフォアの高品質な蛍光画像を取得するためにカメラを制御するソフトウェアを使用して（典型的には約300）のCCDカメラにEMゲインを適用します。
      4. 関心領域（ROI）カメラを制御するソフトウェアを使用して（視野の中心で、通常、128×128ピクセル）を設定します。
         注：これはimagiを可能にします溶融試料中のフルオロフォア導入ポリマー鎖の動きを可視化するために必要とされる、フレーム転送モード、200ヘルツ - 100のフレームレートでNG実験。
3. 実験を実行しています
   1. 実験条件の最適化
      1. 励起光路に挿入された振動板を用いた直径約20μmの試料の照明領域を調整します。
      2. 手動で励起光路に挿入され、適当な中性濃度（ND）フィルタを選択することによって、8ミリワット - 4に、サンプルの励起レーザパワーを設定します。
         注： - 2キロワットcm ^-2のサンプルでこれが1の平均レーザパワーを提供します。
      3. 200ヘルツ - 100のフレームレートでのサンプルの記録の蛍光画像。個々のフルオロフォア組み込まポリマーから得られた蛍光強度が低すぎると、徐々に目を用いて、励起パワーを増加させますサンプルで約100 mWのに到達するまで電子NDフィルター。
      4. 単一分子蛍光画像の画質がまだ十分ではない場合、非標識ポリ（THF）の純粋な溶融物の蛍光画像を記録することにより、試料中の蛍光不純物を確認します。高い蛍光バックグラウンドが観察される場合には、別の非標識ポリ（THF）を使用します。
      5. 融液中のフルオロフォア内蔵ポリマーから得られた蛍光スポットの密度（これは拡散運動の解析でエラーが発生）空間的にこれらを分離するには高すぎる場合、までサンプルにフルオロフォア内蔵ポリマーの濃度を減少させます空間的に孤立したスポットが観察されます。
      6. 溶融物中にフルオロフォア内蔵ポリマーから得られた蛍光スポットの密度（これはイメージング実験の低いスループットを生じさせる）が低すぎると、approprまでサンプル中のフルオロフォア内蔵ポリマーの濃度を増加させます蛍光スポットのiate密度が達成されます。
      7. 溶融物中のフルオロフォア組み込まポリマーから得られた蛍光画像がぼやけている場合は、画像取得のフレームレートを増加させます。
         注：これは、しばしば、典型的には64×64ピクセル、小さいROIを必要とします。
4. 画像収集
   1. 実験条件が最適化されると、サンプルが平衡状態に到達するように、時間の顕微鏡ステージ上に取り付けられたサンプルを残します。
   2. 200Hzのフレームレート - 100で溶融状態にある蛍光団組み込まポリマーの千蛍光画像シーケンス - 500を記録します。デフォルトのファイル形式は、TIFFでない場合は、TIFF形式へのすべての画像シーケンスに変換します。

拡散運動4.分析

1. 平均二乗変位（MSD）分析
   1. このように、蛍光画像シーケンスを切り抜きます各画像シーケンスは、ImageJのような単一の、よく集中拡散フォア導入ポリマーを用いた画像処理ソフトウェアが含まれていること。
   2. トリミングされた画像シーケンスは、10以上のフレームを含む場合、各配列が10フレームで構成されるように、複数のシーケンスに画像シーケンスを分割します。
   3. 正確に画像の2次元ガウスフィッティングすることにより、各画像シーケンス中の分子の位置を決定します。
   4. 式^20を使用して拡散軌道の平均二乗変位（MSD）分析（分子すなわち 、時間依存的位置）によって個々の分子の拡散係数（D）を決定
      
      xは_iとyは_iが画像フレーム内の分子の位置Iであり、n iがフレームからの経過時間Δtだけでフレーム番号を表します。
   5. 拡散係数をプロットに頻度ヒストグラム。
      注：一般的に、ヒストグラムが100以上の分子から構成されています。
2. 累積分布関数（CDF）分析
   注：CDF、P（R ^2、 私 Δt）は、i が Δ トン一定のタイムラグの後、原点から半径r内に拡散する分子を発見するの累積確率に対応します。
   1. 時間は4.1.3で得られた全ての拡散軌道のため1Δt、2ΔT、····、iΔtの遅れの間に生じる二乗変位を計算します。
      注：これらの計算は、 _私が iΔtのタイムラグのため、変位を二乗の合計メートルを与えます。
   2. 異なるR ²値にR ²よりも小さい総M _Iのデータセット内の二乗変位（L _i）をの数を計算する（0 2対正規化リットル_私プロットは、CDF、P（R ^2、iΔt）に対応しています。
3. 明確な拡散モデルとのCDFの分析
   注：得られたCDFは、別個の拡散モデルによって取り付けられています。均一な拡散モデル、Dの分布がガウス（単一ガウスモデル）によって記述された複数の拡散モード、および複数の拡散モードは、ここでDの分布は、複数のガウス分布（複数のガウスモデル）によって記載されています。
   1. 均一な拡散モデルでは、式^21を使用してCDFをフィッティングすることにより、平均Dを決定します
      
