Name: application of voltage in dynamic light scattering particle size analysis
Uploaded: 2020-01-24T13:00:00
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Gli autori desiderano riconoscere il sostegno finanziario di NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131) e dell'Hamel Center for Undergraduate Research presso UNH. Inoltre, gli autori desiderano riconoscere l'assistenza di Darcy Fournier per l'assistenza nel cablaggio e Scott Greenwood per l'accesso al DLS.

1. Esempi di preparati polimerici
<ol><li>sintesi polimerica pNIPAM NOTA: Questa preparazione produce 10 mL di soluzione da 1 g/L, che è sufficiente per 3-4 esperimenti.<ol>
<li>Preparare l'apparato della linea Schlenk. Assicurarsi che la fiaschetta Dewar della trappola fredda sia riempita con un liquame di ghiaccio secco e acetone, o se viene utilizzata una trappola di refrigerazione meccanica, assicurarsi che la trappola abbia raggiunto una temperatura appropriata.</li>
		<li>In un flacone rotond...

<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>

L'applicazione della tensione alle soluzioni pNIPAM o p(NIPAM-b-FMMA) ha modificato il comportamento di aggregazione dei polimeri in risposta alla temperatura. Con entrambi i materiali, quando era presente una tensione applicata, la dimensione del volume dei polimeri è rimasta elevata anche quando le soluzioni sono state raffreddate al di sotto del loro LCST. Questo è stato un risultato inaspettato, poiché le prove senza tensione hanno mostrato che i polimeri tornavano alle loro dimensioni originali. Questi e...

La dispersione dinamica della luce (DLS) è una tecnica per determinare le dimensioni delle particelle attraverso l'uso di cambiamenti casuali nell'intensità della luce diffusa attraverso la soluzione1. DLS è in grado di misurare l'aggregazione di polimeri determinando le dimensioni delle particelle. Per questo esperimento, DLS è stata accoppiata con variazioni di temperatura controllate per osservare quando un polimero aggrega, il che è indicativo di aver superato la temperatura della soluzione critica inferiore (LCST)2,3. Al di sotto del LCST, esiste una fase liquida omogenea; sopra il LCST, il polimero diventa meno solubile, aggrega e si condensa fuori soluzione. Una tensione applicata (cioè un campo potenziale applicato o elettrico) è stata introdotta in tutto il campo di dispersione per osservare gli effetti del campo elettrico sul comportamento di aggregazione e sul comportamento di aggregazione e sull'LCST. L'applicazione della tensione nelle misurazioni del dimensionamento delle particelle consente nuove informazioni sul comportamento delle particelle e sulle successive applicazioni nei campi dei sensori, dello stoccaggio dell'energia, dei sistemi di somministrazione di farmaci, della robotica morbida e di altri.
In questo protocollo sono stati utilizzati due polimeri di esempio. Poly(N-isopropylacrylamide), o pNIPAM, è un polimero sensibile termico, che contiene sia un gruppo amide idrofilo che un gruppo isopropile idrofobico sulla catena macromolecolare4,5. I materiali polimerici termoattivi come il pNIPAM sono stati ampiamente utilizzati nel rilascio controllato di farmaci, nella separazione biochimica e nei sensori chimici negli ultimi anni3,4. Il valore della letteratura LCST di pNIPAM è di circa 30-35 c4 . pNIPAM non è in genere elettrochimicamente attivo. Pertanto, come secondo polimero campione è stato aggiunto un blocco elettrochimicamente attivo al polimero. In particolare, il methaclacolo ferrocenylmetilmetilè è stato utilizzato per creare un blocco-copolimero a blocchiN-isopropillicacrine)-polymera blocchi (o p(NIPAM-b-FMMA)6,7. Entrambi i polimeri di esempio sono stati sintetizzati dalla polimerizzazione di trasferimento a catena di frammentazione ad aggiunta reversibile con lunghezza della catena controllata8,9,10. Il polimero non elettrochimicamente attivo, pNIPAM, è stato sintetizzato come 100 mer pNIPAM puro. Il polimero elettrochimicamente attivo, p(NIPAM-b-FMMA), era anche la lunghezza della catena di 100 mer, che contiene il 4% di methacrylato ferrocenylmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmethyl (FMMA) e 96% NIPAM.
In questo articolo, viene dimostrato un protocollo e una metodologia per studiare l'effetto della tensione applicata sull'aggregazione polimerica. Questo metodo potrebbe anche essere esteso ad altre applicazioni di DLS, come l'analisi del ripiegamento/dispiegamento delle proteine, le interazioni proteina-proteina e l'agglomerazione di particelle caricate elettrostaticamente per citarne alcune. Il campione è stato riscaldato da 20 a 40 gradi centigradi per identificare l'LCST in assenza e presenza di un campo applicato a 1 V. Quindi, il campione è stato raffreddato da 40 a 20 gradi senza interrompere il campo applicato per studiare effetti isterici o di equilibrio.

