EMPLEO DE ANÁLISIS TÉRMICOS (DSC, TGA, ITC) PARA EL ESTUDIO DE NANOMATERIALES

1. EMPLEO DE ANÁLISISTÉRMICOS (DSC, TGA, ITC) PARA EL ESTUDIO DE NANOMATERIALES DR. RODOLFO JESÚS GONZÁLEZ-PAZ LANOTEC- COSTA RICA NanoAndes, Mérida, VENEZUELA Octubre-2014

2. Principios y Técnicas

3. Análisis Térmico Los métodos de análisis térmico son aquellos en los cuales se determina una propiedad química o física como función de un cambio de temperatura (controlado externamente), cuando se calienta una muestra de una sustancia.

4. Técnicas de análisis térmico más comunes

5. El análisis termogravimétrico es una técnica que consiste en medir la variación de la masa y los cambios físicos o químicos de una sustancia en función del cambio de temperatura. 1. TERMOGRAVIMETRÍA

6. (a) Termograma: (a) Representación de la masa ó porcentaje de cambio en función de T ó t. (Atmósfera Controlada) (b) Derivada de la Curva (Máximo de degradación) (b) Determina el cambio de masa del material conforme a la degradación de sus diferentes componentes en respuesta al aumento de temperatura. Se utiliza tanto para obtener un perfil propio del material (caracterización) como para el rastreo de propiedades nuevas.

7. Instrumentación BALANZA Salida GAS Muestra GAS PROCESADOR HORNO Balanza, horno, sistema de gas de purga, procesador

8. Instrumentación a) Horno - Intervalo de T (RT – 1500 ºC) - velocidad de calentamiento (0–100ºC/min) - Balanza aislada térmicamente del horno b) Sistema de gas de purga Gases de purga (N2, Ar, O2: depende del análisis)

9. Preparación de muestra en TGA Muestras entre 5- 50 mg (Importante mantener siempre la misma masa para análisis comparativos)

10. Causas de cambio de peso: Reacción de descomposición Reacción de oxidación Vaporización Sublimación Desorción

11. Aplicaciones del análisis termogravimétrico TGA Control de calidad. Efecto de aditivos Estabilidad térmica en atmósfera inerte Oxidación en aire o atmósfera rica en oxígeno Degradación térmica Estudios de cinética de degradación y análisis de los productos Identificación de materiales Estudios Comparativos

12. Termograma de descomposición del CaC2O4·H2O (Oxalato de Calcio monohidratado) a 5 ºC/min Toptimas para obtener compuestos puros D.A. Skoog et al. Principios de Análisis Instrumental. Mc Graw Hill, Madrid (2002).

13. Análisis TGA del % de Carbón en Carbón Bituminoso D.A. Skoog et al. Principios de Análisis Instrumental. Mc Graw Hill, Madrid (2002).

14. Análisis comparativo TGA Experimentos realizados en el LANOTEC, 2014

15. Referencia (vacía) Muestra Flujo de Calor 2. CALORIMETRÍA DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC): • Es una técnica termoanalítica en donde la diferencia de calor entre una muestra y una referencia es medida como una función de la temperatura. • Principio: cuando la muestra experimenta una transformación física tal como una transición de fase, se necesitará que fluya más (o menos) calor a la muestra que a la referencia para mantener ambas a la misma temperatura. • El que fluya más o menos calor a la muestra depende de si el proceso es exotérmico ó • endotérmico.

16. Calorimetría diferencial de Barrido (DSC) Se determina el flujo de calor que tiene lugar en la muestra y en la referencia, de forma independiente. Se mide la cantidad de energía absorbida (endotérmica) o liberada (exotérmica) por un material.

17. Calentamiento Calentador 1 Muestra Referencia Calentador 2 El equipo mide ΔP (Watts) El calentamiento de la muestra y de la referencia se realiza mediante elementos calefactores individuales. Esto permite que el equipo mida la diferencia de potencia (ΔP = Pmuestra- Preferencia) necesaria para mantener tanto la muestra como la referencia a la misma temperatura programada. .

