Studio dell’interazione tra liquidi ionici e doppi
strati lipidici supportati mediante microscopia a
forza atomica
Jacopo Nicolò Toffanetti
Liquidi ionici a temperatura ambiente
Struttura molecolare e caratteristiche
Catione
Anione
Temperatura di fusione:
• Liquidi ionici <100 °C
• NaCl 804°C
Catione e anione del liquido ionico a base imidazolica di [Bmim][NTf2]
Liquidi ionici
Supercapacitori elettrochimici
Chimica biologica
Possibili applicazioni
Applicazioni tribologiche
Alternativa ai comuni solventi
Realizzazione di pannelli solari
Liquidi ionici
Valutazione della tossicità di una
sostanza chimica
Bioaccumulazione
Dispersione nell’ ambiente
Degradabilità ambientale
Attività biologica
Liquidi ionici
Attività biologica
Catena laterale alchilica del catione
Citotossicità
Anione
Catione
Distruzione delle membrane
cellulari a causa dell’ inserzione
dei cationi di liquido ionico
tra le molecole di fosfolipidi
Membrane biologiche – doppi strati fosfolipidici
Cellula
Membrana cellulare
Membrane fosfolipidiche
Esempio di un fosfolipide di membrana
Membrana fosfolipidica supportata
Strategia sperimentale
L’ interazione tra membrane lipidiche e liquidi ionici permette di comprendere il tipo
di tossicità di cui questi sono responsabili. Lo studio è stato condotto mediante l’
ausilio del microscopio a forza atomica.
Il quale ha permesso di svolgere sul campione di lipidi due tipi di analisi :
•
•
Analisi morfologica
Analisi meccanica
Microscopio a forza atomica
Principio di funzionamento
Bioscope catalyst della Bruker
instruments utilizzato durante il periodo
di tesi
Preparazione delle membrane lipidiche modello
Lipidi in soluzione
Vortex
Membrana lipidica all’ AFM
Sonicatore
Essicazione
Disco di mica
Formazione delle membrane
Analisi morfologica e meccanica in time-lapse Procedura sperimentale
Effetti distruttivi della misura
I 5 liquidi ionici usati :
• [Bmim][BF4](idrofilo)
• [Bmim][NTf2](idrofobico)
• [Emim][NTf2] (idrofobico)
• [Omim][NTf2] (idrofobico)
• [C12mim][NTf2] (idrofobico)
Petri
Provetta
contenente
soluzione
contaminante
di liquido
ionico
Analisi morfologica del sistema strato lipidico-ILs
Esempio di istogramma delle
altezze
Numero di conteggi
Zona scansione :10μm x 10μm
Concentrazioni: 0,01mM 0,1mM 1mM (tutti)
1mM 10mM 100mM [Bmim][BF4]
0,0001mM 0,001mM [C12mim][NTf2]
Altezza
Schermata del programma utilizzato per
analizzare le mappe topografiche
Analisi morfologica
• Deposizione di micro-gocce di liquido ionico segregato
Esperimento [Bmim][NTf2] a
concentrazioni di 0,01mM e
0,1mM
Concentrazione: 0mM
Tempo: 5min
Analisi morfologica
• Deposizione di micro-gocce di liquido ionico segregato
Esperimento [Bmim][NTf2] a
concentrazioni di 0,01mM e
0,1mM
Concentrazione: 0,01mM
Tempo: 15min
Analisi morfologica
• Deposizione di micro-gocce di liquido ionico segregato
Esperimento [Bmim][NTf2] a
concentrazioni di 0,01mM e
0,1mM
Concentrazione: 0,01mM
Tempo: 40min
Analisi morfologica
• Deposizione di micro-gocce di liquido ionico segregato
Esperimento [Bmim][NTf2] a
concentrazioni di 0,01mM e
0,1mM
Concentrazione: 0,1mM
Tempo: 80min
Analisi morfologica
• Deposizione di micro-gocce di liquido ionico segregato
Esperimento [Bmim][NTf2] a
concentrazioni di 0,01mM e
0,1mM
1
area normalizzata
Grafico dell’ area del
picco gaussiano riferito
alla membrana
normalizzato rispetto al
valore iniziale
1,2
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40
50
tempo(minuti)
60
70
80
90
100
Analisi morfologica
•
