Polymer karakterisointi käyttäminen valonsironta tekniikoita ja laitteita Malvern Instruments

Aiheet

Tausta
Dynaamisen valon sironta
Polymeerit
Noninvasiiviset takaisinsironnan Optics
Case Studies
Tapaustutkimus 1: Mittaus Polymer Molecular Koko ja paino
Tapaustutkimus 2 - Valvonta Polymer faasitransitioiden
Tapaustutkimus 3: Seuranta muutokset polymeeri konformaatiossa
Johtopäätökset
Zetasizer Nano System

Tausta

Valonsironta tekniikoita käytetään yleisesti luonnehdinta ratkaisuja polymeerien ja makromolekyylien.

Dynaamisen valon sironta

Dynaamisen valon sironta (tunnetaan myös fotonin korrelaatio spektroskopia (PCS) ja lähes elastinen valonsironnan (QELS)) toimenpiteet ajasta riippuvia vaihteluja intensiteetti Hajavalon joka ilmenee, koska hiukkaset ovat läpi Brownin liike. Nopeus Tämän Brownin liikkeen on mitattu ja on nimeltään translationaalista diffuusiokerroin D. Tämä diffuusiokerroin voidaan muuntaa hiukkaskoko käyttäen Stokesin-Einsteinin yhtälö.

Polymeerit

Polymeerit käytetään monissa eri sovelluksissa, koska niiden monimuotoisuus ominaisuuksia. Molekyylirakenne, rakenne ja suunta polymeerimolekyylit voi suuresti vaikuttaa makroskooppinen ominaisuuksiin.

Random kela polymeerimolekyylit ovat auki conformations. Tämä johtaa alhainen taitekerroin erot jatkuva vaihe ja sen seurauksena ne hajoittaa hyvin vähän valoa. Tällaisille heikosti sironnan näytteitä, intensiteetti sironnan havaittu perinteisillä DLS välineitä (esim. 90 ° havaitseminen) ei ehkä riitä onnistunut mitoitus mittaukset voidaan suorittaa.

Noninvasiiviset takaisinsironnan Optics

Zetasizer Nano valikoima välineitä sisältää noninvasiivinen takaisin scatter (pomo ™) optiikka. Hajavalo havaitaan kulmassa 173 °. Romaani optiikka järjestely maksimoi havaitseminen Hajavalon säilyttäen signaalin laatua. Tämä tarjoaa poikkeuksellista herkkyyttä, jota tarvitaan mittaamiseen koko molekyylejä pienempiä kuin 1000 Daltonia .

Case Studies

Tämä sovellus Huom yhteenveto tehtyihin mittauksiin eri polymeerien ratkaisu käyttäen Zetasizer Nano S . Nano S sisältää 4 mW He-Ne laser toimii aallonpituudella 633nm ja lumivyöry valodiodi (APD) ilmaisin.

Tapaustutkimus 1: Mittaus Polymer Molecular Koko ja paino

Edes ajatellut absoluuttinen molekyylipaino mittaukset saadaan käyttämällä staattisia valonsironta, molekyylipaino voidaan joskus päätellä DLS mittauksia hyödyntäen Mark-Houwinck suhde, joka määrittää luontainen viskositeetti polymeeriliuokselle kannalta molekyylipaino liuenneen aineen.

Tämä osoittautuu läheistä sukua translaation diffuusiokerroin (D) molekyylien seuraavan yhtälön:

D = km ^{- α}

Missä k on vakio tietylle polymeeriä liuotin, M on molekyylipaino liuenneen aineen ja A on conformational parametri kuvataan kompakti molekyylin ratkaisu. Mitattu arvo A 1 viittaa siihen, että liuenneen aineen molekyylit ovat jäykkiä sauvoja; arvo 0,5-0.67 saadaan satunnaisella kelat ja arvo 0,3 aikana tapahtuu aloilla. Siksi on mahdollista saada tietoa lihakkuuden liuenneen aineen molekyyli tietyssä liuottimessa päässä DLS mittauksia.

