共焦点顕微鏡用の調整可能な相互作用を備えた高精度のコロイド

Oct 07, 2023

Scientific Reports volume 5、記事番号: 14635 (2015) この記事を引用

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共焦点顕微鏡で研究されたモデルコロイド系は、凝縮物質の物理学について多くの洞察をもたらしました。 共焦点顕微鏡は非常に強力なツールですが、コロイドの慎重な選択と準備が必要です。 個々の粒子のサイズ、密度、組成、および粒子間の相互作用の制御されていないまたは未知の変動は、粒子を形成するために使用される合成経路の影響を受けることが多く、分散液の挙動を解釈することが困難になります。 ここでは、高誘電率溶媒の非可塑化混合物に対して屈折率と密度を同時に適合させることができるコポリマー粒子の直接的な合成について説明します。 粒子間の相互作用は、原子移動ラジカル重合 (ATRP) を使用したポリマー ブラシの表面グラフト化によって、硬い球状から長距離の静電反発力や混合電荷引力まで、正確に調整されます。 また、粒子の屈折率を懸濁溶液と一致させながら、共重合体の比率を変更することで粒子の浮力密度を変更し、沈降を適切に制御します。 粒子間の相互作用の調整可能性、溶媒の低揮発性、粒子の屈折率と密度の両方を流体に同時に適合させる能力により、コロイド系の物理学を探求する新たな可能性が開かれます。

コロイドシステムは、凝縮物質の物理学をリアルタイムおよび空間で探索するために使用されます。 コロイド粒子の挙動の観察は、結晶核生成 1 と融解 2、欠陥輸送 3、ガラス形成 4,5、濡れ現象と毛細管現象 6、自己組織化と特異的結合 7 など、さまざまな現象に対する前例のない洞察をもたらしました。 対応する原子とは異なり、これらの分散体の構造、力学、機械的特性は、光学顕微鏡や光散乱によって知ることができます。 ただし、これらの各技術の実際的な制限と個々の実験の計画により、構成粒子の物理的特性の制御が不可欠になります。 コロイドの実空間構造を明らかにする光学顕微鏡法と、逆空間における構造とダイナミクスを解明する光散乱は、観察される粒子のサイズと屈折率の正確な制御に依存しています。粒子サイズの選択は粒子サイズに影響を与えるためです。実験に利用できる相対的な時間と長さのスケール、および粒子と懸濁流体の屈折率の慎重な一致により、光学収差と多重散乱の影響が最小限に抑えられます。 長期間にわたるサンプルの変化を研究するには、溶媒の蒸発を最小限に抑えることが重要です。 これは、懸濁液が環境にさらされるレオロジー測定中に特に重要です。 マイクロメートルスケールの粒子では無視できない重力応力により、密度勾配や沈降が生じ、結晶核生成速度などの材料特性に大きな影響を与えます8。 これらの重力の有害な影響は、粒子の密度を懸濁流体の密度に一致させることによって最小限に抑えることができ、これにより平衡状態やバルク挙動の研究が可能になります。 それにもかかわらず、たとえばパターン化された表面上に特定の結晶構造をテンプレート化する場合には、密度の不一致を適切に制御することが望ましい場合があります 6、9、10。

