Application de la tension dans l'analyse dynamique de la taille des particules de diffusion de la lumière

Résumé

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.

Résumé

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 macromoléculaire^4,5. 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 années^3,4. 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 chaîne^8,9,10. 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.

Protocole

1. Exemple de préparations en polymère

1. synthèse de polymère pNIPAM
   REMARQUE : Cette préparation produit une solution de 10 ml de 1 g/L, ce qui est suffisant pour 3 à 4 expériences.
   1. Préparer l'appareil de ligne Schlenk. Assurez-vous que le flacon de dépôt de piège à froid est rempli d'une boue de glace sèche et d'acétone, ou si un piège à réfrigération mécanique est utilisé, assurez-vous que le piège a atteint une température appropriée.
   2. Dans un flacon à fond rond de 50 ml, ajouter 0,566 g de monomère N-isopropylacrylamide (NIPAM), 0,016 g d'agent réversible de transfert de chaîne de fragmentation d'addition (RAFT) agent (phthalimidomethyl butyl trithiocarbonate), 0.0008 g de 2,2-azobis(2-methylpropionitrile) (AIBN) et 10 mL de 1,4-dioxane. Mettre une barre d'agitation dans le flacon. Scellez le flacon avec un septum en caoutchouc, enveloppez-le de ruban adhésif et dissolchez les monomères en 1,4-dioxane.
   3. Effectuer le dégazage de la pompe à froid-dégel comme suit : Congelez la solution en immerger le flacon à fond rond dans un flacon Dewar contenant une boue de glace sèche et de méthanol. Une fois que tout le matériel est congelé, utilisez le collecteur de vide de la ligne Schlenk pour évacuer le flacon à une pression interne sous 100 kPa. Isoler le flacon et décongeler sous vide statique, à l'aide d'eau chaude. Remettre le flacon à la pression atmosphérique à l'aide du collecteur d'azote de la ligne Schlenk.
   4. Répétez l'étape 1.1.3 trois fois pour minimiser la concentration interne en oxygène.
   5. Sparge la solution avec de l'azote pour équilibrer la pression à l'atmosphère. Chauffer le mélange à 85 oC à l'aide d'un bain d'huile et remuer à 200 tr/min pendant 36 h.
   6. À un bécher de 50 ml, ajouter 40 ml d'hexane. Ensuite, ajoutez le mélange de polymère à l'hexane goutte à vue. Le pNIPAM devrait se précipiter comme floccule blanc.
      REMARQUE : Le monomère de NIPAM est soluble dans l'hexane, mais pNIPAM a une solubilité pauvre dans l'hexane.
   7. Verser le mélange nuageux dans un entonnoir de La ville pour recueillir la poudre de pNIPAM blanche. Transférer la poudre dans une flacon de 20 ml et la mettre dans un four à vide pendant la nuit pour enlever les restes de solvant. Conserver dans un contenant scellé à température ambiante jusqu'à ce que nécessaire.
2. pNIPAM-bloc-poly (ferrocenylmethyl methacrylate) block-copolymer (p(NIPAM-b-FMMA)) synthèse
   REMARQUE : Cette préparation produit une solution de 10 ml de 1 g/L, ce qui est suffisant pour 3 à 4 expériences.
   1. Préparer l'appareil de ligne Schlenk. Assurez-vous que le flacon de dépôt de piège à froid est rempli d'une boue de glace sèche et d'acétone, ou si un piège à réfrigération mécanique est utilisé, assurez-vous que le piège a atteint une température appropriée.
   2. Dans un flacon à fond rond de 50 ml, ajouter 0,057 g de monomère de méthacrylate de ferrocenylméthyle (FMMA), 0,016 g d'agent RAFT, 0,0008 g d'AIBN et 10 ml de 1,4 dioxane. Mettre une barre d'agitation dans le flacon. Scellez le flacon avec un septum en caoutchouc, enveloppez-le de ruban adhésif et dissolchez les monomères en 1,4-dioxane.
   3. Effectuer le dégazage de la pompe à froid-dégel comme suit : Congelez la solution en immerger le flacon à fond rond dans un flacon Dewar contenant une boue de glace sèche et de méthanol. Une fois que tout le matériel est congelé, utilisez le collecteur de vide de la ligne Schlenk pour évacuer le flacon à une pression interne sous 100 kPa. Isoler le flacon et décongeler sous vide statique, à l'aide d'eau chaude. Remettre le flacon à la pression atmosphérique à l'aide du collecteur d'azote de la ligne Schlenk.
   4. Répétez l'étape 1.2.3 trois fois pour minimiser la concentration interne en oxygène.
   5. Sparge la solution avec de l'azote pour équilibrer la pression à l'atmosphère. Chauffer le mélange à 85 oC à l'aide d'un bain d'huile et remuer pendant 10 h.
   6. Dissoudre 0,543 g de NIPAM et 0,0002 g d'AIBN en 3 ml de 1,4-dioxane. Ajouter la solution dans le flacon sous l'azote et sparge pendant 30 min. Chauffer le mélange à 85 oC à l'aide d'un bain d'huile et remuer à 200 tr/min pendant 36 h.
   7. Ajouter 40 ml d'hexane à un bécher de 50 ml. Ensuite, ajoutez le mélange de polymère à l'hexane goutte à vue. Le p(NIPAM-b-FMMA) devrait se précipiter comme poudre brune parce que le monomère FMMA a une couleur jaune foncé.
      REMARQUE : Les monomères NIPAM et FMMA sont solubles dans l'hexane, mais p(NIPAM-b-FMMA) a une faible solubilité en hexane.
   8. Verser le mélange nuageux jaune dans un entonnoir deLa ville pour recueillir la poudre brune p (NIPAM-b -FMMA). Transférer la poudre dans une flacon de 20 ml et la mettre au four sous vide pendant la nuit pour enlever les restes de solvant. Conserver dans un contenant scellé à température ambiante jusqu'à ce que nécessaire.

