Caracterización de polímeros mediante técnicas de dispersión de luz y equipo de Malvern Instruments

Los temas cubiertos

Fondo
Dispersión de luz dinámica
Polímeros
No invasiva óptica de retrodispersión
Estudios de caso
Estudio de Caso 1: Medir el tamaño y peso molecular del polímero
Estudio de caso 2 - Seguimiento de las transiciones de fase de polímero
Estudio de caso 3: Vigilancia de los cambios en la conformación del polímero
Conclusiones
Zetasizer Nano Sistema

Fondo

Técnicas de dispersión de luz son ampliamente utilizados para la caracterización de las soluciones de polímeros y macromoléculas.

Dispersión de luz dinámica

Dispersión de luz dinámica (también conocido como espectroscopia de correlación fotónica (PCS) y cuasi-elástica dispersión de la luz (QELS)) las medidas de las fluctuaciones que dependen del tiempo en la intensidad de la luz dispersa que se produce porque las partículas están experimentando el movimiento browniano. La velocidad de este movimiento browniano se mide y se llama el coeficiente de difusión traslacional puede ser D. Este coeficiente de difusión convertido en el tamaño de partícula mediante la ecuación de Stokes-Einstein.

Polímeros

Los polímeros se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones debido a su diversidad de propiedades. La estructura molecular, la conformación y orientación de las moléculas del polímero puede afectar las propiedades macroscópicas de los materiales.

Las moléculas del polímero al azar bobina conformaciones han abierto. Esto se traduce en diferencias bajo índice de refracción de la fase continua y como resultado, la dispersión de luz muy pequeña. Para tales muestras débilmente dispersión, la intensidad de la dispersión observada con instrumentos DLS convencionales (es decir, 90 ° de detección) puede no ser suficiente para el éxito de las mediciones de tamaño para llevar a cabo.

No invasiva óptica de retrodispersión

El Zetasizer Nano gama de instrumentos incorpora no invasiva retrodispersión (ONE ™) óptica. La luz dispersada se detecta en un ángulo de 173 °. La nueva modalidad de óptica maximiza la detección de la luz dispersada, manteniendo la calidad de la señal. Esto proporciona la sensibilidad excepcional que se requiere para medir el tamaño de las moléculas más pequeñas de 1000 Daltons .

Estudios de caso

Esta nota de aplicación se resumen las mediciones realizadas en diferentes polímeros en solución con la Zetasizer Nano S . S El Nano contiene un 4 mW He-Ne es un láser en una longitud de onda de 633 nm y un fotodiodo de avalancha (APD) detector.

Estudio de Caso 1: Medir el tamaño y peso molecular del polímero

Incluso el pensamiento absoluto mediciones de peso molecular se obtienen mediante dispersión de luz estática, el peso molecular a veces puede inferirse a partir de las mediciones de DLS, aprovechando la relación marca-Houwinck que define la viscosidad intrínseca de una solución de polímero en función del peso molecular del soluto.

Esto resulta estar estrechamente relacionado con el coeficiente de difusión traslacional (D) de las moléculas en la siguiente ecuación:

D = km ^{- α}

Donde k es una constante para un polímero en un solvente en particular, M es el peso molecular del soluto y es un parámetro que describe la conformación de la compacidad de la molécula en solución. Un valor medido de una de 1 sugiere que las moléculas de soluto son varillas rígidas, un valor de 0,5 a 0,67 se obtiene con las bobinas al azar y un valor de 0,3 se produce por las esferas. Por lo tanto, es posible obtener información con respecto a la conformación de una molécula de soluto en un solvente en particular de las mediciones de DLS.

La Tabla 1 resume DLS tamaño de las mediciones realizadas en una serie de muestras de poliestireno de diferentes pesos moleculares en tolueno. El diámetro promedio-z es el diámetro medio basado en la intensidad de la luz dispersada.

Tabla 1. Z-el diámetro medio (en nanómetros) obtenidos para diversas muestras de peso molecular conocido de poliestireno en tolueno

Tomando los registros de la ecuación D = km, la expresión se obtiene la siguiente;

Registro D = log k - α log M

Por lo tanto, una representación gráfica del log D en comparación con M Registro le dará un terreno cuya pendiente es una. El coeficiente de difusión traslacional, D, está relacionado con el tamaño de partícula a través de la ecuación de Stoke-Einstein. Por lo tanto, una parcela de tamaño de partículas frente a Log M registro también permite la determinación del valor de una. La figura 1 muestra un diagrama de los datos contenidos en la tabla 1. La pendiente de la línea es de 0,31 lo que indica que las moléculas de poliestireno han adoptado una conformación esférica en tolueno.

Figura 1. Parcela de log z de la media de diámetro frente a log peso molecular del poliestireno en tolueno. La pendiente de la línea es de 0,31 lo que indica que las moléculas tienen una conformación esférica es la solución.

Estudio de caso 2 - Seguimiento de las transiciones de fase de polímero

Poli (N-isopropilacrilamida) (PNIPAM) es uno de los polímeros más bien sabido que exhibe una reversible, dependiente de la temperatura de transición de fase. La temperatura a la que esto ocurre se conoce como la nube de puntos o más baja temperatura de la solución fundamental (LCST). PNIPAM es soluble a temperaturas por debajo de la LCST y el polímero tiene una conformación espirales. A temperaturas por encima de la LCST, el colapso de las cadenas de polímero en un glóbulo. Esta brusca transición se debe a alteraciones en los enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua para el grupo amida de la cadena lateral.

