Tudományos Diákköri Dolgozat
BORSOS ATTILA
ELEKTROMOSAN TÖLTÖTT POLIMER NANOGÉL RÉSZECSKÉK VIZSGÁLATA
Témavezető: Gilányi Tibor egyetemi tanár
Eötvös Loránd Tudományegyetem Természettudományi Kar Budapest, 2007
1. Tartalomjegyzék ELEKTROMOSAN TÖLTÖTT POLIMER NANOGÉL RÉSZECSKÉK VIZSGÁLATA...................................................................................................... 1 1. Tartalomjegyzék................................................................................................ 2 2. Bevezetés........................................................................................................... 3 3. Irodalmi áttekintés............................................................................................. 4 4. Vizsgálati módszerek ........................................................................................ 9 4.1. Kopolimer mikrogél előállítása ................................................................. 9 4.2. Tenzidkötődési izoterma meghatározása potenciometrikus titrálással .. 10 4.3. Elektroforetikus mobilitás meghatározása.............................................. 12 4.4. Fényszóródásmérés.................................................................................. 12 5. Eredmények és értékelés ................................................................................. 15 5.1. A kopolimer mikrogél részecskék jellemzése ........................................... 15 5.1.1. A részecskék összes töltése................................................................. 17 5.1.2. A mikrogél részecsketömegének meghatározása................................ 21 5.1.3. A mikrogél részecskék mérete ............................................................ 22 5.2. A mikrogél latex kölcsönhatása kationos tenziddel ................................ 23 6. Összefoglalás................................................................................................... 27 7. Irodalomjegyzék.............................................................................................. 28
Köszönetnyilvánítás:
Szeretném köszönetemet kifejezni Dr. Gilányi Tibor egyetemi tanárnak, aki tudományos diákköri dolgozatom elkészítésében támogatott és lektorálta azt. Köszönöm továbbá Dr.Mészáros Róbert egyetemi adjunktusnak valamint Mezei Amália és Roberta Acciaro PhD hallgatóknak a munkámhoz nyújtott segítségüket.
2
2. Bevezetés A környezeti hatásokra nagymértékű reverzibilis változással válaszolni képes anyagok széles körű érdeklődésre tartanak számot. Ezek az ún. reszponzív anyagok (divatos szóval „intelligens anyagok”) a külső hatások kismértékű változásaira nagymértékű (nemlineáris) méretváltozással reagálnak, ami alkalmassá teszi őket a környezetükből érkező ingerek érzékelésére képes eszközök készítésére. Azok a környezeti paraméterek, melyek változása a polimer gél nemlineáris méretváltozását eredményezhetik, lehetnek például a hőmérséklet, a pH1, az oldat- és ionösszetétel (ionerősség)2, az elektromos- és mágneses tér, a nyomás valamint a fényintenzitás (hν)3. Ez a tulajdonságuk ígéretes felhasználásukat teszi lehetővé elválasztástechnikai 5
hatóanyagleadás)
(állófázis),
széles
körű
ipari4,
gyógyszeripari
(szabályozott
és gyógyászati területeken, például kontaktlencse készítésére.6 A
gyógyászati terület azóta került a kutatások középpontjába, mióta felismerték a reszponzív anyagok biokompatibilitását, vagyis azt, hogy alkalmasak biológiai szövetek pótlására, valamint orvosbiológiai jelek szenzorainak. Az élő szervezet számára közömbös ezeknek az anyagoknak a jelenléte, azaz a szervezet nem válaszol negatív immunreakciókkal. A felhasználási területek köre tovább bővül, ha kopolimerből szintetizáljuk a mikrogél részecskéket, továbbá ha töltéseket is beépítünk, melyek jelenlétében elektrosztatikus kölcsönhatások is fellépnek. A töltést is tartalmazó kopolimer gélek kölcsönhatásba lépnek az ellentétes töltésű ionos tenzidekkel, ami révén e rendszerek tulajdonságai széles skálán szabályozhatók. Az ellentétesen töltött polielektrolit/tenzid rendszerek a főbb alkotó elemei számos kereskedelemben kapható terméknek (pl. sampon, mosogatószer). Ezeknek a termékeknek a hatékonyságában a fázistulajdonságok játsszák a legnagyobb szerepet, ezért számos kutatás irányul ezen rendszerek stabilitásának jellemzésére. A fent említett rendszerek általános viselkedése úgy írható le, hogy kis tenzid-koncentrációk esetében az oldat transzparens, mert a rendszer termodinamikailag stabil állapotban van. A felületaktív anyag koncentrációjának növekedésével
a
képződő
komplex
töltése
folyamatosan
kompenzálódik,
ami
fázisszeparációhoz vezet és az oldat turbiddá válik. Ez az állapot kinetikailag instabil. Tovább növelve a tenzidkoncentrációt a rendszer újra transzparenssé válik, kinetikailag stabil lesz az áttöltődés miatt.7 Az áttöltődés azt jelenti, hogy a felületen adszorbeálódó tenzid molekulák túlsúlyba kerülve megváltoztatják a gélrészecske eredeti töltéselőjelét, ami ahhoz vezet, hogy a rendszer a koagulációval szemben a részecskék között ható elektrosztatikus taszítás miatt
3
újra stabil lesz. A lineáris polielektrolit/tenzid rendszerek esetében a mérési eredmények értékelése meglehetősen nehézkes, aminek a részecskék polidiszperzitása és gömbtől eltérő (statisztikus gombolyag) alakja a fő okai. A polielektrolit nanogél részecskék ideális modellként szolgálhatnak a polielektrolit/tenzid kölcsönhatás tanulmányozásához. Vizsgálataim célja monodiszperz (szűk méreteloszlású) poli-(N-izopropil-akrilamidakrilsav) pNIPAm-AAc kopolimer mikrogél részecskék előállítása, jellemzése és kationos tenziddel (cetil-trimetilammónium-bromid, CTAB) való kölcsönhatásának tanulmányozása volt. A vizsgálatokat dinamikus- és sztatikus fényszórás, elektroforetikus mozgékonyság mérésekkel végeztem. A tenzid kötési izotermáját tenzidszelektív membránelektród felhasználásával potenciometrikus mérésekből számoltam.
