Karakterisasi Polimer Menggunakan Teknik Hamburan Cahaya dan Peralatan Dari Malvern Instrumen

Topik Covered

Latar belakang
Dinamis Hamburan Cahaya
Polimer
Non-invasif Backscatter Optik
Studi Kasus
Studi Kasus 1: Mengukur Polimer Ukuran dan Berat Molekul
Studi Kasus 2 - Pemantauan Tahap Transisi Polimer
Studi Kasus 3: Pemantauan perubahan konformasi polimer
Kesimpulan
Zetasizer Nano Sistem

Latar belakang

Teknik hamburan cahaya banyak digunakan untuk karakterisasi solusi dari polimer dan makromolekul.

Dinamis Hamburan Cahaya

Hamburan cahaya dinamis (juga dikenal sebagai spektroskopi korelasi foton (PCS) dan quasi-elastis hamburan cahaya (QELS)) mengukur waktu tergantung fluktuasi intensitas cahaya tersebar yang terjadi karena partikel mengalami gerak Brown. Kecepatan gerak Brown ini diukur dan disebut koefisien difusi translasi D. koefisien difusi dapat dikonversi menjadi ukuran partikel menggunakan persamaan Stokes-Einstein.

Polimer

Polimer yang digunakan dalam berbagai aplikasi karena keragaman sifat mereka. Struktur molekul, konformasi dan orientasi molekul polimer dapat sangat mempengaruhi sifat makroskopik material.

Koil acak molekul polimer memiliki konformasi terbuka. Hal ini menyebabkan perbedaan indeks bias rendah dengan fasa kontinyu dan sebagai akibatnya mereka menghamburkan cahaya sangat sedikit. Untuk sampel hamburan seperti lemah, intensitas hamburan diamati menggunakan instrumen konvensional DLS (yaitu 90 ° deteksi) mungkin tidak cukup untuk pengukuran ukuran sukses dilakukan.

Non-invasif Backscatter Optik

The Zetasizer Nano menggabungkan berbagai instrumen non-invasif pencar kembali (Nibs ™) optik. Cahaya yang tersebar terdeteksi pada sudut 173 °. Novel optik pengaturan memaksimalkan deteksi cahaya tersebar tetap menjaga kualitas sinyal. Ini memberikan sensitivitas yang luar biasa yang diperlukan untuk mengukur ukuran molekul lebih kecil dari 1000 Dalton .

Studi Kasus

Catatan aplikasi ini merangkum pengukuran dilakukan pada berbagai polimer dalam larutan menggunakan Zetasizer Nano S S Nano berisi 4mW Dia-Ne operasi laser pada panjang gelombang 633nm dan fotodioda longsoran salju (APD) detektor..

Studi Kasus 1: Mengukur Polimer Ukuran dan Berat Molekul

Bahkan berpikir mutlak pengukuran berat molekul diperoleh menggunakan hamburan cahaya statis, berat molekul kadang-kadang dapat disimpulkan dari pengukuran DLS dengan memanfaatkan hubungan Mark-Houwinck yang mendefinisikan viskositas intrinsik dari larutan polimer dalam hal berat molekul zat terlarut.

Hal ini ternyata terkait erat dengan koefisien difusi translasi (D) dari molekul-molekul dalam persamaan berikut:

D = KM ^{- α}

Di mana k adalah konstanta untuk polimer tertentu dalam suatu pelarut, M adalah berat molekul zat terlarut dan á adalah parameter yang menggambarkan kekompakan konformasi molekul dalam larutan. Nilai diukur untuk á dari 1 menunjukkan bahwa molekul terlarut adalah batang kaku; nilai 0,5-0,67 diperoleh dengan kumparan acak dan nilai 0,3 terjadi untuk bola. Oleh karena itu, adalah mungkin untuk memperoleh informasi mengenai konformasi molekul zat terlarut dalam pelarut tertentu dari pengukuran DLS.

