Caractérisation de Polymère Utilisant des Techniques de Dispersion de la Lumière et Matériel Des Instruments de Malvern

Sujets Couverts

Mouvement Propre
     Dispersion de la Lumière Dynamique
      Polymères
     Bloc Optique Rétrodiffusion Non envahissant
Études de Cas
     Étude de Cas 1 : Dimension et Poids Moléculaire de Mesure de Polymère
     Étude de Cas 2 - Passages de Phase de Polymère de Surveillance
     Étude de Cas 3 : Surveillance des changements de conformation de polymère
Conclusions
Système de Nano de Zetasizer

Mouvement Propre

Les techniques de dispersion de la Lumière sont très utilisées pour la caractérisation des solutions des polymères et des macromolécules.

Dispersion de la Lumière Dynamique

La dispersion de la lumière Dynamique (sachez également en tant que la spectroscopie de corrélation de photon (PCS) et dispersion de la lumière quasiélastique (QELS)) mesure les variations dépendant du temps dans l'intensité de la lumière dispersée qui se produit parce que les particules subissent le mouvement Brownien. La vitesse de ce mouvement Brownien est mesurée et est appelée le coefficient de diffusion de translation D. Ce coefficient de diffusion peut être converti en dimension particulaire utilisant l'équation de Charger-Einstein.

Polymères

Des Polymères sont utilisés dans une grande variété d'applications dues à leur diversité des propriétés. La structure moléculaire, la conformation et l'orientation des molécules de polymère peuvent grand affecter les propriétés macroscopiques du matériau.

Les molécules Irrégulières de polymère de bobine ont des conformations ouvertes. Ceci a comme conséquence des différences faibles d'Indice de réfraction avec la phase continue et en conséquence ils dispersent la lumière très petite. Pour de tels échantillons faible de dispersion, l'intensité de la dispersion observée utilisant les instruments conventionnels de DLS (c.-à-d. dépistage de 90°) peut ne pas être suffisante pour que des mesures réussies de calibrage pour être exécutée.

Bloc Optique Rétrodiffusion Non envahissant

La chaîne Nanoe de Zetasizer des instruments comporte des blocs optiques arrières non envahissants de la dispersion (NIBS™). La lumière dispersée est trouvée sous un angle de 173°. L'arrangement nouvel de bloc optique maximise le dépistage de la lumière dispersée tout en mettant à jour la qualité du signal. Ceci fournit la sensibilité exceptionnelle qui est exigée pour mesurer la taille des molécules plus petit Daltons que 1000.

Études de Cas

Cette note d'application récapitule des mesures effectuées sur les polymères variés en solution utilisant le Nano S. de Zetasizer. Le Nano S contient un laser de -Ne 4mW fonctionnant à une longueur d'onde de 633nm et d'un détecteur de photodiode (APD) d'avalanche.

Étude de Cas 1 : Dimension et Poids Moléculaire de Mesure de Polymère

A même pensé que des mesures absolues de poids moléculaire sont obtenues utilisant la dispersion de la lumière statique, poids moléculaire peuvent parfois être impliquées des mesures de DLS en exploitant la relation de Note-Houwinck qui définit la viscosité intrinsèque d'une solution de polymère en termes de poids moléculaire du corps dissous.

Ceci s'avère être étroitement lié au coefficient de diffusion de translation (d) des molécules dans l'équation suivante :

D = kilomètre- α

Là Où k est une constante pour un polymère particulier dans un solvant, M est le poids moléculaire du corps dissous et le á est un paramètre conformationnel décrivant la compacité de la molécule en solution. Une valeur mesurée pour le á de 1 suggère que les molécules de corps dissous soient les tiges rigides ; une valeur de 0,5 à 0,67 est obtenue avec les bobines irrégulières et une valeur de 0,3 se produit pour des sphères. Par Conséquent, il est possible d'obtenir l'information concernant la conformation d'une molécule de corps dissous dans un solvant particulier des mesures de DLS.

