Les Polymères et Leurs Applications : Une Analyse Approfondie
Introduction aux Polymères
Les polyelectrolytes sont des polymères solubles dans l'eau et chargés électriquement. Leurs propriétés sont le résultat de l'interaction entre les forces électriques, le mouvement brownien de la chaîne macromoléculaire et les forces intermoléculaires de Van der Waals.
Les polyacides ou polybases chargés sont étirés par les forces électrostatiques, comme en témoigne l'augmentation de la viscosité en solution ou l'étirement des gels de polymères. Le champ électrique des polyions est neutralisé par une atmosphère dense de contre-ions.
L'attraction des contre-ions envers les polyions se manifeste par une réduction de l'activité osmotique du polyion. La pression osmotique n'est que de 15 à 20 % de sa valeur idéale pour les polymères hautement chargés neutralisés par des contre-ions monovalents, et descend à 1 à 3 % pour les contre-ions polyvalents.
Étant donné que l'atmosphère ionique dépend peu de l'ajout de sels de faible poids moléculaire, la pression osmotique des mélanges de sels de polymères est approximativement égale à la somme des pressions osmotiques du polymère et du sel seuls.
Les polymères acides et basiques interagissent électrostatiquement, entraînant une précipitation au point de neutralité polymérique. À des concentrations de sel plus élevées, l'interaction est inhibée par le blindage des charges fixes polymériques.
L'importance de ces interactions dans les processus enzymatiques est discutée. La double couche électrique est polarisable, comme le montrent les études diélectriques et conductimétriques. Cette polarisabilité conduit à une forte formation de dipôles dans un champ électrique. Ces dipôles macromoléculaires pourraient jouer un rôle dans l'adsorption des polymères sur des surfaces chargées.
Interactions Polymère-Membrane et Nano-objets
La dernière partie de l'article est consacrée aux interactions des polymères avec les membranes cellulaires et à l'agglutination des cellules en agrégats plus importants par des biocolloïdes chargés.
Les résultats de mesures électro-optiques et conductimétriques sur des vésicules lipidiques unilamellaires (rayon moyen a = 90 nm), remplies d'une solution de NaCl 0,2 M, en suspension dans une solution de saccharose 0,33 M avec 0,2 mM de NaCl, et exposées à un champ électrique à décroissance exponentielle (constante de temps τE = 154 μs) dans la plage 10 ≤ E0 (kV cm⁻¹) ≤ 90, sont analysés en termes de changements cycliques de la forme des vésicules et de la conductivité de leur membrane.
Les deux pics dans les relaxations de turbidité dichroïque reflètent deux cycles d'électroporation rapide de la membrane et de refermeture plus lente des électropores de longue durée de vie. Les changements induits par le champ électrique reflètent des transitions structurelles entre des états de membrane fermée (C) et perforée (P), qualifiés par des pores de type P1 et P2, respectivement.
Le changement transitoire de la conductivité membranaire et l'oscillation transitoire de la forme sont basés sur des changements dans la densité des pores P2 (plus grands) le long d'un cycle d'hystérésis. La formation des pores P2 entraîne des flux ioniques nets transitoires à travers ces pores et des changements transitoires dans le champ membranaire. Les données cinétiques sont traitées numériquement en termes de modes de relaxation structurelle couplés.
En utilisant le modèle de pore torique, les rayons moyens des pores internes sont estimés à r1 = 0,38 (±0,05) nm et r2 = 1,7 (±0,1) nm, respectivement.
Synthèse de Nanoparticules à Base de Cellulose
Les nanoparticules, en tant que matériaux clés en nanotechnologie et nanomédecine, ont pris une importance considérable au cours de la dernière décennie. Alors que les nanoparticules à base de métaux sont associées à des problèmes de synthèse et environnementaux, la cellulose offre une alternative verte et durable pour la synthèse de nanoparticules.
Nous présentons ici les procédures de synthèse chimique et de séparation pour produire de nouvelles classes de nanoparticules velues (portant à la fois des régions amorphes et cristallines) et de biopolymères à base de fibres de bois. Par oxydation au periodate de la pâte de bois tendre, le cycle glucose de la cellulose est ouvert au niveau de la liaison C2-C3 pour former des groupes 2,3-dialdéhyde.
