Colloïdes précis avec interactions accordables pour la microscopie confocale

Oct 07, 2023

Scientific Reports volume 5, Numéro d’article: 14635 (2015) Citer cet article

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Les systèmes colloïdaux modèles étudiés par microscopie confocale ont permis de mieux comprendre la physique de la matière condensée. Bien que la microscopie confocale soit un outil extrêmement puissant, elle nécessite un choix et une préparation minutieux du colloïde. Les variations incontrôlées ou inconnues de la taille, de la densité et de la composition des particules individuelles et les interactions entre les particules, souvent influencées par la voie synthétique empruntée pour les former, entraînent des difficultés d’interprétation du comportement de la dispersion. Nous décrivons ici la synthèse directe de particules de copolymères qui peuvent être adaptées simultanément à un mélange non plastifiant de solvants diélectriques élevés. Les interactions entre les particules sont réglées avec précision par greffage de surface de brosses polymères à l’aide de la polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ATRP), de la répulsion électrostatique à longue portée ou à l’attraction de charge mixte. Nous modifions également la densité de flottabilité des particules en modifiant le rapport copolymère tout en maintenant leur correspondance d’indice de réfraction avec la solution en suspension, ce qui entraîne une sédimentation bien contrôlée. L’accordabilité des interactions interparticulaires, la faible volatilité des solvants et la capacité à faire correspondre simultanément l’indice de réfraction et la densité des particules au fluide ouvrent de nouvelles possibilités pour explorer la physique des systèmes colloïdaux.

Les systèmes colloïdaux sont utilisés pour explorer la physique de la matière condensée en temps réel et dans l’espace; Les observations du comportement des particules colloïdales ont permis de mieux comprendre des phénomènes aussi variés que la nucléation et la fusion des cristaux2, le transport des défauts3, la formation de verre4,5, les phénomènes de mouillage et de capillaire6, l’auto-assemblage et la liaison spécifique7. Contrairement à leurs homologues atomiques, la structure, la dynamique et les propriétés mécaniques de ces dispersions sont accessibles par microscopie optique et diffusion de la lumière. Cependant, les limites pratiques de chacune de ces techniques et la conception d’expériences individuelles rendent essentiel le contrôle des propriétés physiques des particules constitutives. La microscopie optique, qui révèle la structure spatiale réelle des colloïdes et la diffusion de la lumière, qui élucide la structure et de la dynamique dans l’espace réciproque, repose sur le contrôle précis de la taille et de l’indice de réfraction des particules observées: comme le choix de la taille des particules influence les échelles de temps et de longueur relatives disponibles pour l’expérience et l’appariement minutieux des indices de réfraction des particules et du fluide en suspension minimise les effets des aberrations optiques et des multiples diffusion. Pour étudier l’évolution des échantillons sur de longues échelles de temps, il est essentiel que l’évaporation du solvant soit minimale; Ceci est particulièrement important lors des mesures rhéologiques dans lesquelles les suspensions sont exposées à l’environnement. Les contraintes gravitationnelles, qui ne peuvent être ignorées pour les particules à l’échelle micrométrique, entraînent des gradients de densité et une sédimentation qui affectent fortement les propriétés des matériaux telles que les taux de nucléation des cristaux8. Ces effets néfastes de la gravité peuvent être minimisés en faisant correspondre la densité des particules à celle du fluide en suspension : permettant ainsi l’étude de l’équilibre, du comportement en vrac. Néanmoins, une inadéquation de densité bien contrôlée peut être souhaitable6,9,10, par exemple lors de la modélisation de structures cristallines spécifiques sur une surface à motifs11,12,13.

