Projeto de Pós-Doutorado Medidas de espalhamento de Luz Estático em sistemas coloidais Proponente: Dr. Roman Spirin Supervisor: Prof. Dr. Cristiano Luis Pinto de Oliveira Sumário 1. Resumo... 1 2. Introdução... 2 3. Colocação do problema... 3 4. Objetivos... 6 5. Resultados esperados... 6 6. Cronograma de execução... 7 7. Referências... 7 1. Resumo Nesteprojeto é proposta a implementação de um sistema automatizado para coleta de dados de espalhamento de luz estático (Static Light Scatering SLS). A utilização desta técnica fornece diversas informações estruturais sobre a amostra estudada como, por exemplo, tamanho de partículas, polidispersidade, arranjo espacial e etc. Além disso, os dados obtidos provêm de médias em um grande número de partículas, em escalas de tamanhos maiores do que os acessíveis em experimentos de espalhamento a baixos ângulos, como por exemplo, a técnica de SAXS (Small-Angle X-Ray Scattering). Sendo assim, utilizando a técnica de SLS é possível obter informações estruturais complementares a dados de SAXS para um sistemas de interesse, como as nanoparticulas metálicas de grandes tamanhos, lipoproteínas e agregados de lipoproteínas, vesículas e lipossomas, cristais líquidos e etc. Na configuração experimental tem-se uma fonte de luz monocromática que incide na amostra de interesse. A luz atravessa essa amostra e sofre espalhamento. A coleta dos dados 1
espalhados é feita, em geral, entre 10o e 150o, sendo necessário medir a intensidade de luz espalhada nos ângulos diferentes. A melhor maneira de realizar este experimento é através de um sistema automático de movimentação do um goniômetro e coleta no detetor. O grupo de fluidos Complexos do IFUSP conta com um equipamento de espalhamento de luz que está em desenvolvimento e que pode ser automatizado para medidas de SLS. No entanto, como é apresentado no projeto, se faz necessário implementar diversas alterações a nível de hardware e software. Estas alterações requerem aplicações em engenharia e eletrônica, que fazem parte dos conhecimentos do proponente. Após a automatização do sistema, o sistema será comissionado, inicialmente para amostras padrão. O estudo de amostras padrão também será feito em um equipamento comercial de SLS de modo a permitir a correlação dos resultados e obtenção de protocolos reprodutíveis de coletas de dados. Após o comissionamento pretende-se utilizar este equipamento para o estudo de sistemas mencionados anteriormente, correlacionando os dados de SLS com outros resultados experimentais. 2. Introdução Métodos de espalhamento são amplamente utilizados no estudo e caracterização de sistemas. Em geral pode-se utilizar raios X, nêutrons (frios) e luz para a realização de experimentos. Por exemplo, quando a radiação incidente está na faixa de raios X, pode-se ter fenômenos de difração e espalhamento dos fótons, dependendo da estrutura da amostra. Da análise destes dados pode-se ter informações estruturais importantes sobre o sistema estudado, como tamanho de partículas, polidispersidade, arranjo espacial, entre diversos outros parâmetros (Oliveira 2011). Uma das principais vantagens destes métodos é o fato de os resultados corresponderem à médias em um grande número de partículas. Dentro de certas limitações, medidas de espalhamento de Raios X a baixos ângulos (SAXS), espalhamento de Nêutrons a baixos ângulos (SANS) e espalhamento de Luz estático (SLS) podem ser descritos com a mesma teoria geral, apesar de a forma com que a radiação interage com a matéria ser diferente em cada caso. Para raios X a interação ocorre principalmente com as nuvens eletrônicas dos átomos. Nêutrons interagem com os núcleos atômicos e o espalhamento deluz decorre principalmente de diferenças no índice de refração do meio. Apesar de ser possível correlacionar o índice de refração com efeitos eletrônicos (equação de Clausius-Mossoti(Van Rysselberghe 1932)), os efeitos relativos ao espalhamento de luz podem ser descritos em termos dos incides de refração. A configuração experimental em todos os casos é semelhante: tem-se uma fonte de radiação (raios X, Neutrons ou Luz), colima-se este feixe e o incidimos na mostra de interesse. Coletando-se o feixe espalhado pode-se obter informações estruturais sobre o sistema estudado. A intensidade espalhada pode ser descrita em termos do ângulo de espalhamento (definido como 2t) ou em termos do vetor transferência de momento do espaço reciproco, q, definido como 2
