3. Część eksperymentalna
3.2.1.3. Roztwory surfaktantów
10% roztwór TX -100 (surfaktant niejonowy)
Na wadze analitycznej odważano 2,5064 g TX – 100 w kolbie o objętości 25 cm3. Dopełniano do kreski wodą, otrzymując roztwór o odpowiednim stężeniu.
Roztwory DOSS (surfaktant jonowy)
Odważano 0,4621 g DOSS w naczynku wagowym. Po przeniesieniu do kolby jednomiarowej o pojemności 25 cm3, kolbę dopełniano roztworem TX – 100 (o stężeniu 10%), otrzymując stężenie DOSS C1=0,1039 mol/dm3 w 10% TX – 100.
Kolejne stężenia C2=0,0519 mol/dm3, C3=0,02595 mol/dm3, uzyskano poprzez rozcieńczanie roztworu podstawowego, za pomocą 10% TX - 100.
Roztwory SDS (surfaktant jonowy)
Roztwory SDS przygotowano według schematu przedstawionego w Tabeli 2.
Tabela 2. Roztwory SDS zastosowane w pracy.
Stężenie SDS
(CSDS)/mol·dm-3 Odważka SDS /g Objętość 10% TX - 100 /cm3
1 0,1 0,0288 1
2 0,3 0,0865 1
3 0,7 0,1590 1
Przygotowane roztwory dyspergowano w płuczce ultradźwiękowej.
31
Modyfikacja nanokryształów CdSe 3.2.2.
Użyte w pracy nanokryształy CdSe uzyskano w laboratorium przez dyplomantkę Panią Kornelię Kardas, w odrębnym projekcie. Etapy modyfikacji nanokryształów CdSe ligandami powierzchniowymi przedstawia Rysunek 17.
Z uzyskanych nanokryształów CdSe/TOP, poprzez wymianę ligandów powierzch-niowych (CdSe/TOP CdSe/Pirydyna CdSe/(N,N)) otrzymywano funkcjonalne nano-kryształy. Etap wymiany ligandów był celem pracy dyplomowej Pani Klaudyny Leniar-skiej.
Rysunek 17. Schemat przedstawiający modyfikacje nanokryształów CdSe ligandami powierzchnio-wymi.
32
Przygotowanie aparatu do elektroforezy kapilarnej 3.2.3.
Przed przystąpieniem do pomiarów odpowiednio przygotowywano aparat, poprzez przemywanie kapilary za pomocą podanych niżej roztworów w kolejności ich użycia:
1) Roztwór NaOH o stężeniu 0,1 mol/dm3, który aktywuje wewnętrzną po-wierzchnię kapilary (15 min.),
2) Woda destylowana (5 min.),
3) Elektrolit – tetraboran sodu (Na2B4O7) w stężeniach od 5 do 40 mmol/dm3 (5 min.).
Między kolejnymi analizami przemywano kapilarę wykorzystując te same roztwo-ry, przy zmienionym czasie przemywania 3 minuty.
Po zakończonej pracy, kapilarę przemywano przez 3 minuty kolejno:
1) Roztworem NaOH, 2) Wodą destylowaną,
3) Ostatecznie kapilarę osuszano powietrzem.
33
Badanie przewodności elektrolitu oraz warstw micelar-3.3.
nych
Wybór warunków detekcji w warunkach elektroforezy kapi-3.3.1.
larnej
Rysunek 18.Widmo absorpcji surfaktantu TX – 100 oraz nanokryształów CdSe zdyspergowanych w mieszaninie TX – 100/DOSS
Przedstawione na Rysunku18 widmo absorpcji tłumaczy wybór odpowiedniej dłu-gości fali detektora UV-VIS. Ustalono, że przy dłudłu-gości fali λ=245 nm obserwowane jest minimum sygnału od warstwy micelarnej (TX – 100).
Przy zastosowaniu długości fali λ=330 nm eliminowany jest sygnał pochodzący od warstwy micelarnej (TX – 100), dzięki temu obserwowany jest jedynie sygnał pochodzą-cy od nanokryszałów CdSe.
Dowodem powyższego rozumowania są wyniki elektroforezy kapilarnej zebrane przy λ=245 nm oraz λ=330 nm (Rysunek 19).