<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

La dispersione dinamica della luce (DLS) è un metodo comune per caratterizzare la distribuzione delle dimensioni di polimeri, proteine e altre nanoparticelle. La strumentazione moderna consente la misurazione delle dimensioni delle particelle in funzione del tempo e/o della temperatura, ma attualmente non esiste un metodo semplice per eseguire misurazioni di distribuzione delle dimensioni delle particelle DLS in presenza di tensione applicata. La capacità di eseguire tali misurazioni sarebbe utile nello sviluppo di polimeri elettroattivi e sensibili agli stimoli per applicazioni quali rilevamento, robotica morbida e stoccaggio dell'energia. Qui, viene presentata una tecnica che utilizza la tensione applicata accoppiata con DLS e una rampa di temperatura per osservare i cambiamenti nell'aggregazione e nelle dimensioni delle particelle nei polimeri termoresistenti con e senza monomeri elettroattivi. I cambiamenti nel comportamento di aggregazione osservati in questi esperimenti sono stati possibili solo attraverso l'applicazione combinata del controllo della tensione e della temperatura. Per ottenere questi risultati, un potentiostat è stato collegato a una cuvette modificata al fine di applicare la tensione a una soluzione. I cambiamenti nelle dimensioni delle particelle polimeriche sono stati monitorati utilizzando DLS in presenza di tensione costante. Allo stesso tempo, sono stati prodotti dati attuali, che potrebbero essere confrontati con i dati sulle dimensioni delle particelle, per comprendere la relazione tra il comportamento attuale e quello delle particelle. Il polimero polimeropolimero N-isopropylacrylamide (pNIPAM) è servito come polimero di prova per questa tecnica, poiché la risposta di pNIPAM alla temperatura è ben studiata. Cambiamenti nel comportamento di aggregazione della temperatura della soluzione meno critica (LCST) di pNIPAM e poly(N-isopropylacrylamide)-block-poly(ferrocenylmetilmethyl methacryla), un blocco-copolimero elettrochimicamente attivo, in presenza di tensione applicata sono osservati. Comprendere i meccanismi alla base di tali cambiamenti sarà importante quando si cerca di ottenere strutture polimeriche reversibili in presenza di tensione applicata.

L'output del file in tempo reale di ogni esecuzione nella rampa di temperatura è presentato come una tabella, come illustrato nella Figura 3. Ogni record può essere scelto in modo indipendente per visualizzare le dimensioni del volume (Figura 4) e il coefficiente di correlazione (Figura 5). La distribuzione delle dimensioni delle particelle di volume (PSD) è il dato più accurato per interpretare ...

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Application of Voltage in Dynamic Light Scattering Particle Size Analysis

Qui, viene presentato un protocollo per applicare la tensione alla soluzione durante le misurazioni dinamiche delle dimensioni delle particelle di dispersione della luce con l'intento di esplorare l'effetto dei cambiamenti di tensione e temperatura sull'aggregazione dei polimeri.

Applicazione di tensione nell'analisi dinamica delle particelle di dispersione della luce