Outre les propriétés physiques des particules individuelles et du fluide environnant, la structure et la dynamique des suspensions colloïdales sont également déterminées par les forces que les particules exercent les unes sur les autres14,15,16. L’interaction la plus simple entre les particules solides est celle de l’exclusion de volume; Dans cette limite dite de sphère dure, les particules sont supposées impénétrables et le comportement de phase est régi par la seule fraction volumique des particules. Deux systèmes expérimentaux couramment utilisés qui présentent un tel potentiel d’interaction avec une sphère dure et qui peuvent être adaptés à l’indice de réfraction et à la densité sont les microsphères de poly(méthacrylate de méthyle) (PMMA) stabilisées par un pinceau d’acide poly(hydroxystéarique) (PHSA-PMMA) dispersées dans un mélange de solvants organiques à faible diélectrique15,16 et de silice stéarylée dispersée dans des fluides halogénés17. Cependant, malgré la faible polarité de ces solvants, des traces d’impuretés ionisables dissoutes dans ces huiles peuvent charger les surfaces des particules d’une manière difficile à prévoir et à contrôler16,18: brouiller les interactions autrement purement sphériques. De plus, le système de sphère dure le plus couramment utilisé, PHSA-PMMA, est souvent dispersé dans des mélanges fluides dans lesquels un ou plusieurs de ses composants gonflent le polymère qui compose les particules, parfois jusqu’à plusieurs dizaines de pour cent. On peut s’attendre à ce que cela abaisse considérablement la température de transition vitreuse, ramollissant les particules et modifiant leurs propriétés au fil du temps16. Enfin, bien que ce système particulier se soit avéré inestimable en tant que système modèle colloïdal, sa synthèse est notoirement difficile à reproduire. Des interactions inter-particules plus élaborées peuvent être conçues en ajoutant des polymères ou des tensioactifs au fluide et en modifiant les surfaces des particules elles-mêmes. Les fractions ionisables ou les brosses polymères greffées à la surface des particules colloïdales donnent lieu à des paramètres supplémentaires pour contrôler le comportement de phase de la suspension19,20,21,22. Par exemple, des suspensions de colloïdes chargés similaires peuvent s’organiser en phases cristallines de faible densité avec des symétries non accessibles pour les sphères dures19. En revanche, les mélanges de particules colloïdales avec des charges opposées peuvent former des gels colloïdaux structurés21,23 et des superréseaux cristallins binaires24,25. Il reste difficile de synthétiser des particules colloïdales avec des potentiels d’interaction contrôlables et des propriétés physiques prévisibles mais flexibles telles que la charge de surface, l’indice de réfraction et la densité.

Dans cet article, nous décrivons la synthèse d’un système modèle colloïdal composé de particules monodispersées qui peuvent être simultanément adaptées à l’indice de réfraction et à la densité à des mélanges de solvants polaires non dangereux qui ne plastifient pas les particules dont les surfaces peuvent être modifiées avec des brosses polymères greffées par polymérisation radicalaire par transfert d’atome (ATRP). Nous produisons des particules monodispersées de poly(méthacrylate de trifluoroéthyle -co- t-butyl méthacrylate) par polymérisation en dispersion à l’aide d’ingrédients disponibles dans le commerce. Les brosses polymères greffées à partir de la surface des particules à l’aide d’ATRP26 initiées par la surface médient les forces entre les particules et peuvent être réglées avec sensibilité de la sphère dure à la répulsion douce et à longue portée. Les mélanges de ces particules, fonctionnalisés avec des brosses de charge opposée, présentent une agrégation réversible pilotée par charge21,22. L’indice de réfraction et la densité de ces particules peuvent être réglés en modifiant le rapport des copolymères. Enfin, nous préparons ces particules de copolymère contenant un noyau fluorescent et une coquille non fluorescente qui améliore la précision de la localisation des particules dans des expériences confocales 3D denses27,28.

Les limites expérimentales de nombreux systèmes colloïdaux sont souvent une conséquence directe du matériau qui compose les particules dispersées. L’indice de réfraction relativement faible, n, des particules de silice peut être adapté à une grande variété de mélanges de solvants, mais il est difficile de faire correspondre leur densité relativement élevée, ρ. Inversement, la faible densité des particules de polystyrène peut être égalée, par exemple, par des mélanges H2O/D2O, mais leur n est trop élevé pour être apparié, ce qui entrave l’étude des systèmes concentrés par des méthodes optiques. En revanche, les polymères de méthacrylate présentent des indices de réfraction et des densités qui peuvent être appariés simultanément. Cela se fait traditionnellement dans des solvants halogénés apolaires, qui gonflent et plastifient les particules et dans lesquels les interactions de charge sont difficiles à contrôler16.