3. Irodalmi áttekintés A hidrogélek olyan polimerlánc hálózatok, melyek vízben duzzadásra képesek. Reológiai szempontból pedig olyan térhálós polimerként definiálhatók, melyek elasztikus vagy viszkoelasztikus tulajdonságokkal rendelkeznek. Óriási duzzadási kapacitás jellemzi ezeket az anyagokat, szárazanyaguk tömegénél ezerszer több vizet is képesek magukba zárni. Ez az egyik olyan tulajdonságuk, ami miatt széles körben kerülnek felhasználásra. A térhálósítás típusa szerint két csoportra lehet a géleket osztani, az egyik a fizikai- a másik a kémiai módon térhálósított hidrogélek osztálya. A fizikai térhálók csoportjába tartozó hidrogélek három dimenziós, stabil szerkezettel rendelkeznek, de már kis erő hatására is irreverzibilis károsodást szenvedhetnek, könnyen szétesnek és polimer oldatot képeznek. Ezt a tulajdonságot elsősorban szabályozott gyógyszerleadás területén lehet kamatoztatni. A láncok közötti kapcsolat nem kovalens kötés, hanem másodlagos kölcsönhatások (például H-híd, ionos kötés, van der Waals kölcsönhatás vagy koordinációs kötés). Erre példa az alginát, mely mannuron- és glukonsavból álló kalcium ionnal keresztkapcsolt poliszacharid.8 A hidrogél kelátképző felhasználásával oldható fel, mely a kalcium ionhoz kötődik. Ezt a tulajdonságot felhasználva alkalmazzák különböző proteinek szállítására (encapsulating proteins) valamit a sejt mártixanyagának helyettesítésére. Ugyancsak fizikai térháló kialakulásához vezet a poli(akrilsav) (PAS) és polimetakrilsav (PMAS) kötődése poli(etilén-glikol)-ra (PEG), amikor Hhíd kötés alakul ki a PEG oxigén atomjai és a polisavak karboxil csoportjainak hidrogén atomjai között. A hidrogén kötés kialakulásának feltétele a karboxil csoportok protonált formában való jelenléte, ezért a hidrogél keletkezése pH-függő. Oligonukleotidok segítségével 4
is
létrehozható
hidrogél,
például
N,N-dimetil-akrilamid
és
N-akriloilszukcinimid
kopolimerjének és egyszálú DNS-nek a felhasználásával. A komplementer DNS szál jelenlétében
hidrogél keletkezik. A gél szobahőmérsékleten stabil, de magasabb
hőmérsékleten a DNS denaturációjának következtében feloldódik.9 A másik csoportba tartoznak a kémiailag kötött hidrogélek, melyek a kialakuló kémiai kötések révén végtelen molekulatömegű térhálót alakítanak ki, valamint stabilabbak a fizikai térhálóknál. Ezeket monomerek polimerizációjával állítják elő térhálósító szer jelenlétében. Ilyen a poli(2hidroxietil-metakrilát), amit 2-hidroxi-metakrilát segítségével szintetizálnak, etilénglikoldimetakrilát jelenlétében. Kialakításukra három előállítási út lehetséges. Az első lehetőség, hogy a monomereket láncelágazás létrehozására képes vegyületek jelenlétében polimerizáljuk, ilyen például a pNIPAm vagy a bakelit. A másik lehetséges eljárás, hogy már szintetizált makromolekulákat kötünk össze térhálósító molekulák felhasználásával. Ennek eredménye blokk kopolimerek keletkezése lesz. Erre klasszikus példaként a gumi vulkanizálását említhetjük, ahol az izoprén-polimer láncokat kénatomok tartják össze. A harmadik lehetőség pedig az, hogy két egymásba hatoló térhálóból alakítjuk ki a térbeli szerkezetet, ahol a kétvagy többféle láncot másodlagos kötések tartják össze, attól függetlenül, hogy a felhasznált homopolimerek fizikai- vagy kémiai térhálók-e. Ezeket interpenetráló térhálóknak (IPN) nevezzük. Mind a fizikai-, mind a kémiai térhálók közös jellemzője a nagy deformálhatóságuk, aminek oka, hogy Young-moduluszuk (E) és nyírómoduluszuk (G) több nagyságrenddel kisebb az összenyomhatósági moduluszuknál (K). Ez azt eredményezi, hogy a külső erő hatásának irányától függetlenül az összes hálólánc deformálódni fog. A gél teljes alakváltozásához
tartozó
szabadenergia értéke egyenlő lesz
az egyes hálóláncok
deformációjából származó szabadenergia-változások értékének összegével. Különböző fizikai tulajdonságok, mint például a duzzadás mértéke befolyásolható a térhálósító szer mennyiségének változtatásával. A gélek alaktartását a polimer láncok hálózata (váza) biztosítja. A gélváz nem engedi, hogy a benne lévő folyadék kifolyjon, a folyadék pedig megakadályozza a hálóláncok összetapadását. A gél méretét a láncok elasztikus modulusza valamint az ozmózisnyomás egyensúlya határozza meg. A duzzadási képesség kifejezésére bevezethető a tömeg- illetve a térfogati duzzadásfok, amely a gél duzzadt állapotban mért tömege/térfogata a szárazanyagtartalomra vonatkoztatva. Ez utóbbi reciproka a térfogattört (Ф), amely alkalmas a polimer gél jellemzésére. A fent említett csoportosításon kívül más szempontok szerinti osztályozás is létezik. Ilyen a méret szerinti besorolás, melynek értelmében beszélhetünk makrogélekről és mikrogélekről. 5
Az előbbi csoportba azok a gélek tartoznak, melyek milliméteres vagy annál nagyobb méretű egységeket képeznek, míg a mikrogélek nano- vagy mikrométeres nagyságrendbe esnek. A mikrogélekre kolloidkémiailag stabil állapot jellemző, nagyságuk tipikusan az 50nm - 5µm mérettartományba esik. További csoportosítási lehetőség kínálkozik aszerint, hogy a hidrogél válaszol-e a környezeti ingerekre. Az ilyen tulajdonsággal nem rendelkező gélek – „nonresponsive” – csupán azért fontosak, mert nagy mennyiségű vizet képesek felvenni. A környezeti hatásokra válaszoló, úgynevezett „smart materials” vagy „stimuli-responsive” anyagok viszont nagyon érzékenyek a környezet változásaira. Az egyik legfontosabb csoport a hőmérsékletérzékenységet mutató gélek osztálya, amely tartalmazza a pozitív- és negatív hőmérséklet-érzékenységű géleket. A pozitív hőmérséklet-érzékenységű gélekre az jellemző, hogy a gélkollapszus a hőmérséklet csökkenésével érhető el, ellentétben a negatív hőmérsékleti-érzékenységű gélekkel, ahol a hőmérsékletet növelni kell a fázisszeparáció bekövetkezéséhez. A polimer molekulák oldatbeli viselkedése függ az oldószer-oldószer, oldószer-polimer és polimer-polimer kölcsönhatás nagyságától. A poli(N-izopropil-akrilamid) (pNIPAm) (1.