18. Esquema interno del instrumento DSC

19. Area = ΔHfusión Area = ΔHcristalización (W) Tcristalización Tfusión Tg Transformación de la señal Representación gráfica del flujo de calor dQ/dt vs T (ó t) mediante un “Termograma“. DSC es una técnica cuantitativa. El área debajo de la curva del termograma puede relacionarse con la entalpía de la transición.

20. Factores que afectan los Termogramas de DSC a) De tipo instrumental Velocidad de calentamiento Geometría de las celdas Tipo de sensor de temperatura Tipo de registro del termograma b) De la muestra Tamaño de la muestra Grado de división de la muestra Empaquetamiento Control atmósfera ambiente Tratamiento previo c) Material de referencia

21. Preparación de muestras Cápsulas generalmente de aluminio con una capacidad entre 10–50 ml. Se sellan con una tapa de aluminio Cantidad de muestra variable (1-30 mg)

22. Aplicaciones Determinación de temperaturas de transición de fase y entalpías (∆H) Temperatura de transición vítrea (Tg) Puntos de fusión (Tf) y (∆Hf) Puntos de Cristalización (Tc) y (∆Hc) Temperaturas optimas de curado de resinas Temperaturas de degradación (Td) Estudio de oxidación y otras reacciones químicas Grado de Cristalinidad Calores específicos Pureza de sustancias Cinéticas y velocidades de reacción

23. Transiciones Térmicas (Tf) (Tg) (Tc) (Td) Endo LLORENTE y HORTA, A. "Técnicas de caracterización de polímeros“, 1991.

24. Factores que afectan las transiciones térmicas: Influencia de la naturaleza química Simetría de cadenas Flexibilidad de cadenas (tanto principal como laterales) - Rigidez cadena principal - Rigidez cadenas laterales Fuerzas intermoleculares Tamaño de cristales y perfección Distribución de pesos moleculares Efecto de diluyentes, plastificantes ó impurezas

25. Transiciones afectadas por la velocidad (ºC/min) (Tg) 1. Transición Vítrea (Tg): Movimientos segmentados de cadenas (50 átomos) Termogramas de DSC del Poliestireno, efectos sobre la temperatura de Transición vítrea (Tg)

26. 2. Fusión (Tf) y Cristalización (Tc): Cristales (Tg) (Tf) Efectos de la velocidad de calentamiento ó enfriamiento: Reorganización de moléculas durante el proceso: “Annealing” (Crecimiento Cristalino) Inhibición de la formación de cristales: “Quenching” (enfriamiento brusco) Gonzalez-Paz et al. Journal of PolymerSciencePart A: PolymerChemistry, Vol. 49, 2407–2416 (2011)

27. LaboratorioAnálisis Térmicos de DSC y TGA en Salud y Ambiente

28. 300 nm Nature Communications, 4, 1724, 1-9, 2013. Interacciones en el Hueso: Mineral (Calcium Phosphate) Δ Denatured Collagen and Free Water Collagen triple helix and Water (Protein-Structural Water Interaction)

29. DSC y TGA para el estudio de la interacción de colageno, agua y fosfatos de calcio en el Hueso Collagen Triple helix Td Structural H2O Tf Td T degradación (Td): 228 ºC 248 ºC T fusion Hueso (Tf): 113 ºC 166 ºC Gonzalez-Paz et al. Journalof the Internacional Federationfor Medical and Biological Engineering,18, 1246, 2008.