Nous développons ici un système colloïdal qui peut être suspendu dans des solvants polaires, dans lequel l’indice de réfraction et la densité peuvent être contrôlés avec précision et dont les interactions sont réglables à l’aide de méthodes de polymérisation contrôlée des radicaux vivants, illustrées à la Fig. 1. Les polymères de méthacrylate fluoré, tels que le poly(méthacrylate de trifluoroéthyle), ont des indices de réfraction relativement faibles, n ≤ 1,415, mais une densité très importante, ρ ∼ 1,538 g/ml. À l’inverse, les polymères de méthacrylate aliphatique ont des densités qui diminuent avec la longueur du groupe alkyle : ρ∼ méthacrylate de méthyle >méthacrylate d’éthyle >méthacrylate de t-butyle, mais présentent des indices de réfraction relativement élevés, le nPMMA ≈ 1,495. La combinaison de ces deux types de monomères à des rapports molaires différents donne un copolymère dont la densité et l’indice de réfraction peuvent être accordés; une stratégie similaire pour ajuster l’indice de réfraction du système PMMA a été signalée précédemment29. Ici, nous choisissons une combinaison de méthacrylate de trifluoroéthyle (TFEMA) et de méthacrylate de tert-butyle (tBMA). Les homopolymères de chacun présentent les propriétés suivantes : PTFEMA [ρ = 1,53 g/ml, n = 1,4185] et PtBMA [ρ = 1,022 g/ml, n = 1,4630]. La copolymérisation en dispersion du TFEMA et du tBMA donne des particules avec une polydispersité de très faible taille, typiquement CV ≤ 5% (Fig. 2, voir SI). La taille des particules peut être réglée avec précision à partir d’un ∼ 0,55 μm–8 μm en changeant le type et la quantité de cosolvant et par la fraction volumique du monomère chargée pendant la polymérisation en dispersion, voir Fig. 3. Dans un rapport de 28:72 de TFEMA:tBMA, en volume, les particules ont une densité relativement faible, ρ = 1,16 g/ml, un indice de réfraction, n = 1,452 et une température de transition vitreuse élevée, Tg ∼ 86 °C mesurée par calorimétrie différentielle à balayage dans la solution en suspension. Ce rapport de comonomères est spécifiquement choisi pour faire correspondre l’indice de réfraction et la densité des colloïdes à un mélange de solvants polaires, de formamide et de sulfolane.

Représentation schématique de la synthèse et de la modification de surface des colloïdes copolymères par polymérisation en dispersion et ATRP.

Image en microscopie électronique à balayage (MEB) de particules d’un diamètre moyen (A) de 1,4 μm (B) et d’un diamètre moyen de 1,8 μm. La barre d’échelle dans les deux images est de 20 μm.

(A) Diamètres des particules stabilisées PVP avec modification du type de cosolvant et d’inimère, voir tableau du SI. H2O, pas d’inimère; H2O, acrylate inimer; H2O, inimère de méthacrylate ; formamide, acrylate inimer; Formamide, méthacrylate inimer. (B) Diamètres des particules stabilisées SPMA avec volume cosolvant, H2O, varié avec la fraction volumique totale du monomère, voir tableau du SI. 15 % en volume de monomère; 12,5 % en volume de monomère; 10 vol% monomère; 5 vol% monomère. Les compositions réactionnelles dans les régions ombragées ne produisent que du coagulum polymérisé.

Le comportement de phase et la dynamique des systèmes colloïdaux dépendent sensiblement des interactions de paires entre les particules. Le réglage de ces interactions permet ainsi la création d’une grande variété d’états liquides et solides. En règle générale, les interactions entre les particules résultent de fractions à la surface des particules qui proviennent de la synthèse, telles que les charges résiduelles des initiateurs ou des stabilisants. Nous présentons ici une méthode qui offre un contrôle précis de la fonctionnalité de surface dans une étape de modification post-synthèse distincte, en utilisant la polymérisation radicalaire par transfert d’atomes initiée par la surface26. Lors de la polymérisation en dispersion des particules, nous incorporons par covalence un initiateur ATRP30. Alors que la copolymérisation de l’initiateur avec la majeure partie du polymère particulaire est aléatoire, l’inimère lui-même reste soluble et est donc enrichi à la surface des particules où il reste accessible pour l’étape de modification ultérieure. L’inclusion de ce monomère fonctionnel n’influence pas la taille ou la polydispersité des particules comme le montre la Fig. 3. Pour confirmer que l’initiateur ATRP reste actif après la polymérisation en dispersion, nous cultivons une brosse d’un monomère fluorescent à partir de la surface des particules. Bien que cette épaisseur de brosse soit bien inférieure à la limite de diffraction, un halo fluorescent se distingue clairement autour de chaque particule lorsqu’elle est imagée par microscopie confocale, indiquant une modification uniforme de la surface malgré la présence d’une couche de polymère stérique, comme le montre la Fig. 4A.