Tabel 1 merangkum DLS ukuran pengukuran dilakukan pada sejumlah sampel polistiren dari berbagai berat molekul dilarutkan dalam toluena. Z diameter rata-rata adalah diameter rata-rata berdasarkan intensitas cahaya yang tersebar.

Tabel 1. Z-rata diameter (dalam nanometer) yang diperoleh untuk berbagai sampel dikenal berat molekul polistiren yang dilarutkan dalam toluena

Mengambil log dari persamaan D = KM, ekspresi berikut ini didapat;

Login D = k log - Log α M

Oleh karena itu grafik Login Login D vs M akan memberikan plot yang kemiringannya á. Koefisien difusi translasi, D, adalah berkaitan dengan ukuran partikel melalui persamaan Einstein Stoke-. Oleh karena itu, plot ukuran partikel berbanding Login Login M juga memungkinkan penentuan nilai á. Gambar 1 menunjukkan suatu plot untuk data yang terdapat dalam tabel 1. Kemiringan garis adalah 0,31 menunjukkan bahwa molekul polistiren telah mengadopsi konformasi bola dalam toluena.

Gambar 1. Plot dari log z-rata berdiameter terhadap log berat molekul untuk polistiren dalam toluena. Kemiringan garis adalah 0,31 menunjukkan bahwa molekul memiliki konformasi bola adalah solusi.

Studi Kasus 2 - Pemantauan Tahap Transisi Polimer

Poli (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) adalah salah satu polimer yang paling terkenal bahwa pameran, reversibel bergantung pada temperatur transisi fase. Suhu di mana hal ini terjadi dikenal sebagai titik awan atau menurunkan suhu larutan kritis (LCST). PNIPAM larut pada suhu di bawah LCST dan polimer memiliki konformasi koil acak. Pada suhu di atas LCST, polimer rantai runtuh ke suatu gumpalan. Ini transisi tajam dihubungkan dengan perubahan dalam ikatan hidrogen dari molekul air kepada kelompok amida dari rantai samping.

Gambar 2 menunjukkan hasil yang diperoleh dari scan suhu sampel PNIPAM disiapkan dalam air deionisasi pada konsentrasi b / v 0,01%. Pengukuran dilakukan pada interval 0,5 ° C dengan menggunakan kisaran temperatur 10 sampai 40 ° C. Waktu tunda dari 5 menit digunakan pada setiap temperatur untuk memastikan bahwa viskositas sampel adalah disetimbangkan sebelum pengukuran dilakukan. Kedua tingkat hitungan rata-rata (dalam jumlah kilo per detik (kcps)) dan z-rata diameter (nm) diplot sebagai fungsi dari temperatur (° C).

Gambar 2. Tingkat menghitung rata-rata (kcps) dan z-rata diameter (nm) dari PNIPAM diplot sebagai fungsi temperatur.

Peningkatan besar dalam laju pencacahan berarti pada suhu 32 ° C adalah konsisten dengan nilai-nilai LCST sebelumnya diterbitkan untuk PNIPAM. Peningkatan dalam hasil cahaya tersebar dari perubahan dalam indeks bias dari molekul PNIPAM karena mereka mengalami transisi dari kumparan acak untuk gumpalan kental. Indeks bias struktur globul kental lebih tinggi dibandingkan dengan polimer koil acak.

Gambar 3 menunjukkan distribusi ukuran intensitas yang diperoleh pada (a) 10 ° C dan (b) 40 ° C Ketika molekul PNIPAM berada dalam konfigurasi kumparan acak, distribusi ukuran lebih luas dibandingkan dengan ketika polimer berada dalam gumpalan kental. Nilai indeks polidispersitas diperoleh pada dua suhu 0,491 dan 0,087 masing-masing. Nilai lebih rendah dari 0,087 menegaskan distribusi ukuran sempit terlihat pada 40 ° C

Gambar 3. Distribusi ukuran Intensitas 0,01% b / v PNIPAM diukur pada (a) 10 ° C dan (b) 40 ° C

Studi Kasus 3: Pemantauan perubahan konformasi polimer

Hamburan cahaya dinamis dengan mudah dapat memantau perubahan suhu tergantung pada konformasi partikel polimer. Gambar 4 menunjukkan efek pada laju pencacahan mean dan z rata-rata diameter partikel dispersi polimer sebagai suhu meningkat. Pengukuran dilakukan pada interval 1 ° C dengan waktu equilibrium dari 5 menit pada suhu masing-masing.