個々の粒子と周囲の流体の物理的特性に加えて、コロイド懸濁液の構造と力学も、粒子が互いに及ぼす力によって決まります14、15、16。 固体粒子間の最も単純な相互作用は体積排除です。 このいわゆる硬球限界では、粒子は透過不可能であると想定され、相の挙動は粒子の体積分率のみによって支配されます。 このような硬球相互作用の可能性を示し、屈折率と密度が一致する可能性がある 2 つの一般的に使用される実験系は、ポリ (ヒドロキシステアリン酸) (PHSA-PMMA) をブラシで分散させて安定化させたポリ (メタクリル酸メチル) (PMMA) ミクロスフェアです。低誘電率有機溶媒 15,16 とハロゲン化流体に分散したステアリル化シリカの混合物 17。 しかし、これらの溶媒の極性は低いにもかかわらず、これらの油に溶解した微量のイオン性不純物は、予測と制御が難しい方法で粒子表面を帯電させる可能性があり、純粋に硬い球の相互作用を混乱させます。 さらに、最も一般的に使用される硬球システムである PHSA-PMMA は、流体混合物中に分散することが多く、その成分の 1 つ以上が粒子を構成するポリマーを膨潤させ、場合によっては数十パーセントも膨張します。 これにより、ガラス転移温度が大幅に低下し、粒子が軟化し、時間の経過とともにその特性が変化すると予想されます16。 最後に、この特定のシステムはコロイドモデルシステムとして非常に貴重であることが証明されていますが、その合成は再現が難しいことで知られています。 ポリマーまたは界面活性剤を流体に添加し、粒子自体の表面を修飾することにより、より複雑な粒子間相互作用を操作できます。 コロイド粒子の表面にグラフトされたイオン化部分またはポリマーブラシは、懸濁液の相挙動を制御するための追加パラメータを生じさせます19、20、21、22。 たとえば、同様に帯電したコロイドの懸濁液は、硬い球体ではアクセスできない対称性を備えた低密度の結晶相に組織化される可能性があります19。 対照的に、反対の電荷を持つコロイド粒子の混合物は、構造化されたコロイドゲル 21,23 や二元結晶超格子 24,25 を形成することができます。 制御可能な相互作用ポテンシャルと、表面電荷、屈折率、密度などの予測可能でありながら柔軟な物理的特性を備えたコロイド粒子を合成することは依然として課題です。

この論文では、表面がポリマーで修飾される可能性のある粒子を可塑化しない無害な極性溶媒の混合物に屈折率と密度を同時に適合させることができる単分散粒子で構成されるコロイドモデルシステムの合成について説明します。原子転移ラジカル重合 (ATRP) を使用してグラフトされたブラシ。 市販の原料を用いて分散重合によりポリ(メタクリル酸トリフルオロエチル-co-t-ブチルメタクリレート)の単分散粒子を製造します。 表面開始型 ATRP26 を使用して粒子表面からグラフト化されたポリマー ブラシは、粒子間の力を仲介し、硬い球のようなものから柔らかく長距離の反発力まで敏感に調整できます。 逆に帯電したブラシで機能化されたこれらの粒子の混合物は、可逆的な電荷駆動の凝集を示します 21,22。 これらの粒子の屈折率と密度は、コポリマー比を変更することで調整できます。 最後に、蛍光コアと非蛍光シェルを含むこれらのコポリマー粒子を準備します。これにより、高密度の 3D 共焦点実験における粒子位置の精度が向上します 27,28。

多くのコロイド系の実験上の限界は、分散粒子を構成する材料の直接的な結果であることがよくあります。 シリカ粒子の比較的低い屈折率 n は、さまざまな溶媒混合物に適合させることができますが、比較的高い密度 ρ に適合させることは困難です。 逆に、低密度のポリスチレン粒子は、たとえば H2O/D2O 混合物によって適合させることができますが、n が高すぎて適合できないため、光学的方法による濃縮システムの研究が妨げられます。 対照的に、メタクリレートポリマーは、同時に適合させることができる屈折率と密度を示します。 これは伝統的に、粒子を膨潤させて可塑化し、電荷相互作用を制御することが難しい非極性のハロゲン化溶媒中で行われます16。