(A) Image de microscopie confocale 2D de particules non marquées par fluorescence avec un « halo » fluorescent indiquant un pinceau cultivé à partir de la surface colloïdale par ATRP. La barre d’échelle est de 10 μm. (B) Densité de charge superficielle calculée, en utilisant Eq. (1), après ATRP avec différents rapports molaires du monomère anionique au monomère neutre. Encart : ζ valeurs potentielles mesurées en 10 mM TRIS, pH 7,5.

Typiquement, le degré de polymérisation de ces brosses est déterminé par le rapport molaire des molécules monomères aux molécules initiatrices de surface, cependant, le nombre précis d’initiateurs ATRP à la surface des particules et donc le nombre de chaînes polymères en croissance, est inconnu. Au lieu de cela, nous contrôlons le poids moléculaire des chaînes de croissance en ajoutant un initiateur sacrificiel à la réaction globale à une concentration significativement supérieure au nombre maximal de groupes réactifs possibles présents à la surface des particules. Notre approche présente l’avantage supplémentaire que les polymérisations opérées avec un grand excès d’initiateur sacrificiel sont moins sensibles aux inhibiteurs, aux impuretés et aux petites variations de procédure. Nous utilisons cette approche pour préparer des brosses copolymères d’un neutre, diméthylacrylamide, DMA et anionique, sulfopropyl acrylamide, SPAm, à différents rapports molaires des deux monomères. De cette façon, la densité de charge de surface et donc les interactions colloïdales peuvent être soigneusement ajustées et la reproductibilité. La densité de charge superficielle de ces particules est calculée à l’aide de ζ-potentiels mesurés et de la relation empirique suivante31 :

où est la densité de charge superficielle, ε est la constante diélectrique du fluide en suspension (∼82), ε0 est la permittivité du vide, k est la constante de Boltzmann, T est la température absolue, e est la charge élémentaire, κ est la longueur de criblage de Debye inverse et . En ajustant le rapport du monomère neutre au monomère chargé, nous contrôlons la densité de charge finale sur les particules, de neutre à très chargée, ce qui n’est pas possible avec d’autres systèmes colloïdaux tout en permettant l’appariement de l’indice de réfraction et de la densité (Fig. 4B).

Une fois les particules formées, leurs surfaces modifiées et un marqueur fluorescent incorporé, ces colloïdes ne peuvent être utilisés pour des expériences de microscopie confocale que si le fluide en suspension répond à certains critères expérimentaux : non volatil, constante diélectrique élevée et correspondant à la fois à l’indice de réfraction et à la densité des colloïdes. De plus, le fluide ne doit pas gonfler ou ramollir la particule, ce qui provoque une dégradation progressive des particules, des changements dans la fraction volumique et une fuite de fluorophore non lié de manière covalente de la particule. Toutes ces exigences sont satisfaites par le choix d’un rapport comonomère spécifique du polymère qui compose la particule, de sorte qu’un mélange volumique 72:28 de solution de formamide et de sulfolane corresponde à la fois à l’indice de réfraction et à la densité des particules. La différence de densité entre le fluide et la particule de copolymère est infime, confirmée par l’absence de signes visuels de sédimentation ou de crémage même après centrifugation à 20 000 g pendant 48 heures. De plus, ce mélange ne plastifie pas les particules, comme on le laisse entendre en observant qu’aucun fluorophore ne fuit dans le fluide en suspension, même après stockage pendant plus de 2 ans. Fait intéressant, ce mélange de solvants a une constante diélectrique de ε ∼ 82, presque la même que celle de l’eau32.