Crescita degli strati lipidici a seguito della contaminazione
Esperimento con [Bmim][NTf2] a
concentrazioni progressive di
1mM, 10mM e 100mM
Concentrazione: 0mM
Tempo: 4,5min
Analisi morfologica
Esperimento con [Bmim][NTf2] a
concentrazioni progressive di
1mM , 10mM e 100mM
Concentrazione: 1mM
Tempo: 36min
Analisi morfologica
Esperimento con [Bmim][NTf2] a
concentrazioni progressive di
1mM, 10mM e 100mM
Concentrazione: 10mM
Tempo: 58,5min
Analisi morfologica
Esperimento con [Bmim][NTf2] a
concentrazioni progressive di
1mM, 10mM e 100mM
Concentrazione: 100mM
Tempo: 90min
Analisi morfologica
Esperimento con [Bmim][NTf2] a
concentrazioni progressive di
1mM , 10mM e 100mM
1,8
1,6
area normalizzata
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
10
20
30
40
50
tempo(minuti)
60
70
80
90
100
Analisi morfologica
Traccia della membrana originaria
Interpretazione della crescita delle membrane
Nuova membrana rugosa
Analisi morfologica
[C12mim] [NTf2] a bassa concentrazione prima
0,0001mM successivamente 0,001mM
Concentrazione: 0mM
Tempo: 4,5min
Analisi morfologica
Formazione di piccoli buchi
[C12mim] [NTf2] a bassa concentrazione prima
0,0001mM successivamente 0,001mM
Concentrazione: 0,001mM
Tempo: 32,5min
Analisi morfologica
I buchi vengono immediatamente
richiusi
[C12mim] [NTf2] a bassa concentrazione prima
0,0001mM successivamente 0,001mM
Concentrazione: 0,001mM
Tempo: 41,5min
Analisi morfologica
[C12mim] [NTf2] a bassa concentrazione prima
0,0001mM successivamente 0,001mM
Concentrazione: 0,001mM
Tempo: 60min
Formazione di nuove membrane
Analisi morfologica
Evoluzione temporale delle altezze
spessori iniziali misurati 3,4 -6,5 nm
grafico in funzione del tempo:
Nuovo incremento
6,2
6
5,8
Crescita iniziale
altezza (nm)
5,6
5,4
5,2
5
4,8
4,6
4,4
4,2
0
10
20
30
40
tempo (minuti)
Decrescita
50
60
70
Analisi meccanica
Concentrazione: 1mM [Bimim][BF4]
Line a distanza costante 2nm
Linea a forza costante 0,5 nN
Analisi meccanica
• Confronto delle misurazioni di altezza prima e dopo esposizione 1mM
[Bmim][ BF4]
Mappe morfologiche ottenute dall’ analisi morfologica
0mM [Bmim][ BF4]
1mM [Bmim][ BF4]
Analisi meccanica
• Confronto delle misurazioni di altezza prima e dopo esposizione 1mM
[Bmim][ BF4]
Mappe morfologiche ottenute dalla spettroscopia di forza
0mM [Bmim][ BF4]
1mM [Bmim][ BF4]
Analisi meccanica
• Confronto delle misurazioni di altezza prima e dopo esposizione 1mM
[Bmim][ BF4]
Tabella riassuntiva:
Peak force
tapping 0mM
[Bmim][ BF4]
Peak fore tapping
1mM
[Bmim][ BF4]
Spettroscopia di
forza 0mM
[Bmim][ BF4]
Spettroscopia di
forza 1mM
[Bmim][ BF4]
3,48 ± 0,07 nm
2,85 ± 0,06 nm
3,23 ± 0,09 nm
2,98 ± 0,08 nm
L’errore mi convince poco, e troppo piccolo,
metti 0.1 nm e lascia una sola cifra decimanle
Analisi meccanica
•
Confronto forze di penetrazione prima e dopo esposizione 1mM [Bmim][ BF4]
Mappe forza di penetrazione
0mM [Bmim][ BF4]
1mM [Bmim][ BF4]
Analisi meccanica
•
Confronto forze di penetrazione prima e dopo esposizione 1mM [Bmim][ BF4]
Tabella riassuntiva:
0mM [Bmim][ BF4]
1mM [Bmim][ BF4]
2,49 ± 0,06 nN
1,77± 0,04 nN
Confronto fra le curve di forza
Conclusioni
L’ osservazione dell’ interazione tra liquidi ionici e membrane lipidiche ha evidenziato:
• Effetti di segregazione
• Variazioni morfologiche del campione
• Variazioni meccaniche
Prospettive
• Misurazione di nuove grandezze meccaniche
• Miglioramento delle tecniche di osservazione della cinetica di reazione
• Ripetizione delle misure di spettroscopia su substrati coperti da strati di polimero