今回我々は、極性溶媒に懸濁できるコロイド系を開発します。コロイド系では、屈折率と密度を正確に制御でき、制御されたリビングラジカル重合法を使用して相互作用を調整できます（図1に示す）。 (トリフルオロエチルメタクリレート) は比較的低い屈折率 (n ≤ 1.415) を持ちますが、密度は非常に大きい (ρ 〜 1.538 g/ml)。 逆に、脂肪族メタクリレートポリマーは、アルキル基の長さに応じて密度が減少します:ρ~ メタクリル酸メチル > メタクリル酸エチル > メタクリル酸 t-ブチルですが、比較的高い屈折率 (nPMMA ≈ 1.495) を示します。 これら 2 種類のモノマーを異なるモル比で組み合わせると、密度と屈折率を調整できるコポリマーが得られます。 PMMA システムの屈折率を調整する同様の戦略が以前に報告されました 29。 ここでは、トリフルオロエチルメタクリレート (TFEMA) と tert-ブチルメタクリレート (tBMA) の組み合わせを選択します。 それぞれのホモポリマーは次の特性を示します: PTFEMA [ρ = 1.53 g/ml、n = 1.4185] および PtBMA [ρ = 1.022 g/ml、n = 1.4630]。 TFEMA と tBMA の分散共重合により、非常に低いサイズの多分散性、通常 CV ≤ 5% の粒子が得られます (図 2、SI を参照)。 粒子サイズは、共溶媒の種類と量を変更することと、分散重合中に投入されるモノマー体積分率によって、約 0.55 μm ～ 8 μm の範囲で正確に調整できます。図 3 を参照してください。TFEMA:tBMA の比率は 28:72 です。体積比で、粒子は比較的低い密度（ρ = 1.16 g/ml）、屈折率（n = 1.452）、および懸濁溶液中での示差走査熱量計で測定した高いガラス転移温度（Tg 〜 86 °C）を持ちます。 このコモノマー比は、極性溶媒、ホルムアミド、スルホランの混合物にコロイドの屈折率と密度が一致するように特に選択されます。

分散重合とATRPによるコポリマーコロイドの合成と表面修飾の概略図。

(A) 平均直径 1.4 μm (B) および平均直径 1.8 μm の粒子の走査型電子顕微鏡 (SEM) 画像。 両方の画像のスケール バーは 20 μm です。

(A) 共溶媒およびイニマーの種類を変化させた場合の PVP 安定化粒径。SI の表を参照。 H2O、イニマーなし。 H2O、アクリル酸イニマー。 H2O、メタクリレートイニマー。 ホルムアミド、アクリル酸イニマー; ホルムアミド、メタクリル酸イニマー。 (B) 共溶媒、H 2 O、総モノマー体積分率に応じて体積を変化させた場合の SPMA 安定化粒子直径。SI の表を参照。 15vol% モノマー; 12.5vol% モノマー; 10vol% モノマー; モノマー5vol%。 影付きの領域内の反応組成物は、重合した凝固物のみを生成します。

コロイド系の相挙動とダイナミクスは、粒子間のペ​​ア相互作用に敏感に依存します。 したがって、これらの相互作用を調整することで、さまざまな液体および固体状態を作成できるようになります。 通常、粒子間の相互作用は、開始剤や安定剤からの残留電荷など、合成に起因する粒子表面の部分から生じます。 ここでは、表面開始原子移動ラジカル重合 26 を使用して、合成後の別の修飾ステップで表面機能を正確に制御する方法を紹介します。 粒子の分散重合中に、ATRP 開始剤を共有結合的に組み込みます 30。 開始剤と粒子ポリマーの大部分との共重合はランダムですが、イニマー自体は可溶性を維持するため、粒子表面で濃縮され、その後の修飾ステップにアクセスできる状態になります。 図 3 に示すように、この機能性モノマーを含めても粒子サイズや多分散性に影響はありません。ATRP 開始剤が分散重合後も活性を維持していることを確認するために、粒子の表面から蛍光モノマーのブラシを成長させます。 このブラシの厚さは回折限界をはるかに下回っていますが、共焦点顕微鏡を使用して画像化すると各粒子の周囲に蛍光ハローがはっきりと区別でき、図4Aに示すように、立体ポリマー層の存在にもかかわらず均一な表面修飾が示されています。