Ce mélange de solvants hautement polaires permet la dissolution de grandes concentrations d’électrolyte pour filtrer la répulsion de charge, rendant les interactions entre les colloïdes dures-sphère. Nous prenons une suspension de colloïdes marqués par fluorescence, modifiée avec une brosse copolymère de DMA et de SPAm, à une fraction volumique φ = 0,42 ± 2 et ajoutons 50 mM de chlorure de sodium pour cribler les charges de surface. À partir d’images de microscopie confocale à fluorescence, nous extrayons les positions des particules en trois dimensions à partir desquelles la fonction de distribution radiale, g(r), est calculée. Cette fonction de corrélation de paires dans ce régime fluide peut être décrite avec précision par l’approximation de fermeture de Perkus-Yevick pour les sphères dures pures, voir Fig. 5, confirmant que les interactions se produisent uniquement par exclusion de volume. Nous notons que, puisque les particules ne sont gonflées par aucun des deux solvants utilisés ici, les fractions volumiques déterminées par comptage de particules en microscopie confocale tridimensionnelle et celles déterminées par évaporation de solvant avec analyse thermogravimétrique, ou par sédimentation, sont identiques à l’erreur expérimentale notée16.

Fonction de distribution radiale 3D, g(r), normalisée par le rayon des particules, a de SEM.

o) potentiel d’interaction quasi de type sphère dure (φ ∼ 0,40, 50 mM NaCl); (ligne continue) comportement de la sphère dure calculé à l’aide de l’approximation de Percus-Yevick. Encart : () fonction de corrélation de paires pour le cristal de Wigner (φ ∼ 0,40, ∼0 mM NaCl) ; Les lignes pointillées sont des positions hexagonales serrées. Le pic du plus proche voisin est décalé à r/a ∼ 1,24, ce qui indique un potentiel d’interaction répulsive à longue distance.

Fait intéressant, si nous prenons les mêmes particules colloïdales à une fraction volumique identique et désionisons le mélange fluide pour éliminer toutes les espèces ioniques et les impuretés, les particules commencent à interagir par des répulsions électrostatiques à longue portée. La conductivité du formamide reçu est de 68 μS/cm et celle du sulfolane de 6,6 μS/cm. Après désionisation avec des résines échangeuses d’ions à lit mixte, la conductivité diminue à 1,0 μS/cm et 0,23 μS/cm, respectivement. Alors que l’échantillon examiné à une fraction volumique inférieure à la limite de congélation pour les sphères dures présentait une structure fluide, les particules de ce mélange désionisé correspondant à l’indice de réfraction et à la densité cristallisent en raison des répulsions électrostatiques, formant un cristal de Wigner colloïdal (Fig. 6A, B), dans lequel des pics distincts et nets dans la fonction de distribution radiale sont observés (fig. 5).

(A) tranches de microscopie confocale 2D x–y d’un cristal de Wigner; particules à φ ∼ 0,40 dans une solution désionisée, d’indice de réfraction et de densité adaptée. La barre d’échelle est de 20 μm. Encart : grossissement plus élevé, avec une barre d’échelle de 2 μm. (B) reconstruction de particules 3D à partir de l’emplacement des particules; distances en microns, à partir de 15 μm de la lamelle de couverture. (C) Images de microscopie confocale 2D de gels colloïdaux à indice de réfraction et de densité appariés composés de particules de 1,85 μm de diamètre avec une charge de surface anionique (vert) et cationique (rouge) dans ∼0 mM NaCl.

Lorsque les mêmes particules, marquées avec un colorant fluorescent jaune, sont mélangées avec des particules du même lot dont la surface a été fonctionnalisée avec une brosse polymère cationique et contiennent un colorant fluorescent rouge, l’attraction de charge entre les espèces chargées opposées donne lieu à la formation de gels assemblés électrostatiquement (Fig. 6C). De tels gels présentent un comportement nettement différent des réseaux colloïdaux formés par une agrégation spécifique dans une dispersion à un seul composant21,22.

Alors que ce système de particules composé de 2 monomères et d’un mélange fluide de seulement 2 composants, permet une correspondance presque parfaite des densités, certaines expériences peuvent nécessiter un décalage contrôlé de la densité, par exemple pour modéliser des cristaux sur des substrats à motifs11,12,13, ou pour déterminer l’équation d’état.33 Dans le système que nous présentons ici, des changements infimes du rapport copolymère permettent de faire exactement cela. Ces changements n’influencent pas la taille des particules ou la polydispersité illustrée à la Fig. 3. Pour illustrer cela, nous préparons des particules qui peuvent être parfaitement réfractives appariées dans du formamide pur, mais qui présentent un léger décalage de densité de 0,077 g / cm3. Un échantillon à φ ≈ 0,02 est équilibré pendant 2 jours, au cours desquels un sédiment cristallin se forme, une interface cristalline-fluide nette et distincte devient apparente. La correspondance de l’indice de réfraction nous permet d’imager très profondément dans l’échantillon, comme le montre l’image de microscopie confocale de la Fig. 7 qui montre une profondeur de pénétration du laser d’excitation bien supérieure à 220 μm dans l’échantillon, sans aberrations optiques significatives, même dans la direction perpendiculaire au plan de balayage confocale.

