Polieletrólitos são cadeias poliméricas com um grupo eletrólito em cada unidade de repetição. Esses polímeros adquirem carga quando dissolvidos em um solvente polar devido à dissociação de pequenos contraíons, que deixam para trás um macroíon carregado. Além dos polímeros sintéticos, tema desta nota, os polieletrólitos incluem moléculas biologicamente importantes, como polipeptídeos e DNA.
A carga em um polieletrólito é função das condições da solução. Ao contrário do que ocorre com eletrólitos simples, nem todos os contraíons se dissociam de um polieletrólito. À medida que a magnitude da carga na cadeia aumenta, torna-se progressivamente mais difícil remover o próximo íon. Esse fenômeno é conhecido como condensação de contraíons.
Figura 1: Ilustração da estrutura do PEI ramificado. Os grupos NH conferem ao polímero uma carga que é manipulada, entre outros fatores, pelo pH da solução.
O comportamento de polieletrólitos difere do de polímeros não carregados. Por exemplo, devido à repulsão eletrostática entre diferentes segmentos da mesma cadeia, uma cadeia de polieletrólito tende a ter um formato mais alongado do que uma cadeia gaussiana típica. Além disso, devido às interações eletrostáticas de longo alcance, as propriedades das soluções de polieletrólitos são diferentes das de polímeros neutros. Por exemplo, o segundo coeficiente virial (uma medida da termodinâmica da solução) pode ser uma ordem de magnitude maior para um polieletrólito do que para um polímero neutro. Esses efeitos levam a mudanças significativas na viscosidade da solução.
Devido a esses efeitos de solução, os polieletrólitos têm diversas aplicações. São usados como modificadores de viscosidade. Além disso, devido à sua carga, são usados para modificar a carga superficial de nanopartículas, seja para estabilizar suspensões aumentando a carga superficial das partículas, seja para iniciar a floculação por meio de a) neutralização da carga superficial e b) atuação como uma ponte entre as partículas.
A polietilenimina (PEI) é um polieletrólito catiônico. Sua estrutura é apresentada na Figura 1 abaixo. A PEI é utilizada para a ligação de células com carga negativa em biologia. Também é utilizada para transfecção de DNA (introdução de novo DNA em células). A PEI também pode ser usada para capturar dióxido de carbono. Grande parte do comportamento útil da PEI é obtido por meio de seu estado de carga e da capacidade de manipulá-lo através do pH.
Por serem moléculas grandes, os polieletrólitos dispersam a luz de maneira muito semelhante às partículas. Devido à sua carga, eles respondem como partículas a um campo elétrico aplicado. Assim, é possível medir a mobilidade dos polieletrólitos e extrair um valor de potencial zeta para caracterizar esses materiais.
O PEI ramificado foi obtido da Sigma Aldrich como uma solução aquosa a 50% em peso. Esta solução foi então diluída com KCl aquoso 1 mM para preparar soluções com a concentração adequada do polímero. A pequena quantidade de KCl é utilizada como eletrólito de fundo para garantir que o efeito de pequenas quantidades de impurezas não afete drasticamente os resultados do potencial zeta. A massa molecular do polímero, determinada pelo fabricante por espalhamento de luz, foi de 750.000 g/mol.
O potencial zeta foi então medido com o analisador de nanopartículas SZ-100V2, mostrado na Figura 2. As medições foram repetidas seis vezes.
Figura 2: Analisador de nanopartículas SZ-100V2
Os valores de potencial zeta obtidos são mostrados na Tabela 1 abaixo. A Figura 3 mostra o efeito da concentração no potencial zeta. Como esperado, o potencial zeta diminui com o aumento da força iônica devido ao aumento da concentração de macroíons e ao aumento da sobreposição das cadeias.
Tabela 1: Potencial zeta do PEI em função da concentração do polímero
Figura 3: Potencial zeta do PEI em função da concentração do polímero. As barras de erro correspondem a um desvio padrão.
O SZ-100V2 pode ser usado para caracterizar a carga de espécies poliméricas. O potencial zeta diminui com o aumento da concentração do polieletrólito devido ao aumento da força iônica da suspensão e das interações intermoleculares. O potencial zeta de polímeros carregados, como polieletrólitos, pode ser facilmente analisado com o SZ-100V2.
Analisador de nanopartículas
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