2. Préparation de l'échantillon d'échantillons et de cuvette

REMARQUE : Cette section prépare la cuvette pour la tension appliquée et l'échantillon pour des mesures de DLS.

1. Mesurez 10 mg de poudre de polymère et dissoutez-le dans 10 ml d'eau déionisée filtrée (DI). Mettre le mélange au réfrigérateur toute la nuit. Lorsque vous êtes prêt à commencer l'expérience, gardez l'échantillon sur la glace.
   REMARQUE : La concentration de polymères utilisée dans ces expériences était de 1 g/L, mais la plage optimale de concentrations pour chaque échantillon sera unique. En outre, la meilleure pratique est de garder le polymère en dessous du LCST jusqu'à ce qu'il soit prêt pour l'essai.
2. Couper deux morceaux de ruban de cuivre unilatéral de 6,3 mm x 7 cm(figure 1). Utilisez des pinces à épiler pour coller chaque morceau sur les côtés opposés de l'intérieur de la cuvette échantillon DLS, perpendiculaire à la voie de lumière. Le fond de la bande doit atteindre près du fond de la cuvette. Pliez les bords du ruban de cuivre sur le dessus de la cuvette. Assurez-vous que le ruban de cuivre est près/enveloppé sur le dessus de la cuvette d'échantillon pour assurer un bon contact électrique. Assurez-vous également que le ruban de cuivre ne se connecte pas avec les contacts métalliques associés à l'équipement DLS utilisé pour les mesures potentielles Zeta.
3. Laver la cuvette avec de l'eau DI trois fois, puis tamponner l'excès d'eau avec un Kimwipe.

3. Contrôles et configuration des instruments DLS

REMARQUE : Trois contrôles sont recommandés avant d'exécuter chaque expérience DLS : (1) solution d'eau vide ; (2) une norme de taille; (3) mesure du polymère avant le début d'une rampe de température ou d'une tension appliquée. Veuillez consulter le manuel de l'instrument avant l'opération pour obtenir des conseils sur la préparation d'un échantillon, le choix des paramètres et l'évaluation de la qualité de l'échantillon et des données.

1. Transférer 1,5 ml de solvant filtré dans la cuvette. Utilisez de l'eau DI.
2. Insérez la cuvette au porte-cuvette, en veillant à ce que la petite flèche sur le dessus de la cuvette soit alignée avec le porte-cuvette. Fermez le couvercle.
3. Dans le logiciel Zetasizer, sélectionnez Mesure sur la barre d'outils. Des mesures manuelles ont été installées pour les commandes. Définir la température au point de départ expérimental. Sélectionnez 20 oC pour cette expérience.
4. Une fois que le texte au bas de la fenêtre dit, Insérer la cellule et appuyez sur démarrer lorsqu'ilest prêt, appuyez sur le bouton de démarrage triangle vert en haut de l'écran. Cela commence l'expérience, et le support de cuvette ne doit pas être ouvert après cela.
5. Cliquez sur l'onglet Multi-view pour observer les résultats en temps réel. Surveillez en permanence la qualité de l'échantillon et des données en observant le taux de comptage et la fonction de corrélation. Étant donné que cet échantillon n'est que solvable, aucun signal clair correspondant à la présence de particules ne doit être observé.
6. Ajouter deux gouttes d'une solution standard à la cuvette ou tout simplement utiliser le contrôle de l'eau, et répéter les étapes 3.2-3.6. Utilisez une norme de taille en polystyrène nIST de 20 nm pour cette expérience.
   REMARQUE : Si le contrôle de l'eau ou de la solution standard s'exécute affiche des données incompatibles avec les résultats attendus, dépannez l'erreur et répétez jusqu'à ce que les commandes lisent comme prévu.
7. Rincer la cuvette et ajouter la solution polymère/test filtrée. Répétez les étapes 3.2-3.5. Une mesure claire de la solution d'essai initiale doit être observée. Il est recommandé de le faire avant toute rampe de température ou de tension appliquée pour une mesure de base.

