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

NISKOFREKVENTNA DIELEKTRIČNA NISKOFREKVENTNA DIELEKTRIČNA SPEKTROSKOPIJA POLISTIRENSKOG LATEKSASPEKTROSKOPIJA POLISTIRENSKOG LATEKSA

¹¹ 22 Université Paris 7, FrancuskaUniversité Paris 7, Francuska33 Hrvatski zavod za javno zdravstvo Hrvatski zavod za javno zdravstvo44 Institut Ruđer Bošković Institut Ruđer Bošković

Općenito: Transport električnih signala u bio-sustavima na molekularnom nivou je od fundamentalnog interesa

Naša motivacija: Atmosfera protuiona kondenzirana oko nabijenih biopolimera snažno utječe na njihova fizikalna svojstva i time i biološke funkcije. Eksperimentalno je teško razlučiva.

Naš cilj: Istražiti dielektrični odziv nabijenih niskodimenzionalnih sustava, polielektrolita i koloida, u vodenoj sredini, varirajući ionsku jakost i pH

MOTIVACIJA

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.

POLISTIRENSKI LATEKS Interfacial Dynamics Co./Molecular Probes/Invitrogene

polistirenske čestice su savršeno sferične lateks je monodisperzan

dobro definiran polarizacijski odgovor

JEDNOSTAVAN KOLOIDNI SUSTAV

elektronska elektronska mikroskopija:mikroskopija:

volumni udio 4%nominalna veličina:56nm 210nm 400nm1000nm

lateks u čistoj vodi, bez surfaktanata

površina modificirana COOH skupinamaproizvođač deklarira [COOH], pKa~5

gustoća površinskog naboja ovisi o koncentraciji protuiona i pH

pH≠ -log[H+]!!! koncentracije - konduktometrijom ikemijskom analizom (plamena fotometrija-ICP):[Na+]~0.6mM >> [H+]~0.03mM

DODATAK - dijaliziramo lateks: [Na+]~0.03mM << [H+]~0.3mM

Ionska atmosfera koloidne čestice

protuioni u Stern sloju

debljina Stern sloja

R

elektrokinetički, zeta-potencijal

negativno nabijena površina čestice

Gouy-Chapman, difuzni sloj – postepeno prelazi u “bulk”

otopinu

I1 – zasjenjenje stvaraju samo protuioni +

I2 – pojačano zasjenjenje ako je dodana i sol, tj. postoje slobodni anioni ―

-1– Debye-Hückel, karakteristična duljina

protuioni u Stern sloju su kondenzirani – lokalizirani uz površinu, bez uspostave kemijske veze.

Elektro-kinetika ionske atmosfere

S.S.Dukhin et al, Adv.Coll. Interface Sci. 13, 153 (1980)

R.W.O’Brien, J. Coll. Interface Sci 113, 81 (1986).

Protuioni (Na+, H+) se nakon disocijacije raspoređuju u blizini površine čestice, zasjenjujući površinski naboj ioni elektrolita stvaraju električni dvosloj Debye-Hückel debljine -1 na 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

Protuioni se kreću difuzivno:

skala duljina, L povezana je sa

karakterističnim relaksacijskim vremenom,

dielektričnog moda

LLF=2R

LHF=-1

L D

!!!! VF mod, uvjet po O’Brienu:

/2kT>>1

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)

R. Roldán-Toro and J.D. Solier J.Colloid & Interface Sci. 274, 76 (2004)

Kratki pregled literature: lateks, NFDS

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 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.

ANALIZATOR IMPENDANCIJAANALIZATOR IMPENDANCIJA

Agilent 4294A: 40 Hz-110 MHzAgilent 4294A: 40 Hz-110 MHz

Agilentkonektori

komora za mjerenje vodljivosti uzoraka u vodenoj sredini:1.5- 2000S/cm; volumen 50-200 LReproducibilnost 1%, unutar 2 h - 2%

kontrola temperature:0° do 60°Cstabilnost: ±10 mK

Pt

kom

ora

kućištečelik

Pt

NISKO-FREKVENTNA DIELEKTRIČNA SPEKTROSKOPIJA

GN

aCl (

mS

)

0.01

0.1

1

10

100

f (Hz)101 102 103 104 105 106 107 108

CN

aCl (

pF)

100

101

102

103

104

105

10mM NaCl

0.05mM NaCl

empty chamber

• mjerimo komponente kompleksne vodljivostimjerimo komponente kompleksne vodljivosti G(G() i ) i BB(()=)=CC(())**

=’()+i’’()

Y()= G()+iB()

Od kompleksne vodljivosti do kompleksne dielektrične funkcije

Rezultirajući (G-GNaCl, C-CNaCl) pretvaraju se u kompleksnu dielektričnu funkciju

0

' C

S

l

0

'' corrG Gl

S

• oduzimamo (G, C) referentne otopine oduzimamo (G, C) referentne otopine NaCl, odgovarajuće vodljivosti i kapacitetaNaCl, odgovarajuće vodljivosti i kapaciteta

