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光散乱の技術を使用してポリマー性格描写および Malvern の器械からの装置

カバーされるトピック

背景
     ダイナミックな光散乱
      ポリマー
     非侵襲的な後方散乱の光学
ケーススタディ
     ケーススタディ 1: 測定ポリマー分子サイズおよび重量
     ケーススタディ 2 - モニタリングポリマーフェーズ遷移
     ケーススタディ 3: ポリマー構造の変更の監視
結論
Zetasizer の Nano システム

背景

光散乱の技術はポリマーおよび高分子の解決の性格描写のために広く利用されています。

ダイナミックな光散乱

ダイナミックな光散乱は (また光子の相関関係の分光学および準弾性 (PCS)光散乱として確認して下さい (QELS)) 粒子がブラウン運動を経ているので発生する分散させたライトの強度の時間依存の変動を測定します。 このブラウン運動の速度は翻訳の拡散係数 D. 測定され、呼出されます。 この拡散係数はかき立て Einstein の同等化を使用して粒度に変換することができます。

ポリマー

ポリマーは特性の多様性によるいろいろアプリケーションで使用されます。 ポリマー分子の分子構造、構造およびオリエンテーションは材料のマクロスコピック特性に非常に影響を与えることができます。

任意コイルポリマー分子に開いた構造があります。 これは連続的な段階の低い R.i. の相違で起因し、その結果彼らは少しだけライトを分散させます。 そのような弱く分散のサンプルのために、慣習的な DLS の器械 (すなわち 90° の検出) を使用して観察される分散の強度は正常なサイジングの測定が行われることができるように十分ではないかもしれません。

非侵襲的な後方散乱の光学

器械の Zetasizer の Nano 範囲は非侵襲的な背部分散 (NIBS™) 光学を組み込みます。 分散させたライトは 173° のの斜めに検出されます。 新しい光学整理は信号品質を維持している間分散させたライトの検出を最大化します。 これは分子小さいより 1000 の Daltons のサイズを測定するために必要となる例外的な感度を 提供します

ケーススタディ

このアプリケーションノートは解決で Zetasizer Nano S. を使用してさまざまなポリマーでなされる測定を要約します Nano S は 633nm およびなだれフォトダイオード探知器の波長で動作する 4mW 彼 Ne レーザーを (APD)含んでいます。

ケーススタディ 1: 測定ポリマー分子サイズおよび重量

絶対分子量の測定が時々 DLS の測定から静的な光散乱を使用して溶質の分子量の点ではポリマー解決の本質的な粘着性を定義するマークHouwinck 関係のことを開発によって、分子量推論することができる得られることを考えました。

これは密接に次の同等化の分子の翻訳の拡散係数 (d) と関連していることをなります:

D = kM- α

k が溶媒の特定ポリマーのための定数である一方、 M は溶質の分子量であり、 á は解決で分子の小型であることを記述する conformational パラメータです。 1 の á のための測定値は溶質の分子が堅い棒であることを提案します; 0.5 から 0.67 という値は任意コイルと得られ、 0.3 という値は球のために行われます。 従って、 DLS の測定からの特定の溶媒の溶質の分子の構造に関する情報を得ることは可能です。

表 1 はトルエンで分解するさまざまな分子量のいくつかのポリスチレンのサンプルで行われる DLS のサイジングの測定を要約します。 z 平均直径は分散させたライトの強度に基づく中間の直径です。

トルエンで分解するさまざまな知られていた分子量のポリスチレンのサンプルのために得られる表 1. の z 平均直径 (nanometres で)

ポリスチレンの分子量 (Daltons)

z 平均直径 (nm)

980

3.2

9860

7.0

9600

14.2

1214000

29.2

同等化のログを取って D = kM は、次の表現得られます;

D = ログ k - αのログ M 記録して下さい

従ってログ D のグラフは対ログ M 斜面が á であるプロットを与えます。 翻訳の拡散係数、 D はかき立て Einstein の同等化による粒度と、関連しています。 従って、ログの粒度のプロットは対ログ M また á の値の決定を可能にします。 図 1 は表 1. に含まれているデータのためのそのようなプロットを示します。 ラインの斜面はポリスチレンの分子がトルエンの球形の構造を採用したことを示す 0.31 です。

ログの z 平均直径の図 1. プロット対トルエンのポリスチレンのためのログの分子量。 ラインの斜面は分子に球形の構造がである解決あることを示す 0.31 です。

ケーススタディ 2 - モニタリングポリマーフェーズ遷移

多 (N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) 可逆、温度依存したフェーズ遷移を表わす最も有名なポリマーの 1 つはです。 これが発生する温度は曇り点かより低く重大な解決の温度として知られています (LCST)。 PNIPAM は LCST の下で温度で溶け、ポリマーに任意コイルの構造があります。 LCST の上の温度で、ポリマー鎖は小滴に倒れます。 側鎖のアミドグループへの水分子の水素の結合の変化へのこの鋭い転移は帰因します。