amid
ábra)
közegben,
O
gombolyag
]
[ NH
O
25°C-on
kapcsolódnak,
HN
NH
a
vizes
vízmolekulák
polimer
állapotában
oldószer-polimer
n
csoportjaihoz
statisztikus
van,
mert
kölcsönhatás
az
erősebb,
mint a polimer szegmensei között kialakuló
O
kölcsönhatás.
Magasabb
azonban meghatározóvá válik a polimerpolimer
kölcsönhatás,
fázisszeparációjához hőmérséklet,
1. ábra A poli(N-izopropil-akrilamid) szerkezete
hőmérsékleten
ahol
ami vezet. a
a
polimer Az
a
fázisszeparáció
bekövetkezik, alsó kritikus szételegyedési
hőmérsékletnek (Lower Critical Solution Temperature, LCST) nevezzük. Ezt a jelenséget megfigyelhetjük többek között UV-VIS spektroszkópiával, fényszóródás- és kalorimetrikus mérésekkel (Differential Scanning Calorimetry, DSC). A pNIPAm az egyik legtöbbet kutatott hőmérsékletérzékeny mikrogél, mert figyelemreméltó zsugorodásra képes, 34°C körüli hőmérsékleten (VPTT, Valume Phase Transition Temperature) kollapszust szenved.10,11 A mikrogél duzzadt, ha T
VPTT, amit fényszóródás méréssel 6
nyomon tudunk követni. A pNIPAm amfifil természete az oka annak, hogy vízzel való elegyedése korlátozott.12 Az amid- és karbonil csoportok képviselik a lánc hidrofil (poláris) részét, míg a polimer szénváza hidrofób (apoláris) jellegű. A polimer hidrofil csoportjai vízzel H-híd kötéseket tudnak létesíteni, az apoláris csoportok pedig hidrofób kölcsönhatásokban vesznek részt. Az elegyedés-szételegyedés folyamatát a H-hidas szerkezet hidrofób kölcsönhatással való versengése határozza meg. A pNIPAm részecskék rendelkeznek egy nagyobb sűrűségű belső maggal és egy kevésbé keresztkapcsolt külső héjjal. A mag kevésbé hidrofób, nagyobb keresztkapcsolási sűrűségű akrilamid monomerben gazdagabb, a héj pedig nagyobb hidrofobitással rendelkezik és izopropilakrilamidban gazdagabb.13 Erre a szerkezetre nagy hatással van a keresztkapcsolási sűrűség is. Nagy keresztkapcsolási sűrűség esetén a részecskék radiális szegmens sűrűség eloszlása Gauss eloszlással jellemezhetőek, míg csökkenő keresztkapcsolási sűrűség esetén a részecskék szerkezete egyre inkább kezd hasonlítani egy nagymértékben elágazó polimer láncra. Ennek vizsgálata során megállapították, hogy a fázisátmenet hőmérséklete csak kis mértékben függ a keresztkapcsolás sűrűségétől, azonban a zsugorodás mértéke nagymértékben függ tőle. Minél nagyobb a keresztkapcsolás mértéke, annál kisebb a zsugorodási effektus.14 A VPTT függ a polimerlánc kémiai összetételétől, a keresztkapcsolási sűrűségtől valamint az oldószer összetételétől. Az e munkában vizsgált rendszer az N-izopropil-akrilamid mellett tartalmazott akrilsav monomert is, aminek köszönhetően negatív töltések kerültek a hidrogél felszínére és belsejébe. A fázisátmenet tekintetében különbség van az ionos és nemionos gélek között, előbbiek fázisátmenete a hőmérséklet függvényében elhúzódó, míg utóbbiak esetében ugrásszerű, azaz nemlineáris jellegű. A mikrogél részecskék elektromos szerkezete, a töltések nagysága és eloszlása fontos szerepet játszik a duzzadási tulajdonságok meghatározásában. Egyes kutatások szerint az AAc komonomerek heterogenitása a pNIPAm-AAc mikrogélen belül csekély, vagyis azok random eloszlásúnak tekinthetők.15 Mások szerint a sajátos duzzadási viselkedés a töltött csoportok gél részecskén belüli inhomogén eloszlásának következménye.16 Az irodalomban ellentmondás található a komonomerek beépülésének sebességét tekintve is. Egyesek szerint a NIPAm monomer épül be gyorsabban17 a láncba, aminek blokkos polimer láncok keletkezése lesz az eredménye. Ez ellentétben áll azzal a feltételezéssel, mely szerint az AAc monomerek beépülése a gyorsabb.18 Az akrilsav monomer jelenléte az oldat savas jellegét kölcsönzi, azonban nem szabad megfeledkezni
arról
a
tényről,
hogy
a
mikrogélben
lévő
karboxil
csoportok
disszociációállandója nem egyenértékű az egyszerű karbonsavakéval. A polisav pK értéke 7
nem konstans mennyiség, hanem a disszociációfok (α) függvény. Random kopolimer esetében a dpKa/dα érték növekszik az α növekedésével, ellentétben a blokk kopolimerrel, ahol a dpKa/dα érték független az AAc tartalomtól. A dpKa/dα értékek blokk kopolimer esetében nagyobbak a random kopolimer esetében várt értékeknél.19 A pH-függő duzzadási viselkedés oka az, hogy a polimer láncban jelen lévő akrilsav monomerek a pH növekedésével folyamatosan disszociálnak, ami az ozmózisnyomás növekedését okozza. Mások szerint a töltött csoportok és a gél hálózata közötti Coulombtaszítás az oka a pH-függő duzzadásnak.15 A pH-érzékeny nanogélek alkalmasak „molekuláris motorok” készítésére, melyek képesek a kémiai energiát mechanikai munkává alakítani. Ezek a rendszerek képesek oszcilláló térfogat változást előidézni. Ilyen például az NIPAm-ból és a polimer láncba kötött ruténium komplexből álló kopolimer, melynek duzzadási foka változik, a ruténium komplex oxidált vagy redukált állapotának függvényében. Ez a komplex katalizálja a BelousovZhabotinky (BZ) reakciót, melyben a ruténium komplex periódikusan változtatja oxidált és redukált állapotát. A ruténium tartalmú nanogélek térfogatváltozása a két állapot között 2-es faktorral jellemezhető. Különbség mutatkozik a lineáris polimerek és a gélek között, ugyanis előbbiekre a hőmérséklet függvényében elhúzódó szerkezetváltozás, míg az utóbbiakra ugrásszerű térfogatváltozás