4. DLS SOP mis en place

REMARQUE : Cette section fait spécifiquement référence au fonctionnement de la montée en puissance de la température d'un instrument Malvern Zetasizer NanoZS DLS. Avant de commencer les expériences, il est fortement recommandé de consulter le manuel de l'instrument de manière approfondie pour obtenir des conseils sur la sélection d'une cellule, la préparation d'un échantillon, le choix des paramètres de mesure et l'évaluation de la qualité de l'échantillon et des données.

1. Dans le logiciel Zetasizer (version 7.11), choisissez Fichier, puis cliquez sur Nouveau pour configurer un nouveau SOP (Figure 2).
2. Cliquez sur le type de mesure pour sélectionner La tendance 'gt; Température 'gt; Taille.
3. Dans Matériel, choisissez le matériel approprié et l'indice de réfraction. Choisissez Protein et l'indice de réfraction (RI) de 1.450 pour cette expérience. Si l'on souhaite des valeurs exactes pour l'indice de réfraction pour un calcul plus précis de la distribution du volume, l'expérimentateur doit déterminer l'indice de réfraction de son échantillon expérimentalement.
4. Dans Dispersant, choisissez le solvant approprié. Choisissez l'eau comme solvant dans cette expérience.
5. Dans Cell, choisissez la cuvette utilisée. Utilisez des cuvettes jetables (DTS0012) pour cette expérience.
6. Dans Séquence, définir la température de départ et la température de fin. Pour les expériences de chauffage, fixez la température de départ à 20 oC et fixez la température de fin à 40 oC. Pour les expériences de refroidissement, choisissez le contraire. Décochez la boîte de température de retour au point de départ.
7. Sélectionnez un intervalle pour chaque changement d'étape de température. Pour ces expériences, sélectionnez 1,5 oC.
8. Dans la mesure de taille, définir le temps d'équilibre . Pour ces expériences, définir la durée à 120 s. Choisissez le nombre de mesures. Choisissez 3 mesures et automatique pour la durée de mesure.
9. Enregistrer SOP, puis fermer le fichier.
10. Si la tension appliquée doit être utilisée, configurez le potentiostat (Section 5) avant de continuer.
11. Une fois que le potentiostat est mis en place, ou si la tension appliquée n'est pas utilisée, revenir au logiciel Zetasizer et cliquez sur Mesure sur la barre d'outils, puis cliquez sur Démarrer SOP.
12. Une fois que le texte au bas de la fenêtre SOP dit, Insérer la cellule et appuyez sur démarrer lorsqu'ilest prêt, appuyez sur le bouton de démarrage triangle vert en haut de l'écran. Cela commence l'expérience, et le support de cuvette ne doit pas être ouvert après cela.
13. Cliquez sur l'onglet Multi-view pour observer les résultats en temps réel. Surveillez en permanence la qualité de l'échantillon et des données en observant le taux de comptage et la fonction de corrélation. Voir Figures 3-5 pour les résultats expérimentaux représentatifs.

5. Configuration De Potentiostat

REMARQUE : Il est recommandé d'utiliser le même ordinateur pour la taille des particules et les opérations de tension appliquéepour synchroniser les données dans le temps, ce qui facilitera l'évaluation ultérieure. Veuillez consulter les manuels d'instruments à tension appliquée pour obtenir des conseils sur la mise en place du câblage, la consultation logicielle et le choix des paramètres appropriés. Un potentiostat Gamry a été utilisé dans ces expériences.