(A) ATRP によってコロイド表面から成長したブラシを示す蛍光「ハロー」を持つ非蛍光標識粒子の 2D 共焦点顕微鏡画像。 スケールバーは10μmです。 (B) 式 (1) を使用して計算された表面電荷密度。 (1)、アニオン性モノマーと中性モノマーの異なるモル比を使用した ATRP 後。 挿入図: 10 mM TRIS、pH 7.5 で測定された ζ 電位値。

通常、これらのブラシの重合度はモノマーと表面開始剤分子のモル比によって決まりますが、粒子表面の ATRP 開始剤の正確な数、つまり成長するポリマー鎖の数は不明です。 代わりに、粒子表面に存在する可能性のある反応性基の最大数よりも大幅に高い濃度でバルク反応に犠牲開始剤を追加することで、成長する鎖の分子量を制御します。 私たちのアプローチには、大過剰の犠牲開始剤を使用して操作される重合が、阻害剤、不純物、および小さな手順の変動の影響を受けにくいという追加の利点があります。 このアプローチを使用して、中性のジメチル アクリルアミド (DMA) とアニオン性のスルホプロピル アクリルアミド (SPAm) のコポリマー ブラシを、2 つのモノマーの異なるモル比で調製します。 このようにして、表面電荷密度とそれによるコロイド相互作用を注意深く再現性よく調整することができます。 これらの粒子の表面電荷密度は、測定された ζ ポテンシャルと次の経験的関係を使用して計算されます 31:

ここで、 は表面電荷密度、ε は懸濁流体の誘電率 (〜82)、ε0 は真空誘電率、k はボルツマン定数、T は絶対温度、e は素電荷、κ は逆デバイ スクリーニングです。長さと。 中性モノマーと帯電モノマーの比率を調整することで、粒子の最終電荷密度を中性から高度に帯電まで制御します。これは、屈折率と密度のマッチングを可能にしながら、他のコロイド系では不可能です（図 4B）。

粒子が形成され、その表面が修飾され、蛍光標識が組み込まれると、これらのコロイドは、懸濁液が特定の実験基準（不揮発性、高誘電率、および粒子の屈折率と密度の両方に一致する）を満たしている場合にのみ、共焦点顕微鏡実験に使用できます。コロイド。 さらに、流体は粒子を膨潤させたり軟化させたりしてはなりません。これにより、粒子が徐々に分解され、体積分率が変化し、粒子から非共有結合した蛍光色素が漏出します。 これらの要件はすべて、ホルムアミドとスルホラン溶液の体積比 72:28 混合物が粒子の屈折率と密度の両方に適合するように、粒子を構成するポリマーの特定のコモノマー比を選択することによって満たされます。 流体とコポリマー粒子の密度差はわずかであり、20,000 g で 48 時間遠心分離した後でも、沈降やクリーミングの視覚的兆候がないことが確認されます。 さらに、この混合物は、2 年以上保管した後でも、懸濁液への発蛍光団の漏れが観察されないことから推測されるように、粒子を可塑化させません。 興味深いことに、この溶媒混合物の誘電率は ε 〜 82 で、水の誘電率とほぼ同じです 32。

この極性の高い溶媒混合物により、高濃度の電解質が溶解して電荷の反発が遮断され、コロイド間の相互作用が硬球状になります。 DMA と SPAm のコポリマー ブラシで修飾した蛍光標識コロイドの懸濁液を体積分率 ϕ = 0.42 ± 2 で採取し、50 mM の塩化ナトリウムを加えて表面電荷をスクリーニングします。 共焦点蛍光顕微鏡画像から、三次元の粒子位置を抽出し、そこから動径分布関数 g(r) を計算します。 この流体領域におけるこのペア相関関数は、純粋な硬球の Perkus-Yevick 閉包近似によって正確に記述することができます (図 5 を参照)。これにより、相互作用が体積排除のみによって発生することが確認されます。 ここで使用した 2 つの溶媒のどちらによっても粒子は膨潤しないため、三次元共焦点顕微鏡での粒子計数から決定された体積分率と、熱重量分析による溶媒蒸発または沈降から決定された体積分率は、記載の範囲内と同一であることに注意してください。実験ミス16．