Gambar 4. Efek meningkatnya suhu pada tingkat hitungan rata-rata dan rata-rata z diameter partikel dispersi polimer.

Z diameter rata-rata meningkat dengan meningkatnya suhu. Biasanya, peningkatan diameter rata-rata z merupakan indikasi agregasi partikel. Ini juga akan mengakibatkan peningkatan laju pencacahan berarti. Namun, dalam hasil yang diperoleh dalam penelitian ini, tingkat penurunan jumlah rata-rata pada saat pemanasan. Oleh karena itu, peningkatan diameter rata-rata menunjukkan bahwa partikel polimer bengkak dengan meningkatnya suhu. Sebagai konformasi partikel-partikel ini membengkak menjadi lebih terbuka dengan meningkatnya suhu, indeks bias partikel menurun dengan penurunan yang dihasilkan di tingkat hitungan berarti.

Kesimpulan

The Zetasizer Nano seri dengan Nibs ™ optik memungkinkan untuk studi yang sangat kecil, lemah partikel hamburan seperti polimer pada konsentrasi rendah. Perangkat lunak Nano memungkinkan untuk setup yang mudah pengukuran suhu dibandingkan ukuran dan intensitas dengan kontrol penuh atas kali equilibrium. Pemantauan tingkat hitungan rata-rata baik dan ukuran partikel sebagai fungsi temperatur memunculkan informasi tentang perubahan konformasi polimer dan membantu untuk memahami proses apa yang terjadi.

Zetasizer Nano Sistem

The Nano Zetasizer sistem dari Malvern Instrumen adalah alat komersial pertama untuk menyertakan perangkat keras dan perangkat lunak untuk gabungan pengukuran cahaya dinamis, statis, dan elektroforesis hamburan. Berbagai sifat sampel yang tersedia untuk pengukuran dengan Nano Zetasizer sistem meliputi, ukuran partikel, berat molekul, dan potensi zeta.

The Zetasizer Nano adalah sistem yang khusus dirancang untuk memenuhi konsentrasi rendah dan persyaratan sampel volume yang biasanya terkait dengan aplikasi farmasi dan biomolekuler, bersama dengan persyaratan konsentrasi tinggi untuk aplikasi koloid. Memuaskan ini campuran unik dari persyaratan ini dilakukan melalui integrasi sistem backscatter optik dan desain sebuah ruang sel baru. Sebagai konsekuensi dari fitur ini, Nano Zetasizer spesifikasi untuk ukuran sampel dan konsentrasi melebihi mereka untuk setiap instrumen yang tersedia secara komersial hamburan cahaya lain yang dinamis, dengan berbagai ukuran 0.6nm untuk 6μm, dan berbagai konsentrasi 0.1mg/mL lisozim sampai 40 % b / v.

Melengkapi desain hardware dipatenkan, adalah perangkat lunak DTS, menyediakan kontrol instrumen dan analisis data untuk Nano Zetasizer Sistem. Perangkat lunak menggunakan algoritma DTS menganalisis diri untuk memastikan bahwa setup optik dioptimalkan untuk setiap set kondisi eksperimental, dan termasuk unik "satu klik" mengukur, menganalisis, dan fitur laporan yang dirancang untuk meminimalkan kurva pembelajaran pengguna baru.

Sumber: "Karakterisasi Polimer Menggunakan Teknik Hamburan Cahaya", Catatan Aplikasi oleh Malvern Instrumen.

Untuk informasi lebih lanjut tentang sumber ini silakan kunjungi Malvern Instrumen Ltd (Inggris) atau Malvern Instrumen (AS) .