)()()( 00 i

• snažan utjecaj polarizacije elektrodasnažan utjecaj polarizacije elektrodaB.Saif et al., Biopolymers‘91

1

01

1

iHF∞

dielektrična jakost

relaksacije = (0) - ∞

0 – središnje relaksacijsko

vrijeme

simetrično širenje

distribucije relaksacijskih

vremena 1 -

Generalizirana Debye funkcija

Prilagodba (FIT) na sumu dvaju generaliziranih Debye funkcija

VF mod: 2-20 1- 0.93

NF mod: 30-3001- 0.83

Rezultati: dva relaksacijska moda u području 1 kHz – 10 MHz

S. Havriliak and S. Negami, J.Polym.Sci.C 14, 99 (1966).

NF mod: karakteristične duljine i protuionske vrste

NFionNF DL

potvrda rezultata

Schwann et al., 1962...

korelacija LNF 2R ukazuje da

u relaksaciji sudjeluju H+ ioni

*200

02

me n

NF mod: dielektrična jakost i gustoća naboja

jakost moda, , proporcionalna dijametru čestice, 2R

obrnuto proporcionalna ukupnoj površini, SA, svih čestica

koncentracija protuiona [COO-] 0.3-1mM za sve latekse

jakost proporcionalna broju naboja

Standardno

SA

COO ][ jakost proporcionalna površinskoj gustoći naboja

SA

VF mod: nema relaksacija na skali Debye-Hückel duljine

nema dodane soli, samo

protuioni – nema DH zasjenjenja –

-1 nije definiran

zasjenjenje jedino protuionima

karakteristična duljina zasjenjenja?

relaksacijsko vrijeme VF proporcionalno veličini čestice

Dion VF

LVF - ne može se korelirati sa

duljinom zasjenjenja jer se ne

može se korelirati sa [COO-] niti sa

[H+], [Na+]

LVF

neslaganje sa teorijom O’Briena!

VF mod: kooperativna relaksacija ?

kooperativna relaksacija na skali mnogo manjoj od udaljenosti čestica Brownovo gibanje povremeno približava čestice gibanje protuionskih atmosfera

tada je u korelaciji na skali LVF

jakost moda obrnuto proporcionalno veličini čestice

opada s udaljenošću čestica

sa smanjenjem korelacije protuionskih atmosfera

testiranje LFDS: tehnika je upotrebljiva u opsegu 1kHz – 50 MHz, zahvaljujući uspješnom uklanjanju mjernih artefakata metodom referentne otopine

ZAKLJUČCI

lateks – modelni koloidni sustav: uočili smo oba teorijski predviđena moda

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

Treba istražiti prirodu VF moda: mjerenja zeta-potencijala

2) LF mode: 1 kHz <0 < 70 kHz

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

Persistence length, lP: 50nm and higher

1) Contour length; 0 < 1 kHz M. Sakamoto et al., Biopolymers 18, 2769 (1979)S.Takashima, J.Phys.Chem.70, 1372 (1966)

3) HF mode: 0.1 MHz <0 < 15 MHz

? Mesh size LHF c-0.5L

-1

Na+, Cl-

Lp

LHF

--

-

--

- - -

-

Origin of dielectric dispersion in DNA solutions

? Debye-Hückel length LHF = -1 I-0.5

5-45nm

LLHFHF:: Debye-HDebye-Hüückelckel screening lengthscreening length – – -1-1

Characteristic length Characteristic length scale of the scale of the high-frequency modehigh-frequency mode

LLHF,LFHF,LF= (= (HF.LFHF.LFD)D)1/21/2 HF,LFHF,LF from experiments from experiments

D(D(NaNa++) = 1.5 ·10) = 1.5 ·10-9 -9 mm22/s/s

D(H+) = 9 ·10-9 m2/s

LLLLFF:: particle diameter –particle diameter –Characteristic length Characteristic length scale of the scale of the low-frequency modelow-frequency mode

Counterions: HCounterions: H++

(Diffusion constants from: CRC Handbook)

size [nm]

vol.% LF 0 LF

[s]

1- L [nm]

LLF [nm]

HF 0 HF

[s]

1- LHF [nm]

178 5% 100 3 0.78 70 165 22 0.011 0.85 10

196 10% 160 2.5 0.91 60 150 5 0.08 0.9 28

820 10% 2625 37.5 0.94 240 600 6 0.09 1 26

Rezultati: Karakteristične duljine i protuionske vrste

size [nm]

vol.% S/cm

I= m

-1

[nm]

178 5% 40 0.33 17

196 10% 80 0.65 13

820 10% 54 0.45 15

– conductivity of latex solutionII - ionic strength of equivalent electrolyte solution - molar conductivityof equivalent NaCl electrolyte solution=12 S/Mm-1-1 – Debye Hückel length for a given ionic strength 1 10 /nm I mM