Применение напряжения в анализе динамического рассеяния света

Резюме

Здесь представлен протокол о применении напряжения к раствору при измерениях размера динамического рассеяния света с намерением изучить влияние напряжения и изменения температуры на агрегацию полимеров.

Аннотация

Динамическое рассеяние света (DLS) является распространенным методом для характеристики распределения размеров полимеров, белков и других нано- и микрочастиц. Современные приборы позволяют измерять размер частиц как функцию времени и/или температуры, но в настоящее время нет простого метода для выполнения измерений распределения размеров частиц DLS в присутствии прикладного напряжения. Возможность проведения таких измерений была бы полезна при разработке электроактивных, стимулирующих полимеров для таких применений, как зондирование, мягкая робототехника и хранение энергии. Здесь представлена техника с использованием прикладного напряжения в сочетании с DLS и температурным пандусом для наблюдения за изменениями в агрегатации и размерах частиц в термочувствительных полимерах с электроактивными мономерами и без них. Изменения в агрегированном поведении, наблюдаемые в ходе этих экспериментов, были возможны только благодаря комбинированному применению контроля напряжения и температуры. Чтобы получить эти результаты, potentiostat был подключен к модифицированной кювет для того, чтобы применить напряжение к решению. Изменения размера частиц полимера отслеживались с помощью DLS при наличии постоянного напряжения. Одновременно были получены текущие данные, которые можно было бы сравнить с данными о размере частиц, чтобы понять взаимосвязь между поведением тока и частиц. Полимерполи (N -изопропилакриламид) (pNIPAM) служил тестовым полимером для этой техники, так как реакция pNIPAM на температуру хорошо изучена. Наблюдаются изменения в низкокритической температуре раствора (LCST) агрегации поведения pNIPAM и поли(N-изопропилацриламидамид)-блока-поли (ферроцилметил метакририл), электрохимически активного бло-кополимера, в присутствии прикладного напряжения. Понимание механизмов, лежащих в основе таких изменений, будет важно при попытке достичь обратимых полимерных структур в присутствии прикладного напряжения.

Введение

Динамическое рассеяние света (DLS) является методом для определения размера частиц с помощью случайных изменений в интенсивности света, рассеянного через решение¹. DLS способен измерять агрегацию полимеров, определяя размер частиц. Для этого эксперимента, DLS был в сочетании с контролируемыми изменениями температуры наблюдать, когда полимерные агрегаты, что свидетельствует о превышении нижней критической температуры раствора (LCST)^2,3. Под LCST существует одна однородная жидкая фаза; над LCST, полимер становится менее растворимым, агрегаты, и конденсируется из раствора. Прикладное напряжение (т.е. прикладной потенциал или электрическое поле) было введено через поле рассеяния для наблюдения за воздействием электрического поля на поведение агрегации и LCST. Применение напряжения в измерениях размеров частиц позволяет по-новому взглянуть на поведение частиц и последующее применение в области датчиков, хранения энергии, систем доставки лекарств, мягкой робототехники и других.

В этом протоколе были использованы два примера полимеров. Поли (N -изопропилакриламид), или pNIPAM, является термическим чувствительным полимером, который содержит как гидрофильные группы амида и гидрофобных изопропилгрупповой группы на макромолекулярной цепи^4,5. Тепловые полимерные материалы, такие как pNIPAM, широко используются в контролируемом выпуске лекарств, биохимическом разделении и химических датчиках в последние годы^3,4. Значение литературы LCST pNIPAM составляет около 30-35 градусов по Цельсию⁴. pNIPAM, как правило, не электрохимически активен. Поэтому в качестве второго образца полимера в полимер был добавлен электрохимически активный блок. В частности, ферроцинметил метакрилат был использован для создания поли(N-изопропилокриламид) -блок-поли(ферроцилметил метакрилат) блок-кополимер, или p (NIPAM -b-FMMA)^6,7. Оба примера полимеров были синтезированы обратимым дополнением фрагментации цепной передачи полимеризации с контролируемой длиной цепи^8,9,10. Неэлектрохимически активный полимер, pNIPAM, был синтезирован как 100 мер чистый pNIPAM. Электрохимически активный полимер, p(NIPAM - b-FMMA), также был 100 мер длиной цепи, которая содержит 4% ферроцилметил метакрилат (FMMA) и 96% NIPAM.