3D 動径分布関数 g(r)、粒子半径で正規化、SEM から取得。

(o) ほぼ硬球状の相互作用ポテンシャル (ϕ 〜 0.40、50 mM NaCl)。 (実線) Percus-Yevick 近似を使用して計算された硬球の挙動。 挿入図: () ウィグナー結晶のペア相関関数 (ϕ 〜 0.40、〜0 mM NaCl)。 破線は六角形の最密位置です。 最近隣のピークは r/a 〜 1.24 にシフトしており、長距離の反発相互作用の可能性を示しています。

興味深いことに、同じコロイド粒子を同じ体積分率で取り出し、流体混合物を脱イオンしてイオン種や不純物を除去すると、粒子は長距離の静電反発によって相互作用し始めます。 入手したままのホルムアミドの導電率は 68 μS/cm、スルホランの導電率は 6.6 μS/cm です。 混合床イオン交換樹脂による脱イオン後、導電率はそれぞれ 1.0 μS/cm と 0.23 μS/cm に減少します。 硬球の凝固限界未満の体積分率で選別されたサンプルは流体構造を示しましたが、この脱イオン化された屈折率と密度が一致した混合物中の粒子は静電反発によって結晶化し、いわゆるコロイド状ウィグナー結晶を形成しました（図） .6A、B）、動径分布関数の明確で鋭いピークが観察されます（挿入図5）。

(A) ウィグナー結晶の 2D x–y 共焦点顕微鏡スライス。 屈折率と密度が一致した脱イオン溶液中の ϕ 〜 0.40 の粒子。 スケールバーは20μmです。 挿入図: 2 μm のスケールバーを使用した高倍率。 (B) 粒子の位置からの 3D 粒子の再構成。 カバースリップから 15 μm から始まるミクロン単位の距離。 (C) 〜 0 mM NaCl 中でアニオン (緑) およびカチオン (赤) 表面電荷を持つ直径 1.85 μm の粒子で構成されるコロイドゲルの屈折率と密度が一致した 2D 共焦点顕微鏡画像。

黄色の蛍光色素で標識された同じ粒子が、代わりにカチオン性ポリマーブラシで表面が官能化され、赤色の蛍光色素を含む同じバッチの粒子と混合されると、逆に帯電した種間の電荷引力により形成が引き起こされます。静電的に集合したゲルの様子（図６Ｃ）。 このようなゲルは、単一成分分散系での非特異的凝集によって形成されるコロイドネットワークとは明らかに異なる挙動を示します 21,22。

2 つのモノマーと 2 つの成分のみの流体混合物で構成されるこの粒子システムでは、密度をほぼ完全に一致させることができますが、パターン化された基板上の結晶のテンプレートなど、特定の実験では密度の不一致を制御する必要がある場合があります 11、12、13。 33 ここで紹介するシステムでは、コポリマー比をわずかに変更することで、まさにこれを行うことができます。 これらの変化は、図 3 に示す粒子サイズや多分散性に影響しません。これを示すために、純粋なホルムアミド中で屈折率が完全に一致するが、0.077 g/cm3 の軽度の密度不一致を示す粒子を準備しました。 ϕ ≈ 0.02 のサンプルを 2 日間平衡化すると、その間に結晶性の沈殿物が形成され、鮮明で明確な結晶-流体界面が明らかになります。 屈折率の一致により、図 7 の共焦点顕微鏡画像に見られるように、サンプル内への励起レーザーの侵入深さが 220 μm をはるかに超えており、その方向であっても重大な光学収差が発生することなく、サンプルの非常に深くまで画像化することができます。共焦点走査面に対して垂直です。

