Aplicación de voltaje en el análisis de tamaño de partículas de dispersión de luz dinámica

Summary

Aquí, se presenta un protocolo para aplicar voltaje a la solución durante las mediciones dinámicas de tamaño de partícula de dispersión de luz con la intención de explorar el efecto de los cambios de voltaje y temperatura en la agregación de polímeros.

Abstract

La dispersión dinámica de la luz (DLS) es un método común para caracterizar la distribución del tamaño de polímeros, proteínas y otras nanopartículas y micropartículas. La instrumentación moderna permite la medición del tamaño de las partículas en función del tiempo y/o la temperatura, pero actualmente no existe un método sencillo para realizar mediciones de distribución del tamaño de partícula DLS en presencia de voltaje aplicado. La capacidad de realizar este tipo de mediciones sería útil en el desarrollo de polímeros electroactivos sensibles a los estímulos para aplicaciones como la detección, la robótica blanda y el almacenamiento de energía. Aquí, se presenta una técnica que utiliza voltaje aplicado junto con DLS y una rampa de temperatura para observar cambios en la agregación y el tamaño de las partículas en polímeros termorresensibles con y sin monómeros electroactivos. Los cambios en el comportamiento de agregación observados en estos experimentos sólo fueron posibles a través de la aplicación combinada de control de voltaje y temperatura. Para obtener estos resultados, se conectó un potenciostato a una cubeta modificada para aplicar tensión a una solución. Los cambios en el tamaño de las partículas de polímero se monitorizaron utilizando DLS en presencia de voltaje constante. Simultáneamente, se produjeron datos actuales, que podrían compararse con los datos de tamaño de partícula, para comprender la relación entre el comportamiento actual y el de las partículas. El polímero poly(N-isopropylacrylamide) (pNIPAM) sirvió como polímero de prueba para esta técnica, ya que la respuesta de pNIPAM a la temperatura está bien estudiada. Se observan cambios en el comportamiento de agregación de la temperatura de la solución más baja crítica (LCST) de pNIPAM y poli(N-isopropylacrylamide)-bloque-poly(ferrocenylmethyl metacrilate), un bloque-copolímero electroquímicamente activo, en presencia de tensión aplicada. Comprender los mecanismos detrás de estos cambios será importante cuando se trata de lograr estructuras de polímeros reversibles en presencia de voltaje aplicado.

Introduction

La dispersión dinámica de la luz (DLS) es una técnica para determinar el tamaño de las partículas mediante el uso de cambios aleatorios en la intensidad de la luz dispersada a través de la solución^1. DLS es capaz de medir la agregación de polímeros mediante la determinación del tamaño de partícula. Para este experimento, DLS se combinó con cambios de temperatura controlados para observar cuando un polímero se agrega que es indicativo de exceder la temperatura crítica más baja de la solución (LCST)^2,3. Debajo del LCST, existe una fase líquida homogénea; por encima del LCST, el polímero se vuelve menos soluble, agrega y se condensa fuera de la solución. Se introdujo una tensión aplicada (es decir, un potencial aplicado o un campo eléctrico) en todo el campo de dispersión para observar los efectos del campo eléctrico en el comportamiento de la agregación y LCST. La aplicación de voltaje en mediciones de tamaño de partículas permite nuevos conocimientos sobre el comportamiento de las partículas y las aplicaciones posteriores en los campos de sensores, almacenamiento de energía, sistemas de suministro de fármacos, robótica suave y otros.

En este protocolo, se utilizaron dos polímeros de ejemplo. Poly(N-isopropylacrylamide), o pNIPAM, es un polímero sensible térmicamente, que contiene tanto un grupo de amida hidrófilo como un grupo isopropílico hidrófobo en la cadena macromolecular^4,5. Materiales de polímeros sensibles térmicamente como pNIPAM han sido ampliamente utilizados en la liberación controlada de fármacos, separación bioquímica, y sensores químicos en los últimos años^3,4. El valor bibliográfico de LCST de pNIPAM es de alrededor de 30-35 oC⁴. pNIPAM no suele ser electroquímicamente activo. Por lo tanto, como un segundo polímero de muestra se añadió un bloque electroquímicamente activo al polímero. Específicamente, se utilizó el metacrilato de ferrocenilmetilpara para crear unbloquede poli(N-isopropylacrilamide)- poli(ferrocenylmethyl metacrilate) o p(NIPAM-b-FMMA)^6,7. Ambos polímeros de ejemplo fueron sintetizados por la polimerización reversible de transferencia de cadena de fragmentación de adición con longitud de cadena controlada^8,9,10. El polímero no electroquímicomente activo, pNIPAM, fue sintetizado como 100 mer pNIPAM puro. El polímero electroquímicamente activo, p(NIPAM-b-FMMA), también tenía una longitud de cadena de 100 mer, que contiene 4% de metacrilato ferrocenylmetil (FMMA) y 96% NIPAM.

En este artículo, se demuestra un protocolo y una metodología para estudiar el efecto de la tensión aplicada en la agregación de polímeros. Este método también podría extenderse a otras aplicaciones de DLS, como el análisis de plegado/desdoblamiento de proteínas, interacciones proteína-proteína y aglomeración de partículas cargadas electrostáticamente por nombrar algunas. La muestra se calentó de 20 oC a 40 oC para identificar el LCST en ausencia y presencia de un campo aplicado de 1 V. A continuación, la muestra se enfrió de 40 oC a 20 oC sin interrumpir el campo aplicado para estudiar los efectos histéreticos o de equilibrio.

Protocol

1. Ejemplo de preparaciones de polímeros Síntesis de polímeros pNIPAMNOTA: Esta preparación produce 10 ml de solución de 1 g/L, lo que es suficiente para 3-4 experimentos. Preparen el aparato de la línea Schlenk. Asegúrese de que el matraz Dewar de la trampa fría esté lleno de una mezcla de hielo seco y acetona, o si se utiliza una trampa de refrigeración mecánica, asegúrese de que la trampa ha alcanzado una temperatura adecuada. En un matraz de fondo redondo …

Representative Results

La salida de archivo en tiempo real de cada carrera en la rampa de temperatura se presenta como una tabla, como se ve en la Figura 3. Cada registro se puede elegir de forma independiente para ver el tamaño del volumen (Figura 4) y el coeficiente de correlación (Figura 5). La distribución del tamaño de partícula de volumen (PSD) es el dato más preciso para interpretar la distribución general y …

Discussion

La aplicación de voltaje a soluciones pNIPAM o p(NIPAM-b-FMMA) cambió el comportamiento de agregación de polímeros en respuesta a la temperatura. Con ambos materiales, cuando había una tensión aplicada, el tamaño del volumen de los polímeros se mantuvo alto incluso cuando las soluciones se enfriaban por debajo de su LCST. Este fue un resultado inesperado, ya que los ensayos sin tensión mostraron que los polímeros regresaban a sus tamaños originales. Estos experimentos nos permiten concluir que para nu…

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