В этой статье демонстрируется протокол и методология изучения влияния прикладного напряжения на агрегацию полимеров. Этот метод также может быть распространен на другие применения DLS, такие как анализ сворачивания/разворачивания белков, белково-белковых взаимодействий и агломерации электростатически заряженных частиц, чтобы назвать несколько. Образец нагревался от 20 до 40 градусов по Цельсию, чтобы определить LCST при отсутствии и наличии прикладного поля 1 V. Затем образец охлаждался от 40 до 20 градусов по Цельсию, не нарушая прикладное поле для изучения каких-либо исистообразительных или равновесных эффектов.

протокол

1. Пример полимерных препаратов

1. pNIPAM полимерный синтез
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот препарат производит 10 мл 1 г/л раствора, который достаточно для 3-4 экспериментов.
   1. Подготовьте линейный аппарат Schlenk. Убедитесь, что холодная ловушка Dewar колба заполнена суспензией сухого льда и ацетона, или если механическая ловушка охлаждения используется, убедитесь, что ловушка достигла соответствующей температуры.
   2. В колбу с круглым дном 50 мл добавьте 0,566 г мономерногоn-изопропилакриламидада N -изопропилакриламидада (НИПАМ), 0,016 г обратимого добавленной частичной цепи передачи полимеризации (РАФТ) агента (фталимидоэтил бутиокарбонат), 0,0008 г 2,2-азобис (2-метилпропионитрил) (AIBN) и 10 мл 1,4-диоксана. Положите перемешать бар в колбу. Запечатать колбу резиновой перегородкой, завернуть виниловой лентой и растворить мономеры в 1,4-диоксан.
   3. Выполните замораживание насоса-оттепели дегазации следующим образом: Заморозить раствор, погрузив круглое дно колбу в flask Dewar, содержащий навоз сухого льда и метанола. После того, как весь материал заморожен, используйте вакуумную многообразие линии Schlenk, чтобы эвакуировать колбу под внутреннее давление под 100 кПа. Изолировать колбу и оттаивать под статическим вакуумом, используя теплую воду. Верните колбу атмосферному давлению, используя азотную многообразие линии Шленка.
   4. Повторите шаг 1.1.3 три раза, чтобы свести к минимуму внутреннюю концентрацию кислорода.
   5. Спаржируйте раствор с азотом, чтобы сбалансировать давление в атмосферу. Нагрейте смесь до 85 градусов по Цельсию с помощью масляной ванны и перемешать при 200 об/мин в течение 36 ч.
   6. К стакану 50 мл добавьте 40 мл гексана. Затем добавьте полимерную смесь в гексан. PNIPAM должен осаждать как белый floccule.
      ПРИМЕЧАНИЕ: НИПАМ мономер растворим в гексане, но pNIPAM имеет плохую растворимость в гексане.
   7. Налейте мутную смесь в воронку Бюхнера, чтобы собрать белый порошок pNIPAM. Перенесите порошок на флакон 20 мл и поставьте его в вакуумную духовку на ночь, чтобы удалить оставшийся растворитель. Хранить в герметичном контейнере при комнатной температуре до необходимости.
2. pNIPAM -блок-поли (ферроцилметил метакрилат) блок-кополимер (p (NIPAM -b-FMMA)) синтез
   ПРИМЕЧАНИЕ: Этот препарат производит 10 мл 1 г/л раствора, который достаточно для 3-4 экспериментов.
   1. Подготовьте линейный аппарат Schlenk. Убедитесь, что холодная ловушка Dewar колба заполнена суспензией сухого льда и ацетона, или если механическая ловушка охлаждения используется, убедитесь, что ловушка достигла соответствующей температуры.
   2. В 50 мл круглого дна колбу, добавить 0,057 г ферроцитметил метакрилат (FMMA) мономер, 0,016 г агента RAFT, 0,0008 г AIBN и 10 мл 1,4-диоксана. Положите перемешать бар в колбу. Запечатать колбу резиновой перегородкой, завернуть виниловой лентой и растворить мономеры в 1,4-диоксан.
   3. Выполните замораживание насоса-оттепели дегазации следующим образом: Заморозить раствор, погрузив круглое дно колбу в flask Dewar, содержащий навоз сухого льда и метанола. После того, как весь материал заморожен, используйте вакуумную многообразие линии Schlenk, чтобы эвакуировать колбу под внутреннее давление под 100 кПа. Изолировать колбу и оттаивать под статическим вакуумом, используя теплую воду. Верните колбу атмосферному давлению, используя азотную многообразие линии Шленка.
   4. Повторите шаг 1.2.3 три раза, чтобы свести к минимуму внутреннюю концентрацию кислорода.
   5. Спаржируйте раствор с азотом, чтобы сбалансировать давление в атмосферу. Нагрейте смесь до 85 градусов по Цельсию с помощью масляной ванны и перемешать его в течение 10 ч.
   6. Растворите 0,543 г НИПАМ и 0,0002 г AIBN в 3 мл из 1,4-диоксана. Добавить раствор в колбу под азотом и спаржей в течение 30 мин. Нагрейте смесь до 85 градусов по Цельсию с помощью масляной ванны и перемешать его при 200 об/мин еще 36 ч.
   7. Добавьте 40 мл гексана в стакан 50 мл. Затем добавьте полимерную смесь в гексан. p(NIPAM-b-FMMA) должен осаждаться как коричневый порошок, потому что fMMA мономер имеет темно-желтый цвет.
      ПРИМЕЧАНИЕ: NIAAM и FMMA мономеры растворимы в гексане, но p (NIPAM -b-FMMA) имеет плохую растворимость в гексане.
   8. Налейте желтую мутную смесь в воронку Бюхнера, чтобы собрать коричневый порошок p (NIPAM - b-FMMA). Перенесите порошок на флакон 20 мл и поставьте его в вакуумную духовку на ночь, чтобы удалить оставшийся растворитель. Хранить в герметичном контейнере при комнатной температуре до необходимости.

