Applicazione di tensione nell'analisi dinamica delle particelle di dispersione della luce
Summary
Qui, viene presentato un protocollo per applicare la tensione alla soluzione durante le misurazioni dinamiche delle dimensioni delle particelle di dispersione della luce con l’intento di esplorare l’effetto dei cambiamenti di tensione e temperatura sull’aggregazione dei polimeri.
Abstract
La dispersione dinamica della luce (DLS) è un metodo comune per caratterizzare la distribuzione delle dimensioni di polimeri, proteine e altre nanoparticelle. La strumentazione moderna consente la misurazione delle dimensioni delle particelle in funzione del tempo e/o della temperatura, ma attualmente non esiste un metodo semplice per eseguire misurazioni di distribuzione delle dimensioni delle particelle DLS in presenza di tensione applicata. La capacità di eseguire tali misurazioni sarebbe utile nello sviluppo di polimeri elettroattivi e sensibili agli stimoli per applicazioni quali rilevamento, robotica morbida e stoccaggio dell’energia. Qui, viene presentata una tecnica che utilizza la tensione applicata accoppiata con DLS e una rampa di temperatura per osservare i cambiamenti nell’aggregazione e nelle dimensioni delle particelle nei polimeri termoresistenti con e senza monomeri elettroattivi. I cambiamenti nel comportamento di aggregazione osservati in questi esperimenti sono stati possibili solo attraverso l’applicazione combinata del controllo della tensione e della temperatura. Per ottenere questi risultati, un potentiostat è stato collegato a una cuvette modificata al fine di applicare la tensione a una soluzione. I cambiamenti nelle dimensioni delle particelle polimeriche sono stati monitorati utilizzando DLS in presenza di tensione costante. Allo stesso tempo, sono stati prodotti dati attuali, che potrebbero essere confrontati con i dati sulle dimensioni delle particelle, per comprendere la relazione tra il comportamento attuale e quello delle particelle. Il polimero polimeropolimero N-isopropylacrylamide (pNIPAM) è servito come polimero di prova per questa tecnica, poiché la risposta di pNIPAM alla temperatura è ben studiata. Cambiamenti nel comportamento di aggregazione della temperatura della soluzione meno critica (LCST) di pNIPAM e poly(N-isopropylacrylamide)-block-poly(ferrocenylmetilmethyl methacryla), un blocco-copolimero elettrochimicamente attivo, in presenza di tensione applicata sono osservati. Comprendere i meccanismi alla base di tali cambiamenti sarà importante quando si cerca di ottenere strutture polimeriche reversibili in presenza di tensione applicata.
Introduction
La dispersione dinamica della luce (DLS) è una tecnica per determinare le dimensioni delle particelle attraverso l’uso di cambiamenti casuali nell’intensità della luce diffusa attraverso la soluzione1. DLS è in grado di misurare l’aggregazione di polimeri determinando le dimensioni delle particelle. Per questo esperimento, DLS è stata accoppiata con variazioni di temperatura controllate per osservare quando un polimero aggrega, il che è indicativo di aver superato la temperatura della soluzione critica inferiore (LCST)2,3. Al di sotto del LCST, esiste una fase liquida omogenea; sopra il LCST, il polimero diventa meno solubile, aggrega e si condensa fuori soluzione. Una tensione applicata (cioè un campo potenziale applicato o elettrico) è stata introdotta in tutto il campo di dispersione per osservare gli effetti del campo elettrico sul comportamento di aggregazione e sul comportamento di aggregazione e sull’LCST. L’applicazione della tensione nelle misurazioni del dimensionamento delle particelle consente nuove informazioni sul comportamento delle particelle e sulle successive applicazioni nei campi dei sensori, dello stoccaggio dell’energia, dei sistemi di somministrazione di farmaci, della robotica morbida e di altri.
In questo protocollo sono stati utilizzati due polimeri di esempio. Poly(N-isopropylacrylamide), o pNIPAM, è un polimero sensibile termico, che contiene sia un gruppo amide idrofilo che un gruppo isopropile idrofobico sulla catena macromolecolare4,5. I materiali polimerici termoattivi come il pNIPAM sono stati ampiamente utilizzati nel rilascio controllato di farmaci, nella separazione biochimica e nei sensori chimici negli ultimi anni3,4. Il valore della letteratura LCST di pNIPAM è di circa 30-35 c4 . pNIPAM non è in genere elettrochimicamente attivo. Pertanto, come secondo polimero campione è stato aggiunto un blocco elettrochimicamente attivo al polimero. In particolare, il methaclacolo ferrocenylmetilmetilè è stato utilizzato per creare un blocco-copolimero a blocchiN-isopropillicacrine)-polymera blocchi (o p(NIPAM-b-FMMA)6,7. Entrambi i polimeri di esempio sono stati sintetizzati dalla polimerizzazione di trasferimento a catena di frammentazione ad aggiunta reversibile con lunghezza della catena controllata8,9,10. Il polimero non elettrochimicamente attivo, pNIPAM, è stato sintetizzato come 100 mer pNIPAM puro. Il polimero elettrochimicamente attivo, p(NIPAM-b-FMMA), era anche la lunghezza della catena di 100 mer, che contiene il 4% di methacrylato ferrocenylmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmetilmethyl (FMMA) e 96% NIPAM.
In questo articolo, viene dimostrato un protocollo e una metodologia per studiare l’effetto della tensione applicata sull’aggregazione polimerica. Questo metodo potrebbe anche essere esteso ad altre applicazioni di DLS, come l’analisi del ripiegamento/dispiegamento delle proteine, le interazioni proteina-proteina e l’agglomerazione di particelle caricate elettrostaticamente per citarne alcune. Il campione è stato riscaldato da 20 a 40 gradi centigradi per identificare l’LCST in assenza e presenza di un campo applicato a 1 V. Quindi, il campione è stato raffreddato da 40 a 20 gradi senza interrompere il campo applicato per studiare effetti isterici o di equilibrio.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’applicazione della tensione alle soluzioni pNIPAM o p(NIPAM-b-FMMA) ha modificato il comportamento di aggregazione dei polimeri in risposta alla temperatura. Con entrambi i materiali, quando era presente una tensione applicata, la dimensione del volume dei polimeri è rimasta elevata anche quando le soluzioni sono state raffreddate al di sotto del loro LCST. Questo è stato un risultato inaspettato, poiché le prove senza tensione hanno mostrato che i polimeri tornavano alle loro dimensioni originali. Questi e…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano riconoscere il sostegno finanziario di NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131) e dell’Hamel Center for Undergraduate Research presso UNH. Inoltre, gli autori desiderano riconoscere l’assistenza di Darcy Fournier per l’assistenza nel cablaggio e Scott Greenwood per l’accesso al 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 |
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