Taulukossa 1 on yhteenveto DLS mitoitus mittaukset suoritettu useita polystyreeninäytteitä eri molekyylipaino liuotetaan tolueeni. Z-keskimääräinen halkaisija on keskimääräinen halkaisija perustuu intensiteetti Hajavalon.

Taulukko 1. Z-keskimääräinen halkaisija (nanometreinä) saadaan eri molekyylipainojakauma tunnetaan polystyreeninäytteitä liuotetaan tolueenia

Kun lokit yhtälö D = km, seuraava lauseke saadaan;

Kirjaudu D = log K - α Log M

Siksi kuvaaja log D vs. log M antaa tontti, jonka kaltevuus on. Translaation diffuusiokerroin, D, liittyy hiukkaskoon kautta Stoke-Einsteinin yhtälö. Siksi kuvaaja Kirjaudu hiukkaskoon funktiona log M mahdollistaa myös määrittää arvon. Kuvassa 1 tällainen tontin tiedot taulukossa 1 esitetyt. Viivan kulmakerroin on 0,31 osoittaa, että polystyreeni molekyylit ovat ottaneet pallomainen rakenne tolueenissa.

Kuva 1. Juonta log z-keskimääräinen halkaisija vs. molekyylipainon logaritmi polystyreenin tolueenissa. Viivan kulmakerroin on 0,31 osoittaa, että molekyylit ovat pallomainen rakenne on ratkaisu.

Tapaustutkimus 2 - Valvonta Polymer faasitransitioiden

Poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) on yksi tunnetuimmista polymeerejä, joka esittelee palautuvia, lämpötilasta riippuva faasimuutos. Missä lämpötilassa tämä tapahtuu tunnetaan samepiste tai alempi kriittinen ratkaisu lämpötila (LCST). PNIPAM liukenee lämpötiloissa alle LCST ja polymeeri on satunnaisesti kelan rakenteesta. Korkeammissa lämpötiloissa LCST, polymeeriketjujen romahtaa rae. Tämä jyrkkä siirtyminen johtuu muutoksia vetysidoksen veden molekyylien amidiryhmän ja sivuketjun.

Kuvassa 2 saadut tulokset lämpötila skannauksen näyte PNIPAM laadittu deionisoidulla vedellä 0,01% w / v keskittymistä. Mittaukset tehtiin 0,5 ° C välein käyttäen lämpötiloissa 10-40 ° C. Viive 5 minuuttia käytettiin kussakin lämpötilassa, jotta näytteen viskositeetti oli tasapainotettu ennen mittauksia tehtiin. Sekä keskimääräinen laskentataajuus (Kilossa laskee sekunnissa (kcps)) ja z-keskimääräinen halkaisija (nm) on piirrettävä lämpötilan funktiona (° C).

Kuva 2.. Keskimääräinen laskentataajuus (kcps) ja z-keskimääräinen halkaisija (nm) on PNIPAM piirretään lämpötilan funktiona.

Suuri kasvu merkitsee laskentataajuus lämpötilassa 32 ° C on sopusoinnussa aiemmin julkaistu LCST arvot PNIPAM. Tämä kasvu Hajavalon tulokset muutoksesta taitekerroin PNIPAM molekyylien niille tehdään siirtymistä satunnaisesta käämin tiivistetty rae. Taitekerroin lyhennettyjä rae rakenne on korkeampi kuin satunnainen kelan polymeeri.

Kuvassa 3 intensiteetti koko jakaumat saadaan () 10 ° C ja (b) 40 ° C. Kun PNIPAM molekyylit ovat satunnaisesti kela kokoonpano, kokojakauma on laajempi verrattuna, kun polymeeri on tiivistetty rae. Johon sisältyvien polymeerien koot indeksiarvot saatu nämä kaksi lämpötilat ovat 0,491 ja 0,087 vastaavasti. Alempi arvo 0,087 vahvistaa kapeampi kokojakauma nähnyt 40 ° C.

Kuva 3. Voimakkuus koko jakaumat 0,01% w / v PNIPAM mitattu () 10 ° C ja (b) 40 ° C.