屈折率は一致するが密度は一致しない、直径 1.65 μm の粒子を 30 mM NaCl を含むホルムアミドに分散させたディープ XZ 共焦点スライス。

最後に、蛍光コアが非蛍光シェルに埋め込まれたコアシェル バリアントでも同じ粒子を作成できることを示します。 このようなコアシェル構造は、高精度で粒子重心を特定することが難しい高密度懸濁液の研究に特に役立ちます。 粒子の蛍光中心を同じ材料の非蛍光シェルで分離すると、粒子位置特定アルゴリズムの分解能と精度が大幅に向上することが知られています27。

蛍光色素がポリマー鎖に共有結合している架橋コア粒子の存在下でシード分散重合によりコアシェル粒子を調製します。 これらの架橋コアは沈殿重合を使用して調製され、分散剤や界面活性剤のないきれいな表面を持つ単分散粒子が得られます 34 (図 8A)。 これらの重合は、モノマーの低体積分率で行われます。 モノマー濃度が 5 vol% 以上に増加し、架橋剤濃度が 2 vol% を超える反応では、望ましくない多数のダイマーおよびトリマーが生成されました。 続いて、シード分散重合によって架橋コア粒子の周囲に非蛍光シェルが形成されます。 重合中、共溶媒の比率によって可能な最大粒子サイズが決まります。 二次核生成は、少量の共溶媒を使用することで回避できます。 これにより、高収率の単分散コアシェル粒子が得られ（図８Ｂ）、その表面は、上で論じたのと同じ表面開始ＡＴＲＰ手順を使用して官能化することができる。 これらの粒子の共焦点イメージングにより、粒子が直接接触している場合でも、明確に分離された蛍光中心が得られます（図8c）。

(A) コア粒子の SEM 画像、〜 710 nm (B) 最終粒子の SEM 画像、〜 1.8 μm (C) 同時明視野によって決定されたシェルの輪郭 (点線) を持つ蛍光コアの 2D 共焦点顕微鏡画像顕微鏡検査、示されていません。 (B) に見られる単一の小さな粒子は、シェル重合中にカプセル化されなかった (A) のコアです。 すべての画像のスケール バーは 2 μm です。

この論文では、ポリマーブラシの表面開始成長を使用して屈折率と密度を調整でき、相互作用を正確に調整できる単分散コロイド粒子を生成する完全な方法を紹介します。 不揮発性、非危険性、極性溶媒中での屈折率と密度の同時一致により、三次元共焦点顕微鏡によるこれらのシステムの高解像度定量イメージングが可能になります。 さらに、表面のポリマーブラシの組成を調整し、懸濁媒体のイオン強度を制御することにより、体積排除のみが相挙動を制御する硬い球のような相互作用から、長距離の反発性または引力までの相互作用を調整します。 ここで説明する合成では、容易に入手でき、その手順の再現性が高い成分を使用します。 これにより、コロイド分散液の物理学および物理化学を調査するために一般的に使用される実験システムによって課せられる制約の多くが解決されます。 さらに、懸濁媒体の極性により、我々のシステムは、例えば超分子モチーフを使用した特定の相互作用を示す粒子の調製への道を開き、重力の不在下での三次元での指向性コロイド自己集合の研究を可能にします。ストレスを感じます。