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

Il nostro protocollo studia i cambiamenti nei polimeri reattivi agli stimoli che vengono utilizzati nei sensori elettrochimici sotto una tensione applicata in soluzione e consente di osservare influenze nei polimeri reattivi agli stimoli. I vantaggi di questa tecnologia sono che è semplice e può essere utilizzata per osservare la dinamica del poli-NIPAM con tensione applicata. L'analisi di polimeri e particelle sotto una tensione applicata ha applicazioni in sensori, robotica morbida e accumulo di energia.I nuovi tirocinanti dovrebbero fare attenzione a preparare attentamente il campione ed evitare bolle d'aria con cuvette per un'acquisizione ottimale dei dati. È facile essere disattenti con semplici tecniche analitiche, quindi fai attenzione poiché piccole modifiche nel protocollo potrebbero portare a dati variabili. Per preparare campioni per l'analisi DLS, sciogliere 10 milligrammi di polvere polimerica in 10 millilitri di acqua deionizzata filtrata e conservare la miscela a quattro gradi Celsius durante la notte.Per preparare la cuvetta DLS, tagliare due pezzi da 6,3 millimetri per 7 centimetri da nastro di rame mono lateralmente e utilizzare una pinzetta per attaccare ogni pezzo di nastro ai lati opposti dell'interno di una cuvetta del campione DLS perpendicolare al percorso luminoso con il fondo del nastro vicino alla parte inferiore della cuvetta. Piegare i bordi del nastro di rame sopra la parte superiore della cuvetta assicurandosi che il nastro di rame sia vicino alla parte superiore della cuvetta per garantire un buon contatto elettrico. Quindi lavare la cuvetta tre volte con acqua deionizzata che tampona l'acqua in eccesso con una salvietta da laboratorio dopo l'ultimo lavaggio.Per impostare i comandi dello strumento DLS, la mattina successiva, aggiungere 1,5 millilitri di acqua deionizzata alla cuvetta preparata e aggiungere due gocce di una soluzione standard alla cuvetta. Inserire la cuvetta sul supporto della cuvetta facendo in modo che la piccola freccia sopra la cuvetta sia allineata con il supporto della cuvetta e chiudere il coperchio. Selezionare la misura nel software dello strumento e impostare la temperatura sul punto di partenza sperimentale.Dopo la misurazione, sciacquare la cuvetta e filtrare la soluzione di prova polimerica preparata nella cuvetta. Quindi caricare e misurare la cuvetta come appena dimostrato. Deve essere osservata una chiara misurazione della soluzione di prova iniziale.Per impostare il protocollo di misurazione DLS, nel software dello strumento, selezionare il file e nuovo per impostare una nuova procedura operativa standard e fare clic sul tipo di misurazione per selezionare la tendenza, la temperatura e le dimensioni. In Materiale selezionare il materiale appropriato e l'indice di rifrazione. Sotto dispersante, selezionare il solvente appropriato.In sequenza, impostare la temperatura iniziale e la temperatura finale sia per gli esperimenti di riscaldamento che di raffreddamento. Quindi deselezionare la casella di ritorno alla temperatura iniziale. Selezionare un intervallo per ogni variazione del passaggio di temperatura e sotto la misurazione delle dimensioni impostare il tempo di equilibrio.Selezionare tre misurazioni in automatico per la durata della misurazione. Quindi salvare il protocollo e chiudere il file. Se si deve utilizzare la tensione applicata, selezionare due fili abbastanza sottili da adattarsi attraverso la piccola fessura sul bordo superiore destro dell'area del supporto della cuvetta DLS.Togliere l'isolamento da un'estremità di un filo per facilitare il collegamento al potenziostato. All'estremità opposta dello stesso filo, saldare un morsetto di aligatore corto al filo e fissare il morsetto alla cuvetta. Bloccare il piombo potenziostatico di riferimento bianco e il contro-potentiostato rosso portare a uno dei fili preparati e bloccare il piombo potenziostatico di lavoro verde e il potenziostato di senso di lavoro blu portare all'altro filo preparato.Lasciare galleggiare il controsenso arancione e i cavi potenziostatici a terra nera senza toccare altre attrezzature o materiali. All'interno della barra degli strumenti del software Gamry, fare clic su esperimento ed elettrochimica fisica E e selezionare la cronoamperometria. Impostare il pre-passo, il primo e il passo due di tensione rispetto al riferimento alla tensione applicata su tutto il campo della cuvetta.Impostare la tensione su un volt rispetto al riferimento per tutti e tre i passaggi. Impostare sia il passaggio una volta che il secondo tempo per controllare per quanto tempo verrà applicata la tensione e impostare il periodo di campionamento per selezionare la frequenza con cui il grafico leggerà e registrerà i valori di corrente e tensione. Fare clic su OK. Verrà visualizzato un segno attivo che indica che la tensione viene applicata.Nel software Malvern DLS fare clic su misura e quindi su Avvia SOP. Quando il testo nella parte inferiore della finestra del protocollo operativo standard legge la cella di inserimento e preme avvia quando è pronto, fare clic sul pulsante Start per avviare l'esperimento. Ogni output di file in tempo reale di ogni corsa nella rampa di temperatura può essere selezionato in modo indipendente per visualizzare la dimensione del volume e il coefficiente di correlazione.I grafici di correlazione che hanno una curva generalmente liscia sono considerati di buona qualità, mentre i grafici non lisci o i dati di bassa qualità dovrebbero essere considerati per l'esclusione dall'analisi. Come osservato, il poli-NIPAM mostra un LCST a 30 gradi Celsius, una temperatura vicina ai valori descritti dalla letteratura. Senza tensione, il poli-NIPAM è in grado di aggregare e disaggregare all'interno dell'intervallo di temperatura testato tornando alle sue dimensioni originali e dimostrando la reversibilità prevista.Con la tensione, il poli-NIPAM passa dall'essere solubile all'aggregazione ad una dimensione di 2.000 nanometri, quindi si riduce a una dimensione di circa 1.000 nanometri durante il raffreddamento, senza mai tornare allo stato solubile originale. Qui vengono mostrati i dati di corrente del poli-NIPAM con la tensione applicata e gli esperimenti di riscaldamento e raffreddamento corrispondenti ai dati precedenti. Per questo esperimento, 26 gradi Celsius era un punto chiave di transizione del poli-NIPAM in cui è stato osservato un cambiamento di fase con DLS.A 40 gradi Celsius, la temperatura massima nella misurazione è stata raggiunta prima del ciclo di raffreddamento. Se la corrente non viene attentamente monitorata, i dati possono essere fraintesi e potenzialmente fraintesi. Ad esempio, in questa analisi, la tensione è stata applicata solo casualmente e sporadicamente con conseguente tendenza più simile alla nessuna condizione di tensione.Lo standard è un indicatore utile della configurazione e della qualità dei dati. Risultati standard puliti mostrano che l'esperimento può essere completato con maggiori possibilità di successo. I ricercatori possono utilizzare questa procedura per testare il comportamento di aggregazione di polimeri o altri polimeri elettrochimicamente reattivi con tensione applicata.Attualmente stiamo studiando perché lo spostamento LCST e perché si verifica il comportamento di aggregazione irreversibile. Ci aspettiamo che questa domanda scientifica fornisca una maggiore comprensione del comportamento LCST.

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