図 2 は脱イオンされた水で 0.01% w/v の集中で準備される PNIPAM のサンプルの温度スキャンから得られる結果を示します。 測定は 40°C. への 10 の温度較差を使用して 0.5°C 間隔でなされました。 各温度で 5 分の遅延ひとときが測定が取られた前にサンプル粘着性が平衡させたことを保障するのに使用されました。 中間のカウントのレート両方とも (キロで毎秒数えます (kcps)) および z 平均直径 (nm) は温度 (°C) の機能として計画されます。

図 2。 中間のカウントのレート (kcps) および PNIPAM の z 平均直径 (nm) は温度の機能として計画しました。

32°C の温度の中間のカウントのレートの大きい増加は PNIPAM のための前に出版された LCST 値に一貫しています。 それらが任意コイルからの凝縮させた小滴への転移を経るように PNIPAM の分子の R.i. の変更からの分散させた軽い結果のこの増加。 凝縮させた小滴の構造の R.i. は任意コイルポリマーのそれより高いです。

図 3 は (a) 10°C および (b) 40°C. で得られる強度のサイズ分布を示します。 PNIPAM の分子が任意コイル構成にあるとき、と比較されるポリマーが凝縮させた小滴にあるときサイズ分布はより広いです。 これら二つの温度で得られる polydispersity のインデックス値は 0.491 およびそれぞれ 0.087 です。 0.087 というより低い値は 40°C. で見られるより狭いサイズ分布を確認します。

図 3. (a) 10°C および (b) 40°C. で測定される 0.01%w/v PNIPAM の強度のサイズ分布。

ケーススタディ 3: ポリマー構造の変更の監視

ダイナミックな光散乱は容易に監視しますポリマー粒子の構造の温度の依存した変更をできます。 図 4 ショーは温度としてポリマー粒子の分散の中間のカウントのレートそして z 平均直径に対する効果高められました。 測定は各温度の 5 分の平衡の時間の 1°C 間隔でなされました。

図 4。 中間のカウントのレートに対する温度およびポリマー粒子の分散の z 平均直径を高める効果。

増加する温度の z 平均直径の増加。 通常、 z 平均直径の増加は粒子の集合の徴候です。 これはまた中間のカウントのレートの増加で起因します。 ただし、この調査で得られる結果で中間のカウントのレートは暖房に減ります。 従って、中間の直径の増加はポリマー粒子が増加する温度と膨れていることを示します。 これらの膨張した粒子の構造が増加する温度と開くようになるように、中間のカウントのレートの結果として生じる減少を用いる粒子の減少の R.i。

結論

NIBS™の光学の Zetasizer Nano シリーズは弱く低い集中でポリマーのような粒子を分散させる非常に小さいの調査を、可能にします。 Nano ソフトウェアは温度の容易なセットアップを対平衡の時間の完全な制御を用いるサイズおよび強度の測定可能にします。 両方を中間のカウントのレートおよび粒度は温度の機能として監視してポリマー構造の変更の情報を引き出し、どんなプロセスが発生しているか理解を助けます。

Zetasizer の Nano システム

Malvern の器械からの Zetasizer Nano システムは結合されたダイナミックで、静的な、電気泳動の光散乱の測定のためのハードウェアそしてソフトウェアを含む最初の商業器械です。 Zetasizer Nano システムとの測定のために使用できるサンプル特性の広い範囲は、粒度、分子量およびゼータの潜在性含んでいます。

Zetasizer Nano システムはとりわけ普通コロイドアプリケーションのための高い濃度の条件と共に薬剤および biomolecular アプリケーションと、関連付けられた低い集中およびサンプルボリューム条件を満たすように設計されていました。 条件のこの一義的な組合せを満たすことは新しいセル区域の後方散乱の光学系そしてデザインの統合によって堪能でした。 これらの機能の結果として、サンプルの大きさのための Zetasizer の Nano 指定および集中は 6µm に 0.6nm のサイズの範囲が付いている他のどの商用化されたダイナミックな光散乱の器械のためのもそれら、および 40% w/v に 0.1mg/mL リゾチームの集中範囲を超過します。

特許を取られたハードウェアデザインに補足、 DTS のソフトウェアはで、器械制御およびデータ解析を Zetasizer Nano システムに提供します。 DTS のソフトウェアは光学セットアップが実験条件の各セットのために最適化され、一義的な 「1 つのクリック」の測定を含まれていることを保証するためにアルゴリズムを分析している自己を、分析し、報告します新しいユーザーの習熟曲線を最小化するように設計されている機能を利用します。

ソース: 「光散乱の技術を使用してポリマーの性格描写」、 Malvern の器械によるアプリケーションノート。

このソースのより多くの情報のために Malvern の器械株式会社 (イギリス) または Malvern の器械 (米国) を訪問して下さい。

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