Le Tableau 1 récapitule des mesures de calibrage de DLS exécutées sur un certain nombre d'échantillons de polystyrène de poids moléculaires variés dissous en toluène. Le diamètre z-moyen est le moyen diamètre basé sur l'intensité de la lumière dispersée.

Diamètres z-moyens du Tableau 1. (dans les nanomètres) obtenus pour différents échantillons connus de polystyrène de poids moléculaire dissous en toluène

Poids Moléculaire de Polystyrène (Daltons)

Diamètre z-Moyen (nanomètre)

980

3,2

9860

7,0

9600

14,2

1214000

29,2

Prenant des logs de l'équation D = kilomètre, l'expression suivante est obtenu ;

Enregistrez D = Log k - le Log M de α

Par Conséquent un graphique du Log D contre le Log M donnera un traçage dont la pente est á. Le coefficient de diffusion de translation, D, est lié à la dimension particulaire par l'équation de Charger-Einstein. Par Conséquent, un traçage de dimension particulaire de Log contre le Log M permet également la détermination de la valeur du á. Le Schéma 1 affiche un tel traçage pour les données contenues dans le tableau 1. La pente de la ligne est 0,31 indiquant que les molécules de polystyrène ont adopté une conformation sphérique en toluène.

Le Schéma 1. Traçage du diamètre z-moyen de log contre le poids moléculaire de log pour le polystyrène en toluène. La pente de la ligne est 0,31 indiquant que les molécules ont une conformation sphérique est solution.

Étude de Cas 2 - Passages de Phase de Polymère de Surveillance

Poly (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) est un des polymères les plus réputés qui montre un passage de phase réversible et température-dépendant. La température à laquelle ceci se produit est connue comme remarque de nuage ou plus basse température critique de solution (LCST). PNIPAM est soluble aux températures ci-dessous le LCST et le polymère a une conformation irrégulière de bobine. Aux températures au-dessus du LCST, les réseaux de polymère s'effondrent dans un globule. Ce passage tranchant est attribué à l'altération dans la métallisation d'hydrogène des molécules d'eau au groupe amide de la chaîne latérale.

Le Schéma 2 donne les résultats obtenus à partir d'une échographie de la température d'un échantillon de PNIPAM préparé dans l'eau désionisée à des 0,01% concentrations de poids/volume. Des Mesures ont été effectuées à intervalles 0.5°C utilisant une plage de températures de 10 à 40°C. Un temps de retard de 5 mn a été employé à chaque température pour s'assurer que la viscosité d'échantillon a été équilibrée avant que les mesures aient été prises. Les Les Deux les moyens tarifs de compte (dans le kilo compte par seconde (kcps)) et le diamètre z-moyen (nanomètre) sont tracés en fonction de la température (°C).

Le Schéma 2. Les moyens tarifs de compte (kcps) et le diamètre z-moyen (nanomètre) de PNIPAM ont tracé en fonction de la température.

La grande augmentation des moyens tarifs de compte à une température de 32°C est compatible avec des valeurs précédemment publiées de LCST pour PNIPAM. Cette augmentation des résultats légers dispersés d'un changement de l'Indice de réfraction des molécules de PNIPAM comme elles subissent un passage de bobine irrégulière au globule condensé. L'Indice de réfraction de la structure condensée de globule est plus élevé que celui du polymère irrégulier de bobine.

Le Schéma 3 affiche les distributions de grandeurs d'intensité obtenues (a) à 10°C et (b) à 40°C. Quand les molécules de PNIPAM sont dans une configuration irrégulière de bobine, la distribution de grandeurs est comparée plus grand à quand le polymère est dans un globule condensé. Les valeurs de l'indice de multidispersion obtenues à ces deux températures sont 0,491 et 0,087 respectivement. La valeur plus basse de 0,087 confirme la distribution de grandeurs plus étroite vue à 40°C.

Le Schéma 3. distributions de grandeurs d'Intensité de 0.01%w/v PNIPAM mesuré (a) à 10°C et (b) à 40°C.