2. DLS образец и кювет подготовки

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот раздел готовит квет для прикладного напряжения и образец для измерений DLS.

1. Измерьте 10 мг полимерного порошка и растворите в 10 мл фильтрообразуемой деионированной (DI) воды. Положите смесь в холодильник на ночь. Когда готовы начать эксперимент, держите образец на льду.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Концентрация полимера, используемая в этих экспериментах, составляла 1 г/л, но оптимальный диапазон концентраций для каждого образца будет уникальным. Кроме того, наилучшей практикой является сохранение полимера ниже LCST до тех пор, пока он не будет готов к тестированию.
2. Вырезать две части 6,3 мм х 7 см односторонней медной лентой(рисунок 1). Используйте пинцет, чтобы придерживаться каждого куска на противоположных сторонах внутри образца кюветты DLS, перпендикулярно светлому пути. Дно ленты должно достигать в нижней части кювета. Сложите края медной ленты поверх кювета. Убедитесь, что медная лента рядом / обернутые в верхней части образца кювет, чтобы обеспечить хороший электрический контакт. Также убедитесь, что медная лента не соединяется с металлическими контактами, связанными с оборудованием DLS, используемым для потенциальных измерений Зета.
3. Вымойте кветтс с DI воды три раза, а затем мазок избыток воды с Kimwipe.

3. Управление приборами DLS и настройка

ПРИМЕЧАНИЕ: Три элемента управления рекомендуется завершить перед запуском каждого эксперимента DLS: (1) раствор пустой воды; (2) стандарт размера; (3) измерение полимера перед началом температурного пандуса или примененного напряжения. Пожалуйста, проконсультируйтесь с руководством по инструменту перед операцией для получения рекомендаций по подготовке образца, выбору настроек и оценке качества выборки и данных.

1. Перенесите 1,5 мл фильтрованного растворителя в кювет. Используйте DI воды.
2. Вставьте кюветт к держателю кювета, гарантируя, что небольшая стрелка на верхней части кювета выровнена с держателем кювета. Закройте крышку.
3. В программном обеспечении zetasizer выберите Measure на панели инструментов. Для элементов управления были настроены ручные измерения. Установите температуру на экспериментальную отправную точку. Для этого эксперимента выберите 20 градусов по Цельсию.
4. Как только текст в нижней части окна говорит, вставьте ячейку и нажмите кнопку, когда готов,нажмите кнопку зеленого треугольника начала в верхней части экрана. Это начинает эксперимент, и держатель cuvette не должен быть открыт после этого.
5. Нажмите на вкладку Multi-view, чтобы наблюдать за результатами в реальном времени. Непрерывно следите за выборкой и качеством данных, наблюдая за частотой подсчетов и функцией корреляции. Поскольку этот образец является просто растворителем, не следует наблюдать четкий сигнал, соответствующий присутствию частиц.
6. Добавьте две капли стандартного раствора в кювет или просто используйте водный контроль, и повторите шаги 3.2-3.6. Используйте 20 нм NIST-traceable полистирола размер стандарта для этого эксперимента.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Если управление водными или стандартными решениями показывает данные, несовместимые с ожидаемыми результатами, устранение ошибки и повторение до тех пор, пока элементы управления не будут прочитаны, как ожидалось.
7. Промыть кювет и добавить фильтрованный полимер / тест решение. Повторите шаги 3.2-3.5. Следует наблюдать четкое измерение исходного тестового решения. Рекомендуется сделать это до любой температуры рампы или прикладного напряжения для базового измерения.

