Experimentelle Untersuchung von Phasenübergängen im kolloidalen Modellsystem harter Kugeln

Die vorliegende Arbeit behandelt den fluid-kristallinen Phasenübergang sowie den Glasübergang anhand von kolloidalen Hart-Kugel(HK)-Modellsystemen. Die Untersuchungen erfolgen dabei im Wesentlichen mit unterschiedlichen Lichtstreumethoden und daher im reziproken Raum. rnDie Analyse der Kristallisationskinetik zeigt, dass es bei der Kristallisation zu signifikanten Abweichungen vom Bild der klassischen Nukleationstheorie (CNT) kommt. Diese geht von einem einstufigen Nukleationsprozess aus, wohingegen bei den hier durchgeführten Experimenten ein mehrstufiger Prozess beobachtet wird. Vor der eigentlichen Kristallisation kommt es zunächst zur Nukleation einer metastabilen Zwischenphase, sogenannter Precursor. In einer zweiten Stufe erfolgt innerhalb der Precursor die eigentliche Nukleation der Kristallite. rnDurch weitere Analyse und den Vergleich des Kristallisations- und Verglasungsszenarios konnte das Konzept der Precursornukleation auf den Vorgang der Verglasung erweitert werden. Während die Kristallnukleation oberhalb des Glasübergangspunktes zum Erliegen kommt, bleibt der Prozess der Precursornukleation auch bei verglasenden Proben erhalten. Ein Glas erstarrt somit in einem amorphen Zustand mit lokalen Precursorstrukturen. Die Korrelation der gemessenen zeitlichen Entwicklung der strukturellen sowie der dynamischen Eigenschaften zeigt darüber hinaus, dass das bisher unverstandene Ageing-Phänomen von HK-Gläsern mit der Nukleation von Precursorn zusammenhängt.rnEin solches mehrstufiges Szenario wurde bereits in früheren Veröffentlichungen beobachtet. Die im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Messungen ermöglichten erstmals die Bestimmung von Kristallnukleationsratendichten (Kristall-NRD) und Ratendichten für die Precursornukleation bis über den Glasübergangspunkt hinaus. Die Kristall-NRD bestätigen die Resultate aus anderen experimentellen Arbeiten. Die weiteren Analysen der Kristall-NRD belegen, dass die fluid-kristalline Grenzflächenspannung bei der Nukleation entgegen den Annahmen der CNT nicht konstant ist, sondern mit ansteigendem Volumenbruch linear zunimmt. Die Erweiterung der CNT um eine linear zunehmende Grenzflächenspannung ermöglichte eine quantitative Beschreibung der gemessenen Kristall- sowie der Precursor-NRD, was den Schluss zulässt, dass es sich in beiden Fällen um einen Boltzmann-aktivierten Prozess handelt. rnUm die beobachteten Abweichungen des Nukleationsprozesses vom Bild der CNT näher zu untersuchen, wurden die kollektiven Partikeldynamiken in stabilen Fluiden und metastabilen Schmelzen analysiert. Im klassischen Bild wird angenommen, dass die kollektive Partikeldynamik beim Vorgang der Nukleation keine Rolle spielt. Anhand der Resultate zeigen sich Abweichungen in der Dynamik stabiler Fluide und metastabiler Schmelzen. Während die kollektive Partikeldynamik in der stabilen Schmelze von der Struktur entkoppelt ist, tritt oberhalb des Phasenübergangspunktes eine Kopplung von Struktur und Dynamik auf. Dabei treten die Abweichungen zunächst in der Umgebung des ersten Strukturfaktormaximums und somit bei den am stärksten besetzten Moden auf. Mit steigender Unterkühlung nehmen die Anzahl der abweichenden Moden sowie die Stärke der Abweichungen zu. Dieses Phänomen könnte einen signifikanten Einfluss auf den Nukleationsprozess und somit auf die Kristallisationskinetik haben. Die Analyse der Dynamik im stabilen Fluid zeigt darüber hinaus Hinweise auf eine Singularität bei Annäherung an den fluid-kristallinen Phasenübergangspunkt.rnDes Weiteren wurden im Rahmen der vorliegenden Arbeit erstmals Ratendichten für die heterogene Nukleation eines HK-Systems an einer flachen Wand mittels statischer Lichtstreuung (SLS) bestimmt. Die Ergebnisse der Messung zeigen, dass die Nukleationsbarriere der heterogenen Nukleation annähernd Null ist und folglich eine vollständige Benetzung der Wand mit einer kristallinen Monolage vorliegt. Die Erweiterung der Untersuchungen auf gekrümmte Oberflächen in Form von sphärischen Partikeln (Seeds) stellt die erste experimentelle Arbeit dar, die den Einfluss eines Ensembles von Seeds auf die Kristallisationskinetik in HK-Systemen untersucht. Die Kristallisationskinetik und die Mikrostruktur werden abhängig von Größe und Anzahldichte der Seed-Partikel signifikant beeinflusst. In Übereinstimmung mit konfokalmikroskopischen Experimenten und Simulationen spielt dabei das Radienverhältnis der Majoritäts- zur Minoritätskomponente eine entscheidende Rolle.

