Name: application of voltage in dynamic light scattering particle size analysis
Uploaded: 2020-01-24T13:00:00
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Los autores desean reconocer el apoyo financiero de NSF (CBET 1638893), (CBET 1638896), NIH (P20 GM113131) y el Centro Hamel de Investigación de Grado de la UNH. Además, los autores desean reconocer la asistencia de Darcy Fournier para la asistencia en el cableado y Scott Greenwood para el acceso a la DLS.

1. Ejemplo de preparaciones de polímeros
<ol><li>Síntesis de polímeros pNIPAM NOTA: Esta preparación produce 10 ml de solución de 1 g/L, lo que es suficiente para 3-4 experimentos.<ol>
<li>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.</li>
		<li>En un matraz de fondo redondo ...

<ol>
	<li>Xu, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Particuology+Light+scattering+:+A+review+of+particle+characterization+applications.">Particuology Light scattering : A review of particle characterization applications.</a> Particuology. 18, 11-21 (2015).</li><li>Szczubia&#322;ka, K., Nowakowska, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Response+of+micelles+formed+by+smart+terpolymers+to+stimuli+studied+by+dynamic+light+scattering.">Response of micelles formed by smart terpolymers to stimuli studied by dynamic light scattering.</a> Polymer. 44 (18), 5269-5274 (2003).</li><li>Kotsuchibashi, Y., Ebara, M., Aoyagi, T., Narain, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+Advances+in+Dual+Temperature+Responsive+Block+Copolymers+and+Their+Potential+as+Biomedical+Applications.">Recent Advances in Dual Temperature Responsive Block Copolymers and Their Potential as Biomedical Applications.</a> Polymers. 8, 380 (2016).</li><li>Lanzalaco, S., Armelin, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Poly(N-isopropylacrylamide)+and+Copolymers:+A+Review+on+Recent+Progresses+in+Biomedical+Applications.">Poly(N-isopropylacrylamide) and Copolymers: A Review on Recent Progresses in Biomedical Applications.</a> Gels. 3, 36 (2017).</li><li>Lessard, D. G., Ousalem, M., Zhu, X. X., Eisenberg, A., Carreau, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Study+of+the+phase+transition+of+poly(N,N-diethylacrylamide)+in+water+by+rheology+and+dynamic+light+scattering.">Study of the phase transition of poly(N,N-diethylacrylamide) in water by rheology and dynamic light scattering.</a> Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 41, 1627-1637 (2003).</li><li>Garner, B. W., Cai, T., Hu, Z., Neogi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electric+field+enhanced+photoluminescence+of+CdTe+quantum+dots+encapsulated+in+poly+(N-isopropylacrylamide)+nano-spheres.">Electric field enhanced photoluminescence of CdTe quantum dots encapsulated in poly (N-isopropylacrylamide) nano-spheres.</a> Optics express. 16, 19410-19418 (2008).</li><li>Gallei, M., Schmidt, B. V. K. J., Klein, R., Rehahn, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Defined+Poly[styrene-+block+-(ferrocenylmethyl+methacrylate)]+Diblock+Copolymers+via+Living+Anionic+Polymerization.">Defined Poly[styrene- block -(ferrocenylmethyl methacrylate)] Diblock Copolymers via Living Anionic Polymerization.</a> Macromolecular Rapid Communications. 30, 1463-1469 (2009).</li><li>Grenier, C., Timberman, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+Affinity+Binding+by+a+Fluorescein+Templated+Copolymer+Combining+Covalent,+Hydrophobic,+and+Acid-Base+Noncovalent+Crosslinks.">High Affinity Binding by a Fluorescein Templated Copolymer Combining Covalent, Hydrophobic, and Acid-Base Noncovalent Crosslinks.</a> Sensors. 18, 1330 (2018).</li><li>Chiefari, J., Chong, Y. K. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Living+Free-Radical+Polymerization+by+Reversible+Addition&#8722;Fragmentation+Chain+Transfer:+The+RAFT+Process.">Living Free-Radical Polymerization by Reversible Addition&#8722;Fragmentation Chain Transfer: The RAFT Process.</a> Macromolecules. 31, 5559-5562 (1998).</li><li>Perrier, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=50th+Anniversary+Perspective+:+RAFT+Polymerization-A+User+Guide.">50th Anniversary Perspective : RAFT Polymerization-A User Guide.</a> Macromolecules. 50, 7433-7447 (2017).</li></ol>

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...

