Determinación de la temperatura micelar crítica mediante dispersión de luz dinámica multiangular (MADLS)

Introducción

La dispersión de luz dinámica (DLS) ha sido ampliamente investigada como herramienta para la caracterización de micelas, no solo en términos de tamaño y estabilidad, sino también para determinar la concentración micelar crítica (CMC) y la temperatura micelar crítica (CMT)1-3. Como función de temperatura para los fines de este estudio, el agregado de unímeros genera un aumento en la intensidad de la dispersión, debido a la dispersión sustancial de más fotones que generan las partículas de mayor tamaño. Es sabido que para que las técnicas de dispersión de luz alcancen resultados confiables en la determinación de CMC y CMT, se necesitan tiempos de correlación extensos, que insumen mucho esfuerzo y descartan a esta técnica como primaria. Esta nota de aplicación propone emplear DLS conjuntamente con otras técnicas para determinar la CMT de manera altamente reproducible y en el menor tiempo posible. Para comprender más sobre este tema y cómo utilizar Zetasizer Nano para la determinación de CMC, consulte la Ref. [1].

Procedimiento del ensayo

Todas las mediciones descriptas en esta nota de aplicación fueron realizadas con Zetasizer Ultra de Malvern Panalytical.

El surfactante utilizado fue Pluronics F-68 (poloxamero 188, Sigma), un copolímero de tres bloques compuesto de óxido de polietileno (PEO) y óxido de polipropileno (PPO) con una estructura general de PEO-PPO-PEO. Este polímero fue seleccionado por alcanzar la transición de unímero a micela a temperaturas relativamente altas, por lo que se prestaba para el análisis de CMT mediante DLS. Para la determinación de CMT, se monitoreó la tasa de recuento derivado a un ángulo de retrodispersión de detección con incrementos de 1ºC entre 40ºC y 70ºC. Se utilizó Correlación Adaptativa para reducir el efecto de eventos transitorios (sustancias contaminantes, partículas de polvo y agregados) en el resultado final, y para facilitar una determinación más sensible del punto de transición de unímero a micela. Se analizaron 5 concentraciones diferentes, entre 1,25 mg/ml y 20 mg/ml, a fin de evaluar el efecto de la concentración sobre CMT. Además, se efectuó una medición de dispersión de luz dinámica multiangular (detectores posteriores, laterales y frontales) para resolver la etapa de transición, que requiere mayor resolución para el análisis del tamaño, cuyos resultados se informaron en gráficos de distribución ponderada por intensidad. Cada punto de temperatura se realizó por triplicado.

Resultados

En primer lugar, se analizó una solución de 10 mg/ml de F-68 en agua, con el Zetasizer Ultra, a distintos puntos de temperatura. Teniendo en cuenta el comportamiento conocido de F-68 en cuanto a la formación de micelas a temperaturas más altas, era de esperar que la tasa de recuento derivado (la tasa de recuento obtenida considerando el factor de atenuación utilizado), mostrara un punto de inflexión en la temperatura a la que comenzaban a formarse las micelas. Esto se acentuaría aún más debido a que las partículas más grandes generan una dispersión de mayor cantidad de fotones según la teoría de Rayleigh de intensidad = diámetro6, para dispersores de Rayleigh (dh < 1/10 λlaser).

El efecto en el recuento derivado fue sustancial y el punto de inflexión (o CMT) pudo discernirse con facilidad en la intersección entre las dos líneas, como se observa en la Figura 1. Para el rango inicial de temperatura, de 40°C a 51°C, la tasa de recuento no varió significativamente, por lo tanto, se aplicó una línea recta en los puntos de datos. Por el contrario, desde los 52°C en adelante se observó un rápido aumento en el número de fotones detectados, y se aplicó un polinomio de 3er grado a este segmento de puntos de datos, dado que mostraba el mayor valor del coeficiente de correlación (R2 = 0.9989). Luego, fue posible identificar CMT como la temperatura en la cual se cruzan las dos líneas, 52 °C.
Figura 1 – Tasa de recuento derivado para la muestra F-68 (10 mg/ml) a diferentes temperaturas, con punto de inflexión a 52 °C aproximadamente, temperatura a la cual comienzan a formarse las micelas (CMT). Este análisis se realizó por triplicado.

