التحكم في الحجم والشكل والاستقرار من البوليمرات Supramolecular في الماء

يتمثل الهدف العام للتجربة التالية في التحكم في حجم وشكل واستقرار الجسيمات النانوية الديناميكية فائقة الجزيئية في الماء. ويتحقق ذلك من خلال تصميم مضخمات ثنائية اللون ذاتية التجميع أو التبلمر، حيث يتم طلاء بنيتها الجزيئية لتشمل تفاعلات تجاذبية وتنافرية على حد سواء. وينتج عن ذلك آلية نمو مقيدة تؤدي إلى تكوين جسيمات نانوية ذاتية التجميع في الماء ذات شكل كروي محكوم.

كخطوة ثانية، يتم زيادة تركيز الملح في المحلول المائي، مما يؤدي إلى إضعاف التفاعلات التنافرية المشفّرة في البنية الجزيئية للـ disco amphi. ويحفز ذلك انتقالاً من الشكل الكروي إلى الشكل العصوي، حيث يتم إجراء استقصاءات مطيافية ثنائية اللون الدائرية (CD) المعتمدة على درجة الحرارة للكشف عن الآليات الكامنة وراء هذا الانتقال من الشكل الكروي إلى العصوي. بالإضافة إلى ذلك، يتم استخدام مجموعة من التقنيات التحليلية مثل المجهر الإلكتروني النافذ المبرد (cryogenic transmission electron microscopy) والرنين المغناطيسي النووي لقياس وتصور الانتقال من نوع واحد من التجمعات إلى نوع آخر، وقد تم الحصول على نتائج تظهر أن الانتقال من الشكل الكروي إلى العصوي يتم التعبير عنه بتعاونية معززة في البلمرة فوق الجزيئية.

ينشأ هذا من مرحلة انتقالية من عملية غير تعاونية في الجسيمات النانوية ذات الحجم المحدود إلى آلية استطالة نووية تعاونية بالكامل تؤدي في هذه الحالة إلى تكوين بوليمرات فوق جزيئية كبيرة جداً، وهي عبارة عن قضبان نانوية ديناميكية. وتكمن الميزة الرئيسية للجمع بين التقنيات الطيفية مثل مطيافية CD، وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة، والرنين المغناطيسي النووي (NMR) مع تقنية مجهرية مثل cryo في أنها تسمح بقياس وتصوير تحولات البوليمرات فوق الجزيئية في الماء. ويمكن لهذه البوليمرات الديناميكية أن تستجيب للمحفزات الخارجية مثل التغيرات في درجة الحرارة، أو التغيرات في قوة OnX، أو التغيرات في pH.

إن الجمع بين هذه الطرق قابل للتطبيق على نطاق واسع ويمكن أن يساعد في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجالات الكيمياء الجزيئية والمواد النانوية ذاتية التجميع. فعلى سبيل المثال، يمكن استقصاء الارتباط بين أبعاد التجمعات المتكونة عن طريق التجميع الذاتي لوحدات بناء جزيئية صغيرة وآليات التكوين الكامنة وراءها. وتمتد آثار هذه المنهجية لتشمل مجموعة واسعة من تطبيقات التكنولوجيا النانوية الحيوية.

لقد كان اهتمامنا منصباً بشكل خاص على مجال التصوير الطبي الحيوي وتطوير عوامل التباين الجسيمية النانوية ذاتية التجميع، حيث يمثل التوازن الدقيق بين استقرار التجمعات، والتباين العالي، والقدرة على إفراز عوامل التباين ذاتية التجميع أهمية قصوى لنجاح استخدامها سريرياً. وقد خطرت لنا فكرة الجمع بين تقنيات التوصيف عندما أدركنا أن التغيرات الطفيفة في البنية الجزيئية لوحدات البناء ذاتية التجميع يمكن أن تؤدي إلى اختلافات جوهرية في آلية البلمرة فوق الجزيئية. وسيقوم بشرح هذا الإجراء بول بومونت، وهو الخبير والمسؤول عن مرافق cryo 10 في الجامعة التقنية في تروفان.

ابدأ هذا البروتوكول بتحضير محلول BTA gadolinium DTPA في محلول منظم من السترات بتركيز 100 millimolar كما هو موضح في البروتوكول المكتوب. وبالتزامن مع هذا الفيديو، املأ خلية UV Q بسعة واحد centimeter بالمحلول. أدخل الخلية في حامل qve الموجود في مقياس طيف D crowism الدائري.