jellemző. Ha a pNIPAm-AAc részecskék méretét a hőmérséklet függvényében, különböző pH-kon tanulmányozzuk, akkor kis pH-n azt tapasztaljuk, hogy egy kezdeti zsugorodást követően a nanogél részecskék hidrodinamikai átmérője ugrásszerűen növekedni kezd, ami a kolloid részecskék stabilitásbeli változásával hozható kapcsolatba.1 A részecskéken belül a szegmens sűrűség egy nagyságrenddel nagyobb kollapszált állapotban, mint duzzadt állapotban, amikor nem hanyagolhatóak el a részecskék közötti vonzó kölcsönhatások. Ezek egyensúlyt tartanak a taszító kölcsönhatásokkal. Mindazonáltal alacsony pH-n, amikor a karboxil csoportok protonált állapotban vannak, a részecskék felületi töltéssűrűsége kisebb lesz, ami a nanogél részecskék fent vázolt aggregációs viselkedését váltja ki. A jelenség gyakrolati alkalmazásához (például autonóm „chemomechanikai” rendszerek készítése) azonban szükség van a pNIPAm-AAc nanogél rendszerek kolloid stabilitásának biztosítására a kísérleti paraméterek (pH, ionerősség) megfelelő értéken tartásával. Ez azt jelenti, hogy a részecskék felületi töltéssűrűségének még alacsony pH-n is elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy megőrizzék stabilitásukat. A kísérleti eredmények azonban ennek ellenkezőjét támasztották alá. A nehézség kiküszöbölésére azt a tényt lehet 8
felhasználni, hogy a kollapszált részecskék hidrofób tulajdonságúak, ami azt jelenti, hogy adszorbeálódó képességgel rendelkeznek a felszínükön. Ha megfelelő koncentrációban anionos tenzidet adagolunk a rendszerhez, akkor elérhető, hogy a részecskék belső töltései csökkenjenek, ezzel elősegítve a kollapszust. A felületi töltéssűrűség ugyanakkor elég nagy marad, ami biztosítja a felületaktív anyag felületi adszorpciójának lehetőségét ezzel megteremtve a makroszkópos rendszer stabilitását.
4. Vizsgálati módszerek 4.1. Kopolimer mikrogél előállítása A kopolimer pNIPAm-AAc akrilsav tartalma korlátozott, ugyanis a szintézis csak 0-30 mól% AAc komonomer mennyiség között kontrollálható.20 Ezért vizsgálataimat 10 mól% AAc tartalmú kopolimer mikrogél előállításával kezdtem. A N70-es térhálósítási fokú mikrogél előállítása inert atmoszférában történt, melyhez Nizopropil-akrilamidot (NIPAMM), metilén-bisz-akrilamidot (BIS), ammónium-perszulfátot (APS), nátrium-dodecil-szulfátot (SDS) és akrilsavat használtam.21,22 190cm3 vízbe tettem 2,607g NIPAMM monomert, 0,057g metilén-bisz-akrilamidot és 0,038g nátrium-dodecilszulfátot és fél órán keresztül kevertettem 2-es fokozaton N2-gáz folyamatos áramoltatása mellett (2. ábra).
O NH
O HN
+
SDS, APS, AAc
O
+ NH
mikrogél OH
80°C; 3,5h
O
NIPAMM
BIS
akrilsav vagy egyéb komonomer 2. ábra A kopolimer mikrogél szintézise
Harminc perc elteltével a kevertetés sebességét 4-es fokozatra növeltem, hozzáadtam a 8cm3 vízben feloldott 0,187g akrilsavat illetve a 2cm3 vízben oldott 0,056g iniciátort (APS) és 9
folytattam a szintézist további 3,5 óráig az elegyet 80°C-on termosztálva. A szintézis eredményeként kapott opálos folyadékot dializáló csövekbe töltöttem és desztillált vízbe helyeztem, amit naponta kétszer cseréltem hat héten keresztül. Ez a tisztítási eljárás hatékony módja a minta monomertől és egyéb szennyeződésektől való megtisztítására. A tisztítás elve az, hogy a membránon keresztül a monomerek valamint a színtézis során el nem használt egyéb kismolekulák a kialakuló koncentrációgradiens miatt a vizes közegbe kerülnek, ezáltal megtisztítva az oldatot. A víz cseréjére azért van szükség, hogy elkerüljük a membrán két oldala közötti egyensúly kialakulását, ami megakadályozná a minta további tisztulását. A dialízis befejezését követően a minta alkalmassá válik kísérleti célokra történő felhasználásra.
4.2. Tenzidkötődési izoterma meghatározása potenciometrikus titrálással A cetil-trimetil-ionoknak a mikrogélen történő megkötődését potenciometrikus titrálással határoztam meg, cetil-trimetilammónium ionszelektív membránelektród felhasználásával. A mérés során az elektromotoros erőt mértem a hozzáadott tenzid koncentrációjának függvényében. A mérésekhez minden esetben kiforralt desztillált vizet használtam, mert a víz tisztítása során olyan anyagot alkalmaznak, ami a tapasztalatok szerint az elektród működését károsan befolyásolja. Ez a vegyület illékony, ezért a desztillált vízben halmozódik. Az elektród felépítését tekintve egy belső oldattérrel rendelkező poli(metil-metakrilát)-ból készült elektródtestből és a benne lévő elektrolitból áll, amibe Ag/AgBr-elektród merül. Ezt a teret a külső oldattértől egy poli(vinilklorid)-ból készült membrán választja el. Referenciaelektródként Ag/AgBr elektródot használtam. Az alábbi celladiagramon vázolt galváncella elektromotoros erejét mértem (3. ábra)
10
3. ábra A potenciometrikus mérések sémája
Ag | AgBr | 0.1M NaBr | membrán | cpNIPAm- AAc, cCTAB | AgBr | Ag a felületaktív anyag koncentrációjának logaritmusa függvényében. Az elektród potenciálját minden harmadik titrálási pont után oly módon ellenőriztem, hogy a membránelektródot egy konstans felületaktívanyag- koncetrációjú (0,5mM CTAB) oldatba helyeztem és mértem annak elektromotoros erejét. Ez minden esetben néhány mV hibán belül azonosnak adódott. A ce egyensúlyi (szabad tenzidmonomer) koncentrációt a Nernst- egyenlet alapján számoltam: E = E0 + k ln ce
melyben k a meredekség.