Un chauffage ultérieur des fibres partiellement oxydées (par exemple, T = 80 °C) donne trois produits : la cellulose oxydée fibreuse, la cellulose nanocristalline stérilement stabilisée (SNCC) et la cellulose modifiée par dialdéhyde dissoute (DAMC), qui sont bien séparées par centrifugation intermittente et addition de co-solvant.
Les fibres partiellement oxydées (sans chauffage) ont été utilisées comme intermédiaire hautement réactif pour réagir avec le chlorite afin de convertir presque tous les aldéhydes en groupes carboxyle. La précipitation par co-solvant et la centrifugation ont conduit à la cellulose nanocristalline électrostérilement stabilisée (ENCC) et à la cellulose dicarboxylée (DCC).
La teneur en aldéhyde de la SNCC et, par conséquent, la charge de surface de l'ENCC (teneur en carboxyle) ont été précisément contrôlées en ajustant le temps de réaction d'oxydation au periodate, ce qui a permis d'obtenir des nanoparticules hautement stables portant plus de 7 mmol de groupes fonctionnels par gramme de nanoparticules (par exemple, par rapport aux NCC conventionnelles portant < 1 mmol de groupes fonctionnels/g).
La microscopie à force atomique (AFM), la microscopie électronique en transmission (TEM) et la microscopie électronique à balayage (SEM) ont attesté de la morphologie en forme de bâtonnet.
Plateformes Microfluidiques pour Applications Médicales
Trois innovations répondent aux besoins du monde médical en matière de manipulation et de test de microfluidique d'échantillons physiologiques, pouvant bénéficier aux besoins de diagnostic au point de service pour les patients tels que les nourrissons prématurés, pour lesquels le prélèvement de sang pour des tests continus peut être potentiellement mortel, et pour des résultats accélérés.
Une puce dotée d'éléments d'injection d'échantillons, de réservoirs (et de déchets), de structures de formation de gouttelettes, de voies fluidiques, de zones de mélange et de sites de détection optique a été fabriquée pour tester les différents composants de la plateforme microfluidique, individuellement et de manière intégrée.
Le système de contrôle des gouttelettes permet à l'utilisateur de contrôler les fonctions du système microactuateur de gouttelettes, telles que les opérations sur les gouttelettes et les opérations du détecteur. De plus, le système de programmation permet à l'utilisateur de développer des routines logicielles pour contrôler les fonctions du système microactuateur de gouttelettes.
Une puce est intégrée au système avec un contrôleur, un détecteur, des périphériques d'entrée et de sortie, et des logiciels. Une nouvelle formulation de fluide de remplissage est utilisée pour le transport de gouttelettes à haute concentration protéique.
De nouveaux assemblages pour la détection de photons provenant d'une gouttelette sur puce sont présents, ainsi que de nouveaux systèmes pour réaliser divers dosages, tels que des immunoessais et la PCR (réaction en chaîne par polymérase).
Le laboratoire sur puce (également appelé laboratoire sur carte de circuit imprimé) traite des échantillons physiologiques et comprend un système de mesures multi-analytes automatisées utilisant des échantillons de sérum humain sub-microlitres.
Polymères Conjugués et Capteurs Chimiques
De nombreuses études ont été menées sur l'utilisation de polymères conjugués dans la construction de capteurs chimiques, y compris des capteurs potentiométriques, conductimétriques et ampérométriques ou des biocapteurs, au cours de la dernière décennie. L'induction de conductivité dans les polymères conjugués par traitement avec des agents oxydants appropriés a valu le prix Nobel de chimie 2000 à Heeger, MacDiarmid et Shirakawa.
Les polymères conjugués courants sont les poly(acétylène)s, les poly(pyrrole)s, les poly(thiophène)s, les poly(terthiophène)s, les poly(aniline)s, les poly(fluorène)s, les poly(3-alkylthiophène)s, les polytetrathiafulvalènes, les poly-naphtalènes, le poly(p-phénylène sulfide), les poly(p-phénylènevinylene)s, le poly(3,4-éthylène-dioxythiophène), le polyparaphénylène, le polyazulène, le polyparaphénylène sulfide, le poly-carbazole et le polydiaminonaphtalène.
Plus de 60 capteurs pour les cations et anions inorganiques aux caractéristiques différentes basés sur des polymères conducteurs ont été rapportés. Il existe également des rapports sur l'application de polymères non conducteurs (nCP), tels que le PVC, dans la construction de capteurs membranaires potentiométriques pour la détermination de plus de 60 cations et anions inorganiques. Cependant, la fuite des ionophores des membranes basées sur ces polymères entraîne des durées de vie relativement plus courtes.
