NISKOFREKVENTNA DIELEKTRIČNA SPEKTROSKOPIJA POLISTIRENSKOG LATEKSA

1. NISKOFREKVENTNA DIELEKTRIČNA SPEKTROSKOPIJA POLISTIRENSKOG LATEKSA ¹ 2Université Paris 7, Francuska 3 Hrvatski zavod za javno zdravstvo 4 Institut Ruđer Bošković • T.Vuletić1, B. Frka-Petešić1,2, M. Ujević3, R. Žaja4, M. Vukelić1, S.Tomić1 i I. Sondi4 tvuletic@ifs.hr ; www.ifs.hr/real_science MOTIVACIJA  Općenito: Transport električnih signalau bio-sustavimanamolekularnom nivouje od fundamentalnog interesa Naša motivacija: Atmosferaprotuiona kondenziranaoko nabijenihbiopolimerasnažno utječe na njihova fizikalna svojstva i time i biološke funkcije. Eksperimentalno je teško razlučiva. Naš cilj: Istražiti dielektrični odzivnabijenih niskodimenzionalnih sustava, polielektrolitaikoloida, u vodenoj sredini, varirajući ionsku jakost i pH  1979, R. Pethig “Dielectric & Electronic Properties of Biological Materials”, Wiley & Sons, NY: niskofrekventna dielektrična spektroskopija (NFDS) - prikladna, nerazarajuća tehnika koja omogućava detekciju i kvantifikaciju polarizacijskog odgovora nabijenih sustava u polarnim i nepolarnim otapalima.

2. JEDNOSTAVAN KOLOIDNI SUSTAV volumni udio 4%nominalna veličina:56nm 210nm 400nm1000nm POLISTIRENSKI LATEKS Interfacial Dynamics Co./Molecular Probes/Invitrogene polistirenske čestice su savršeno sferične lateks je monodisperzandobro definiran polarizacijski odgovor elektronska mikroskopija: lateks u čistoj vodi, bez surfaktanatapovršina modificirana COOH skupinamaproizvođač deklarira [COOH], pKa~5 gustoća površinskog naboja ovisi o koncentraciji protuiona i pHpH≠ -log[H+]!!!koncentracije - konduktometrijom ikemijskom analizom (plamena fotometrija-ICP):[Na+]~0.6mM >> [H+]~0.03mMDODATAK - dijaliziramo lateks: [Na+]~0.03mM << [H+]~0.3mM

3. Ionska atmosfera koloidne čestice negativno nabijena površina čestice protuioni u Stern sloju protuioni u Stern sloju su kondenzirani – lokalizirani uz površinu, bez uspostave kemijske veze. Gouy-Chapman, difuzni sloj – postepeno prelazi u “bulk” otopinu elektrokinetički, zeta-potencijal I1 – zasjenjenje stvaraju samo protuioni + I2 – pojačano zasjenjenje ako je dodana i sol, tj. postoje slobodni anioni― k-1– Debye-Hückel, karakteristična duljina R debljina Stern sloja

4. LHF=k-1 LLF=2R Elektro-kinetika ionske atmosfere  Protuioni (Na+, H+) se nakon disocijacije raspoređuju u blizini površine čestice, zasjenjujući površinski naboj ioni elektrolita stvaraju električni dvosloj Debye-Hückel debljinek-1na površini čestice. primjena izmjeničnog el. polja  protuionska atmosfera oscilira s poljem oscilacije se mogu očekivati duž dvaju karakterističnih duljina/skala: Debye-Hückel duljine te duž oboda čestice (~dijametar, 2R) dva tipa dielektrične disperzije, dva dielektrična moda S.S.Dukhin et al, Adv.Coll. Interface Sci. 13, 153 (1980) R.W.O’Brien, J. Coll. Interface Sci 113, 81 (1986). !!!! VF mod, uvjet po O’Brienu:z/2kT>>1 Protuioni se kreću difuzivno:skala duljina, L povezana je sa karakterističnim relaksacijskim vremenom,tdielektričnog moda

5. Kratki pregled literature: lateks, NFDS  1962, H.P. Schwann et al.J. Phys. Chem. 66 , p2626 :lateksi od 88-1170 nm, frekv. opseg 20Hz-200kHz. Rezultat - 1 diel.mod, diel. jakost raste s koncentracijom lateksa, karakt. vrijeme opada s R2 kuglica- isključuju relaksaciju zbog Maxwell-Wagner, MW, efekta (vrem. ovisna polarizacija zbog nakupljanja slobodnih naboja na granici čestice i medija) - isključuju elektroforetsko gibanje čestica lateksa - isključuju utjecaj frekv.-neovisne površinske vodljivosti- na kraju, spominju gibanje protuiona oko čestica kao mogući uzrok  1975, C.G. Essex et al.,J. Phys. E: Sci. Instrum. 8 , p385 :NFDS ćelija s dvije elektrode za mjerenja bioloških otopina od 1-100MHz, testirano na lipoproteinima niske gustoće (LDL)  1987, B.R.Midmore, R.J. Hunter and R.W. O’Brien,J. Colloid Interface Sci. 120 , p210 :lateks, vol.udio 30%, frekv. opseg 1-10 MHz, rezultati u slaganju sa teorijom O’Briena, no odstupanja se javljaju čim se snizi udio lateksa  2003, A.D. Hollingsworth and D.A.Saville,J. Colloid Interface Sci. 257, p65 :NFDS ćelija s dvije elektrode+model polarizacije elektroda: omogućava rad od 1kHz-40MHz za 1mM NaCl R. Roldán-Toro and J.D. Solier J.Colloid & Interface Sci. 274, 76 (2004)  2004, R. Roldan-Toro and J.D.Sollier,J. Colloid Interface Sci. 274, p765 :frekv. opseg 1kHz-0.2GHz za lateks u 1mM KCl: NF mod odgovara Dukhin et al. teoriji. VF mod analiziran u svjetlu MW teorije generalizirane od O’Konskog uvođenjem površinske vodljivosti Stern sloja – no MW su odbacili još Schwann et al.