11
1.
A mikrogél által megkötött tenzid mennyisége az alábbi egyenlettel számítható:
B=
c0 − ce cp
2.
ahol B: kötött tenzid mennyisége, c0: kiindulási tenzid koncentráció, cp: polimer szárazanyag tartalma.
4.3. Elektroforetikus mobilitás meghatározása Az elektroforetikus mobilitás meghatározására a Malvern Instruments által gyártott Malvern Zetasizer NanoZ típusú készüléket használtam, ami a legmodernebb eszköz a töltött részecskék elektroforetikus mobilitásának meghatározására. A Lézer Doppler elektroforézis egy olyan technika, mellyel a felületi töltéssel rendelkező kolloid részecskék mozgékonysága meghatározható, kihasználva a Doppler-effektust. A mozgó részecskéről a fény szóródik és annak frekvenciája eltolódik. A frekvencia eltolódását interferometrikus technikával tudjuk mérni. Ez a gyakorlatban úgy történik, hogy koherens lézerpár nyalábot alkalmazunk, amik egy forrásból származnak. Az egyik nyaláb (szóródó nyaláb) a töltött részecskéhez érve eltérül, a másik nyaláb pedig változatlanul átmegy a cellán (referencia nyaláb). A két nyaláb a mintát elhagyva keresztezi egymás útját. Összehasonlítva a referencia- és a szóródó nyaláb frekvenciáját a töltött részecskék mobilitása meghatározható az alábbi összefüggésből:
ue =
ve E
3.
melyben az elektroforetikus mozgékonyság (ue) az egységnyi elektromos térerőre (E) vonatkoztatott mozgási sebességet (ve) jelenti. Az elektroforetikus mozgékonyságból az elektrokinetikai potenciál számolható.
4.4. Fényszóródásmérés A mérésekhez Brookhaven dinamikus fényszóródásmérő berendezést használtam (4.ábra), amely mind sztatikus- mind dinamikus fényszóródásmérés végrehajtására lehetőséget nyújt. Ez a mérési módszer alkalmas kutatási eszköz polielektrolit oldatok 12
szerkezetének és dinamikájának meghatározására valamint polimer rendszerek általános jellemzésére. Ha a részecske mozdulatlan, akkor a róla szóródó fény frekvenciája megegyezik a besugárzó fény frekvenciájával. Abban az esetben viszont, ha a részecske mozgásban van, akkor a Doppler-effektus miatt a besugárzó fény frekvenciája eltolódik. A frekvencia eltolódás következménye az lesz, hogy a különböző részecskékről szóródott fény interferenciájának mértéke állandóan változik ezért a szórt fény intenzitásának fluktuációját tapasztaljuk. Az intenzitás fluktuációja tehát a részecskék mozgása miatt tapasztalható. Ez utóbbi analízisét a térerő autokorrelációs függvény segítségével végezzük el: g (τ ) = A exp(− Γτ )
4.
ahol 1/Γ a relaxációs idő, τ pedig a korrelációs idő. Γ=Dq2, ahol D a kollektív diffúziós állandó, q pedig a szórási vektor:
q=
4πn
Θ sin λ 2
5.
melyben n: közeg törésmutatója, λ: lézer fényforrás hullámhossza, θ: szórási szög. Kölcsönható rendszerben a kollektív diffúziós állandó a koncentráció függvénye: D = D0 (1 + kc )
6.
ezért a méréseket több koncentrációnál kell végezni és c=o-ra extrapolálni. A véges koncentrációban D-ből számolt részecskeméretet látszólagos-jelöléssel szerepeltetem. A részecskék méretét az Einstein-Stokes egyenlet alapján számíthatjuk, ha a részecskék gömb alakúak és a fény intenzitásának fluktuációja kizárólag transzlációs diffúzió következménye: D0 =
kT 3πηd
ahol k: Boltzmann-állandó, T: hőmérséklet, η: közeg viszkozitása, d: részecske átmérője.
13
7.
4. ábra A fényszóródásmérő berendezés elvi vázlata
A
sztatikus
fényszóródásból
a
polimer
tehetetlenségi
(inercia)
sugara
(Rg),
molekulatömege (MW) és második viriál együtthatója (A2) határozható meg az alábbi összefüggés alapján:
Kc 1 ρ2 2 1 + = h + 2 A2 c + ... R(ν , c ) M W 3
8.
melyben K optikai állandó, ρ az inerciasugár, A2 a második viriálegyüttható és az R(ν,c) a redukált intenzitás. A méréseket λ=488nm hullámhosszúságú, függőlegesen polarizált lézerfénnyel 25±0,1°C-on végeztem: 9.
I (ν , c ) − I (ν ,0) R (ν , c ) = n0 Rst I st
ahol Ist a standardként használt benzol által szórt fény intenzitása.
14
5. Eredmények és értékelés 5.1. A kopolimer mikrogél részecskék jellemzése Vizsgáltam a pNIPAm-AAc mikrogél részecskék méretének változását a pH függvényében. A 0,02%-os oldatok pH-ját 0,01N nátrium-hidroxid és 0,01N hidrogén-klorid oldatok segítségéve változtattam és mértem a részecskék dinamikus fényszórását (5. ábra).