Dynamic light-scattering characterization of the molecular weight distribution of a broadly distributed phenolphthalein poly(aryl ether ketone)

Using a recently developed laser light-scattering (LLS) procedure, we accomplished the characterization of a broadly distributed unfractionated phenolphthalein poly(aryl ether ketone) (PEK-C) in CHCl3 at 25 degrees C. The laplace inversion of precisely measured intensity-intensity time correlation function from dynamic LLS leads us first to an estimate of the characteristic line-width distribution G(Gamma) and then to the translational diffusion coefficient distribution G(D). By using a previously established calibration of D (cm(2)/s) = 2.37 X 10(-4)M(-0.57), were able to convert G(D) into a differential weight distribution f(w)(M). The weight-average molecular weight M(w) calculated from f(w)(M) agrees well with that directly measured in static LLS. Our results indicate that both the calibration and LLS procedure used in this study are ready to be applied as a routine method for the characterization of the molecular weight distribution of PEK-C. (C) 1996 John Wiley & Sons, Inc.

Accurate measurement of the molecular thickness of thin organic shells on small inorganic cores using dynamic light scattering

Dynamic light scattering (DLS) has become a primary nanoparticle characterization technique with applications from materials characterization to biological and environmental detection. With the expansion in DLS use from homogeneous spheres to more complicated nanostructures, comes a decrease in accuracy. Much research has been performed to develop different diffusion models that account for the vastly different structures but little attention has been given to the effect on the light scattering properties in relation to DLS. In this work, small (core size < 5 nm) core-shell nanoparticles were used as a case study to measure the capping thickness of a layer of dodecanethiol (DDT) on Au and ZnO nanoparticles by DLS. We find that the DDT shell has very little effect on the scattering properties of the inorganic core and hence can be ignored to a first approximation. However, this results in conventional DLS analysis overestimating the hydrodynamic size in the volume and number weighted distributions. By introducing a simple correction formula that more accurately yields hydrodynamic size distributions a more precise determination of the molecular shell thickness is obtained. With this correction, the measured thickness of the DDT shell was found to be 7.3 ± 0.3 Å, much less than the extended chain length of 16 Å. This organic layer thickness suggests that on small nanoparticles, the DDT monolayer adopts a compact disordered structure rather than an open ordered structure on both ZnO and Au nanoparticle surfaces. These observations are in agreement with published molecular dynamics results.