قم بقياس طيف التدوير الضوئي الدائري (CD) من 230 إلى 350 نانومتر. بعد ذلك، قم بقياس منحنى تبريد CD عند حزمة CD ذات الكثافة الأعلى من 363 إلى 283 كلفن بمعدل كلفن واحد في الدقيقة. بعد ذلك، أضف نفس الحجم من محلول كلوريد الصوديوم المنظم بتركيز 2 مولار إلى محلول BTA gadolinium DTPA المنظم بالسترات.

سيؤدي ذلك إلى زيادة القوة الأيونية لتصبح 1 molar من كلوريد الصوديوم وتخفيف الـ discos إلى نصف التركيز. قم برج المحلول ذي القوة الأيونية المرتفعة باستخدام جهاز الـ Vortex لمدة 40 ثانية بعد زيادة القوة الأيونية، ثم أعد قياس طيف الـ CD من 230 إلى 350 نانومتر. بعد ذلك، قم بقياس منحنى تبريد الـ CD عند حزمة الـ CD ذات الكثافة الأعلى من 363 إلى 283 كلفن بمعدل 1 كلفن في الدقيقة.

قم بتصدير بيانات الـ CD الخام إلى برنامج origin 8.5. قم بتطبيع الأطياف عن طريق تعريف تأثير الـ CD عند أعلى درجة حرارة مقاسة على أنه يساوي صفرًا، وتأثير الـ CD عند أدنى درجة حرارة مقاسة على أنه يساوي واحدًا؛ وبما أن مقدار تأثير الـ CD يتناسب طرديًا مع درجة التجمع، فإن منحنيات الـ CD المطبعة تتناسب طرديًا مع درجة التجمع. يتم ملاءمة البيانات المطبعة باستخدام خيار ملاءمة المنحنى غير الخطي في برنامج origin Pro 8.5 وفقًا لنموذج التجميع الذاتي المعتمد على درجة الحرارة.

في هذا النموذج، يتم التمييز بين نظام النواة ونظام الاستطالة. أولاً، قم بمطابقة درجة التجميع في نظام الاستطالة. في هذه المعادلة، يمثل T درجة الحرارة المتغيرة.

تمثل PHI N الحلزونية الصافية، والتي تتناسب طردياً مع درجة التجمع، بينما تمثل HE المحتوى الحراري الجزيئي للاستطالة. أما T TE فتمثل درجة حرارة الاستطالة، وهي درجة الحرارة التي يبدأ عندها التجميع الذاتي في أن يصبح مفضلاً من الناحية الديناميكية الحرارية. وقد تم إدراج عامل التسوية fiat لضمان ألا تتجاوز قيمة Phi N مقسومة على fiat الواحد الصحيح، وذلك بناءً على القيد الذي ينص على أن درجة التجمع لا يمكن أن تتجاوز ذلك الحد.

يتيح الملاءمة الموحدة (Unity fitting) استخلاص محتوى الإنثالبي للاستطالة بالجول لكل مول ودرجة حرارة الاستطالة بالكلفن التي تميز التجميع الذاتي للجزيئات لتركيز معين. عند إجراء الملاءمة، يجب الالتزام بالقيد القائل بأنه يتم ملاءمة درجة التجميع في درجات الحرارة التي تقل عن TE فقط، حيث إن المعادلة تكون صالحة فقط في نظام الاستطالة؛ وبعد ملاءمة المعادلة الأولى، يصبح البارامتر المجهول الوحيد في معادلة نظام النواة هو ثابت التنشيط ka، والذي يصف التعاونية في البلمرة فوق الجزيئية. ولإيجاد ملاءمة ثابت التنشيط، يتم استخدام درجة التجميع التي تم إيجادها تجريبياً لدرجات الحرارة التي تزيد عن TE في نظام النواة.

ابدأ بتحضير المحاليل الخاصة بالمجهر الإلكتروني كما هو موضح في النص. قم بتحضير محلولي منظم بشكل موجز: محلول منظم سترات بتركيز 100 millimolar، ومحلول منظم سترات بتركيز 100 millimolar مذاب فيه كلوريد الصوديوم بتركيز خمس molar. قم بإذابة BTA gadolinium DTPA في 0.1 milliliters من كل من المحاليل المنظمة المحضرة للوصول إلى تركيز نهائي قدره one millimolar. بعد ذلك، قم بمعالجة شبكة quanti foil مطلية بالكربون بالبلازما باستخدام C Resington 2 0 8 carbon coer يعمل بتيار قدره five milliamps لمدة 40 seconds.