La tranche confocale XZ profonde de l’indice de réfraction correspondait, mais la densité ne correspondait pas aux particules de 1,65 μm de diamètre dispersées dans le formamide avec 30 mM de NaCl.

Enfin, nous montrons que les mêmes particules peuvent être créées dans une variante noyau-coque, dans laquelle un noyau fluorescent est incorporé dans une coquille non fluorescente. Une telle architecture noyau-coque est particulièrement utile pour les études de suspensions denses dans lesquelles la localisation des centroïdes de particules avec une grande précision peut être difficile. La séparation des centres fluorescents des particules avec une coquille non fluorescente du même matériau est connue pour améliorer considérablement la résolution et la précision des algorithmes de localisation des particules27.

Nous préparons des particules noyau-enveloppe par polymérisation par dispersion ensemencée en présence de particules de noyau réticulées dans lesquelles un colorant fluorescent est attaché de manière covalente aux chaînes polymères. Ces carottes réticulées sont préparées par polymérisation par précipitation, qui donne des particules monodispersées avec une surface propre exempte de dispersant ou de tensioactif34 (Fig. 8A). Ces polymérisations sont réalisées à de faibles fractions volumiques de monomère ; Les réactions dans lesquelles la concentration de monomère a été augmentée à >5 % en volume et avec des concentrations de réticulation supérieures à 2 % en volume, ont produit un nombre indésirable de dimères et de trimères. Par la suite, une coquille non fluorescente est formée autour des particules réticulées par polymérisation par dispersion ensemencée. Pendant la polymérisation, le rapport cosolvant détermine la taille maximale des particules possible; La nucléation secondaire peut être évitée en utilisant de faibles quantités de cosolvant. Il en résulte des rendements élevés de particules monodisperses noyau-enveloppe (Fig. 8B), dont la surface peut être fonctionnalisée en utilisant la même procédure ATRP initiée par la surface que celle décrite ci-dessus. L’imagerie confocale de ces particules donne des centres fluorescents nettement séparés, même lorsque les particules sont en contact direct (Fig. 8c).

(A) Image MEB des particules du noyau, une image MEB ∼ 710 nm (B) des particules finales, une image de microscopie confocale 2D ∼ 1,8 μm (C) du noyau fluorescent avec contours de coquille (lignes pointillées) déterminées par microscopie simultanée en fond clair, non représentée. La seule petite particule vue dans (B) est un noyau de (A) qui n’a pas été encapsulé pendant la polymérisation de la coquille. La barre d’échelle dans toutes les images est de 2 μm.

Dans cet article, nous présentons une méthode complète pour produire des particules colloïdales monodispersées, dont l’indice de réfraction et la densité peuvent être adaptés et dont les interactions peuvent être réglées avec précision en utilisant la croissance initiée par la surface de brosses polymères. L’appariement simultané de l’indice de réfraction et de la densité, dans un solvant non volatil, non dangereux et polaire, permet une imagerie quantitative à haute résolution de ces systèmes avec la microscopie confocale tridimensionnelle. De plus, en ajustant la composition de la brosse polymère à la surface et en contrôlant la force ionique du milieu en suspension, nous accordons les interactions de la sphère dure, où seule l’exclusion de volume régit leur comportement de phase, à la répulsion ou à l’attractivité à longue portée. La synthèse que nous décrivons utilise des ingrédients qui sont facilement disponibles et dont la procédure est hautement reproductible. Cela résout bon nombre des contraintes imposées par les systèmes expérimentaux couramment utilisés pour explorer la physique et la chimie physique des dispersions colloïdales. De plus, en raison de la polarité du milieu suspendant, nos systèmes ouvrent la voie à la préparation de particules qui présentent des interactions spécifiques, par exemple en utilisant des motifs supramoléculaires, qui permettent l’étude de l’auto-assemblage colloïdal dirigé en trois dimensions et en l’absence de contraintes gravitationnelles.

Tous les matériaux sont achetés auprès de Sigma-Aldrich et utilisés tels quels, sauf indication contraire.