4 n sin q ( 1 ) sendo o comprimento de onda da radiação incidente e n o índice de refração do meio para um dado comprimento de onda e tipo de radiação. Assim dependendo do comprimento de onda e da região angular pode-se ter acesso a diferentes intervalos de q. Para raios X e nêutrons, o valor de n é praticamente unitário. Para luz em outros comprimentos de onda pode-se medir o índice de refração. Quando se utiliza raios X ou nêutrons, efeitos de espalhamento são concentrados a valores de ângulos pequenos (2 < 10º); e assim os nomes destas técnicas inclui esta informação, sendo denominado Espalhamento a Baixos Ângulos (SAS) seja de raios X (SAXS) ou nêutrons (SANS). Por outro lado, quando se utiliza luz visível (em geral um laser com um comprimento de onda bem definido) os ângulos de espalhamento são grandes, variando entre 10º < 2 < 150º. No entanto, apesar da região angular nos experimentos ser diferente, os valores de q acessíveis para medidas de SLS são bem menores do que os típicos de SAXS e SANS, como mostrado na Tabela 1. Assim, dentro de certas aproximações, medidas de SAS e SLS são complementares pois fornecem informações em regiões de q distintas. Tabela 1 regiões angulares acessíveis para configurações de SAS e SLS típicas. [Å] 2 q [Å-1] 1.5 0.1 0.007311 1.5 5 0.365425 7000 15 0.000234 7000 140 0.001687 Pela Lei de Bragg, N 2d sin, onde d é uma distancia de correlação (por exemplo, 2 distância entre planos cristalinos) obtém-se a relação: d. Utilizando-se este resultado q como um indicador da resolução obtida em uma dada região de q, vemos claramente que dados de SLS fornecem informações para tamanhos característicos bem maiores dos que são acessíveis a dados de SAS. É neste ponto que repousa a complementaridade das técnicas, explorado em diversas aplicações (Jensen, Shi et al. 2011). 3. Colocação do problema No instituto de física da USP temos dois equipamentos de SAXS (Nanostar e Xeuss) e um equipamento de SLS/DLS comercial (brookhaven) no grupo da profa. Tereza Lamy. No grupo de Fluidos complexos estamos desenvolvendo um equipamento de espalhamento de luz, também para medidas de SLS e DLS, que foi utilizado em aplicações de medidas de filmes e cristais líquidos. Uma foto do equipamento já existente no grupo de fluidos complexos é mostrada na Figura 1. 3
Figura 1 Equipamento de SLS/DLS montado no grupo de fluidos complexos do IFUSP. O equipamento é composto de um laser (marca Verdi V-6) verde, de 532 nm, linearmente polarizado. Elementos óticos elevam o feixe e o posicionam no porta amostras. Esta construção foi feita para a tese de doutoramento do Dr. Celso Risi, na medida de curvas de auto-correlação em sistemas de cristais liquidos (espalhamento de luz dinâmico). Neste caso, efeitos de espalhamento parasítico, etc, não são importantes uma vez que na medida de autocorrelação são filtrados. Estes efeitos parasíticos impedem a utilização destes equipamento para medidas de espalhamento estático de luz uma vez que nestes casos medese a intensidade espalhada em função do ângulo de espalhamento. Assim, qualquer fonte adicional de espalhamento no sistema pode interferir no resultado final. Em medidas de sistemas coloidais em solução, sempre temos a amostra em uma cubeta, em geral, feita de vidro. O vidro desta cubeta também espalha a luz e assim para diminuir os efeitos deste espalhamento insere-se esta cubeta em um liquido com índice de refração idêntico ao do vidro ( o chamado contrast match) de modo que ao final não se tem o espalhamento do vidro. Tal estratégia é utilizada largamente em equipamentos comerciais através da introdução de um parta amostras adequado. Adquirimos recentente, junto à empresa Brookhaven, um acessório que nos permitirá fazer este contrast match em mosso equipamento bem como medir amostras liquidas. Este acessório é indicado na Figura 2. 4
Figura 2 equipamento de SLS com acessório para contrast match. Acima: equipamento da Brookhaven indicando o laser, o porta amostras (indicado no retângulo) e detetor (à esquerda). Abaixo: detalhe do porta amostras adquirido junto à Brookhaven onde se insere o vidro (vat) pra contrast match (à esquerda), e peça superior (à direita) que permite a inserção da cubeta de amostra, do liquido para contrast match e a termalização do conjunto. Faz-se necessário a adaptação deste acessório no equipamento já existente bem como a realização de toda a calibração e caracterização do sistema. Além disso, é necessário fazer alterações a nível de hardware e software de modo que o equipamento possa adquirir automaticamente dado de SLS para diversos ângulos. Os desafios propostos neste projeto requerem que o proponente possua, além de conhecimentos em física, conhecimentos em engenharia e eletrônica de modo a realizar as alterações necessárias. O Dr. Roman Spirin, proposto neste projeto, possui estas qualificações e poderá realizar as alterações e caracterizações necessárias para o sucesso deste projeto. 5