La figura 2 muestra los resultados obtenidos de un análisis de la temperatura de una muestra de PNIPAM preparado en agua desionizada a un 0,01% w / v de concentración. Las mediciones se realizaron en intervalos de 0,5 ° C con un rango de temperatura de 10 a 40 ° C. Un tiempo de retardo de 5 minutos se usó para cada temperatura para asegurar que la viscosidad de la muestra se equilibró antes de las mediciones fueron tomadas. Tanto la tasa media del recuento (en el recuento de kilo por segundo (KCP)) y la z de la media de diámetro (nm) se trazan en función de la temperatura (° C).

Figura 2. La tasa media del recuento (KCP) y z promedio de diámetro (nm) de PNIPAM gráficamente como una función de la temperatura.

El gran aumento en la tasa de recuento medio a una temperatura de 32 ° C es consistente con los valores LCST publicadas con anterioridad para PNIPAM. Este incremento en los resultados de la luz dispersada por un cambio en el índice de refracción de las moléculas PNIPAM que sean sometidos a un paso de las hélices al azar a los glóbulos condensada. El índice de refracción de la estructura del glóbulo condensada es superior a la del polímero espirales.

La Figura 3 muestra la distribución del tamaño de intensidad obtenida en (a) 10 ° C y (b) 40 ° C. Cuando las moléculas de PNIPAM están en una configuración de bobina al azar, la distribución del tamaño es más amplio en comparación a cuando el polímero se encuentra en un glóbulo condensada. Los valores del índice de polidispersidad obtenidos en estas dos temperaturas son 0,491 y 0,087, respectivamente. El menor valor de 0.087 confirma la distribución de tamaño estrecha visto a 40 ° C.

Figura 3. Distribuciones de tamaño de la intensidad del 0,01% w / v PNIPAM medido en (a) 10 ° C y (b) 40 ° C.

Estudio de caso 3: Vigilancia de los cambios en la conformación del polímero

Dispersión de luz dinámica puede controlar fácilmente los cambios de temperatura depende de la conformación de partículas de polímero. La Figura 4 muestra el efecto sobre la tasa media del recuento y la z de la media de diámetro de una dispersión de partículas de polímero como la temperatura se incrementó. Las mediciones se realizaron en intervalos de 1 ° C con un tiempo de equilibrio de 5 minutos a cada temperatura.

Figura 4. Efecto de la temperatura cada vez mayor en la tasa media del recuento y la z de la media de diámetro de una dispersión de partículas de polímero.

El diámetro promedio-z aumenta con la temperatura. Normalmente, un aumento en el diámetro promedio-z es una indicación de la agregación de las partículas. Esto se traduciría en un aumento de la tasa media del recuento. Sin embargo, en los resultados obtenidos en este estudio, las tasas de recuento medio de descenso después del calentamiento. Por lo tanto, el aumento en el diámetro medio indica que las partículas de polímero son inflamación con aumento de la temperatura. Como la conformación de estas partículas hinchadas se abre más al aumentar la temperatura, el índice de refracción de las partículas disminuye con la consiguiente reducción en la tasa media del recuento.

Conclusiones

El Zetasizer Nano serie con puntas ™ permite la óptica para el estudio de partículas muy pequeñas, débil dispersión como los polímeros a baja concentración. El software Nano permite la fácil configuración de las mediciones de temperatura en función del tamaño y la intensidad con el control total de tiempos de equilibrio. Monitoreo tanto de la tasa media del recuento y tamaño de las partículas en función de la temperatura provoca la información sobre los cambios en la conformación del polímero y ayuda a comprender los procesos que se están produciendo.

Zetasizer Nano Sistema

El Zetasizer Nano sistema de Malvern Instruments es el primer instrumento comercial para incluir el hardware y software para combinar medidas de dispersión dinámica, estática, y electroforesis de luz. La amplia gama de propiedades de la muestra para la medición con el sistema Zetasizer Nano incluyen, tamaño de partícula, el peso molecular, y el potencial zeta.

El Zetasizer Nano sistema fue diseñado específicamente para satisfacer las necesidades de baja concentración y volumen de la muestra típicamente asociados con aplicaciones farmacéuticas y biomolecular, junto con los requisitos de alta concentración para aplicaciones coloidal. La satisfacción de esta mezcla única de requisitos se llevó a cabo a través de la integración de un sistema de retro-reflexión óptica y el diseño de una cámara de celular novela. Como consecuencia de estas características, el Zetasizer Nano especificaciones de tamaño de la muestra y la concentración superiores a los de cualquier otro instrumento disponible en el mercado dinámico de dispersión de la luz, con un rango de tamaño de 0.6Nm a 6μm, y un rango de concentración de 0.1mg/mL lisozima a 40 % w / v.

Complementaria a la de diseño de hardware patentado, es el software DTS, proporcionando el control de instrumentos y análisis de datos para el Zetasizer Nano sistema. El software DTS utiliza algoritmos de auto análisis para asegurar que la configuración óptica se optimiza para cada conjunto de condiciones experimentales, e incluye un único "one click" medir, analizar, y cuentan con el informe diseñado para minimizar la curva de aprendizaje de nuevos usuarios.

Fuente: "Caracterización de los polímeros mediante técnicas de dispersión de luz", la nota de aplicación de Malvern Instruments.

Para más información sobre esta fuente, por favor visite Malvern Instruments Ltd (Reino Unido) o Malvern Instruments (EE.UU.) .