تعد عملية التزجيج خطوة حاسمة في التجميد العميق لأنها تضمن أن طبقة رقيقة من ISIS اللامعة الناتجة تكون مناسبة لتحليل TAM. يتم تطبيق المحلول المائي على الشبكة أثناء التزجيج باستخدام جهاز FEI vitro bot الآلي. يتضمن ذلك وضع العينة على الشبكة، وتجفيف السائل الزائد لتكوين غشاء رقيق من المحلول المائي على الشبكة، ثم التزجيج اللاحق عن طريق غمس الشبكة بسرعة كبيرة في الإيثان السائل.

بعد عملية التزجيج، انقل الشبكة المعالجة إلى النيتروجين السائل لحفظها، ثم انقل شبكة العينة يدويًا إلى كاسيت التحميل التلقائي، المبرد أيضًا بالنيتروجين السائل. الخطوة التالية هي إدخال الكاسيت في جهاز TUE cryo Titan، وهو نظام تحميل تلقائي للمجهر الإلكتروني النافذ (TEM). جهاز TUE Cryo Titan مجهز بمدفع انبعاث مجالي يعمل بجهد 300 kilovolts.

تتطلب عملية تسجيل صور المجهر الإلكتروني النافذ في وضع التباين الزاوي (TAM) خبرة وتعاملاً سريعاً؛ وذلك لأن شعاع الإلكترونات عالي الطاقة يتسبب في تلف العينة أثناء التصوير. يتم تسجيل الصور باستخدام كاميرا CCD مجهزة بمرشح طاقة لبوابة ما بعد العمود. وبما أن الغادولينيوم يتميز بخصائص بارامغناطيسية عالية مما يؤدي إلى توسيع إشارات البروتونات بشكل ملحوظ، فقد تم استخدام قرص مختلف حيث استُبدل الغادولينيوم بالإيتريوم الديامغناطيسي ومحلول من BT atrium.

يتم تحضير DTPA. احسب عدد المليغرامات المطلوبة من BT atrium DTPA بوزن جزيئي يبلغ 2,979 grams per mole لتحقيق تركيز مستهدف قدره 1 millimolar. باشر بإذابة الكمية المحددة من BT atrium DTPA في 50 millimolar derated succinate buffer في D₂O، ثم انقل 0.6 milliliters من المحلول الناتج باستخدام الماصة إلى أنبوب NMR من نوع wilm, a LABAs.

أدخل العينة في وحدة variant في مطياف Nova 500 المجهز بمسبار I-D-P-F-G بقطر 5 mm من شركة Varian. قم بإجراء تجارب DOI كما هو موضح في النص بعد تسجيل طيف رنين مغناطيسي نووي بروتوني (proton NMR) قياسي، مع تكييف نبضة الـ 90 درجة وتحسين أوقات الخلط وفقاً لذلك. يتم استخدام تسلسل نبضات DOI one-shot بعد تحديد الانتشار الذاتي لـ HDO في مسبار مرجعي مبيضي، وفي العينة يتم تحديد معامل الانتشار للتجمعات التي يمكن من خلالها حساب نصف القطر الهيدروديناميكي.

أخيراً، احسب أنصاف الأقطار الهيدروديناميكية RH للتجمعات باستخدام علاقة ستوكس-أينشتاين لانتشار الجسيمات الكروية. تؤدي الطبيعة الأيونية لمعقدات gadolinium DTPA الطرفية إلى حدوث إحباط في النمو أحادي البعد للمونومرات القرصية التي صُمم لبها أن تتبلمر إلى تجمعات طولية تشبه القضبان. ويتحكم التوازن بين التفاعلات التجاذبية والتنافرية في حجم وشكل هذه التجمعات.

يُعد مصدر السينكروترون تقنية قوية لتحديد حجم وشكل الجسيمات والمحاليل. وقد تم استخدام تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS)، حيث أُذيب gadolinium DTPA في محلول منظم من السترات، وسُجلت أنماط SAXS عند تركيزين مختلفين.

يشير الميل الذي يقترب من الصفر في منطقة Q المنخفضة إلى عدم وجود شكل محدد وتماثل في التجمعات، مما يشير إلى وجود أجسام كروية. وقد تم ملاءمة البيانات المقاسة عند تركيزات مختلفة باستخدام عامل شكل كروي أحادي التشتت متجانس، مما أدى إلى حساب نصف قطر يبلغ 3.2 nanometers. ويبلغ نصف القطر الهندسي المحسوب لـ monomeric disco, BTA gadolinium DTPA مقدار 3.0 nanometers، مما يؤكد وجود تجمعات بنسبة باعية تقترب من الواحد، وذلك لتوفير دليل إضافي على الشكل الكروي والحجم النانومتري للأجسام ذاتية التجمع.