30. Propiedades de barrera de quitosano al introducir nanoarcillas Empaques

31. Calculo de Energía de activación (E) mediante TGA: Ecuaciones cinéticas: TGA dinámico: 10 ºC/min Arrhenius Flynn- Wall (Ecuación) TGA isotérmicos: 240,250,260ºC Gonzalez-Paz et al. Journal of PolymerSciencePart A: PolymerChemistry, Vol. 49, 2407–2416 (2011)

32. 3. Nanocalorímetro de valoración isotérmica (Nano ITC)

33. Nanocalorímetro de valoración isotérmica: Nano ITC • Técnicageneral • En disolución, cualquier buffer • Midela absorción o • liberación de calor (0.1 J) • Medidadirecta de ΔH

34. Nano ITC • Moléculasanalizables • Pequeñas: sintéticas y naturales • Macromoléculas y ensamblajesmacromoleculares • Todaslasbiomoléculas • Realizamedidas de afinidad • Cinéticasenzimáticas y estudios de inhibición • No requiere inmobilización ni marcaje • Medida indirecta de Kafinidad y la estequiometría del complejo

35. Funcionamiento del NanoITC

36. Nano ITC 1,0 mL

37. Funcionamiento del ITC Goldgate, G. A.; Ward, W. H. J. Drug Discovery Today 2005, 10 (22), 1543.

38. Parámetros brindados por ITC • ΔH • ΔS • ΔG • Kafinidad • Estequiometría del complejo

39. Interacciones mediblespor ITC • Enzima - Sustrato • ADN – ADN • ADN – ARN • ADN – Ion metálico • ADN – Nanomaterial • Anticuerpo – Nanomaterial • Proteína - Proteína • Proteína - ADN • Proteína - ARN • Proteína - Lípido • Proteína - Carbohidrato • Proteína - Ion metálico • Proteína - Nanomaterial

40. M. J. Blandamer in Biocalorimetry. Applications of Calorimetry in the Biological Sciences; Ladbury, J. E.; Chowdhry, B. Z. Ed., Wiley & Sons: Chichester, 1998; Vol. chapter one.

41. LaboratorioAnálisis Térmicos de ITCen Salud y Ambiente

42. Interacciones medibles mediante ITC Agregación y desagregación de nanomateriales Bouchemal, K. Drug Discovery Today 2008, 13 (21 - 22), 960.

43. Interaccionesmediblesmediante ITC Bouchemal, K.; Mazzaferro, S. Drug Discovery Today 2012, 17 (211/12), 623.

44. ¿En qué estamos trabajando?

45. Complejación Termograma ITC 0 0 -2 µcal/s kcal/mol de inyectante -5 -4 + -6 -10 Relación molar Tiempo (min) 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 -15 Modelo: dos posiciones Estructura 0 20 40 60 80 100 120 140 160 N1= 1,080,17 K1= (5,6 1,4)×104 DH1= -27,70,5 kJ•mol-1 DS1= -0,75 J•mol-1•K-1 N2= 0,990,14 K2= (3,8 0,4)×103 DH2= -25,79,0 kJ•mol-1 DS2= -16 J•mol-1•K-1

46. I. Prueba de concepto para terapia génica de enfermedades infecciosas Brucelosis

47. II. Vehículos liposomales recubiertos con quitosano como transportadoresde agentes terapéuticos Liposomas de fosfatidilcolina Recubrimiento con quitosano Nanopartículas de oro Albúmina sérica bovina

48. III. Biopolímeros y moléculas bioactivas para medicina Microscópio de Fuerza Atómica (AFM) LANOTEC, 2014 BiomimeticCollagenfibrils. Biopolímeros a partir de bacterias (Polihidroxibutaratos) Autoensamblaje de proteínas nanométricas

49. Moléculas Bioactivas (Interacciones Ligando-Receptor Celular) • Modificaciones superficiales con moléculas Bioactivas. • Estudios de Citotoxicidad. Optimalligand (RGD) concentration Arg-Gly-Asp (RGD) amino acids sequence binding site for the cell receptors improving cell adhesion (Cell receptor) RGD

50. IV. Biotecnología y Desarrollo Sostenible en Comunidades • Plantas pilotos en comunidades rurales para procesar residuos pesqueros y agrícolas en materias primas de alto valor agregado (Colágeno, quitosano, celulosa, lignina, etc) • Aceites vegetales y su modificaciones. • Biodiesel a partir de aceite de Levaduras. • Liberación controlada de fármacos (Bactericidas). • Nanosensorespara medicina.