Aplicação da tensão na análise dinâmica do tamanho da partícula de dispersão de luz
Summary
Aqui, um protocolo para aplicar tensão à solução durante medidas dinâmicas de tamanho de partículas de dispersão de luz com a intenção de explorar o efeito das alterações de tensão e temperatura na agregação do polímero é apresentado.
Abstract
A dispersão dinâmica de luz (DLS) é um método comum para caracterizar a distribuição de tamanho de polímeros, proteínas e outras nano-e micropartículas. A instrumentação moderna permite a medição do tamanho das partículas em função do tempo e/ou temperatura, mas atualmente não há um método simples para a realização de medições de distribuição de tamanho de partículas DLS na presença de tensão aplicada. A capacidade de realizar tais medidas seria útil no desenvolvimento de polímeros eletroativos e responsivos a estímulos para aplicações como sensoriamento, robótica macia e armazenamento de energia. Aqui, uma técnica utilizando tensão aplicada aliada ao DLS e uma rampa de temperatura para observar alterações na agregação e tamanho da partícula em polímeros termoresponsivos com e sem monômeros eletroativos é apresentada. As mudanças no comportamento de agregação observadas nesses experimentos só foram possíveis através da aplicação combinada de controle de tensão e temperatura. Para obter esses resultados, um potenciostat foi conectado a um cuvette modificado, a fim de aplicar tensão a uma solução. Alterações no tamanho da partícula de polímero foram monitoradas utilizando DLS na presença de tensão constante. Simultaneamente, foram produzidos dados atuais, que poderiam ser comparados com dados de tamanho de partículas, para entender a relação entre o comportamento atual e das partículas. O polímero poly(N-isopropylacrilamida) (pNIPAM) serviu como polímero de teste para esta técnica, já que a resposta do pNIPAM à temperatura é bem estudada. Alterações no comportamento de agregação de solução de menor crítica (LCST) de pNIPAM e poli(N-isopropylacrylamide)-bloco-poli (metocrilato ferrocenylme), um conpolímero de bloco eletroquimicamente ativo, na presença de tensão aplicada são observadas. Entender os mecanismos por trás dessas mudanças será importante ao tentar alcançar estruturas de polímeros reversíveis na presença de tensão aplicada.
Introduction
A dispersão dinâmica de luz (DLS) é uma técnica para determinar o tamanho das partículas através do uso de alterações aleatórias na intensidade da luz espalhadas pela solução1. O DLS é capaz de medir a agregação de polímeros determinando o tamanho das partículas. Para este experimento, o DLS foi associado a mudanças de temperatura controladas para observar quando um polímero agregado, o que indica superar a temperatura de solução crítica mais baixa (LCST)2,3. Abaixo do LCST, existe uma fase líquida homogênea; acima do LCST, o polímero torna-se menos solúvel, agregados e condensa-se fora da solução. Uma tensão aplicada (ou seja, potencial aplicado ou campo elétrico) foi introduzida em todo o campo de dispersão para observar os efeitos do campo elétrico no comportamento de agregação e LCST. A aplicação de tensão em medições de dimensionamento de partículas permite novas percepções sobre o comportamento de partículas e aplicações subsequentes nos campos de sensores, armazenamento de energia, sistemas de entrega de medicamentos, robótica macia e outros.
Neste protocolo, foram utilizados dois exemplos de polímeros. Poly (N-isopropilacrilamida), ou pNIPAM, é um polímero sensível térmico, que contém um grupo de amida hidrofílica e um grupo isopropílico hidrofóbico na cadeia macromolecular4,5. Materiais de polímero de resposta térmica como pNIPAM têm sido amplamente utilizados na liberação controlada de medicamentos, separação bioquímica e sensores químicos nos últimos anos3,4. O valor da literatura LCST do pNIPAM gira em torno de 30-35 °C4. pNIPAM normalmente não é eletroquimicamente ativo. Portanto, como uma segunda amostra de polímero um bloco eletroquimicamente ativo foi adicionado ao polímero. Especificamente, o metocrilado de ferrocenylmefoi foi usado para criar umpoli(N-isopropylacrilamida)-bloco-poliscenylme methacrilate, ou p(NIPAM-b-FMMA)6,7. Ambos os exemplos os polímeros foram sintetizados pela polimerização de fragmentação reversível de fragmentação com comprimento de cadeia controlada8,9,10. O polímero não eletroquimicamente ativo, pNIPAM, foi sintetizado como 100 mer puro pNIPAM. O polímero eletroquimicamente ativo, p (NIPAM-b-FMMA), também tinha 100 mers comprimento sacada, que contém 4% de metocrilato de ferrocentileme (FMMA) e 96% NIPAM.
Neste artigo, é demonstrado um protocolo e metodologia para estudar o efeito da tensão aplicada na agregação de polímeros. Este método também poderia ser estendido a outras aplicações de LLS, como a análise do dobrável/desdobramento de proteínas, interações proteica-proteína e aglomeração de partículas eletrostáticas carregadas para citar algumas. A amostra foi aquecida de 20 °C a 40 °C para identificar o LCST na ausência e presença de um campo aplicado de 1 V. Em seguida, a amostra foi ressada de 40 °C a 20 °C sem interromper o campo aplicado para estudar quaisquer efeitos histeréticos ou de equilíbrio.
Protocol
Representative Results
Discussion
A aplicação da tensão às soluçõespNIPAM ou p (NIPAM-b -FMMA) alterou o comportamento de agregação de polímeros em resposta à temperatura. Com ambos os materiais, quando uma tensão aplicada estava presente, o tamanho do volume dos polímeros permaneceu alto mesmo quando as soluções foram resfriadas abaixo de seu LCST. Este foi um resultado inesperado, pois os ensaios sem tensão mostraram os polímeros retornando aos seus tamanhos originais. Esses experimentos nos permitem concluir que para nossa fai…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de reconhecer o apoio financeiro da NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131) e do Hamel Center for Undergraduate Research da UNH. Além disso, os autores gostariam de reconhecer a ajuda de Darcy Fournier para a assistência em cabeamento e Scott Greenwood para acesso ao 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 |
References
- 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).