34
Rysunek 19. Elektroforogramy układu plug/ nanokryształy CdSe zdyspergowane w DOSS/TX-100 przy a) λ=330 nm, b) λ=245 nm, c) λ=245 nm.
Pierwszym doświadczeniem, było badanie przewodności roztworów elektrolitu oraz roztworów surfaktantów, zastosowanych jako warstwa micelarna, w zależności od ich stężeń. Zasada pomiaru polegała na wypełnieniu kapilary danym medium i obserwacji natężenia prądu przy stałym napięciu.
Pierwszy pomiar został przeprowadzony po wypełnieniu kapilary elektrolitem – te-traboranem sodu (Na2B4O7) o stężeniach od 5 do 40 mmol/dm3. Przykładano stałe napię-cie (15 kV) i obserwowano zmianę natężenia prądu w zależności od stężenia tetraboranu sodu w roztworze. Wyniki przedstawiono w Tabeli 3.
Kolejny pomiar został przeprowadzony dla roztworów zawierających DOSS w 10% roz-tworze TX – 100 (Tabela 4).
35
Tabela 3. Zależność pomiędzy stężeniem i natężeniem prądu dla elektrolitu.
Stężenie Na2B4O7/ mmol/dm3 5 10 20 30 40
Napięcie (U)/kV 14,8 14,8 14,8 14,8 14,8
Natężenie (I)/µA 7,9 15,0 30,3 46,5 57,0
Tabela 4. Zależność pomiędzy stężeniem i natężeniem prądu dla układu DOSS/TX-100.
Stężenie DOSS/mmol/dm3 0,1039 0,0519 0,02595
Napięcie (U)/kV 14,8 14,8 14,8
Natężenie (I)/µA 33,0 17,4 9,6
Obie te zależności przedstawiono poniżej (Rysunek 20, Rysunek 21)
Rysunek 20. Zależność natężenia prądu od stężenia elektrolitu (Na2B4O7), przy V=15 kV.
.
36
Rysunek 21. Zależność natężenia prądu od stężenia DOSS w układzie DOSS/TX-100 (10%), przy V=15 kV.
Wpływ stosunku przewodności elektrolit/warstwa micelarna na migrację nano-kryształów za pomocą metody warstw.
Rysunek 22 przedstawia schemat badawczy realizowany w obecnej pracy, gdzie elementem kluczowym jest migracja warstwy micelarnej w elektrolicie. Warstwą mice-larną jest mieszanina surfaktantów np. DOSS/TX – 100, zawierająca modyfikowane na-nokryształy.
37
Rysunek 22. Efekt stosunku przewodności na profil pola elektrycznego wzdłuż kapilary w układzie elektrolit/warstwa micelarna.
Pomiary wykonano dla następujących sytuacji: przewodność elektrolitu (BGE) >
przewodności warstwy micelarnej (plug) oraz dla sytuacji odwrotnej.
W każdym przypadku profil pola elektrycznego wzdłuż kapilary jest inny co ilustruje Rysunek 22.
Rysunek 23 przedstawia szczególne przypadki wymienionych wyżej zależności. Anali-zowano migrację CdSe/(N,N) dla następujących przypadków:
przewodność BGE < przewodność plug, przewodność BGE > przewodność plug.
Ustalono, że w pierwszym wymienionym wyżej przypadku zaobserwowano zatężanie nanokryształów na granicy faz - warstwa micelarna/elektrolit. W przypadku odwrotnym, kiedy przewodność BGE > przewodności plug, zaobserwowano, że nanokryształy migru-ją poza warstwę micelarną (Rysunek 23).
38
A – warstwa micelarna B – nanokryształy
Z powyższego doświadczenia wynika, że zależność pomiędzy przewodnością elektrolitu i przewodnością warstwy micelarnej ma wpływ na migrację nanokryształów w metodzie warstw.
Rozdzielanie elektroforetyczne modyfikowanych nano-3.4.
kryształów CdSe
Migrację nanokryształów CdSe z modyfikowaną powierzchnią analizowano za po-mocą elektroforezy kapilarnej. Podczas analiz zmieniane były pewne parametry, w celu obserwacji zmian migracji pod wpływem warunków rozdziału. Warunki prowadzenia analiz oraz obserwacje zebrano Tabeli 5.