Effect of temperature on the interaction between the nonionic surfactant C(12)E(5) and poly(ethylene oxide) investigated by dynamic light scattering and fluorescence methods

The interaction between the nonionic surfactant C(12)E(5) and a high molar mass (M = 5.94 x 10(5)) poly(ethylene oxide) (PEG) in aqueous solution has been examined as a function of temperature by dynamic light scattering and fluorescence methods over a broad concentration range. Clusters of small surfactant micelles form within the PEO coil, leading to its extension. The hydrodynamic radius of the complex increases strongly with temperature as well as with the concentrations of surfactant and polymer. At high concentrations of the surfactant, the coil/micellar cluster complex coexists with free C(12)E(5) micelles in the solution. Fluorescence quenching measurements show a moderate micellar growth from 155 to 203 monomers in PEO-free solutions of C(12)E(5) over a wide concentration range (0.02-2.5%) at 8 degrees C. Below 0.25% C(12)E(5), the average aggregation number (N) of the micelles is smaller in the presence of PEO than in its absence. However, N increases with increasing surfactant concentration up to a plateau value of about 270 at about 1.2% (ca. 30 mM) C(12)E(5). At high surfactant concentrations, N is larger in the presence of polymer than in its absence, a finding which is connected to a significant lowering of the clouding temperature due to the PEO at these compositions. Similar results of increasing aggregation number followed by a plateau were also found at a fixed concentration of surfactant (2.5%) and varied PEO.

Interactions between the non-ionic surfactant C(12)E(5) and poly(ethylene oxide) studied using dynamic light scattering and fluorescence quenching

Dynamic light scattering measurements have been made to elucidate changes in the coil conformation of a high molecular weight poly(ethylene oxide) (PEG) fraction when the non-ionic surfactant C(12)E(5) is present in dilute solutions. The measurements were made at 20 degrees C as functions of(a) the C(12)E(5) concentration at constant PEO concentration, (b) the PEO concentration at constant C(12)E(5) concentration, and (c) the C(12)E(5)/PEO concentration ratio. The influence of temperature on the interactions in terms of the relaxation time distributions was also examined up to the cloud point. It was found that when the C(12)E(5)/PEO weight ratio was >2 and when the temperature was >14 degrees C, the correlation functions became bimodal with well-separated components. The fast mode derives fi om individual surfactant micelles which are present in the solution at high number density. The appearance of the slow mode, which dominates the scattering, is interpreted as resulting from the formation of micellar clusters due to an excluded-volume effect when the high molar mass (M = 6 x 10(5)) PEO is added to the surfactant solution. It is shown that the micellar clusters form within the PEO coils and lead to a progressive swelling of the latter for steric reasons. The dimensions of the PEO/C(12)E(5) complex increase with increasing surfactant concentration to a value of R(H) approximate to 94 nm (R(g) approximate to 208 nm) at C-C12E5 = 3.5%. Fluorescence quenching measurements show that the average aggregation number of C(12)E(5) increases significantly on addition of the high molar mass PEG. With increasing temperature toward the cloud point the clusters increase in number density and/or become larger. The cloud point is substantially lower than that for C12E5 in water solution and is strongly dependent on the PEO concentration.

Interaction between poly(ethylene glycol) and C12E8 investigated by dynamic light scattering, time-resolved fluorescence quenching, and calorimetry

Dynamic light scattering (DLS), time-resolved fluorescence quenching (TRFQ), and isothermal titration microcalorimetry have been used to show that, in dilute solution, low molecular weight poly(ethylene glycol) (PEG, M-w = 12 kDa) interacts with the nonionic surfactant octaethylene glycol n-dodecyl monoether, C12E8, to form a complex. Whereas the relaxation time distributions for the binary C12E8/water and PEG/water systems are unimodal, in the ternary mixtures they may be either uni- or bimodal depending on the relative concentrations of the components. At low concentrations of PEG or surfactant, the components of the relaxation time distribution are unresolvable, but the distribution becomes bimodal at higher concentrations of either polymer or surfactant. For the ternary system in excess surfactant, we ascribe, on the basis of the changes in apparent hydrodynamic radii and the scattered intensities, the fast mode to a single micelle, the surface of which is associated with the polymer and the slow mode to a similar complex but containing two or three micelles per PEG chain. Titration microcalorimetry results show that the interaction between C12E8, and PEG is exothermic and about 1 kJ mol(-1) at concentrations higher than the CMC of C12E8. The aggregation number, obtained by TRFQ, is roughly constant when either the PEG or the C12E8 concentration is increased at a given concentration of the second component, owing to the increasing amount of surfactant micelles inside the complex.

