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Nanoparticle gel electrophoresis

by Fei Li




Institution: McGill University
Department: Department of Chemical Engineering
Degree: PhD
Year: 2014
Keywords: Engineering - Chemical
Record ID: 2047402
Full text PDF: http://digitool.library.mcgill.ca/thesisfile127137.pdf


Abstract

Gel electrophoresis is recognized as a technique to separate nanoparticles based on size, shape and surface charge, and a means to study nanoparticle physicochemical properties. In this thesis, we first developed an electrokinetic model for bare charged sphere electrophoresis in polyelectrolyte hydrogels, addressing the importance of hydrogel permeability and fixed charge. The model identified parameter space where asymptotic approximations in the literature are accurate, and provided strategies to improve nanoparticle size separation by manipulating parameters, such as gel permeability and ionic strength. To interpret gel electrophoresis of polyelectrolyte coated nanoparticles, a theoretical model on soft sphere gel electrophoresis was established, focusing on the role of the polyelectrolyte shell. This electrokinetic model was validated by comparing to bare-particle gel electrophoresis models and free-solution electrophoresis models in the literature, and by fitting to experimental data for gold nanoparticles. It was observed that the gel electrophoretic mobilities of metallic-core particles in polyelectrolyte shells can be qualitatively different than for their non-metallic counterrparts. As indicated by the theoretical models, a low ionic strength may benefit nanoparticle size separation by varying the hydrogel permeability according to the particle charge mechanism, while varying the properties of the polyelectrolyte shell does not enhance separation. Moreover, we presented an experimental study of carboxymethyl PEGylated gold nanoparticle using a two-step synthesis and characterization of nanoparticle properties with various experimental techniques. The carboxymethyl end group was found to influence the nanoparticle hydrodynamic size and ζ-potential. L'électrophorèse sur gel est reconnue comme une technique de séparation de nanoparticules en fonction de leur taille, forme et charge de surface, et c’est aussi un moyen d'étudier les propriétés physico-chimiques des nanoparticules. Dans cette thèse, nous avons dans un premier temps développé un modèle électro-cinétique d’électrophorèse pour des sphères nues chargées dans des hydrogels polyélectrolytes, en s’interrogeant sur l'importance de la perméabilité de l'hydrogel et de la charge fixe. Le modèle a identifié le paramètre de l’espace où les approximations asymptotiques dans la littérature sont précises, et ont fourni des stratégies visant à améliorer la séparation par taille des nanoparticules en manipulant des paramètres, tels que la perméabilité du gel et la force ionique. Pour interpréter l’électrophorèse sur gel de nanoparticules revêtues polyélectrolyte, un modèle théorique de l'électrophorèse sur gel d’une sphère molle a été créé, en mettant l'accent sur le rôle de l'enveloppe de polyélectrolyte. Ce modèle électrocinétique a été validé en comparant les modèles d'électrophorèse sur gel de particules nu et les modèles d'électrophorèse sans solution dans la littérature, et en ajustant les données expérimentales pour les nanoparticules d'or. Il a été…