Rysunek 23. Zależność pomiędzy stosunkiem przewodności BGE/plug a migracją zmo-dyfikowanego nanokryształu
a) przewodność BGE > przewodność plug, b) przewodność BGE < przewodność plug.
39
Tabela 5. Warunki prowadzenia analiz i obserwowane efekty. Elektroforogramy*, obserwowane efekty Zatężanie NC na gra- nicy faz BGE/plug Zatężanie NC na granicy faz BGE/plug Rozmycie pasma NC w warstwie micelarnej Wyodrębnienie NC z warstwy micelarnej Zatężanie NC na granicy faz BGE/plug Wyodrębnienie NC z warstwy micelarnej
Elektoforogram 1 Elektoforogram 2 Elektoforogram 3 Elektoforogram 4 Elektoforogram 5 Elektoforogram 6
Stosunek przewodno- ści plug/BGE plug<BGE Plug>BGE Plug>BGE Plug>BGE plug<BGE Plug>BGE
plug SDS/TX-100 SDS/TX-100 SDS/TX-100 SDS/TX-100 DOSS/TX- 100 DOSS/TX- 100
CBGE/mmol/dm3 5 10 40 5 10 20
Napięcie /kV 20 20
Ligand CdSe/(N,N) phen(Ph)2 [phen(Ph- SO3)]2-
3)]2-40
Cd. tabeli 5 Elektroforogramy*, obserwowane efekty Zatężanie NC na gra- nicy faz BGE/plug Zatężanie NC na gra- nicy faz BGE/plug Zatężanie NC na gra- nicy faz BGE/plug Zatężanie NC na gra- nicy faz BGE/plug Zatężanie NC na gra nicy faz BGE/plug Zatężanie NC na gra- nicy faz BGE/plug Zatężanie NC na gra- nicy faz BGE/plug
Elektoforogram 7 Elektoforogram 8 Elektoforogram 9 Elektoforogram 10 Elektoforogram 11 Elektoforogram 12 Elektoforogram 13
Stosunek przewodności plug/BGE plug<BGE plug<BGE Plug>BGE Plug>BGE plug<BGE plug<BGE Plug>BGE
plug SDS/TX-100 SDS/TX-100 SDS/TX-100 SDS/TX-100 DOSS/TX- 100 DOSS/TX- 100 DOSS/TX- 100
CBGE/mmol/dm3 10 10
Napięcie /kV 5 10 20 30 5 10 20
Ligand CdSe/(N,N) phen(Ph)2 [phen(Ph- SO3)]2
41
Cd. tabeli 5 Elektroforogramy*, obserwowane efekty Zatężanie NC na gra- nicy faz BGE/plug Zatężanie NC na grani- cy faz BGE/plug Zatężanie NC na granicy faz BGE/plug Wyodrębnienie NC z warstwy micelarnej Zatężanie NC na granicy faz BGE/plug Wyodrębnienie NC z warstwy micelarnej
Elektoforogram 14 Elektoforogram 15 Elektoforogram 16 Elektoforogram 17 Elektoforogram 18 Elektoforogram 19
Stosunek przewodno- ści plug/BGE plug<BGE plug>BGE plug>BGE plug<BGE plug>BGE plug>BGE
plug SDS/TX-100 SDS/TX-100 SDS/TX-100 SDS/TX-100 SDS/TX-100 SDS/TX-100
CBGE/mmol/dm3 5 5
Napięcie /kV 10 20 30 10 20 30
Ligand CdSe/(N,N) phen(Ph)2 [phen(Ph- SO3)]2-
3)]2-*Elektroforogramy znajdują się w Załączniku 1.
42
Podsumowując Tabelę 5, dla nanokryształów zmodyfikowanych ligandem phen(Ph)2, stosując stałe napięcie, wraz ze wzrostem stężenia elektrolitu zaobserwowano, coraz więcej nanokryształów w warstwie micelarnej. Natomiast dla nanokryształów z ligandem [phen(Ph-SO3)]2-, ze wzrostem stężenia elektrolitu nanokryształy są wyodręb-niane z warstwy micelarnej.