Tapaustutkimus 3: Seuranta muutokset polymeeri konformaatiossa

Dynaamisen valon sironta on helppo seurata lämpötilan riippuvaisia ​​muutoksia lihakkuuden polymeeri hiukkasia. Kuvassa 4 vaikutusta keskiarvo laskentataajuus ja z-keskimääräinen halkaisija polymeeri hiukkasen hajontaa kuin lämpötilaa nostettiin. Mittaukset tehtiin 1 ° C välein tasapainotilan 5 minuuttia jokaisessa lämpötilassa.

Kuva 4. Lisäävä vaikutus lämpötilan keskiarvo laskentataajuus ja z-keskimääräinen halkaisija polymeeri hiukkasen hajontaa.

Z-keskimääräinen halkaisija kasvaa lämpötilan noustessa. Normaalisti kasvu Z-keskimääräinen halkaisija on osoitus hiukkasen aggregaatiota. Tämä johtaisi myös kasvaa keskimääräinen laskentataajuus. Kuitenkin tulokset tässä tutkimuksessa, keskimääräinen luottaa hinnat laskea kuumennettaessa. Siksi lisäys keskimääräinen halkaisija osoittaa, että polymeeri hiukkaset ovat turvotus lämpötilan noustessa. Koska rakenne näistä turvoksissa hiukkasia tulee avoimempia lämpötilan noustessa, taitekerroin hiukkasia vähenee tuloksena väheneminen merkitsee laskentataajuus.

Johtopäätökset

Zetasizer Nano -sarjan kanssa pomo ™ optiikka mahdollistaa tutkimuksessa hyvin pienten, heikosti sironta hiukkasia, kuten polymeerejä pieninä pitoisuuksina. Nano-ohjelmisto mahdollistaa helpon asennuksen lämpötilan funktiona koko ja voimakkuus mittaukset mahdollisuuden hallita tasapainotus kertaa. Seurantaan sekä keskiarvo laskentataajuus ja hiukkaskoko kuin lämpötilan funktiona elicits koskevat muutokset polymeeri rakenne ja auttaa ymmärtämään, mitä prosesseja tapahtuu.

Zetasizer Nano System

Zetasizer Nano järjestelmän Malvern Instruments on ensimmäinen kaupallinen väline sisältää laitteiston ja ohjelmiston yhdistettyjen dynaaminen, staattinen, ja elektroforeesi valonsironta mittauksia. Laaja otos ominaisuudet käytettävissä mittaus Zetasizer Nano järjestelmä ovat partikkelikoko, molekyylipaino, ja zeta mahdollisia.

Zetasizer Nano -järjestelmä on suunniteltu erityisesti vastaamaan pieninä pitoisuuksina ja näytteen tilavuus vaatimukset tyypillisesti liittyvät lääke-ja biomolekulaaristen sovelluksia sekä runsaasti vaatimukset kolloidinen sovelluksiin. Täytä tätä ainutlaatuista vaatimukset tapahtui kautta integrointi takaisinsironnan optisen järjestelmän suunnittelu romaani solun kamari. Seurauksena näistä ominaisuuksista, Zetasizer Nano eritelmät otoskoko ja pitoisuus ylittää muihin kaupallisesti saatavilla dynaamisen valon sironta väline, jossa kokoluokassa 0.6nm on 6μm, ja pitoisuusalueella 0.1mg/mL lysotsyymiä 40 % w / v.

Täydentää patentoidun laitteiston suunnittelu, on DTS-ohjelmisto, joka tarjoaa väline ohjaus ja data-analyysi Zetasizer Nano System. DTS ohjelmisto hyödyntää itse analysoida algoritmeja vakuuttaa, että optinen asennus on optimoitu jokaisen sarjan koeolosuhteissa, ja sisältää ainutlaatuisen "yhdellä klikkauksella" mitata, analysoida ja raportoida ominaisuus suunniteltu minimoimaan uusi käyttäjä oppimiskäyrä.

Lähde: "karakterisointi Polymeerit käyttäminen valonsironta Techniques", Application Note by Malvern Instruments.

Lisätietoja tästä lähde osoitteessa Malvern Instruments Ltd (Yhdistynyt kuningaskunta) tai Malvern Instruments (USA) .