Application de la tension dans l'analyse dynamique de la taille des particules de diffusion de la lumière
Summary
Ici, un protocole pour appliquer la tension à la solution pendant les mesures dynamiques de la taille des particules de diffusion de lumière avec l’intention d’explorer l’effet des changements de tension et de température sur l’agrégation des polymères est présenté.
Abstract
La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est une méthode courante pour caractériser la distribution de la taille des polymères, des protéines et d’autres nanoparticules et microparticules. L’instrumentation moderne permet de mesurer la taille des particules en fonction du temps et/ou de la température, mais il n’existe actuellement aucune méthode simple pour effectuer des mesures de distribution de la taille des particules DLS en présence de tension appliquée. La capacité d’effectuer de telles mesures serait utile dans le développement de polymères électroactifs et sensibles aux stimuli pour des applications telles que la détection, la robotique douce et le stockage de l’énergie. Ici, une technique utilisant la tension appliquée couplée avec DLS et une rampe de température pour observer des changements dans l’agrégation et la taille de particule dans les polymères thermosensibles avec et sans monomères électroactifs est présentée. Les changements dans le comportement d’agrégation observés dans ces expériences n’ont été possibles que grâce à l’application combinée de la tension et du contrôle de la température. Pour obtenir ces résultats, un potentiostat a été connecté à une cuvette modifiée afin d’appliquer la tension à une solution. Les changements dans la taille des particules de polymère ont été surveillés à l’aide de DLS en présence d’une tension constante. Simultanément, des données actuelles ont été produites, qui pourraient être comparées aux données de taille de particules, pour comprendre la relation entre le comportement actuel et le comportement des particules. Le polymèrepoly ( N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) a servi de polymère d’essai pour cette technique, car la réponse de pNIPAM à la température est bien étudiée. Des changements dans le comportement d’agrégation de la température de solution inférieure critique (LCST) de pNIPAM et de poly (N-isopropylacrylamide)- bloc-poly(ferrocenylmethyl methacrylate), un bloc-copolymère électrochimiquement actif, en présence de tension appliquée sont observés. Il sera important de comprendre les mécanismes qui sous-tendent ces changements lorsque l’on tentera d’obtenir des structures en polymère réversibles en présence d’une tension appliquée.
Introduction
La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est une technique permettant de déterminer la taille des particules par l’utilisation de changements aléatoires dans l’intensité de la lumière dispersée par la solution1. DLS est capable de mesurer l’agrégation des polymères en déterminant la taille des particules. Pour cette expérience, DLS a été couplé avec des changements de température contrôlés pour observer quand un polymère agrégats qui est indicatif de dépasser la température de solution critique inférieure (LCST)2,3. Au-dessous du LCST, il existe une phase liquide homogène; au-dessus du LCST, le polymère devient moins soluble, s’agrége et se condense hors de la solution. Une tension appliquée (c.-à-d. potentiel appliqué ou champ électrique) a été introduite à travers le champ de diffusion pour observer les effets du champ électrique sur le comportement d’agrégation et le LCST. L’application de la tension dans les mesures de dimensionnement des particules permet de nouvelles connaissances sur le comportement des particules et les applications ultérieures dans les domaines des capteurs, du stockage de l’énergie, des systèmes de livraison de médicaments, de la robotique douce, et d’autres.
Dans ce protocole, deux polymères d’exemple ont été utilisés. Poly (N-isopropylacrylamide), ou pNIPAM, est un polymère sensible thermique, qui contient à la fois un groupe d’amide hydrophiles et un groupe hydrophobe isopropyl sur la chaîne macromoléculaire4,5. Les matériaux polymères thermosensibles comme le pNIPAM ont été largement utilisés dans la libération contrôlée de médicaments, la séparation biochimique et les capteurs chimiques au cours des dernières années3,4. La valeur littéraire LCST de pNIPAM est d’environ 30-35 ‘C4. pNIPAM n’est généralement pas électrochimiquement actif. Par conséquent, comme deuxième échantillon de polymère, un bloc électrochimiquement actif a été ajouté au polymère. Plus précisément, le méthacrylate ferrocenylmethyl a été utilisé pour créer un poly (N-isopropylacrylamide)-bloc-poly(ferrocenylmethyl methacrylate) bloc-copolymer, ou p (NIPAM-b-FMMA)6,7. Les deux polymères d’exemple ont été synthétisés par la polymérisation de chaîne de fragmentation réversible de fragmentation avec la longueur contrôlée de chaîne8,9,10. Le polymère non électrochimiquement actif, pNIPAM, a été synthétisé comme pNIPAM pur de 100 mer. Le polymère électrochimiquement actif, p(NIPAM-b-FMMA), était également 100 mer longueur de chaîne, qui contient 4% de méthacrylate ferrocenylméthylle (FMMA) et 96% NIPAM.