W przypadku zmiany przyłożonego napięcia, przy stałym stężeniu elektrolitu zna-czące zmiany zaobserwowano dla nanokryształów z ligandem [phen(Ph-SO3)]2-. Wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia, zaobserwowano, że coraz więcej nanokryształów jest zatężanych na granicy faz warstwa micelarna/elektrolit.
Należy również zauważyć, że istnieje silna zależność pomiędzy stosunkiem prze-wodności plug/BGE, a migracją nanokryształów w warstwie lub poza warstwą micelarną.
Mieszanina nanokryształów z różnymi ligandami (Układ: CdSe/(N,N)1+CdSe/(N,N)2 Analizowano migrację mieszaniny nanokryształów modyfikowanych różnymi ligandami.
Analizowanym układem była mieszanina CdSe/phen(Ph)2 i CdSe/[phen(Ph-SO3)]2-, przy-gotowane według schematu poniżej.
43
Tabela 6. Warunki prowadzenia analiz i obserwowane efekty dla mieszaniny nanokryształów z różnymi ligandami. Efekt (Zatężanie na granicy faz BGE/plug) (Część nanokryształów jest zatężana na granicy faz BGE/plug, druga część jest wyodrębniona z warstwy micelarnej)
Elektroforegramplug SDS/TX-100 SDS/TX-100
CBGE/mmol/dm3 3 5
Napięcie/kV 20
44
Cd. tabeli 6 Efekt ` (Nanokryształy znajdują się w war- stwie micelarnej w postaci rozmyte- go pasma) Migracja nanokryształow do war- stwy micelarnej
Elektroforegramplug SDS/TX-100 SDS/TX-100
CBGE/mmol/dm3 10 20
Napięcie/kV 20
45
Porównując ze sobą wyniki analiz dla mieszaniny nanokryształów z dwoma różny-mi ligandaróżny-mi w przypadku najniższego stężenia elektrolitu, nanokryształy są zatężane na granicy faz warstwa micelarna/roztwór, nie rozróżniono odpowiedzi od poszczególnych nanokryształów.
W przypadku stężenia elektrolitu CNa2B4O7=5 mol/dm3zaobserwowano, że część na-nokryształów jest zatężana na granicy faz warstwa micelarna/elektrolit, część znajduje się poza warstwą micelarną. W tych warunkach zaobserwowano sygnały od nanokryształów z obydwoma ligandami.
Dla większego stężenia elektrolitu sytuacja jest bardziej skomplikowana, na pewno obserwuje się migrację nanokryształów do warstwy micelarnej, jednak otrzymane wyniki nie pozwalają na dokładną analizę zjawiska.
Wnioski 3.5.
W pracy przetestowano technikę elektroforezy kapilarnej do charakteryzacji migra-cji nanokryształów CdSe modyfikowanych ligandami powierzchniowymi, o różnych wła-ściwościach. Na podstawie wyników udało się zaobserwować fakt, iż zmiana warunków rozdzielania wpływa na równowagę podziału modyfikowanych nanokryształów pomię-dzy fazę micelarną i elektrolit.
W zależności od warunków elektroforezy nanokryształy w różny sposób prze-mieszczały się w warstwie micelarnej, w niektórych przypadkach nanokryształy migro-wały również poza warstwę micelarną.
Układ złożony z modyfikowanych nanokryształów oraz mieszaniny surfaktantów (niejonowego i jonowego), okazał się układem niestabilnym. Układ zmieniał się w czasie, analizy prowadzone w tych samych warunkach dawały różne wyniki, jeśli próbka nie została przygotowana tuż przed analizą.
Biorąc pod uwagę powyższe podsumowanie można wysunąć wniosek, że elektrofo-reza kapilarna jest odpowiednią techniką do rozdzielania nanokryształów z modyfikowa-ną powierzchnią. Jednak aby otrzymać wyniki z odpowiednią powtarzalnością należy dobrać odpowiednie warunki rozdzielania, oraz odpowiednie przygotowanie próbek, co biorąc pod uwagę dynamikę układu CdSe/ligand nie jest łatwe.
46
4. Streszczenie
WPROWADZENIE
Celem pracy było zastosowanie elektroforezy kapilarnej do rozdzielania i charakte-ryzacji nanokryształów CdSe modyfikowanych powierzchniowymi ligandami.