La plupart des polymérisations de particules utilisant la polyvinylpyrrolidone, PVP, comme stabilisant stérique, sont conduites dans une fiole à fond rond de 200 ml passée dans un bain de glycérol chauffé par un agitateur aérien. Les mélanges de polymérisation typiques sont donnés dans le SI. Une réaction de dispersion se déroule comme suit : méthanol (90,0 ml), eau désionisée (10,0 ml), méthacrylate de 2,2,2-trifluoroéthyle (2,8 ml, FEMA, SynQuest Laboratories), méthacrylate de t-butyle (7,2 ml, tBMA, TCI America) dans un rapport de 28:72 en volume, polyvinylpyrrolidone (4,0 g, PVP K30), l’inimère (2-(2-bromoisobutyryloxy)éthyl acrylate ou 2-(2-bromoisobutyryloxy)éthyle méthacrylate d’éthyle, 0,5 ml, voir SI pour le protocole de synthèse) et 0,1 g de 2,2′,- Azobis(2-méthylpropionitrile) (AIBN) est ajouté à la fiole de réaction. Le ballon est mis sous vide puis purgé avec de l’azote, qui est répété plusieurs fois pour obtenir des conditions sans oxygène. Le mélange réactionnel est ensuite tourné lentement à ≈75 rpm dans un bain de glycérol à 55 °C pendant 16 heures. Les particules résultantes sont lavées par centrifugation répétée et redispersion dans un mélange eau-méthanol 1:1. Les polymérisations sont invariantes par rapport au volume total de la réaction; Des volumes de réaction allant jusqu’à 1000 ml ont été effectués sans modification de la taille finale des particules et de la polydispersité.

Les particules à noyau réticulé sont préparées par polymérisation par précipitation à l’aide d’un comonomère chargé méthacrylate de 3-sulfopropyle (SPMA), conduit dans une fiole de fond rond de 200 ml équipée d’un réfrigérant à reflux. Une description détaillée des mélanges réactionnels est donnée dans le SI. Une réaction de polymérisation typique se déroule comme suit: méthanol (80,0 ml), eau désionisée (22,0 ml), méthacrylate de 2,2,2-trifluoroéthyle (1,45 ml), méthacrylate de t-butyle (3,9 ml), sel de potassium SPMA (0,055 g), inimère d’acrylate (0,100 ml, 2 vol% en monomère), diméthacrylate d’éthylène glycol (0,107 g, 2 % en monomère), une solution de monomère fluorescent, de méthacrylate de rhodamine B ou de méthacrylate de coumarine (voir SI pour le procédé synthétique, 1,0 ml, 2 % en poids dans le méthanol) et AIBN (0,055 g) sont ajoutés à la fiole de réaction. Le ballon de réaction est ensuite chauffé à reflux, sans dégazage, à ∼80 °C pendant 5 heures. Une fois terminées, les particules sont lavées par centrifugation répétée et redispersion (5X) dans un mélange eau-méthanol 1:1. La fixation covalente réussie des fluorophores est vérifiée en suspendant des particules réticulées dans du tétrahydrofurane (THF) dans lesquelles elles conservent une forme sphérique et une forte fluorescence, sans fluorescence visible dans le solvant en suspension. Une coquille non fluorescente est cultivée autour des colloïdes en utilisant la polymérisation par dispersion ensemencée, en suivant la procédure décrite ci-dessus. L’épaisseur de la coquille peut être réglée par le rapport des particules de graines fluorescentes au monomère total.