Dans cet article, nous tentons de donner un aperçu des électrodes sélectives à ions à contact solide (SCISE), des électrodes sélectives à ions monobloc (SPISE), des électrodes sélectives à ions basées sur des polymères conducteurs (CP) et également des électrodes sélectives à ions basées sur le PVC non conducteur pour divers ions, dont la différence réside dans la manière dont le polymère est utilisé avec la membrane sélective.
Dans les SCISE et SPISE, le PVC plastifié contenant l'ionophore et les additifs ioniques gouverne le comportement de sélectivité de l'électrode et le polymère conducteur est responsable du transducteur ion-électron. Cependant, dans les CPISE, la couche de polymère conducteur est dopée avec un ionophore approprié qui améliore la sélectivité ionique du CP, tandis que sa réponse redox doit être supprimée.
Étude de Complexation par Conductimétrie
La réaction de complexation du ligand macrocyclique (4'-nitrobenzo-15C5) avec le cation Y³⁺ a été étudiée dans des mélanges binaires d'acétonitrile-méthanol (AN-MeOH), d'acétonitrile-éthanol (AN-EtOH), d'acétonitrile-diméthylformamide (AN-DMF) et d'acétate d'éthyle-méthanol (EtOAc-MeOH) à différentes températures en utilisant la méthode de conductimétrie.
Les données de conductivité montrent que dans tous les systèmes de solvants, la stœchiométrie du complexe formé entre le 4'-nitrobenzo-15C5 et le cation Y³⁺ est de 1:1 (ML). L'ordre de stabilité du complexe (4'-nitrobenzo-15C5)·Y³⁺ dans les solvants non aqueux purs à 25 °C était le suivant : EtOAc > EtOH > AN ≃ DMF > MeOH, et dans le cas de la plupart des compositions des mélanges de solvants binaires à 25 °C, il était : AN ≃ MeOH ≃ AN-EtOH > AN-DMF > EtOAc-MeOH. Mais les résultats indiquent que la séquence de stabilité du complexe dans les solutions mixtes binaires change avec la température.
Un comportement non linéaire a été observé pour les changements de log Kf du complexe (4'-nitrobenzo-15C5·Y³⁺) en fonction de la composition des mélanges de solvants binaires, ce qui a été expliqué en termes d'interactions solvant-solvant et également de la solvation hétéroselective des espèces impliquées dans la réaction de complexation.
Les valeurs des paramètres thermodynamiques (ΔH°c et ΔS°c) de formation du complexe ont été obtenues à partir de la dépendance en température de la constante de stabilité en utilisant les courbes de van't Hoff.
Copolymères Diblocs Cationiques Amphiphiles
Des copolymères diblocs cationiques amphiphiles contenant une chaîne de poly(2-vinylpyridine) quaternisée comme segment hydrophile (PIp-b-PNMe₂VP) ont été synthétisés par polymérisation anionique vivante. Par mesure IR, la quaternisassion du polymère (PIp-b-PNMe₂VP) a été confirmée, et le degré de quaternisassion a été déterminé par titration conductimétrique.
L'expérience de tension superficielle a montré que les polymères ne sont pas tensioactifs. La formation de mousse des solutions de polymères a également été étudiée avec ou sans ajout de sel. Presque aucune formation de mousse n'a été observée sans sel, tandis qu'un peu de mousse a été observée en présence de 1 M de NaCl.
La concentration micellaire critique (cmc) des copolymères diblocs avec 3 longueurs de chaîne différentes a été mesurée par diffusion de lumière statique. Les valeurs de cmc obtenues dans cette étude étaient beaucoup plus faibles que celles obtenues pour les polymères diblocs anioniques non tensioactifs étudiés précédemment.
Les rayons hydrodynamiques des micelles polymériques ont légèrement augmenté en présence de 1 M de NaCl. Les images de microscopie électronique en transmission ont révélé des micelles sphériques en eau pure. En présence de sel, les valeurs de cmc ont augmenté, comme ce fut le cas pour les polymères anioniques, ce qui est différent des systèmes tensioactifs conventionnels mais cohérent avec les copolymères blocs anioniques non tensioactifs.