特に明記されていない限り、すべての材料は Sigma-Aldrich から購入され、受け取ったまま使用されます。

ポリビニルピロリドン (PVP) を立体安定剤として使用するほとんどの粒子重合は、200 ml 丸底フラスコを加熱したグリセロール浴中でオーバーヘッドスターラーによって回転させて行われます。 典型的な重合混合物は SI に記載されています。 分散反応は次のように進行します: メタノール (90.0 ml)、脱イオン水 (10.0 ml)、2,2,2-トリフルオロエチルメタクリレート (2.8 ml、FEMA、SynQuest Laboratories)、t-ブチルメタクリレート (7.2 ml、tBMA、TCI America) ) 28:72 の体積比、ポリビニルピロリドン (4.0 g、PVP K30)、イニマー (2-(2-ブロモイソブチリルオキシ) エチルアクリレートまたは 2-(2-ブロモイソブチリルオキシ) エチルメタクリレート、0.5 ml、合成については SI を参照プロトコル）および０．１ｇの２，２'，－アゾビス（２－メチルプロピオニトリル）（ＡＩＢＮ）を反応フラスコに添加する。 フラスコを真空下に置き、続いて窒素でパージすることを数回繰り返して、酸素のない状態を得る。 次いで、反応混合物を、５５℃のグリセロール浴中で約７５ｒｐｍで１６時間ゆっくりと回転させる。 得られた粒子を、遠心分離を繰り返して洗浄し、１：１の水－メタノール混合物に再分散させる。 重合は総反応量に対して不変です。 最大 1000 ml の反応量でも、最終粒子サイズと多分散性は変更されませんでした。

架橋コア粒子は、還流冷却器を備えた２００ｍｌ丸底フラスコ内で行われる荷電コモノマー３－スルホプロピルメタクリレート（ＳＰＭＡ）を用いた沈殿重合を用いて調製される。 反応混合物の詳細な説明は SI に記載されています。 典型的な重合反応は次のように進行します: メタノール (80.0 ml)、脱イオン水 (22.0 ml)、2,2,2-トリフルオロエチル メタクリレート (1.45 ml)、t-ブチル メタクリレート (3.9 ml)、SPMA カリウム塩 (0.055 g) 、アクリレートイニマー（0.100 ml、モノマーに対して2vol%）、エチレングリコールジメタクリレート（0.107 g、モノマーに対して2vol%）、蛍光モノマーの溶液、ローダミンBメタクリレートまたはクマリンメタクリレート（合成手順についてはSIを参照、1.0 ml、2wt%）メタノール中）およびＡＩＢＮ（０．０５５ｇ）を反応フラスコに添加する。 次いで、反応フラスコを、脱気せずに約８０℃で５時間加熱還流する。 完了後、遠心分離と 1:1 水-メタノール混合物への再分散 (5 回) を繰り返して粒子を洗浄します。 蛍光色素分子の共有結合の成功は、架橋粒子をテトラヒドロフラン (THF) に懸濁することによって検証されます。この場合、粒子は球形と強い蛍光を維持し、懸濁溶媒中では蛍光は見えません。 非蛍光シェルは、上記の手順に従ってシード分散重合を使用してコロイドの周囲に成長します。 シェルの厚さは、総モノマーに対する蛍光シード粒子の比率によって調整できます。

分散重合中に共重合されるイニマーにより、ATRP を使用してコロイドの表面からポリマーを直接成長させることができます 26。 成長するポリマーの重合度を制御するために、利用可能な表面イニマー分子よりも大幅に過剰であると考えられる犠牲 ATRP 開始剤が溶液に添加されます 35。 この犠牲開始剤 (PEGini) は、アクリル酸 2-ヒドロキシエチルをポリ(エチレングリコール) メチル エーテルに交換するアクリル酸イニマーと同様に合成されます (Mn = 550)。典型的な表面修飾は次のように進行します: ホルムアミド (FM、32 ml)、水 ( 26 ml)、PEGini (1.25 ml、2.26 ミリモル)、2-アクリルアミド-2-メチル-1-プロパンスルホン酸ナトリウム塩 (SPAm、10.1 ミリモル、H2O 中 50wt%)、ジメチルアクリルアミド (DMA、47.1 ミリモル)、1,1 、４，７，１０，１０−ヘキサメチルトリエチレンテトラミン（ＨＭＴＥＴＡ、２．３８ミリモル）、Ｃｕ（ＩＩ）Ｃｌ２（１．１３ミリモル）を、粒子懸濁液（６５ｍｌ、固形分２５％、２：１ Ｈ２Ｏ中）を含む２００ｍｌフラスコに添加する。 :FM)。 モノマー:PEGini:銅:リガンド間のモル比は[25:1:1:1.05]です。 懸濁液を窒素またはアルゴンで少なくとも 20 分間バブリングして溶存酸素を除去し、その後 1.13 ミリモルの Cu(I)Cl をフラスコに加えて重合を開始し、数時間 (6 時間以上) タンブルします。 蛍光標識ポリマーブラシは、質量比 3:1 のメタクリル酸フルオレセインと、体積比 2:1 の 2,2-ビピリジル:Cu(II)Br の混合物から調製されます。 反応はアスコルビン酸 5 mg で開始し、1 時間進行させます。