4. Настройка DLS SOP

ПРИМЕЧАНИЕ: Этот раздел относится конкретно к температуре ramping работы Malvern Зетазизер Нано-S DLS инструмент. Перед началом экспериментов настоятельно рекомендуется проконсультируться с руководством по инструменту для получения рекомендаций по выбору ячейки, подготовке образца, выбору параметров измерения и оценке качества выборки и данных.

1. В рамках программного обеспечения Зетазизер (версия 7.11), выберите файл, затем нажмите Новый, чтобы настроить новый SOP (Рисунок 2).
2. Нажмите Тип измерения, чтобы выбрать Тренд
3. В материалевыберите соответствующий материал и рефракционный индекс. Выберите Белок и рефракционный индекс (RI) 1.450 для этого эксперимента. Если для более точного расчета распределения громкости необходимы точные значения для рефракционного индекса, экспериментатор должен экспериментально определить рефракционный индекс их образца.
4. В Дисперсантевыберите подходящий растворитель. Выберите воду в качестве растворителя в этом эксперименте.
5. В cell, выбрать кювет используется. Используйте одноразовые кюветы (DTS0012) для этого эксперимента.
6. В последовательности, установить температуру начала и конечную температуру. Для проведения отопительных экспериментов установите температуру старта на уровне 20 градусов по Цельсию и установите конечную температуру в 40 градусов по Цельсию. Для экспериментов по охлаждению выбирайте обратное. Отоверьте возврат к исходной температурной коробке.
7. Выберите интервал для каждого изменения температурного шага. Для этих экспериментов выберите 1,5 градуса по Цельсию.
8. В измерении размера, установите время эквилибриации. Для этих экспериментов установите продолжительность до 120 с. Выберите количество измерений. Выберите 3 измерения и автоматические для продолжительности измерения.
9. Сохранить SOP, а затем закрыть файл.
10. Если необходимо использовать примененное напряжение, навяжните потентиостат(раздел 5) перед продолжением.
11. После настройки потентиостата или если примененное напряжение не используется, вернитесь к программному обеспечению «Зетазизер» и нажмите «Мера» на панели инструментов, нажмите Start SOP.
12. Как только текст в нижней части окна SOP говорит, вставьте ячейку и нажмите кнопку, когда готов,нажмите кнопку запуска зеленого треугольника в верхней части экрана. Это начинает эксперимент, и держатель cuvette не должен быть открыт после этого.
13. Нажмите на вкладку Multi-view, чтобы наблюдать за результатами в реальном времени. Непрерывно следите за выборкой и качеством данных, наблюдая за частотой подсчетов и функцией корреляции. Смотрите цифры 3-5 для репрезентативных экспериментальных результатов.

5. Настройка Потентиостата

ПРИМЕЧАНИЕ: Рекомендуется использовать тот же компьютер для размера частиц и прикладных операций напряжения для синхронизации данных во времени и тем самым облегчая оценку позже. Пожалуйста, проконсультируйтесь с инструкциями по прикладному инструменту напряжения, чтобы получить рекомендации по настройке электропроводки, консультации по программному обеспечению и выбору соответствующих параметров. В этих экспериментах использовался потентиостат Gamry.