Dans cet article, un protocole et une méthodologie pour étudier l’effet de la tension appliquée sur l’agrégation de polymères sont démontrés. Cette méthode pourrait également être étendue à d’autres applications de DLS, telles que l’analyse du pliage/déroulement des protéines, les interactions protéines-protéines et l’agglomération de particules chargées électrostatiquement, pour n’en nommer que quelques-unes. L’échantillon a été chauffé de 20 à 40 oC pour identifier le LCST en l’absence et la présence d’un champ appliqué de 1 V. Ensuite, l’échantillon a été refroidi de 40 à 20 oC sans perturber le champ appliqué pour étudier les effets hystériques ou d’équilibre.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’application de la tension aux solutions pNIPAM ou p(NIPAM-b-FMMA) a modifié le comportement d’agrégation des polymères en réponse à la température. Avec les deux matériaux, lorsqu’une tension appliquée était présente, la taille du volume des polymères est restée élevée même lorsque les solutions ont été refroidies en dessous de leur LCST. Il s’agit d’un résultat inattendu, car les essais sans tension ont montré les polymères de retour à leurs tailles d’origine. Ces expériences nous permet…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs aimeraient souligner le soutien financier de NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131), et du Hamel Center for Undergraduate Research à l’UNH. De plus, les auteurs aimeraient reconnaître l’aide de Darcy Fournier pour l’aide au câblage et de Scott Greenwood pour l’accès au DLS.
Materials
| N-Isopropylacrylamide | Tokyo Chemical Industry CO., LTD | I0401-500G | |
| 1,4-Dioxane | Alfa Aesar | 39118 | |
| 2,2"-Azobis(2-methylpropionitrile) | SIGMA-ALDRICH | 441090-100G | |
| Cuvette | Malvern | DTS0012 | |
| Dynamic Light Scattering | Malvern | Zetasizer NanoZS | |
| Ferrocenylmethyl methacrylate | ASTATECH | FD13136-1G | |
| Phthalimidomethyl butyl trithiocarbonate | SIGMA-ALDRICH | 777072-1G | |
| Potentiostat | Gamry | Reference 600 |
Referências
- Xu, R. Particuology Light scattering : A review of particle characterization applications. Particuology. 18, 11-21 (2015).
- Szczubiałka, K., Nowakowska, M. Response of micelles formed by smart terpolymers to stimuli studied by dynamic light scattering. Polymer. 44 (18), 5269-5274 (2003).
- Kotsuchibashi, Y., Ebara, M., Aoyagi, T., Narain, R. Recent Advances in Dual Temperature Responsive Block Copolymers and Their Potential as Biomedical Applications. Polymers. 8, 380 (2016).
- Lanzalaco, S., Armelin, E. Poly(N-isopropylacrylamide) and Copolymers: A Review on Recent Progresses in Biomedical Applications. Gels. 3, 36 (2017).
- Lessard, D. G., Ousalem, M., Zhu, X. X., Eisenberg, A., Carreau, P. J. Study of the phase transition of poly(N,N-diethylacrylamide) in water by rheology and dynamic light scattering. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 41, 1627-1637 (2003).
- Garner, B. W., Cai, T., Hu, Z., Neogi, A. Electric field enhanced photoluminescence of CdTe quantum dots encapsulated in poly (N-isopropylacrylamide) nano-spheres. Optics express. 16, 19410-19418 (2008).
- Gallei, M., Schmidt, B. V. K. J., Klein, R., Rehahn, M. Defined Poly[styrene- block -(ferrocenylmethyl methacrylate)] Diblock Copolymers via Living Anionic Polymerization. Macromolecular Rapid Communications. 30, 1463-1469 (2009).
- Grenier, C., Timberman, A., et al. High Affinity Binding by a Fluorescein Templated Copolymer Combining Covalent, Hydrophobic, and Acid-Base Noncovalent Crosslinks. Sensors. 18, 1330 (2018).
- Chiefari, J., Chong, Y. K. B., et al. Living Free-Radical Polymerization by Reversible Addition−Fragmentation Chain Transfer: The RAFT Process. Macromolecules. 31, 5559-5562 (1998).
- Perrier, S. 50th Anniversary Perspective : RAFT Polymerization-A User Guide. Macromolecules. 50, 7433-7447 (2017).