1600
friss oldatok 1400
d [nm]
1200
1000
1 hónap után
800
600
400
200 2
4
6
8
10
12
pH
5. ábra Részecskeméret pH függése
Azt tapasztaltam, hogy a részecskék mérete a pH függvényében maximum görbe szerint változik. Ennek magyarázata az, hogy a pH növekedésével a disszociált karboxil csoportok száma növekszik, aminek következtében a gélben a szegmensek közötti taszítás is nő és a részecske duzzad. A pH=7 körüli maximum méreteket az magyarázza, hogy a gél töltése (a disszociált karboxil csoportok száma) itt a legnagyobb ezért a gél belsejében lévő taszítás is maximális. A latex részecskék duzzadásának a polimer láncok rugalmassági modulusza szab 15
határt. A lúgos tartományban a méret csökkenését az ionerősség növekedése okozza, ami árnyékoló hatást fejt ki a töltésekre. Annak ellenőrzésére, hogy a rendszer egyensúlyban van-e, egy hónapos állást követően újra mértem. Ekkor azt a meglepő eredményt kaptam, hogy a méret pH függése csökkent, csak a pH=5 körüli tartományban látható egy kisebb csúcs. Ennek az érdekes jelenségnek az észlelését követően az oldatokat újra elkészítettem, megmértem a friss oldatok fényszórását, mely a hibahatáron belül megegyezett az első mérés során kapott d értékekkel. Ezután az oldatokat folyamatosan mértem, kezdetben naponta, majd kétnaponta (6. ábra). A fent leírt jelenség ebben az esetben is megfigyelhető volt a mérési adatok változása alapján. Ebből arra lehet következtetni, hogy időben a mikrogél részecskékben belső szerkezetváltozás játszódik le. Ennek értelmezése további részletes vizsgálatokat igényel.
1600
0,02% pNIPAm-AAc
1400
d [nm]
1200
1000
800
600
400
200 2
4
6
8
pH
6. ábra Méret- pH időfüggés
16
10
12
2. mérés
1. mérés 1. nap 2. nap 3. nap 4. nap 5. nap 8. nap 12. nap
Felmerül a kérdés, hogy az előállított minta valóban kopolimer-e, vagy esetleg interpenetrált pNIPAm és poli-akrilsav háló. Utóbbi esetben a polielektrolit molekulák kidiffundálhatnak a nanogél részecskékből. Annak eldöntésére, hogy ez utóbbi történik-e, felhasználtam azt a tényt, hogy a semleges pNIPAm nem lép kölcsönhatásba a kationos tenziddel, a poli-akrilsav viszont kicsapható vele az oldatból. A 5. ábrán a pH= 6, 1 hónapig tárolt mintához annyi tenzidet adtam, hogy a polielektrolit kicsapódjék, majd a szupernatáns oldatot fényszóródással újra vizsgáltam, amely tiszta víz volt, vagyis a minta nem szeparálódott egy semleges mikrogél és polielektrolit oldat komponensre. Utóbbi esetben ugyanis a pNIPAm a szupernatáns oldatban maradt volna. Kétféle eset vehető ugyanis számításba. Ha a töltések mobilizálható formában vannak kötve a polimer térhálóban, akkor az ülepedés utáni dinamikus fényszóródás mérés a víznél nagyobb intenzitást mutat ki a most már töltetlen - pNIPAm részecskék jelenléte miatt. Ha viszont a töltések kovalensen vannak kötve a térhálóban, akkor az ülepedés során a koaguláció következtében a részecskék a töltésekkel együtt leülepednek. A mérés során ekkor vízhez hasonló intenzitás érték mérhető. Méréseim során ez utóbbi eset valósult meg, vagyis a mintáról kijelenthető, hogy abban a töltések kovalens formában vannak kötve.
5.1.1. A részecskék összes töltése Vizsgálataimat a mikrogél részecskék összes –COOH csoportjának meghatározásával kezdtem (7. ábra), amit NaOH felhasználásával sav-bázis titrálással végeztem el. A térfogatos elemezést két különböző hígítású oldaton is végrehajtottam, egyrészt az eredeti pNIPAm-AAc oldaton ami ≈ 1% polimer tartalmú, másrészt ennek a törzsoldatnak az ötszörösre hígított oldatán (≈ 0,2%) is. Az ekvivalencia-pontból számolt –COOH csoportok mennyisége a kísérleti hibán belül megfelel a szintézis alapján várható 10 mól% akrilsav tartalomnak.
17
12
0,2% pNIPAm-AAc
11 10 9
pH
8 7 6 5 4
1% pNIPAm-AAc 3 0,000
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
0,006
3
cOH [mol/dm ] -
7. ábra Titrálási görbe
Érdekes jelenséget észleltem az ekvivalencia pont környékén, nevezetesen azt, hogy ebben a tartományban a rendszer nagy viszkozitást és irizálást mutatott. Ez a jelenség a koncentrált oldat esetében markánsabban, a hígabb oldatban kisebb mértékben mutatkozott, de mindkét esetben jelentős volt. Ennek magyarázata, hogy a disszociált karboxil csoportok számát (vagyis a mikrogél részecskék töltését) a hozzáadott lúggal folyamatosan növeljük. Az ekvivalencia pontban a negatív töltések száma maximális, ami a részecskék között nagy elektrosztatikus taszítást és a részecskék rendezett, folyadékkristályos szerkezetének kialakulását eredményezi. A rendeződést a látszólagos részecske átmérő (dlátszólagos)- idő(t) függvény bizonyítja. Az ábrán (8. ábra) látható, hogy a keverés után (az ábrán a minimumok) a részecskék látszólagos mérete kisebb, majd adott idő elteltével tart egy határértékhez, amely lényegesen nagyobb a keverés után mértnél. A jelenség reverzibilis, ciklikusan ismételhető. A részecskék között rendezettség alakul ki, ami mechanikai hatásra felbomlik, de idővel újra kialakul. Hasonló grafikonokat kaptam abban az esetben is, amikor a latexet inert sóval 18
(NaBr) vagy tenziddel (CTAB) titráltam. Az egyes titrálási lépéseknél a keverés szerkezetromboló hatása (minimumok a görbén), majd a szerkezet időbeli újraképződése tapasztalható. A nátrium-bromiddal való titrálás esetében az egyensúlyi dlátszólagos értékek folyamatos csökkenése tapasztalható, a CTAB esetében előbb csökken, majd újra emelkedni kezd (9.ábra).