L’inimère copolymérisé lors de la polymérisation en dispersion permet l’utilisation de l’ATRP pour faire croître directement un polymère à partir de la surface du colloïde26. Pour contrôler le degré de polymérisation du polymère en croissance, un initiateur ATRP sacrificiel est ajouté à la solution, supposé être en grand excès des molécules d’inimères de surface disponibles35. Cet initiateur sacrificiel (PEGini) est synthétisé de manière identique à l’acrylate inimère échangeant l’acrylate de 2-hydroxyéthyle contre de l’éther méthylique de poly(éthylèneglycol), Mn = 550. Une modification typique de la surface se déroule comme suit: formamide (FM, 32 ml), eau (26 ml), PEGini (1,25 ml, 2,26 mmoles), sel de sodium de l’acide 2-acrylamido-2-méthyl-1-propanesulfonique (SPAm, 10,1 mmoles, 50% en poids dans H2O), diméthylacrylamide (DMA, 47,1 mmoles), 1,1,4,7,10,10,10-hexaméthyltriéthylènetétramine (HMTETA, 2,38 mmoles), Cu(II)Cl2 (1,13 mmoles) sont ajoutés à une fiole de 200 ml contenant la suspension de particules (65 ml, 25 % de solides, en 2:1 H2O:FM). Le rapport molaire entre monomère:PEGini:cuivre:ligand est [25:1:1:1.05]. La suspension est barbotée d’azote ou d’argon pendant au moins 20 minutes pour éliminer l’oxygène dissous, puis 1,13 mmole de Cu(I)Cl est ajouté au ballon pour initier la polymérisation et baratté pendant plusieurs heures (≥ 6 heures). Une brosse polymère marquée par fluorescence est préparée à partir de méthacrylate de fluorescéine 3:1 en masse de 2,2-bipyridyl:Cu(II)Br dans 2:1 en volume FM:H2O. La réaction est initiée avec 5 mg d’acide ascorbique et laissée se poursuivre pendant 1 heure.

Les particules sont lavées dans du formamide désionisé (FM), avec une conductivité de σ = 1,00 μS. La tétraméthylsulfonone désionisée (SF, σ = 0,23 μS) est ajoutée goutte à goutte à une suspension de particules à une fraction volumique de φ ∼ 0,40 jusqu’à ce que l’échantillon soit transparent comme jugé visuellement. L’appariement de la densité est vérifié en centrifugeant la dispersion à 3000 g pendant 6 heures. Le mélange de fluide en suspension est ajusté jusqu’à ce qu’aucune sédimentation ou crémage ne soit observé. En synthétisant les colloïdes à partir d’un rapport volumétrique spécifique de monomères (FEMA:tBMA, 28:72), l’indice de réfraction et la densité sont simultanément appariés avec un mélange de FM et de SF à 72:28 en volume. Le mélange final de fluide en suspension a une constante diélectrique estimée à ε ∼ 8232. Une résine échangeuse d’ions à lit mixte (Dowex Marathon MR-3) est ajoutée pour désioniser davantage le mélange de fluide en suspension afin de contrôler les interactions de charge.

La taille des particules et les polydispersités sont mesurées à partir de la microscopie à fond clair et de la microscopie électronique à balayage (MEB, Zeiss Supra 55). Nous définissons le coefficient de variation, CV, comme l’écart type sur le rayon moyen des particules, . Les échantillons appariés à l’indice de réfraction et à la densité sont autorisés à s’équilibrer pendant plusieurs heures dans des chambres d’échantillonnage hermétiquement fermées, après quoi les piles d’images 3D sont enregistrées à l’aide d’un microscope confocale à fluorescence (Leica SP5). Les fonctions de distribution radiale sont calculées à l’aide d’algorithmes standard de localisation des particules36. Les potentiels zêta sont mesurés avec un Malvern Zetasizer Nano ZS sur suspensions de particules diluées dans un tampon PIPES 10 mM à pH 7,0. La température de transition vitreuse des particules de copolymère dans les mélanges d’appariement à l’indice et à la densité est mesurée par calorimétrie différentielle à balayage (TA Instruments, Q200).

Comment citer cet article : Kodger, T. E. et al. Colloïdes précis avec interactions accordables pour la microscopie confocale. 5, 14635; doi : 10,1038/SRP14635 (2015).

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School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, 02138, États-Unis

Thomas E. Kodger

Département de physique, Université Harvard, Cambridge, 02138, MA, États-Unis

Rodrigo E. Guerra

Physical Chemistry and Soft Matter, Université de Wageningen, Dreijenplein 6, Wageningen, 6703, HB, Pays-Bas

Joris Sprakel

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T.E.K., R.G. et J.S. ont conçu conjointement les expériences, effectué la synthèse et la caractérisation et co-écrit et révisé le manuscrit.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt financier concurrent.

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Kodger, T., Guerra, R. & Sprakel, J. Precise colloids with tunable interactions for confocal microscopy. Sci Rep 5, 14635 (2015). https://doi.org/10.1038/srep14635

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Reçu: 15 juin 2015

Acceptée: 02 septembre 2015

Publication : 30 septembre 2015

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

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