Interaction of the nonionic surfactant C12E8 with high molar mass poly(ethylene oxide) studied by dynamic light scattering and fluorescence quenching methods

Dynamic light scattering has been used to investigate ternary aqueous solutions of n-dodecyl octaoxyethylene glycol monoetber (C12E8) with high molar mass poly(ethylene oxide) (PEO). The measurements were made at 20 °C, always below the cloud point temperature (Tc) of the mixed solutions. The relaxation time distributions are bimodal at higher PEO and surfactant concentrations, owing to the preacute of free surfactant micelles, which coexist with the slower component, representing the polymer coil/micellar cluster comptex. As the surfactant concentration is increased, the apparent hydrodynamic radius (RH) of the coil becomes progressively larger. It is suggested that the complex structure consists of clusters of micelles sited within the polymer coil, as previously concluded for the PEO-C12E8-water system. However. C12E8 interacts less strongly than C12E8 with PEO; at low concentrations of surfactant the complex does not contribute significantly to the total scattered intensity. The perturbation of the PEO coil radius with C12E8 is also smaller than that in the C12E8 system. The addition of PEO strongly decreases the clouding temperature of the system, as previously observed for C12E8/PEO mixtures in solution Addition of PEO up to 0.2% to C12E8 (10 wt %) solutions doss not alter the aggregation number (Nagg) of the micelles probably because the surfactant monomers are equally partitioned as bound and unbound micelles. The critical micelle concentration (cmc), obtained from the I1/I3 ratio (a measure of the dependence of the vibronic band intensities on the pyrene probe environment), does not change when PEO is added, suggesting that for neutral polymer/surfactant systems the trends in Nagg and the cmc do not unambiguously reflect the strength of interaction.

Sodium dodecyl sulfate (SDS) effect on the thermal stability of oxy-HbGp: Dynamic light scattering (DLS) and small angle X-ray scattering (SAXS) studies

Glossoscolex paulistus (HbGp) hemoglobin is an oligomeric protein, presenting a quaternary structure constituted by 144 globin and 36 non-globin chains (named linkers) with a total molecular mass of 3.6MDa. SDS effects on the oxy-HbGp thermal stability were studied, by DLS and SAXS, at pH 5.0, 7.0 and 9.0. DLS and SAXS data show that the SDS-oxy-HbGp interactions induce a significant decrease of the protein thermal stability, with the formation of larger aggregates, at pH 5.0. At pH 7.0, oxy-HbGp undergoes complete oligomeric dissociation, with increase of temperature, in the presence of SDS. Besides, oxy-HbGp 3.0mg/mL, pH 7.0, in the presence of SDS, has the oligomeric dissociation process reduced as compared to 0.5mg/mL of protein. At pH 9.0, oxy-HbGp starts to dissociate at 20°C, and the protein is totally dissociated at 50°C. The thermal dissociation kinetic data show that oxy-HbGp oligomeric dissociation at pH 7.0, in the presence of SDS, is strongly dependent on the protein concentration. At 0.5mg/mL of protein, the oligomeric dissociation is complete and fast at 40 and 42°C, with kinetic constants of (2.1±0.2)×10-4 and (5.5±0.4)×10-4s-1, respectively, at 0.6mmol/L SDS. However, at 3.0mg/mL, the oligomeric dissociation process starts at 46°C, and only partial dissociation, accompanied by aggregates formation is observed. Moreover, our data show, for the first time, that, for 3.0mg/mL of protein, the oligomeric dissociation, denaturation and aggregation phenomena occur simultaneously, in the presence of SDS. Our present results on the surfactant-HbGp interactions and the protein thermal unfolding process correspond to a step forward in the understanding of SDS effects. © 2013 Elsevier B.V.