تم إجراء مطيافية الرنين المغناطيسي النووي مرتبطة بمعامل الانتشار للبروتونات. تتيح تقنية DOI NMR تحديد معاملات الانتشار للتجمعات الجزيئية الفائقة، والتي يمكن من خلالها حساب نصف القطر الهيدروديناميكي. وقد تم تحديد معامل الانتشار لمضخمات الديكرويك الدايامغناطيسية المتجمعة في منظم السكسينات المديترن بـ 0.69 × 10⁻¹⁰ m²/s عبر علاقة ستوكس-أينشتاين.

تَمَّ حساب نصف قطر هيدروديناميكي قدره 2.9 nanometers للأجسام المنفصلة ذات الحجم الكروي. ويتوافق هذا الحجم بشكل ممتاز مع القيمة التي تم الحصول عليها من بيانات SOX لـ BTA gadolinium DTPA. كما تم الحصول على أدلة إضافية على التحكم الناجح في طول التراكم أحادي البعد من الصور المجهرية لـ cryo TEM.

ينتج BTA gadolinium DTPA الأجسام الكروية المتوقعة بأقطار تقترب من 6 nanometers عند تركيز 1 millimolar، مما يؤكد النتائج المستخلصة من قياسات so و DOI. ويلاحظ بوضوح تشكل بوليمرات فوق جزيئية تشبه القضبان ذات نسبة باعية عالية في صور cryo te المجهرية عند القوة الأيونية العالية. ويعد الحجب الإلكتروستاتيكي التفسير الأكثر احتمالاً لهذه النتيجة.

يتغير الشكل من تجمعات كروية يبلغ قطرها حوالي 6 نانومتر إلى قضبان مستطيلة بقطر 6 نانومتر وطول يصل إلى عدة مئات من النانومترات. تظهر هنا أطياف CD لـ BTA Gadolinium DTPA في درجة حرارة الغرفة مع زيادة تركيز الملح. يبلغ تركيز BTA gadolinium DTPA قيمة 8 × 10⁻³ millimolar عند القوة الأيونية المنخفضة و4 × 10⁻³ millimolar عند القوة الأيونية العالية.

على الرغم من تطبيق تركيز أقل بكثير لقياسات الـ CD، إلا أن تأثير القطن الواضح يشير إلى وجود تجمعات سليمة حتى عند التركيزات الميكرومولارية. يتغير شكل طيف الـ CD عند زيادة تركيز الملح، وهو مؤشر جيد على انخفاض التفاعلات التنافرية عند محيط الأكوام وتعزيز تعبئة الـ decos. بالإضافة إلى ذلك، تظهر منحنيات تبريد الـ CD للمحاليل ذاتها اختلافات واضحة في الشكل.

تنزاح درجة الحرارة التي يبدأ عندها التجمع نحو درجات حرارة أعلى عند زيادة تركيز الملح. كما تصبح آلية تعاونية متزايدة واضحة، وتتميز بزيادة أكثر حدة في تأثير الـ CD، بينما يتم وصف منحنى التبريد عند تركيز صفر مولار من كلوريد الصوديوم بشكل أفضل بواسطة نموذج تجميع ذاتي ISO smic يشير إلى عملية مضادة للتعاون. ويُعد منحنى التبريد عند تركيز 1.0 مولار من كلوريد الصوديوم نموذجياً لعملية تجميع ذاتي تعاونية، ويمكن وصفه بنموذج استطالة النواة الذي يحدد المعاملات الديناميكية الحرارية للتجميع الذاتي لـ BTA gadolinium DTPA عند تركيز صفر وواحد مولار من كلوريد الصوديوم.

يكشف استخدام النموذج التعاوني بوضوح عن انخفاض في ka، وهو ثابت التنشيط غير البعدي. وتشير القيم الأدنى لـ KA إلى درجة أعلى من التعاون في عملية التجميع الذاتي، والتي تظهر في تكوين بوليمرات فوق جزيئية شديدة الاستطالة. وكما لوحظ في cryo TEM، فإنه عند محاولة تطبيق التقنيات التجريبية الموضحة، من المهم تذكر أن الجمع بين الطرق التجريبية فقط هو ما سيؤدي إلى وصف شامل وذي معنى للمواد النانوية الديناميكية قيد البحث.

بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يتكون لديك فهم جيد لمدى إمكانية تطبيق نهجنا التجريبي المشترك على نطاق واسع، وكيف يمكن أن يساعد في الإجابة على أسئلة رئيسية في مجال المواد النانوية ذاتية التجميع والـ super poems.