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 solución1. 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 macromolecular4,5. 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 años3,4. 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 controlada8,9,10. 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.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>N-Isopropylacrylamide</td>
			<td>Tokyo Chemical Industry CO., LTD</td>
			<td>I0401-500G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1,4-Dioxane</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>39118</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2,2&#34;-Azobis(2-methylpropionitrile)</td>
			<td>SIGMA-ALDRICH</td>
			<td>441090-100G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cuvette</td>
			<td>Malvern</td>
			<td>DTS0012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dynamic Light Scattering</td>
			<td>Malvern</td>
			<td>Zetasizer NanoZS</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ferrocenylmethyl methacrylate</td>
			<td>ASTATECH</td>
			<td>FD13136-1G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Phthalimidomethyl butyl trithiocarbonate</td>
			<td>SIGMA-ALDRICH</td>
			<td>777072-1G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potentiostat</td>
			<td>Gamry</td>
			<td>Reference 600</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

application of voltage in dynamic light scattering particle size analysis

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.

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 ...

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Application of Voltage in Dynamic Light Scattering Particle Size Analysis

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.

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

Dynamic light scattering (DLS) is a common method for characterizing the size distribution of polymers, proteins, and other nano- and microparticles. ...

Nuestro protocolo investiga los cambios en los polímeros sensibles a los estímulos que se utilizan en sensores electroquímicos bajo un voltaje aplicado en solución y permite observar influencias en polímeros sensibles a estímulos. Las ventajas de esta tecnología son que es simple y se puede utilizar para observar la dinámica de poli-NIPAM con voltaje aplicado. El análisis de polímeros y partículas bajo un voltaje aplicado tiene aplicaciones en sensores, robótica blanda y almacenamiento de energía.Los nuevos aprendices deben tener cuidado de preparar la muestra cuidadosamente y evitar la burbuja de aire con la cubeta para una adquisición óptima de datos. Es fácil ser descuidado con técnicas analíticas sencillas, así que tenga cuidado, ya que pequeños cambios en el protocolo podrían conducir a datos variables. Para preparar muestras para el análisis de DLS, disolver 10 miligramos de polvo de polímero en 10 mililitros de agua desionizada filtrada y almacenar la mezcla a cuatro grados Celsius durante la noche.Para preparar la cubeta DLS, corte dos piezas de 6,3 milímetros por 7 centímetros de cinta de cobre de un solo lado y utilice pinzas para pegar cada pieza de cinta a lados opuestos del interior de una cubeta de muestra DLS perpendicular a la trayectoria de luz con la parte inferior de la cinta cerca de la parte inferior de la cubeta. Doble los bordes de la cinta de cobre sobre la parte superior de la cubeta asegurándose de que la cinta de cobre esté cerca de la parte superior de la cubeta para garantizar un buen contacto eléctrico. A continuación, lave la cubeta tres veces con agua desionizada eliminando el exceso de agua con una toallita de laboratorio después del último lavado.Para configurar los controles del instrumento DLS, a la mañana siguiente, agregue 1,5 mililitros de agua desionizada a la cubeta preparada y agregue dos gotas de una solución estándar a la cubeta. Inserte la cubeta en el soporte de la cubeta teniendo cuidado de que la pequeña flecha en la parte superior de la cubeta esté alineada con el soporte de la cubeta y cierre la tapa. Seleccione medir en el software del instrumento y ajuste la temperatura al punto de partida experimental.Después de la medición, enjuague la cubeta y filtre la solución de prueba de polímero preparada en la cubeta. A continuación, cargue y mida la cubeta como se acaba de demostrar. Se debe observar una medición clara de la solución de ensayo inicial.Para configurar el protocolo de medición DLS, en el software de instrumentos, seleccione file y new para configurar un nuevo procedimiento operativo estándar y haga clic en el tipo de medición para