1800
1%pNIPAm-AAc pH= 3,6
dlátszólagos [nm]
1600
1400
1200
1000
keverés
keverés 800
keverés 0
5
10
15
20
25
t [min]
8. ábra Keverés hatása a részecske látszólagos méretére
19
30
35
1400 titrálás NaBr-dal
1200
1000
dlátszólagos [nm]
titrálás CTAB-dal 800
600
400
200
0 0
20
40
60
80
100
120
140
160
t [min]
9. ábra Szerkezetképződés CTAB és inert só (NaBr) jelenlétében
A részecskék közötti kölcsönhatás mértéke koncentrációjuktól és a kölcsönhatásuk erősségétől függ. Az elektrosztatikus kölcsönhatás az ionerősség növekedésével csökken, mert ha nagyobb az ionerősség, akkor a töltött részecskék körül kialakuló diffúz elektromos kettősréteg kisebb az inert só árnyékoló hatása miatt. Ezt igazolja a 10. ábra, melyen két
20
1100 1050 1000
0,2% pNIPAm-AAc
dlátszólagos [nm]
950 900 850 800 750 700
0,02% pNIPAm-AAc
650 600 550 0,0000
0,0002
0,0004
0,0006
0,0008
0,0010
0,0012
3
cNaBr [mol/dm ]
10. ábra Ionerősség hatása
koncentrációnál a nátrium-bromid árnyékoló hatását tüntettem fel. Nagyobb mikrogél koncentrációnál (0,2%) nagyobb részecskeméreteket mértem, mert ebben az esetben a részecskék közötti kölcsönhatás nagyobb.
5.1.2. A mikrogél részecsketömegének meghatározása A móltömeg meghatározását sztatikus fényszóródás mérésekből számítottam, Zimmdiagramos ábrázolásból (11. ábra) kettős extrapolációval. A különböző koncentrációjú oldatok fényszórását mértem a szórási szög függvényében. A mérések alapján a mikrogél részecske molekulatömege (Mw) 8,8*107g/mol-nak adódott. A görbék által mutatott csúcsok azért jelentek meg, mert a részecskék hidrodinamikai átmérője a lézer fényforrás hullámhosszával (488nm) volt összemérhető (Mie-szórás). A mikrogél részecskék sűrűsége a
21
részecskesúlyból és a hidrodinamikai méretből megbecsülve 0,005g/cm3-nek adódott, ami azt
Kc/R(θ,c)
jelenti, hogy a részecskék 99,5%-a víz, duzzadt állapotban.
1,0x10
-5
8,0x10
-6
6,0x10
-6
4,0x10
-6
2,0x10
-6
0,0 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2
sin θ/2+kc
11. ábra Zimm-diagram a fényszóródásmérések értékeléséhez
5.1.3. A mikrogél részecskék mérete Az előállított kopolimer részecskék gyakorlatilag monodiszperzek (a második kumuláns, amely a méreteloszlás szélességét jellemzi p=0,02). A látszólagos méret koncentrációfüggése a 12. ábrán szerepel. Megállapítható, hogy 0,02%-osnál hígabb mikrogéleken kell a fényszóródás méréseket végezni, hogy a kölcsönhatások elhanyagolhatóak legyenek és a részecskék valódi méretét meg tudjuk határozni. Ellenkező esetben csak látszólagos átmérőt tudunk mérni a részecskék közötti fellépő jelentős elektrosztatikus kölcsönhatások miatt.
22
1200
dlátszólagos [nm]
1000
800
600
400 0,0
0,5
1,0
1,5
clatex [g/l]
12. ábra A látszólagos részecskeméret koncentráció függése
5.2. A mikrogél latex kölcsönhatása kationos tenziddel A 13. ábrán a gélben megkötődött tenzid mennyiséget (B) tüntettem fel az egyensúlyi tenzidkoncentráció függvényében. Az izoterma nullából indul, ami a töltetlen pNIPAm-hoz hasonlítva minőségi különbséget jelent. A pNIPAm – nátrium-dodecil-szulfát (NaDS) rendszeren végzett korábbi vizsgálataim során ugyanis azt tapasztaltam, hogy a komonomert nem tartalmazó, elektromosan semleges pNIPAm esetében egy minimális tenzid-koncentráció szükséges ahhoz, hogy meginduljon a kötődés (ezt nevezzük kritikus aggregációs koncentrációnak (cac)). Ez körülbelül 1mM nátrium-dodecil-szulfát (SDS) felületaktív anyag koncentrációt jelent. A pNIPAm-AAc esetében azonban kezdettől van kötődés. A kötési izotermából az is látszik, hogy a gélhez a tenzid kétféle mechanizmussal kötődik. Kezdetben a CTAB egyedi ionok formájában kötődik egy Langmuir- jellegű adszorpciót mutatva, majd egy második kötési lépés figyelhető meg. A kétféle kötődés az izotermán lépcső formájában jut kifejezésre és a második lépcső addig tart, amíg a tenzid koncentrációja el nem éri a kritikus micellaképződési koncentrációt (cmc), ami felett már nem tudjuk a kötési izotermát számolni, ugyanis micellák képződnek. A kötött és micellákban lévő tenzid a 2. egyenlet alapján nem különböztethető meg.
23
0,6
0,2% pNIPAm-AAc pH= 3,6
0,5
cmc B [mmol/g]
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0 0,0
-4
1,0x10
2,0x10
-4
-4
3,0x10
4,0x10
-4
-4
5,0x10
6,0x10
-4
-4
7,0x10
3
ce [mol/dm ]
13. ábra CTAB kötési izoterma
Tanulmányoztam, hogy miként változik a pNIPAm-AAc mérete növekvő CTAB koncentráció mellett. Ennek eredményeként azt tapasztaltam, hogy már nagyon kis tenzidmennyiség esetén is nagymértékű zsugorodás következik be (14. ábra), majd egy koagulációs tartományt követően ismét nő a részecskék mérete. Az újbóli duzzadás a lineáris polielektrolit/tenzid kölcsönhatás esetében nem tapasztalt jelenség, egyéb hasonló rendszerek esetében, mint például poli- (etilén- imin) vagy poli- (vinil- amin) a koagulációs tartományt követően konstans, kis értéken marad az átmérő és kinetikailag stabil kolloid diszperzió jön létre.7 A koaguláció vizuálisan is észlelhető, mert az oldatok zavarossá válnak. Ennek a tartománynak a jelenléte arra vezethető vissza, hogy a rendszerbe adagolt tenzid kötődik a töltött hidrogél karboxil- csoportjaihoz, és ebben a tartományban következik be a töltések teljes kompenzálása, ami a részecskék közötti elektrosztatikus kölcsönhatás megszűnését eredményezi, ezáltal lehetőséget biztosítva azok összetapadására, koagulálására. A pozitív töltések túlsúlyba kerülésével ismét taszítási erők lépnek fel a már pozitív töltésű részecskék 24
között. A mérési eredmények összhangban vannak a mobilitásmérés eredményeivel (15.ábra). A tenzidkoncentráció növelésével az elektroforetikus mobilitás (abszolút értéke) gyorsan csökken, majd előjelet vált és telítési görbének megfelelő módon növekszik tovább. A nulla körüli mobilitás érték a fényszóródás mérésnél tapasztalt koagulációs tartományba esik.