Étude de Cas 3 : Surveillance des changements de conformation de polymère

La dispersion de la lumière Dynamique peut surveillent facilement les changements dépendants de la température de la conformation des particules de polymère. Le Schéma 4 montux l'effet sur les moyens tarifs de compte et le diamètre z-moyen d'une dispersion de particules de polymère à mesure que la température a été augmenté. Les mesures ont été effectuées à intervalles 1°C avec du temps d'équilibration de 5 mn à chaque température.

Le Schéma 4. L'effet d'augmenter la température sur les moyens tarifs de compte et le diamètre z-moyen d'une dispersion de particules de polymère.

Les augmentations z-moyennes de diamètre avec l'augmentation de la température. Normalement, une augmentation en diamètre z-moyen est un signe de totalisation de particules. Ceci aurait également comme conséquence une augmentation des moyens tarifs de compte. Cependant, dans les résultats obtenus en cette étude, les moyens tarifs de compte diminuent sur le chauffage. Par Conséquent, l'augmentation en moyen diamètre indique que les particules de polymère gonflent avec l'augmentation de la température. Comme la conformation de ces particules gonflées devient plus ouverte avec l'augmentation de la température, l'Indice de réfraction des diminutions de particules avec une diminution résultante des moyens tarifs de compte.

Conclusions

La suite Nanoe de Zetasizer avec des blocs optiques de NIBS™ tient compte de l'étude très de petit, dispersant faible des particules telles que des polymères aux concentrations faibles. Le logiciel Nano tient compte de l'installation facile de la température contre des mesures de taille et d'intensité avec le plein contrôle avec des temps d'équilibration. Surveillant les deux les moyens tarifs de compte et la dimension particulaire en fonction de la température obtiennent l'information sur des changements de conformation et d'aides de polymère pour comprendre quels procédés se produisent.

Système de Nano de Zetasizer

Le système Nano de Zetasizer des Instruments de Malvern est le premier instrument commercial pour comprendre le matériel et le logiciel pour des mesures dynamiques, statiques, et électrophorétiques combinées de dispersion de la lumière. La large gamme de propriétés témoin disponibles pour la mesure avec le système Nano de Zetasizer comprennent, dimension particulaire, poids moléculaire, et potentiel de zéta.

Le système Nano de Zetasizer a été particulièrement conçu pour répondre aux besoins faibles de volume de concentration et témoin en général associés avec des applications pharmaceutiques et biomoléculaires, avec les conditions de forte concentration pour des applications colloïdales. La Satisfaction de ce seul mélange des conditions faisait par l'intermédiaire de l'intégration d'un système optique rétrodiffusion et du design d'une cavité nouvelle de cellules. Par suite de ces caractéristiques techniques, les caractéristiques Nanoes de Zetasizer pour la taille de l'échantillon et la concentration dépassent ceux pour n'importe quel autre instrument dynamique disponible dans le commerce de dispersion de la lumière, avec une classe de grandeur de 0.6nm à 6µm, et un domaine de concentration du lysozyme 0.1mg/mL au poids/volume de 40%.

Complémentaire à l'étude matériel informatique brevetée, est le logiciel de DTS, fournissant le contrôle d'instrument et l'analyse de données pour le Système de Nano de Zetasizer. Le logiciel de DTS emploie l'individu analysant des algorithmes pour assurer que l'installation optique est optimisée pour chaque ensemble de conditions expérimentales, et comprend une seule mesure de « un claquement », analysent, et enregistrent la caractéristique technique conçue pour réduire à un minimum la courbe d'apprentissage neuve d'utilisateur.

Source : « Caractérisation des Polymères Utilisant des Techniques de Dispersion de la Lumière », Note d'Application par des Instruments de Malvern.

Pour plus d'informations sur cette source visitez s'il vous plaît Malvern Instruments Ltd (R-U) ou les Instruments de Malvern (ETATS-UNIS).

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