seleccionar la tendencia, la temperatura y el tamaño. En material, seleccione el material y el índice de refracción adecuados. En dispersante, seleccione el disolvente adecuado.En secuencia, ajuste la temperatura de inicio y la temperatura final para los experimentos de calentamiento y refrigeración. A continuación, desactive la casilla volver a la temperatura inicial. Seleccione un intervalo para cada cambio de paso de temperatura y, en la medición de tamaño, establezca el tiempo de equilibrio.Seleccione tres mediciones en automático para la duración de la medición. A continuación, guarde el protocolo y cierre el archivo. Si se va a utilizar la tensión aplicada, seleccione dos cables que sean lo suficientemente delgados como para caber a través de la pequeña grieta en el borde superior derecho del área del soporte de la cubeta DLS.Retire el aislamiento de un extremo de un cable para facilitar la conexión al potenciostato. En el extremo opuesto del mismo cable, solde una abrazadera corta del aligator al alambre y conecte la abrazadera a la cubeta. Sujete el cable potenciostato de referencia blanca y el contra potencióstato rojo conduce a uno de los cables preparados y sujete el cable potenciostato de trabajo verde y el potenciostato de sentido de trabajo azul conducen al otro cable preparado.Deje el contraomante naranja y los potenciostatos de tierra negra flotando sin tocar ningún otro equipo o material. En la barra de herramientas del software Gamry, haga clic en experimento y electroquímica física E y seleccione cronoamperometría. Establezca el pre-paso, paso uno y paso dos voltaje frente a la referencia a la tensión aplicada en todo el campo de la cubeta.Ajuste el voltaje a un voltio frente a la referencia para los tres pasos. Establezca el paso una vez y el paso dos veces para controlar cuánto tiempo se aplicará el voltaje y establezca el período de muestra para seleccionar la frecuencia con la que el gráfico leerá y registrará los valores de corriente y voltaje. Haga clic en Aceptar. Se mostrará un signo activo que indica que se está aplicando la tensión.En el software Malvern DLS, haga clic en medir y haga clic en iniciar SOP. Cuando el texto en la parte inferior de la ventana de protocolo operativo estándar lea la celda de inserción y pulse Start cuando esté listo, haga clic en el botón de inicio para iniciar el experimento. Cada salida de archivo en tiempo real de cada ejecución en la rampa de temperatura se puede seleccionar de forma independiente para ver el tamaño del volumen y el coeficiente de correlación.Los gráficos de correlación que tienen una curva generalmente suave se consideran de buena calidad, mientras que los gráficos no suaves o los datos de baja calidad deben considerarse como excluyentes del análisis. Como se observó, el poli-NIPAM exhibe un LCST a 30 grados celsius, una temperatura cercana a los valores descritos en la literatura. Sin voltaje, poly-NIPAM es capaz de agregar y desagregar dentro del rango de temperatura probado volviendo a su tamaño original y demostrando la reversibilidad esperada.Con el voltaje, el poli-NIPAM cambia de ser soluble a agregar a un tamaño de 2.000 nanómetros y luego se reduce a un tamaño de alrededor de 1.000 nanómetros durante el enfriamiento, sin volver nunca al estado soluble original. Aquí, se muestran los datos actuales de poly-NIPAM con los experimentos de voltaje y calefacción y refrigeración aplicados correspondientes a datos anteriores. Para este experimento, 26 grados Celsius fue un punto de transición clave de poli-NIPAM en el que se observó un cambio de fase con DLS.A 40 grados Celsius, la temperatura máxima en la medición se logró antes del ciclo de enfriamiento. Si la corriente no se supervisa cuidadosamente, los datos pueden ser mal interpretados y potencialmente malinterpretados. Por ejemplo, en este análisis, el voltaje sólo se aplicó aleatoriamente y esporádicamente resultando en una tendencia más similar a la condición de no tensión.El estándar es un indicador útil de la configuración y calidad de los datos. Los resultados estándar limpios muestran que el experimento se puede completar con una mayor probabilidad de éxito. Los investigadores pueden utilizar este procedimiento para probar el comportamiento de agregación de polímeros u otros polímeros con capacidad electroquímica con voltaje aplicado.Actualmente estamos investigando por qué el cambio LCST y por qué se produce el comportamiento de agregación irreversible. Esperamos que esta pregunta científica proporcione una mayor visión del comportamiento de LCST.

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