Name: application of voltage in dynamic light scattering particle size analysis
Uploaded: 2020-01-24T13:00:00
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作者感谢NSF（CBET 1638893）、（CBET 1638896）、NIH（P20 GM1113131）和联合国大学哈默本科研究中心的财政支持。此外，提交人希望感谢达西·富尼耶协助布线和斯科特·格林伍德访问DLS。

1. 聚合物制剂示例
<ol><li>pNIPAM 聚合物合成 注：此制剂可产生 10 mL 的 1 g/L 溶液，足以进行 3-4 次实验。<ol>
<li>准备施伦克生产线设备。确保冷陷阱 Dewar 烧瓶充满干冰和丙酮浆料，或者如果使用机械制冷疏水阀，请确保疏水阀已达到适当的温度。</li>
		<li>在 50 mL 圆底烧瓶中， 加入0.566克N-异丙烯酰胺（NIPAM）单体，0.016克可逆添加分片链转移聚合（RAFT）剂（邻苯二甲酸酯），...

<ol>
	<li>Xu, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particuology+Light+scattering+:+A+review+of+particle+characterization+applications.">Particuology Light scattering : A review of particle characterization applications.</a> Particuology. 18, 11-21 (2015).</li><li>Szczubia&#322;ka, K., Nowakowska, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+of+micelles+formed+by+smart+terpolymers+to+stimuli+studied+by+dynamic+light+scattering.">Response of micelles formed by smart terpolymers to stimuli studied by dynamic light scattering.</a> Polymer. 44 (18), 5269-5274 (2003).</li><li>Kotsuchibashi, Y., Ebara, M., Aoyagi, T., Narain, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+Advances+in+Dual+Temperature+Responsive+Block+Copolymers+and+Their+Potential+as+Biomedical+Applications.">Recent Advances in Dual Temperature Responsive Block Copolymers and Their Potential as Biomedical Applications.</a> Polymers. 8, 380 (2016).</li><li>Lanzalaco, S., Armelin, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Poly(N-isopropylacrylamide)+and+Copolymers:+A+Review+on+Recent+Progresses+in+Biomedical+Applications.">Poly(N-isopropylacrylamide) and Copolymers: A Review on Recent Progresses in Biomedical Applications.</a> Gels. 3, 36 (2017).</li><li>Lessard, D. G., Ousalem, M., Zhu, X. X., Eisenberg, A., Carreau, P. J. <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+the+phase+transition+of+poly(N,N-diethylacrylamide)+in+water+by+rheology+and+dynamic+light+scattering.">Study of the phase transition of poly(N,N-diethylacrylamide) in water by rheology and dynamic light scattering.</a> Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 41, 1627-1637 (2003).</li><li>Garner, B. W., Cai, T., Hu, Z., Neogi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric+field+enhanced+photoluminescence+of+CdTe+quantum+dots+encapsulated+in+poly+(N-isopropylacrylamide)+nano-spheres.">Electric field enhanced photoluminescence of CdTe quantum dots encapsulated in poly (N-isopropylacrylamide) nano-spheres.</a> Optics express. 16, 19410-19418 (2008).</li><li>Gallei, M., Schmidt, B. V. K. J., Klein, R., Rehahn, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Defined+Poly[styrene-+block+-(ferrocenylmethyl+methacrylate)]+Diblock+Copolymers+via+Living+Anionic+Polymerization.">Defined Poly[styrene- block -(ferrocenylmethyl methacrylate)] Diblock Copolymers via Living Anionic Polymerization.</a> Macromolecular Rapid Communications. 30, 1463-1469 (2009).</li><li>Grenier, C., Timberman, A., 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=High+Affinity+Binding+by+a+Fluorescein+Templated+Copolymer+Combining+Covalent,+Hydrophobic,+and+Acid-Base+Noncovalent+Crosslinks.">High Affinity Binding by a Fluorescein Templated Copolymer Combining Covalent, Hydrophobic, and Acid-Base Noncovalent Crosslinks.</a> Sensors. 18, 1330 (2018).</li><li>Chiefari, J., Chong, Y. K. B., 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=Living+Free-Radical+Polymerization+by+Reversible+Addition&#8722;Fragmentation+Chain+Transfer:+The+RAFT+Process.">Living Free-Radical Polymerization by Reversible Addition&#8722;Fragmentation Chain Transfer: The RAFT Process.</a> Macromolecules. 31, 5559-5562 (1998).</li><li>Perrier, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=50th+Anniversary+Perspective+:+RAFT+Polymerization-A+User+Guide.">50th Anniversary Perspective : RAFT Polymerization-A User Guide.</a> Macromolecules. 50, 7433-7447 (2017).</li></ol>

对pNIPAM或p（NIPAM-b-FMMA）溶液施加电压改变了聚合物聚集行为，以响应温度。在这两种材料中，当存在施加电压时，即使溶液冷却到LCST以下，聚合物的体积尺寸仍然很高。这是一个意想不到的结果，因为没有电压的试验表明聚合物恢复到原来的尺寸。这些实验使我们能够得出结论，对于我们的温度范围，并在施加电压下，聚合物聚合不是完全可逆的，无论在pNIPAM中添加的电活性单体是什么?...