      注：式からの逸脱は、分子の不均一な拡散を示唆しています。
   2. 単一ガウスモデルでは^、15を使用してCDFを当てはめることによってガウシアン（F（D））によって記載さDの確率分布を決定します
      ON3 "SRC =" /ファイル/ ftp_upload / 54503 / 54503equation3.jpg "/>
      
      A、W、およびD _0は、ガウスの振幅、幅、および中心である場合。
   3. ダブルガウスモデルでは^、14を使用してCDFを当てはめることによってガウシアン（F（D））によって記載さDの成分j ^番目の確率分布を決定します
      
      
      _jは w _jは 、それぞれの拡散成分と_、αjの割合であり、かつD _{0 jは}振幅、幅、およびガウスの部品j ^番目の中心である。ここで、
4. 理論上の確率distriの計算拡散係数の献
   注：違いによる拡散モデルについて計算された統計誤差（P（D）のD D）に発生したDの確率分布。均一な拡散モデル、Dの分布がガウス（単一ガウスモデル）によって記述された複数の拡散モード、および複数の拡散モードは、ここでDの分布は、複数のガウス分布（複数のガウスモデル）によって記載されています。
   1. 均一な拡散モデルでは、式^22を使用してDの統計的確率分布を算出します
      
      Nは、拡散軌道におけるデータ点の数（N = 10、4.1.2を参照）であり、D _0（CDF分析により測定、4.2.3.1を参照のこと）の平均拡散係数であり、Dは、実験的に得られます個々の軌道のための拡散係数。
   2. の中に単一ガウス拡散モデルは、式^15を使用してDの統計的確率分布を算出します
      
      ここで、f（D）は、CDF分析により決定Dの確率分布を（4.2.3.2参照）であり、D _0は、平均拡散係数（CDF分析によって決定は、4.2.3.2を参照します）。
   3. ダブルガウス拡散モデルでは、式^14を使用してDの統計的確率分布を算出します
      
      F（D _j）はD（D _jの）CDF分析により測定（4.2.3.3参照）のコンポーネント^の j ^番目の確率分布を表し、Dは_{0Jコンポーネント} ^の j ^番目の平均拡散係数（CDFによって決定どこ分析、4.2.3.3を参照してください）。

結果

ペリレンテトラカルボン酸ジイミド内蔵4アーム星8状二環ポリ（THF）の静電自己集合と共有結合固定（ESA-CF）工程（ 図1、 図2）を用いて合成しました。タイムラプス単一分子蛍光画像は、4アーム（ 図3a）と8の字（ 図3b）ポリマーを測定しました。タイムラプス蛍光画像（ 図3）によるチェーンに高度に?...

ディスカッション

4-武装と8の字型ポリマーは、合成のための重要なステップであるESA-CFプロトコル（ 図1）を介して調製した^。12,24単官能性および二官能性直鎖ポリ（THF）類をN -phenylpiperidinium末端基としました前述の手順に従って合成^。11イオン交換は、カルボン酸の過剰量を含有する水溶液にトリフレート対アニオンを有するポリマー前駆体のアセトン溶液の再沈殿により...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Materials
THF	Godo
Wakosil C-300	Wako Pure Chemical Industries
Acetone	Godo
Toluene	Godo
n-Hexane	Godo
CHCl3	Kanto Chemical
Bio-Beads S-X1	Bio-Rad
Methyl triflate	Nacalai Tesque
Triflic anhydride	Nacalai Tesque
Potassium Hydroxide	Wako Pure Chemical Industries
Ethanol	Wako Pure Chemical Industries
Poly(tetrahydrofuran)	Aldrich
Chloroform	Wako Pure Chemical Industries
Immersion oil	Cargille	Type 37 / Type A
Equipment
2-Neck 100-ml round-bottom flask
Flask
Beaker
Funnel
Filter paper	Whatman
Reflux condenser
Syringe
Water bath
Magnetic stirrer
Rotary evaporator
Microscope cover slips (24 x 24 mm, No. 1)	Matsunami Glass	CO22241
Staining jar	AS ONE Corporation	1-7934-01
Ultrasonic cleaner	VWR International	142-0047
Inverted microscope	Olympus	IX71
Ar-Kr ion laser	Coherent	Innova 70C
Berek compensator	Newport	5540
Excitation filter	Semrock	LL01-488-12.5
Dichloric mirror	Omega optical	500DRLP
Emission filter	Semrock	BLP01-488R-25
Lens and mirror	Thorlabs
EM-CCD camera	Andor Technology	iXon
Objective lens (100X, N.A. = 1.3)	Olympus	UPLFLN 100XOP
Objective heater	Bioptechs
Preparative GPC	Japan Analytical Industry	LC-908