Modyfikacje warunków prowadzenia rozdziału elektroforetycznego, takich jak: stężenie elektrolitu, skład warstwy micelarnej, przykładane napięcie oraz obserwacja zmian rów-nowag pomiędzy fazą nanokryształu a warstwę micelarną były narzędziami pracy.
Nanokryształy, inaczej kropki kwantowe (QD), są to półprzewodnikowe kryształy o wymiarze 2 – 8 nm , które posiadają unikatowe właściwości foto i fizykochemiczne, znajdujące szerokie zastosowanie w elektronice, biologii i medycynie. Kropki kwantowe zbudowane są z atomów pierwiastków grupy II i IV, np. CdSe, CdTe, ZnO lub grupy III i V, np. InP, InS.
Ponieważ nanoobiekty są szeroko stosowane w przemyśle i chemii, bardzo ważnym zagadnieniem są badania pozwalające na ich charakteryzację. W niniejszej pracy do ana-lizy migracji nanokryształów CdSe modyfikowanych powierzchniowo ligandami po-chodnych 1,10-fenantroiny, zastosowano elektroforezę kapilarną z detektorem UV-VIS.
Rozdzielanie prowadzono w kapilarze krzemionkowej o długości 80 cm i średnicy we-wnętrznej 75 µm, stosując elektrolit – tetraboran sodu w stężeniach od 5 do 40 mmol/dm3.
Nanokryształy z modyfikowaną powierzchnią dyspergowano w mieszaninie surfak-tantów. Mieszanina ta składała się z surfaktantu niejonowego Triton X-100 (TX-100) i jonowego – sulfobursztynian dioktylu (DOSS) lub dodecylosiarczan sodu (SDS).
WYNIKI I DYSKUSJA
Mieszanina surfaktantów tworzyła w kapilarze warstwę micelarną. Warstwa ta, ze względu na inną przewodność niż elektrolit, wpływała na rozkład pola elektrycznego wzdłuż kapilary. Nanokryształy modyfikowane ligandami powierzchniowymi, ze wzglę-du na rozkład ławzglę-dunków i rozmiar posiadały właściwości micelarne, tworząc pewien
47
układ pseudomicelarny, przypominający charakterem oddziaływań układ micelarny regu-larny.
Do kapilary wraz z próbką wprowadzano mieszaninę surfaktantów, tworzącą war-stwę micelarną. Pod wpływem przyłożonego napięcia nanokryształy, które są obdarzone ładunkiem migrują, przemieszczając się w warstwie micelarnej. Zmieniając warunki roz-dzielania, sprawdzano, jaki ma to wpływ na migrację nanokryształów oraz na równowagę pomiędzy fazą micelarną i elektrolitem.
WNIOSKI
W pracy przetestowano technikę elektroforezy kapilarnej do charakteryzacji migra-cji nanokryształów CdSe modyfikowanych ligandami powierzchniowymi, o różnych wła-ściwościach. Na podstawie wyników udało się zaobserwować fakt, iż zmiana warunków rozdzielania wpływa na równowagę podziału modyfikowanych nanokryształów pomię-dzy fazę micelarną i elektrolit.
W zależności od warunków elektroforezy nanokryształy w różny sposób prze-mieszczały się w warstwie micelarnej, w niektórych przypadkach nanokryształy migro-wały również poza warstwę micelarną.
Układ złożony z modyfikowanych nanokryształów oraz mieszaniny surfaktantów (niejonowego i jonowego), okazał się układem niestabilnym. Układ zmieniał się w czasie, analizy prowadzone w tych samych warunkach dawały różne wyniki, jeśli próbka nie została przygotowana tuż przed analizą.
Biorąc pod uwagę powyższe podsumowanie można wysunąć wniosek, że elektrofo-reza kapilarna jest odpowiednią techniką do rozdzielania nanokryształów z modyfikowa-ną powierzchnią. Jednak aby otrzymać wyniki z odpowiednią powtarzalnością należy dobrać odpowiednie warunki rozdzielania, oraz odpowiednie przygotowanie próbek, co biorąc pod uwagę dynamikę układu CdSe/ligand nie jest łatwe.
48