动态光散射（DLS）是一种通过随机改变通过溶液1散射的光强度来确定颗粒大小的技术。DLS 能够通过确定颗粒尺寸来测量聚合物的聚合。在本实验中，DLS与受控温度变化相结合，以观察聚合物聚集物时，该聚合物指示超过较低临界溶液温度（LCST）2、3。在LCST下方，存在一个均质液相;在LCST之上，聚合物变得不溶性、聚合和冷凝出溶液。在散射场中引入一个施加的电压（即应用电位或电场），以观察电场对聚合行为和LCST的影响。电压在颗粒尺寸测量中的应用有助于深入了解粒子行为以及随后在传感器、储能、药物输送系统、软机器人等领域的应用。
在该协议中，使用了两个示例聚合物。聚类（N-异丙烯酰胺），或pNIPAM，是一种热敏聚合物，它同时含有亲水酰胺组和大分子链4，5上的疏水异丙基组。热反应聚合物材料，如pNIPAM，近年来已广泛应用于受控药物释放、生化分离和化学传感器。pNIPAM 的 LCST 文献值约为 30-35 °C4。pNIPAM 通常不具有电化学活性。因此，作为第二样品聚合物，在聚合物中加入了电化学活性块。具体来说，铁甲基丙烯酸酯用于创建聚（N-丙烯酰胺）-聚聚（铁甲基丙烯酸酯）块-共聚物，或p（NIPAM-b-FMMA）6、7。两种示例聚合物均通过可逆添加碎片链转移聚合合成，其链长度为8、9、10。非电化学活性聚合物pNIPAM合成为100mer纯pNIPAM。电化学活性聚合物p（NIPAM-b-FMMA）的链长为100mer，含有4%的甲基丙烯酸酯（FMMA）和96%的NIPAM。
本文介绍了一种研究施加电压对聚合物聚合影响的协议和方法。该方法还可以扩展到DLS的其他应用，例如分析蛋白质折叠/展开、蛋白质-蛋白质相互作用以及静电带电粒子的聚集等。样品从20°C加热至40°C，以在1V应用场不存在的情况下识别LCST。然后，将样品从40°C冷却至20°C，同时不中断应用场以研究任何滞后或平衡效应。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>N-Isopropylacrylamide</td>
			<td>Tokyo Chemical Industry CO., LTD</td>
			<td>I0401-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1,4-Dioxane</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>39118</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2,2&#34;-Azobis(2-methylpropionitrile)</td>
			<td>SIGMA-ALDRICH</td>
			<td>441090-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cuvette</td>
			<td>Malvern</td>
			<td>DTS0012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dynamic Light Scattering</td>
			<td>Malvern</td>
			<td>Zetasizer NanoZS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ferrocenylmethyl methacrylate</td>
			<td>ASTATECH</td>
			<td>FD13136-1G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phthalimidomethyl butyl trithiocarbonate</td>
			<td>SIGMA-ALDRICH</td>
			<td>777072-1G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat</td>
			<td>Gamry</td>
			<td>Reference 600</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

application of voltage in dynamic light scattering particle size analysis

动态光散射 （DLS） 是描述聚合物、蛋白质和其他纳米和微粒大小分布的常见方法。现代仪器允许测量颗粒大小作为时间和/或温度的函数，但目前没有简单的方法在应用电压的情况下执行 DLS 颗粒大小分布测量。执行此类测量的能力将有助于开发用于传感、软机器人和储能等应用的电活性、刺激响应聚合物。这里介绍了一种利用施加电压与DLS和温度斜坡相结合的技术，用于观察带和无电活性单体的热响应聚合物的聚合和颗粒尺寸变化。这些实验中观察到的聚合行为变化只能通过电压和温度控制的组合应用才有可能。为了获得这些结果，将电位器连接到经过修饰的比色皿，以便对溶液施加电压。在恒定电压存在的情况下，使用DLS监测聚合物颗粒尺寸的变化。同时，生成了当前数据，这些数据可与粒子大小数据进行比较，以了解当前行为和粒子行为之间的关系。聚合物聚物（N-丙丙丙烯酰胺）（pNIPAM）作为该技术的测试聚合物，因为pNIPAM对温度的反应得到了很好的研究。观察pNIPAM和聚氨酯（N-同丙烯酰胺）-块-聚物（铁甲基丙烯酸酯）的低临界溶液温度（LCST）聚集行为的变化，这是一种电化学活性块共聚物，存在施加电压。当试图在施加电压的情况下实现可逆聚合物结构时，了解这种变化背后的机制非常重要。

温度斜坡中每次运行的实时文件输出以表的形式显示，如图3所示。每个记录都可以独立选择，以查看卷大小（图4）和相关系数 （图 5）。体积粒径分布 （PSD） 是解释整体分布和 LCST 的最准确数据，但数据的质量应通过相关图（图 5）进行评估，以确定是否应从分析中排除任何点。?...