K o a g u l á c i ó
900
800
d [nm]
700
600
500
400
300
0,02% pNIPAm-AAc pH= 3,6
készítés napján mért 3 hónappal késõbb
2 hónappal késõbb
1 hónappal késõbb
200 0,0
-4
4,0x10
8,0x10
-4
-3
1,2x10 3
cCTAB [mol/dm ]
14. ábra Fényszóródás mérés
25
1,6x10
-3
4
0,02% pNIPAm-AAc pH= 3,6
mobilitás [µmcm/Vs]
3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 0,0
4,0x10
-4
8,0x10
-4
1,2x10
-3
1,6x10
-3
3
cCTAB [mol/dm ]
15. ábra Mobilitás mérés
A fenti mérések tárgyául szolgáló oldatsorozaton a fényszóródást néhány hetes állást követően ismét megmértem, annak ellenőrzése céljából, hogy történik-e töltésátrendeződés a gél felszínén, de szignifikáns eltérést nem tapasztaltam a fenti időskálán.
26
6. Összefoglalás Munkám célja az egyik leggyakrabban alkalmazott reszponzív gél, a poli(N-izopropilakrilamid) módosítása volt disszociábilis csoportok kopolimerizációval történő beépítése útján. A nanogél modell jellemzését valamit kationos tenziddel való kölcsönhatását sztatikusés dinamikus fényszórás, elektroforetikus mozgékonyság és potenciometrikus tenzidionaktivitás
mérésekkel
vizsgáltam.
Az
előállított
nanogél
részecskék
gyakorlatilag
monodiszperznek bizonyultak, ideális modellként szolgálva mind a gél reszponzív tulajdonságainak mind a polielektrolit/tenzid kölcsönhatásnak a vizsgálatához. A nanogél részecskék mérete a pH függvényében maximumgörbe szerint változik. A maximum a gélrészecskében lévő polielektrolit láncok közötti elektrosztatikus taszítás változásával értelmezhető. Az elektrosztatikus taszítás a disszociált karboxilcsoportok számának növekedésével nő, az ionerősség növekedtével viszont csökken, ami a maximumot eredményezi. A méretmaximum nagysága időben csökken, ami a nanogél részecske szerkezetváltozására, a töltések átrendeződésére utal. A nanogél kölcsönhatása ellentétesen töltött ionos tenziddel három jellegzetes tenzidkoncentráció-tartományra osztható. Kis tenzidkoncentráció tartományban a nanogél részecskék mérete és az elektroforetikus mozgékonyságuk abszolút értéke rohamosan csökken. A tenzid monomer formában kötődik a gélben, a rendszer stabil. Nagyobb koncentráció-tartományban a nanogél koagulál, a mobilitás zérus közelire esik. Végül a harmadik koncentráció tartományban a tenzid feleslege áttölti a részecskéket, az elektroforetikus mobilitás nő és a rendszer (kinetikailag) stabillá válik.
27
7. Irodalomjegyzék 1
I. Varga, I. Szalai, R. Mészáros, T. Gilányi J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20297-20301.
2
D. Duracher, F. Sauzedde, A. Elaissari, A. Perrin, C. Pichot Colloid Polym. Sci., 1998, 276, 219-231.
3
S. R. Sershen, S. L. Westcott, N. J. Halas, J. L. West J. Biomed. Mater. Res., 2000, 51, 293-298.
4
Y. Osada Adv. Polym. Sci. 1987, 82, 1.
5
A. S. Hoffman Drug Deliv. Rev. 2002, 54, 3-12.
6
V. Compan, A. Andrio, A. Lopez-Alemany, E. Riande, M. F. Refojo Biomaterials, 2002, 23, 2767-2772.
7
R. Mészáros, L. Thompson, M. Bos, I. Varga, T. Gilányi Langmuir 2003, 19, 609-615.
8
W. E. Hennink, C. F. van Nostrum Adv. Drug Deliv. Rev. 2002, 54, 13.
9
S. Nagahara, T. Matsuda Polymer Gels and Networks, 1996, 4, 111-127.
10
R. Pelton, Adv. Colloid Inerf. 2000, 85, 1.
11
H. Kawasaki, S. Sasaki, H. Maeda Langmuir 1998, 14, 773.
12
D. Dhara, P. R. Chatterji Polymer, 2000, 41, 6133.
13
T. Gilányi, I. Varga, R. Mészáros, G. Filipcsei, M. Zrínyi Langmuir, 2001, 17, 4764-4769.
14
I. Varga, T. Gilányi, R. Mészáros, G. Filipcsei, M. Zrínyi J. Phys. Chem. B 2001, 105(38), 9071-9076.
15
E. Kokufuta, B. L. Wang, R. Yoshida, A. R. Khokhlov, M. Hirata Macromolecules, 1998, 31, 6878.
16
G. E. Morris, B. Vincent, M. J. Snowden J. Colloid Interf. Sci., 1997, 190, 198.
17
W. Xue, S. Champ, M. B. Huglin Polymer, 2000, 41, 7575.
18
M. Shibayama, T. Tanaka, C. C. Han J. Chem. Phys., 1992, 97, 6842.
19
M. L. Christensen, K. Keiding Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects, 2005, 252, 61-69.
20
S. Ito, K. Ogawa, H. Suzuki, B. Wang, R. Yoshida, E. Kokufuta Langmuir, 1999, 15, 4289-4294.
21
X. Wu, R. H. Pelton, A. E. Hamielec, D. R. Woods, W. McPhee, Colloid Polym. Sci. 1994, 272, 467.
22
W. McPhee, K. C. Tam, R. Pelton, J. Colloid Interf. Sci. 1993, 156, 24.
28