Cetyltrimethylammonium chloride (CTAC) effect on the thermal stability of oxy-HbGp: Dynamic light scattering (DLS) and small angle X-ray scattering (SAXS) studies

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Systematic analysis of protein-detergent complexes applying dynamic light scattering to optimize solutions for crystallization trials

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Plasmon-enhanced dynamic light scattering of gold nanorods in bulk and near a wall

Transportprozesse von anisotropen metallischen Nanopartikeln wie zum Beispiel Gold-Nanostäbchen in komplexen Flüssigkeiten und/oder begrenzten Geometrien spielen eine bedeutende Rolle in einer Vielzahl von biomedizinischen und industriellen Anwendungen. Ein Weg zu einem tiefen, grundlegenden Verständnis von Transportmechanismen ist die Verwendung zweier leistungsstarker Methoden - dynamischer Lichtstreuung (DLS) und resonanzverstärkter Lichtstreuung (REDLS) in der Nähe einer Grenzfläche. In dieser Arbeit wurden nanomolare Suspensionen von Gold-Nanostäbchen, stabilisiert mit Cetyltrimethylammoniumbromid (CTAB), mit DLS sowie in der Nähe einer Grenzfläche mit REDLS untersucht. Mit DLS wurde eine wellenlängenabhängige Verstärkung der anisotropen Streuung beobachtet, welche sich durch die Anregung von longitudinaler Oberflächenplasmonenresonanz ergibt. Die hohe Streuintensität nahe der longitudinalen Oberflächenplasmonenresonanzfrequenz für Stäbchen, welche parallel zum anregenden optischen Feld liegen, erlaubte die Auflösung der translationalen Anisotropie in einem isotropen Medium. Diese wellenlängenabhängige anisotrope Lichtstreuung ermöglicht neue Anwendungen wie etwa die Untersuchung der Dynamik einzelner Partikel in komplexen Umgebungen mittels depolarisierter dynamischer Lichtstreuung. In der Nähe einer Grenzfläche wurde eine starke Verlangsamung der translationalen Diffusion beobachtet. Hingegen zeigte sich für die Rotation zwar eine ausgeprägte aber weniger starke Verlangsamung. Um den möglichen Einfluss von Ladung auf der festen Grenzfläche zu untersuchen, wurde das Metall mit elektrisch neutralem Polymethylmethacrylat (PMMA) beschichtet. In einem weiteren Ansatz wurde das CTAB in der Gold-Nanostäbchen Lösung durch das kovalent gebundene 16-Mercaptohexadecyltrimethylammoniumbromid (MTAB) ersetzt. Daraus ergab sich eine deutlich geringere Verlangsamung.

The dynamics of ultra-thin polymer films in different confinements studied by resonance enhanced dynamic light scattering

Die Kontroverse über den Glasübergang im Nanometerbereich, z. B. die Glas¬über¬gangs-temperatur Tg von dünnen Polymerfilmen, ist nicht vollständig abgeschlossen. Das dynamische Verhalten auf der Nanoskala ist stark von den einschränkenden Bedingungen abhängig, die auf die Probe wirken. Dünne Polymerfilme sind ideale Systeme um die Dynamik von Polymerketten unter der Einwirkung von Randbedingungen zu untersuchen, wie ich sie in dieser Arbeit variiert habe, um Einblick in dieses Problem zu erhalten.rnrnResonanzverstärkte dynamische Lichtstreuung ist eine Methode, frei von z.B. Fluoreszenzmarkern, die genutzt werden kann um in dünnen Polymerfilmen dynamische Phänomene

Huntingtin aggregation monitored by dynamic light scattering

An initial stage of fibrillogenesis in solutions of glutathione S-transferase-huntingtin (GST-HD) fusion proteins has been studied by using dynamic light scattering. Two GST-HD systems with poly-l-glutamine (polyGln) extensions of different lengths (20 and 51 residues) have been examined. For both systems, kinetics of z-average translation diffusion coefficients (Dapp) and their angular dependence have been obtained. Our data reveal that aggregation does occur in both GST-HD51 and GST-HD20 solutions, but that it is much more pronounced in the former. Thus, our approach provides a powerful tool for the quantitative assay of GST-HD fibrillogenesis in vitro.