Se pudo observar que, a mayor concentración, CMT disminuyó varios grados centígrados (Figura 2). Esto se atribuye a la menor hidratación que se produce a mayor concentración y, así, a mayor temperatura, mayor la hidrofobicidad de las moléculas de polímero.

Figura 2 – Dependencia de la concentración de CMT para F-68. [Ref. Eje y: Temperatura (°C); eje x: Concentración (mg/ml)]

Estas muestras también se analizaron en paralelo mediante un instrumento de calorimetría diferencial de barrido (DSC). Cada punto de CMT obtenido con DLS mostró una variación promedio de 0,5°C comparado con los obtenidos por DSC, lo que muestra la viabilidad del método aquí descripto.

Es sabido que la técnica de dispersión de luz dinámica produce resultados de baja resolución, en especial ante la presencia de modos de tamaño similar. La funcionalidad de dispersión de luz dinámica multiangular (MADLS) del sistema Zetasizer Ultra, permite determinar el tamaño de las muestras multimodales a mayor resolución, dado que utiliza tres ángulos diferentes (detección de retrodispersión, lateral y frontal) y combina la información obtenida en un gráfico de distribución de tamaño. Esto permite una mejor distribución del tamaño en CMT, en donde se encuentran presentes tanto unímeros como micelas, como lo muestra la Figura 3. Además, al analizar individualmente cada ángulo, no fue posible discriminar los modos para unímero y micela, lo que confirma que el análisis con MADLS ofrece un resultado de mayor resolución (Figura 4).

Figura 3 – Resultado de la dispersión de luz dinámica multiangular (MA Figura 3 – Resultado de la dispersión de luz dinámica multiangular (MADLS) para la muestra F-68 (10 mg/ml) a diferentes temperaturas, que exhibe la transición de unímeros a micelas.

Figura 4 – Comparación entre el resultado de MADLS (a) y las 3 mediciones individuales de ángulo (b) para F-68 (10 mg/ml) a 53°C (superior a CMT; los colores rojo, verde y azul representan los ángulos de detección de retrodispersión, lateral y frontal, respectivamente).

 

Conclusiones

Esta nota de aplicación ha demostrado que Zetasizer Ultra puede utilizarse para determinar la temperatura micelar crítica de los surfactantes Pluronic. A diferencia de estudios anteriores sobre dispersión de luz, el sistema Zetasizer Ultra puede disminuir significativamente el tiempo de medición y simplificar el procedimiento del ensayo. No requiere varios filtrados de muestra ni prolongados tiempos de recolección de datos. Más aún, las mediciones MADLS permiten realizar gráficos de mayor resolución para la distribución del tamaño, lo que posibilita un mejor monitoreo de la transición entre micelas y unímeros.

 

Referencias

  1. Alexandridis, P. & Alan Hatton, T. Poly(ethylene oxide) poly(propylene oxide) poly(ethylene oxide) block copolymer surfactants in aqueous solutions and at interfaces: thermodynamics, structure, dynamics, and modeling. Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp. 96, 1–46 (1995).
  2. Gaucher, G. y colegas Block copolymer micelles: Preparation, characterization andapplication in drug delivery. J. Control. Versión 109, 169–188 (2005).
  3. Yeon, C., Lee, I., Kim, G. H. & Yun, S. J. Unimer-Assisted Exfoliation for HighlyConcentrated Aqueous Dispersion Solutions of Single- and Few-Layered van der Waals Materials. Langmuir 33, 1217–1226 (2017).
  4. Zhou, Z. K. & Chu, B. Light-Scattering Study on the Association Behavior of Triblock Polymers of Ethylene-Oxide and Propylene-Oxide in Aqueous-Solution. J. Colloid Interface Sci. 126, 171-180 (1988).
  5. Matsuoka, H., Moriya, S. & Yusa, S. ichi. Fundamental properties, self- assembling behavior, and their temperature and salt responsivity of ionic amphiphilic diblock copolymer having poly(N-isopropylacrylamide) in aqueous solution. Colloid Polym. Sci. 296, 77–88 (2018)