1. Подготовьте два провода, которые достаточно тонкие, чтобы поместиться через небольшую щель на верхнем правом краю области держателя кювет DLS(рисунок 6). На одном конце подготовленного провода снимите изоляцию, чтобы обеспечить подключение к потентиостату. На противоположном конце, припой короткий зажим аллигатора к проводу и подключиться к cuvette. Убедитесь, что крышка образца DLS закрыта.
2. Зажим белого эталонного потентиостата свинца и красного счетчика потентиоставедут ведут вместе к одному из подготовленных проводов. Зажим зеленого рабочего потентиостата свинца и синего рабочего чувства potentiostat привести к другой подготовленный провод. Для этого эксперимента, не используйте оранжевый счетчик смысле и черный землю potentiostat приводит и оставить их плавающими. Для обеспечения цепи не короткий, эти провода не должны касаться любой другой свинца или проводящих поверхности.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Не имеет значения, с какой стороной связан каждый свинец.
3. В панели программных инструментов, нажмите Эксперимент, затем нажмите вариант E Физической электрохимии, и выберите Chronoamperometry. Для целей этого протокола используйте простое прикладное напряжение, применяя одно напряжение с текущим ответом, измеряемым с течением времени (т.е. хроноэмперометрия). Независимо от конкретной электрохимической методологии, рекомендуется следить за реакцией системы с течением времени.
   1. Установить предварительный шаг, Шаг 1, и Шаг 2 Напряжение против справки. Это будет прикладное напряжение по всему полю/кювет. Установите напряжение до 1 V против справки для всех трех шагов.
   2. Установить предварительношагую задержку времени. Для этих экспериментов, установить на 0,5 с, чтобы убедиться, что система стабильна при нужном напряжении перед записью сигнала.
   3. Установите время как для шага 1 Время и шаг 2 время. Это контролирует, как долго будет применяться напряжение. Установите как 14400 с, чтобы убедиться, что прикладное напряжение будет продолжаться на протяжении всего эксперимента DLS.
   4. Установить период выборки. Именно так часто график будет считывать и записывать значения тока и напряжения. Используйте 10.0 s в этом эксперименте.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Другие параметры не являются значительными для данных, представленных здесь. В системе использовались значения по умолчанию.
4. Нажмите OK. Верхняя панель инструментов будет отображать активный знак, указывающий на напряжение в настоящее время применяется. Ток должен давать умеренный ответ (ЗА), а не перегружать потентиостат. Если сигнал или чрезмерный сигнал не наблюдается, система может быть подключена неправильно, и, следовательно, устранение ошибки и повторить до тех пор, пока не будет наблюдаться ожидаемый ток.
5. Вернуться к шагу 4.10 для запуска DLS SOP.

6. Анализ данных

ПРИМЕЧАНИЕ: В этом разделе подробно предварительный анализ, чтобы понять полученные данные.

1. Импорт данных в предпочтительный анализ данных и программное обеспечение для обработки данных.
2. Для каждого запуска в пределах набора измерений при заданной температуре, определить размер объема частицы пика с наибольшим процентом объема.
3. Рассчитайте среднее и стандартное отклонение размера объема по сравнению с тремя зарегистрированными измерениями при заданной температуре.
4. Для каждого эксперимента, график средний размер и стандартное отклонение на y-оси (шкала журнала) по сравнению с температурой на оси x (линейная шкала).
5. Импорт Gamry текущие данные для анализа. Участок текущих данных со временем на x-оси и тока (в микроусилителях) на y-оси.
6. Для того, чтобы связать текущие данные с данными о размере частиц, сравните метку времени данных Цетазизера с текущей метки времени Gamry. Это возможно, если два типа данных собираются с одного компьютера. В противном случае, матч записанные времена как можно лучше.

Результаты

Выход файла в реальном времени каждого запуска в температурном пандусе представлен в виде таблицы, как видно на рисунке 3. Каждая запись может быть выбрана независимо, чтобы увидеть размер объема(рисунок 4)и коэффициент корреляции

Обсуждение

Применение напряжения к решениям pNIPAM или p(NIPAM - b-FMMA) изменило поведение агрегации полимеров в ответ на температуру. С обоими материалами, когда прикладное напряжение присутствовало, размер тома полимеров оставался высоким даже тогда, когда растворы охлаждались ниже их LCST. Это был н...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
N-Isopropylacrylamide	Tokyo Chemical Industry CO., LTD	I0401-500G
1,4-Dioxane	Alfa Aesar	39118
2,2"-Azobis(2-methylpropionitrile)	SIGMA-ALDRICH	441090-100G
Cuvette	Malvern	DTS0012
Dynamic Light Scattering	Malvern	Zetasizer NanoZS
Ferrocenylmethyl methacrylate	ASTATECH	FD13136-1G
Phthalimidomethyl butyl trithiocarbonate	SIGMA-ALDRICH	777072-1G
Potentiostat	Gamry	Reference 600