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Application of Voltage in Dynamic Light Scattering Particle Size Analysis

这里提出了在动态光散射颗粒尺寸测量过程中将电压应用于溶液的协议，旨在探索电压和温度变化对聚合物聚合的影响。

电压在动态光散射粒子尺寸分析中的应用

Dynamic light scattering (DLS) is a common method for characterizing the size distribution of polymers, proteins, and other nano- and microparticles. ...

我们的协议研究在溶液中施加电压下用于电化学传感器的刺激反应聚合物的变化，并允许观察对刺激反应聚合物的影响。该技术的优点是简单易用，可用于观察多尼帕姆与施加电压的动态。在施加电压下对聚合物和颗粒的分析在传感器、软机器人和储能领域都有应用。新学员应小心准备样品，避免出现气泡，以获得最佳数据采集效果。使用简单的分析技术很容易粗心大意，因此请小心，因为协议中的小变化可能导致数据变数。为准备用于DLS分析的样品，将10毫克聚合物粉末溶解在10毫升过滤的去电化水中，并在4摄氏度过夜。要准备 DLS cuvette，请从单面铜胶带中切割两块 6.3 毫米或 7 厘米的铜片，并使用钳子将每根胶带粘在 DLS 样品库的对面，该卷盒垂直于光路，磁带底部靠近 cuvette 的底部。将铜胶带的边缘折叠在铜盒顶部，确保铜带靠近铜盒顶部，以确保良好的电气接触。然后用去维化的水洗三次，最后洗涤后用实验室擦拭擦掉多余的水。为了设置DLS仪器控制，第二天早上，在准备好的库子中加入1.5毫升的去维水，并在库子上加入两滴标准溶液。将 cuvette 插入 cuvette 支架，注意 cuvette 顶部的小箭头与 cuvette 支架对齐并合上盖子。在仪器软件中选择测量值，将温度设置为实验起点。测量后，冲洗蛋黄酱，将准备好的聚合物测试溶液过滤到蛋黄酱中。然后加载和测量刚刚演示的 cuvette。应遵守初始测试解决方案的清晰测量。要设置DLS测量协议，在仪器软件中，选择文件和新的设置新的标准操作程序，然后单击测量类型来选择趋势、温度和尺寸。在材质下，选择适当的材料和折射率。在分散剂下，选择适当的溶剂。在序列下，设置加热和冷却实验的起动温度和结束温度。然后取消选中"返回起始温度"框。为每个温度步长变化选择间隔，尺寸测量下设置平衡时间。在测量持续时间中选择三个自动测量。然后保存协议并关闭该文件。如果要使用施加的电压，请选择两根足够薄的导线，以穿过 DLS cuvette 支架区域右上边缘的小缝隙。从一根导线的一端剥离绝缘层，以便于连接到电位。在同一导线的另一端，将一个短的电汇器夹焊接到导线上，然后将夹子连接到网架上。夹紧白色参考电位电位铅和红色反电位电位引线引线到一个准备好的导线，并夹紧绿色工作电位线和蓝色工作感电位线导致另一个准备的导线。保持橙色计数器感和黑色地面电位线浮动，而不接触任何其他设备或材料。在 Gamry 软件工具栏中，单击实验和 E 物理电化学并选择计时测量。设置预步、步骤一和步骤二电压，而不是在整个 cuvette 的场中施加的电压参考。将电压设置为一伏，而不是所有三个步骤的参考电压。设置步骤一次和步骤二时间，以控制将施加电压的时间，并设置采样周期以选择图形读取和记录电流和电压值的频率。单击"确定"。将显示一个活动符号，指示正在施加电压。在马尔文 DLS 软件中，单击度量并单击"启动 SOP"。当标准操作协议窗口底部的文本读取插入单元格并按"开始"时，单击"开始"按钮以开始实验。可以在温度斜坡中独立选择每个运行的实时文件输出，以查看卷大小和相关系数。具有一般平滑曲线的相关性图被视为质量良好，而非平滑图形或低质量数据应考虑排除在分析之外。如前所述，聚尼帕姆在 30 摄氏度下表现出 LCST，其温度接近文献描述的值。如果没有电压，聚尼帕姆能够在测试温度范围内进行聚合和分解，回到其原始尺寸，并证明预期的可逆性。在电压下，聚尼帕姆从可溶性变化到聚合到2000纳米的大小，然后在冷却过程中减小到约1000纳米的大小，永远不会回到原来的可溶性状态。此处显示了来自聚尼帕姆的当前数据，以及与之前的数据对应的应用电压和加热和冷却实验。对于这个实验，26摄氏度是多尼帕姆的关键过渡点，在该过渡点，用DLS观察到相变。在 40 摄氏度下，测量中的最高温度是在冷却周期之前达到的。如果不仔细监控电流，数据可能会被误解，并可能被误解。例如，在此分析中，电压只是随机和零星地施加，导致趋势与无电压条件更相似。该标准是数据设置和质量的有用指标。干净的标准结果表明，实验可以完成与更高的成功机会。研究人员可以使用此过程测试聚合物或其他具有施加电压的电化学响应聚合物的聚合行为。我们目前正在调查 LCST 转移的原因以及发生不可逆聚合行为的原因。我们期望这个科学问题能更深入地了解LCST行为。

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