La microviscosité du cœur micellaire a été évaluée à l'aide de la coumarine-153 comme sonde d'anisotropie fluorescente par dépolarisation de fluorescence en régime permanent. La non-tensioactivité s'est avérée universelle pour les copolymères blocs ioniques amphiphiles, tant anioniques que cationiques.
Immunosenseur Conductimétrique pour la Détection d'Atrazine
L'atrazine est un membre important de la famille des pesticides triazines. Le développement de ses méthodes de détection a suscité un grand intérêt en raison des risques potentiels pour la santé associés à sa contamination dans divers milieux, notamment l'eau, le sol et les aliments. La contamination de l'eau potable par l'atrazine au-delà de la limite légale admissible de l'EPA (par exemple, 3 ng ml⁻¹) peut causer divers dommages aux organismes vivants (par exemple, au cœur, au système urinaire et des malformations des membres).
Dans cette recherche, nous discutons de la signification potentielle d'un immunosenseur conductimétrique hautement sensible pour la détection du pesticide atrazine. À cette fin, un assemblage électrochimique de nanofilms de polyaniline dopée à la glycine (PAni) sur un substrat de silicium (Si) a été construit et modifié avec des anticorps anti-atrazine.
L'immunosenseur développé ici a offert une détection hautement sensible de l'atrazine avec une faible limite de détection de 0,07 ng ml⁻¹. Le biocapteur proposé était simple dans sa conception avec d'excellentes performances en termes de sensibilité, de stabilité et de spécificité.
Points forts :
- Des nanofilms de PAni dopée à la glycine ont été électropolymérisés sur des substrats de silicium.
- La fonctionnalité des films minces ci-dessus offre la possibilité de développer une plateforme d'immunosensing.
- Une détection hautement sensible et spécifique de l'atrazine a été réalisée sur une large gamme de concentrations avec une LOD de 0,07 ng ml⁻¹.
Déclaration de nouveauté : L'atrazine est un pesticide largement utilisé dans le secteur agricole. Il est fortement recommandé de développer des systèmes de biocapteurs simples pour permettre une surveillance de routine. La présente recherche propose pour la première fois la conception d'un biosenseur simple et très efficace à base de PAni dopée à la glycine pour le pesticide atrazine. Le dopage de la glycine a facilement généré des groupes fonctionnels sur le matériau nano-PAni pour une immobilisation ultérieure pratique des anticorps anti-atrazine.
Étude des Propriétés Acido-Basiques et Catalytiques
Les propriétés acido-basiques des solutions solides et des composants binaires du système InSb-CdTe ont été étudiées par spectroscopie IR, mesures de pH isélectrique et titration conductimétrique ; les propriétés d'adsorption par rapport à CO, O₂, NO₂, NH₃, CO + O₂, et NO₂ + NH₃, par microweighing piézoquartz ; et les propriétés catalytiques dans l'oxydation du monoxyde de carbone et la réduction du dioxyde d'azote par l'ammoniac, par des méthodes de flux pulsé et de circulation.
La nature, la force et la concentration des centres acides ont été déterminées. Les changements de concentration des centres acides sous l'action de gaz (NO₂ et NH₃), de l'irradiation gamma et des variations de composition ont été estimés.
Les dépendances expérimentales, les caractéristiques d'adsorption thermodynamiques et cinétiques, les caractéristiques électrophysiques, acido-basiques et autres physico-chimiques des adsorbants, et les diagrammes de phase phase-composition des caractéristiques d'adsorption ont été analysés en tenant compte de la nature électronique des molécules d'adsorbat pour déterminer le mécanisme et les caractéristiques des processus d'adsorption en fonction des conditions d'adsorption et de la composition du système.
Les résultats des études d'adsorption ont été utilisés pour déterminer préliminairement les régions de température d'occurrence et le mécanisme des réactions étudiées. Un mécanisme de choc a été suggéré.
Les composants séparés (principalement des solutions solides) du système InSb-CdTe ont montré une activité catalytique élevée à des températures relativement basses. Parallèlement au comportement commun au système et à ses composés binaires (InSb et CdTe), les solutions solides ont présenté des caractéristiques propres aux systèmes multicomposants. Il s'agissait de la présence d'extrema dans les diagrammes pHiso-composition, caractéristiques d'adsorption-composition et activité catalytique-composition.
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