1. Préparer deux fils qui sont assez minces pour s'adapter à travers la petite crevasse sur le bord supérieur droit de la zone porteuse de cuvette DLS (figure 6). À une extrémité du fil préparé, enlever l'isolant pour permettre une connexion au potentiostat. À l'autre extrémité, souder une courte pince d'alligator au fil et se connecter à la cuvette. Assurez-vous que le couvercle de l'échantillon DLS est fermé.
2. Clamp le plomb de référence blanc potentiostat et le puissantiostat compteur rouge conduire ensemble à l'un des fils préparés. Clamp le plomb vert de potentiostat de travail et le potentiostat de sens de travail bleu mènent à l'autre fil préparé. Pour cette expérience, n'utilisez pas le contre-sens orange et le potentiostat noir du sol et laissez-les flotter. Pour s'assurer que le circuit ne court pas, ces fils ne doivent pas toucher d'autres fils ou surface conductrice.
   REMARQUE : Peu importe de quel côté chaque plomb est connecté.
3. Dans la barre d'outils logicielle, cliquez sur Expérience, puis cliquez sur l'option E Physical Electrochemistry, et sélectionnez Chronoamperometry. Aux fins de ce protocole, utilisez une tension appliquée simple en appliquant une seule tension avec la réponse de courant mesurée au fil du temps (c.-à-d., chronoamperometry). Indépendamment de la méthodologie électrochimique spécifique, il est recommandé de surveiller la réponse du système au fil du temps.
   1. Définir Pre-step, Étape 1, et étape 2 Voltage vs Référence. Ce sera la tension appliquée sur l'ensemble du champ / cuvette. Définir Voltage à 1 V vs Référence pour les trois étapes.
   2. Définir le délai d'étape pré-étape. Pour ces expériences, réglé à 0,5 s pour s'assurer que le système est stable à la tension désirée avant d'enregistrer un signal.
   3. Définir l'heure pour les deux étape 1 Temps et Étape 2 Temps. Cela permet de contrôler la durée d'application de la tension. Définir les deux à 14.400 s pour s'assurer que la tension appliquée se poursuivra tout au long de l'expérience DLS.
   4. Définir la période d'échantillonnage. C'est la fréquence à laquelle le graphique lira et enregistrera les valeurs de courant et de tension. Utilisez 10.0 s dans cette expérience.
      REMARQUE : Les autres paramètres ne sont pas significatifs pour les données présentées ici. Les valeurs par défaut dans le système ont été utilisées.
4. Cliquez OK. La barre d'outils supérieure affichera un signe actif, indiquant que la tension est appliquée. Le courant doit donner une réponse modérée (A), et ne pas surcharger le potentiostat. Si aucun signal ou signal excessif n'est observé, le système peut être connecté incorrectement, et donc, dépanner l'erreur et répéter jusqu'à ce que le courant prévu soit observé.
5. Retour à l'étape 4.10 pour démarrer le DLS SOP.

6. Analyse des données

REMARQUE : Cette section détaille l'analyse préliminaire pour comprendre les données obtenues.

1. Importer des données dans des logiciels privilégiés d'analyse et de graphique de données.
2. Pour chaque exécution dans un ensemble de mesures à une température donnée, déterminez la taille du volume de particules du pic avec le plus grand pourcentage de volume.
3. Calculer l'écart moyen et standard de la taille du volume par rapport aux trois mesures enregistrées à une température donnée.
4. Pour chaque expérience, tracer la taille moyenne de l'axe (échelle de journal) par rapport à la température sur l'axe X (échelle linéaire).
5. Importer les données actuelles de Gamry pour analyse. Tracer les données actuelles avec le temps sur l'axe X et le courant (en microamps) sur l'axe y.
6. Afin de relier les données actuelles aux données de taille des particules, comparez l'horodatage des données Zetasizer au timetamp actuel de Gamry. Cela est possible si les deux types de données sont collectés à partir d'un même ordinateur. Sinon, correspondz aux temps enregistrés du mieux que possible.

Résultats

La sortie de fichier en temps réel de chaque course dans la rampe de température est présentée comme un tableau, comme on le voit dans la figure 3. Chaque enregistrement peut être choisi indépendamment pour voir la taille du volume (figure 4) et le coefficient de corrélation (figure 5). La distribution de la taille des particules de volume (DSP) est la donnée la plus précise pour interpréter la distr...

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 permettent de conclure que p...

Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article

Nom	Entreprise	Numéro de catalogue	Commentaires
N-Isopropylacrylamide	Tokyo Chemical Industry CO., LTD	I0401-500G
1,4-dioxane	Alfa Aesar	39118
2,2"-Azobis(2-méthylpropionitrile)	SIGMA-ALDRICH	441090-100G
Cuvette	Malvern	DTS0012
Diffusion dynamique de la lumière	Malvern	Zetasizer NanoZS
Méthacrylate de ferrocényle de méthyle	ASTATECH	FD13136-1G
Phthalimidométhyl butyl trithiocarbonate	SIGMA-ALDRICH	777072-1G
Potentiostat	Gamry	Référence 600