4. Objetivos Os objetivos propostos neste projeto são: 1 Aprendizado da técnica de espalhamento de luz estático 2 Adaptação do sistema de contrast match no equipamento de espalhamento de luz já existente no grupo de fluidos complexos 3 Automatização do gonoometro para alterações automáticas do ângulo de espalhamento 4 Alteração nas rotinas do software para controle do goniômetro bem como coleta dos dados de intensidade de luz 5 Obtenção de protocolos reprodutíveis de coletas de dados de SLS 6 Medidas de SLS para amostras padrão de modo a confirmar o funcionamento correto do sistema 5. Resultados esperados Realizaremos medidas utilizando amostras padrão, como por exemplo, esferas de látex calibradas. Tais esferas poderão ser adquiridas junto a fornecedores específicos em diferentes tamanhos. As medidas obtidas poderão ser comparadas com dados de SLS medidos no outro equipamento do instituto, de modo a permitir a correlação dos resultados. Um exemplo de dados de SLS para nanopartículas de 550nm de diâmetro é mostrado na Figura 3, onde a intensidade espalhada é mostrada em função do vetor de espalhamento q. 10 7 SAXS data Model fit I(q) [arb. u.] 10 6 10 5 5E-4 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003 q [Å -1 ] Figura 3 Medida de SLS para esferas de látex de 0.5microns de diâmetro. Círculos: dados experimentais. Linha solida: modelo teórico para esfera rígida. A possibilidade de termos este equipamento funcionando em nosso grupo permitirá a medida de tamanhos de partículas muito maiores do que os acessíveis aos dados de SAXS. Sendo assim teremos a possibilidade de, combinando dados de SAXS e SLS, obter informações estruturais mais detalhadas para os sistemas de interesse. Tal avanço permitira a investigação de nanoparticulas metálicas de grandes tamanhos (Banerjee, Loza et al. 2014), lipoproteínas e agregados de lipoproteínas (Oliveira, Monteiro et al. 2014, Oliveira, Santos et al. 2014), vesículas e lipossomas (Oliveira, Gerbelli et al. 2012, Balbino, Aoki et al. 2013), cristais líquidos 6
(Akpinar, Reis et al. 2015) entre diversas outras aplicações estudadas no grupo de fluidos complexos. Tais aplicações permitirão a obtenção de resultados inéditos que serão publicados em revistas indexadas. 6. Cronograma de execução Um cronograma tentativo é apresentado na Tabela 2 Tabela 2 - Cronograma tentativo Atividade Estudo da teoria de espalhamento estático de luz e sua aplicação a sistemas coloidais Bimestre 1 2 3 4 5 6 X X Adaptação do novo porta amostras no equipamento existente X X Automatização do goniômetro para variação automatizada do ângulo de espalhamento Alteração no software de aquisição de dados para controle automatizado do braço do goniômetro X X X X X X Compra de amostras de látex padrão X X Medidas de SLS, utilizando amostras padrão, no equipamento de SLS existente no grupo de biofísica (Profa. Tereza Lamy) para comparação posterior Caracterização e otimização e protocolos de aquisição de dados de SLS no equipamento existente no grupo de fluidos complexos Medidas de SLS, utilizando amostras padrão, no equipamento de SLS do grupo de fluidos complexos Medidas de SAXS e SLS, em diversos sistemas para demonstrar a complementaridade das técnicas. X X X X X X X X X X X X X X Publicação de Resultados X X X 7. Referências [1]. Akpinar, E., D. Reis and A. M. F. Neto (2015). "Effect of Hofmeister anions on the existence of the biaxial nematic phase in lyotropic mixtures of dodecyltrimethylammonium bromide/sodium salt/1-dodecanol/water." Liquid Crystals 42(7): 973-981. [2]. Balbino, T. A., N. T. Aoki, A. A. M. Gasperini, C. L. P. Oliveira, A. R. Azzoni, L. P. Cavalcanti and L. G. de la Torre (2013). "Continuous flow production of cationic liposomes at high lipid concentration in microfluidic devices for gene delivery applications." Chemical Engineering Journal 226: 423-433. [3]. Banerjee, S., K. Loza, W. Meyer-Zaika, O. Prymak and M. Epple (2014). "Structural Evolution of Silver Nanoparticles during Wet-Chemical Synthesis." Chemistry of Materials 26(2): 951-957. [4]. Jensen, G. V., Q. Shi, M. J. Hernansanz, C. L. P. Oliveira, G. R. Deen, K. Almdal and J. S. Pedersen (2011). "Structure of PEP-PEO block copolymer micelles: exploiting the 7
complementarity of small-angle X-ray scattering and static light scattering." Journal of Applied Crystallography 44: 473-482. [5]. Oliveira, C. L. P. (2011). Investigating Macromolecular Complexes in Solution by Small Angle X-Ray Scattering. Current Trends in X-Ray Crystallography. D. A. Chandrasekaran, InTech: 367-392. [6]. Oliveira, C. L. P., B. B. Gerbelli, E. R. T. Silva, F. Nallet, L. Navailles, E. A. Oliveira and J. S. Pedersen (2012). "Gaussian deconvolution: a useful method for a form-free modeling of scattering data from mono- and multilayered planar systems." Journal of Applied Crystallography 45: 1278-1286. [7]. Oliveira, C. L. P., A. M. Monteiro and A. M. Figueiredo Neto (2014). "Structural Modifications and Clustering of Low-Density Lipoproteins in Solution Induced by Heating." Brazilian Journal of Physics 44(6): 753-764. [8]. Oliveira, C. L. P., P. R. Santos, A. M. Monteiro and A. M. Figueiredo Neto (2014). "Effect of Oxidation on the Structure of Human Low- and High-Density Lipoproteins." Biophysical Journal 106(12): 2595-2605. [9]. Van Rysselberghe, P. (1932). "Remarks concerning the Clausius-Mossotti law." Journal of Physical Chemistry 36(4): 1152-1155. 8