6. komora Pt kućište čelik NISKO-FREKVENTNA DIELEKTRIČNA SPEKTROSKOPIJA ANALIZATOR IMPENDANCIJA Agilent 4294A: 40 Hz-110 MHz kontrola temperature: 0° do 60°C stabilnost: ±10 mK komora za mjerenje vodljivosti uzoraka u vodenoj sredini: 1.5- 2000mS/cm; volumen 50-200 mL Reproducibilnost 1%, unutar 2 h - 2% Agilent konektori Pt

7. Od kompleksne vodljivosti do kompleksne dielektrične funkcije • mjerimo komponente kompleksne vodljivostiG(w) i B(w)=C(w)*w Y(w)= G(w)+iB(w) • snažan utjecaj polarizacije elektroda B.Saif et al., Biopolymers‘91 • oduzimamo (G, C) referentne otopine NaCl, odgovarajuće vodljivosti i kapaciteta Rezultirajući (G-GNaCl, C-CNaCl) pretvaraju se u kompleksnu dielektričnu funkciju e(w)= e’(w)+ie’’(w)

8. ∞ Rezultati: dva relaksacijska moda u području 1 kHz – 10 MHz Generalizirana Debye funkcija NF mod: De 30-300 1-a 0.83 VF mod: De 2-20 1-a 0.93  dielektrična jakost relaksacije  = (0) - ∞ 0 – središnje relaksacijsko vrijeme  simetrično širenje distribucije relaksacijskih vremena 1 -  Prilagodba (FIT) na sumu dvaju generaliziranih Debye funkcija S. Havriliak and S. Negami, J.Polym.Sci.C 14, 99 (1966).

9. NF mod: karakteristične duljine i protuionske vrste  potvrda rezultata Schwann et al., 1962...  korelacija LNF 2R ukazuje da u relaksaciji sudjeluju H+ ioni

10. NF mod: dielektrična jakost i gustoća naboja  jakost moda, De, proporcionalna dijametru čestice, 2R  obrnuto proporcionalna ukupnoj površini, SA, svih čestica  koncentracija protuiona  [COO-] 0.3-1mM za sve latekse Standardno   jakost proporcionalna broju naboja SA  jakost proporcionalna površinskoj gustoći naboja

11. VF mod: nema relaksacija na skali Debye-Hückel duljine  relaksacijsko vrijeme tVFproporcionalno veličini čestice  nema dodane soli, samo protuioni – nema DH zasjenjenja – k-1 nije definiran  zasjenjenje jedino protuionima karakteristična duljina zasjenjenja? LVF LVF - ne može se korelirati sa duljinom zasjenjenja jer se ne može se korelirati sa [COO-] niti sa [H+], [Na+] neslaganje sa teorijom O’Briena!

12. VF mod: kooperativna relaksacija ?  jakost moda obrnuto proporcionalno veličini čestice   opada s udaljenošću čestica   sa smanjenjem korelacije protuionskih atmosfera  kooperativna relaksacija na skali mnogo manjoj od udaljenosti čestica  Brownovo gibanje povremeno približava čestice  gibanje protuionskih atmosfera tada je u korelaciji na skali LVF

13. ZAKLJUČCI testiranje LFDS: tehnika je upotrebljiva u opsegu 1kHz – 50 MHz, zahvaljujući uspješnom uklanjanju mjernih artefakata metodom referentne otopine lateks – modelni koloidni sustav: uočili smo oba teorijski predviđena moda Treba istražiti prirodu VF moda: mjerenja zeta-potencijala Dodatno... NFDS: spuštanje donje frekv. granice. Spomenuli smo neke od metoda korištene od drugih autora. Sustavi: Uz koloidne sustave sferne geometrije, istražujemo sustave longitudinalne geometrije – nabijeni polimeri kao DNA mogu biti karakterizirani sa nekoliko karakterističnih duljina

14. Origin of dielectric dispersion in DNA solutions - Na+, Cl- - - - - - L - k-1 - Lp - LHF DNA chain segments of random lengths placed in counter-ion atmosphere Under applied ac field: broad relaxation modes due to oscillating counter-ions at different length and time scales M. Sakamoto et al., Biopolymers 18, 2769 (1979) S.Takashima, J.Phys.Chem.70, 1372 (1966) 1) Contour length; n0< 1 kHz 2) LF mode: 1 kHz <n0 < 70 kHz Persistence length, lP: 50nm and higher 5-45nm 3) HF mode: 0.1 MHz <n0 < 15 MHz ? Mesh size LHF c-0.5 ? Debye-Hückel length LHF= k-1I-0.5

15. Rezultati: Karakteristične duljine i protuionske vrste  LHF,LF= (tHF.LFD)1/2 tHF,LF from experimentsD(Na+) = 1.5 ·10-9 m2/sD(H+) = 9 ·10-9 m2/s (Diffusion constants from: CRC Handbook) LLF:particle diameter –Characteristic length scale of the low-frequency modeCounterions: H+ LHF:Debye-Hückel screening length – k-1Characteristic length scale of the high-frequency mode s– conductivity of latex solution I - ionic strength of equivalent electrolyte solution L - molar conductivityof equivalent NaCl electrolyte solution=12 S/Mm k-1– Debye Hückel length for a given ionic strength