粒子は、導電率 σ = 1.00 μS の脱イオンホルムアミド (FM) で洗浄されます。 脱イオンテトラメチルスルホノン (SF、σ = 0.23 μS) を、サンプルが視覚的に判断して透明になるまで、体積分率 ϕ 〜 0.40 で粒子懸濁液に滴下します。 密度の一致は、分散液を 3000 g で 6 時間遠心分離することによって確認されます。 懸濁流体混合物は、沈降またはクリーミングが観察されなくなるまで調整される。 モノマーの特定の体積比 (FEMA:tBMA、28:72) からコロイドを合成することにより、屈折率と密度の両方が体積比 72:28 の FM と SF の混合物と同時に一致します。 最終的な懸濁流体混合物の推定誘電率は ε 〜 8232 です。混合床イオン交換樹脂 (Dowexマラソン MR-3) を添加して懸濁流体混合物をさらに脱イオン化し、電荷相互作用を制御します。

粒子サイズと多分散性は、明視野顕微鏡と走査電子顕微鏡 (SEM、Zeiss Supra 55) の両方から測定されます。 変動係数 CV を、平均粒子半径 に対する標準偏差として定義します。 屈折率と密度が一致したサンプルは、密閉されたサンプルチャンバー内で数時間平衡状態になり、その後、共焦点蛍光顕微鏡 (Leica SP5) を使用して 3D 画像スタックが記録されます。 動径分布関数は、標準的な粒子位置特定アルゴリズムを使用して計算されます36。 ゼータ電位は、Malvern Zetasizer Nano ZS を使用して、pH 7.0 の 10 mM PIPES 緩衝液中の希釈粒子懸濁液で測定されます。 屈折率および密度が一致する混合物中のコポリマー粒子のガラス転移温度は、示差走査熱量計（TA Instruments、Q200）で測定されます。

この記事を引用する方法: Kodger、TE et al. 共焦点顕微鏡用の調整可能な相互作用を備えた高精度のコロイド。 科学。 議員 5、14635; 土井: 10.1038/srep14635 (2015)。

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この研究はハーバード大学 MRSEC (DMR-1420570) によって支援されました。

ハーバード大学工学応用科学部、ケンブリッジ、02138、米国

トーマス・E・コジャー

ハーバード大学物理学科、ケンブリッジ、02138、MA、米国

ロドリゴ・E・ゲッラ

物理化学とソフトマター、ワーヘニンゲン大学、Dreijenplein 6、ヴァーヘニンゲン、6703、HB、オランダ

ジョージ・スプラケル

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TEK、RG、JS は共同で実験を考案し、合成と特性評価を実行し、原稿の共同執筆とレビューを行いました。

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転載と許可

Kodger, T.、Guerra, R. & Sprakel, J. 共焦点顕微鏡用の調整可能な相互作用を持つ精密コロイド。 Sci Rep 5、14635 (2015)。 https://doi.org/10.1038/srep14635

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受信日: 2015 年 6 月 15 日

受理日: 2015 年 9 月 2 日

発行日: 2015 年 9 月 30 日

DOI: https://doi.org/10.1038/srep14635

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