Zur Analytik der Polymere wurden GPC (Größenausschlusschromatographie, engl.: Gel Permeation Chromatography), DSC (Dynamische Differenzkalorimetrie, engl.:
Differential Scanning Calorimetry) und NMR (Kernspinresonanz, engl.: Nuclear Magnetic Resonance) verwendet.
GPC-Messungen wurden von Lars Bolk an einem Polymer Laboratories PL-GPC50-Gerät mit zwei PLgel MIXED C-Säulen und RI-Detektor mit Tetrahydrofuran als Laufmittel durchgeführt. Zur Kalibration wurden Polystyrol-Standards verwendet.
Messungen wurden ebenfalls von Lars Bolk durchgeführt, an einem Netzsch DSC-204F1.
1H-NMR-Spektren wurden am Automationsgerät des Fachbereichs Chemie der Universität Konstanz (Bruker AVANCE III 400 (400 MHz)) aufgenommen und mit der Software „MestReNova“ ausgewertet.
Die Raman-Spektren zur Umsatzbestimmung parallel zu den FCS-Messungen wurden an einer RamanStation 400 von PerkinElmer gemessen. Dazu wurde ein von den wissenschaftlichen Werkstätten angefertigter Halter verwendet, welcher das Messen von Raman-Spektren im Polymerisationsgefäß erlaubte. Die Spektren wurden mit der Gerätesoftware und OriginPro ausgewertet.
Zur Untersuchung der Größe der Tonpartikel wurde ein Malvern Nano-ZS ZEN 3600-Gerät der Arbeitsgruppe Mecking benutzt. Die Tonpartikel wurden vor der Messung mit Hilfe von Ultraschall in Wasser disperigiert und dann in eine Einmalküvette aus Plastik umgefüllt. Zur Datenanalyse wurde die Software des Herstellers benutzt mit den voreingestellten Analyseparameter des SOP-Settings „Size“ und den folgenden Parametern: Material „Clay“, Dispergierungsmittel „Wasser“, Temperatur = 25 °C mit automatischer Messdauer.
IR-Spektren zur Untersuchung der Markierungseffizienz wurden an einem Perkin Elmer 100 Series FTIR Instrument im ATR-Modus durchgeführt. Zur Analyse der Spektren wurde die Software des Geräts und OriginPro verwendet.
Die Rasterkraft-Messungen (engl.: Atomic Force Microscopy, AFM) dünner, geritzter Polymerfilme und von den PE-Nanopartikeln wurden mit einem JPK Nano Wizard im
Modus „intermittent contact“ mit einer Siliziumspitze aufgenommen. Die Auswertung erfolgte über die JPK-Software.
9 Zusammenfassung
Die Einzelmolekül-Weitfeldfluoreszenzmikroskopie EMWFM wird vielfach verwendet um materialwissenschaftliche Fragestellungen zu klären. Dabei werden Fluoreszenzfarbstoffe als Sonden eingesetzt, um die Dynamik ihrer Umgebung abzubilden. Die Diffusion und Orientierung der einzelnen Farbstoffe ermöglichen Aussagen über ihre jeweilige Umgebung.
Der erste Teil der Arbeit beschäftigte sich mit radikalischer Polymerisation von Methylmethacrylat (MMA) bzw. Styrol in Masse bei Raumtemperatur. Unter den gewählten Polymerisationsbedingungen findet in diesen Systemen bei mittlerem Umsatz eine Selbstbeschleunigung der Polymerisationsreaktion statt. Als Sonden wurden zwei Perylendiimid-Derivate mit unterschiedlich großen hydrodynamischen Radien eingesetzt. Um die Diffusion der Sonden über den ganzen Umsatzbereich verfolgen zu können, wurde neben der Einzelmolekül-Weitfeldfluoreszenzmikroskopie auch die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie eingesetzt. Der bestehende optische Aufbau für die EMWFM wurde erweitert, um die Messung von Raman-Spektren für die Umsatzbestimmung zu ermöglichen. Dadurch war es möglich, die Diffusion nicht nur in Abhängigkeit von der Polymerisationsdauer, sondern auch abhängig vom Umsatz zu untersuchen.
Betrachtet man zunächst die Umsatzentwicklung der Polymerisationen im Verlauf der Reaktionszeit, zeigt sich, dass bei der MMA-Polymerisation die Selbstbeschleunigung früher und bei niedrigerem Umsatz einsetzt als bei der Styrolpolymerisation. Zudem ist der Umsatzanstieg während dieser Phase bei der MMA-Polymerisation deutlich höher als bei der Styrolpolymerisation. Durch Messungen mit dynamischer Differenzkalorimetrie konnte eine Beschleunigung der MMA-Polymerisation durch Erwärmung aufgrund der exothermen Polymerisationsreaktion ausgeschlossen werden.
Für beide Farbstoffe wurde die Entwicklung des mittleren Diffusionskoeffizienten während der Polymerisation in Abhängigkeit des Umsatzes bestimmt. Um die beiden Systeme und die unterschiedlich großen Farbstoffe besser vergleichen zu können, wurden relative Diffusionskoeffizienten berechnet. Vergleicht man den Verlauf der Änderung des relativen Diffusionskoeffizienten zeigt sich, dass dieser für beide Farbstoffe bei der MMA-Polymerisation schneller abnimmt als bei der
Styrolpolymerisation. Zudem wird der größere Farbstoff bei steigendem Umsatz stärker in seiner Diffusion gehindert als der kleine. Dieser Effekt ist bei der MMA-Polymerisation ausgeprägter als bei der Styrolpolymerisation. Nach dem Stokes-Einsteinschen Gesetz sollte jedoch der Unterschied der Diffusionskoeffizienten von kleinem und großem Farbstoff nur vom Verhältnis ihrer hydrodynamischen Radien abhängen. Zusätzlich wurde die Verteilung der Diffusionskoeffizienten der einzelnen Trajektorien für den jeweiligen Umsatzwert bestimmt. Ein Vergleich der Histogramme zeigte für den größeren Farbstoff bei der MMA-Polymerisation im mittleren Umsatzbereich eine deutlich breite Verteilung als bei der Styrolpolymerisation im selben Umsatzbereich.
Ein Grund für die abweichende Entwicklung der Diffusion der Farbstoffe in den beiden Systemen, könnten Unterschiede im entstehenden physikalischen Netzwerk sein.
Deshalb wurde die Entwicklung der Maschengröße mit Hilfe der Überlappkonzentration bei steigendem Umsatz abgeschätzt. Nach dem verwendeten Modell nimmt die Maschengröße bei der MMA-Polymerisation allerdings in ähnlicher Weise ab wie bei der Styrolpolymerisation. Damit kann das unterschiedliche Diffusionsverhalten nicht durch die Bildung des Netzwerks erklärt werden. Mittels Gel-Permeations-Chromatographie wurde die Molekulargewichtsverteilung der Polymerketten bei verschiedenen Umsätzen bestimmt. Bei der MMA-Polymerisation hatten sich bei gleichem Gesamtumsatz schon deutlich längere Ketten gebildet als bei der Styrolpolymerisation. Ein weiterer Unterschied zwischen den Systemen besteht in der unterschiedlichen Lösbarkeit des Polymers in seinem Monomer. Ein Vergleich der Literaturdaten lässt darauf schließen, dass Polystyrol besser in Styrol löslich ist als PMMA in MMA. Unabhängig von der Ursache, weisen die Beobachtungen mittels Weitfeldmikroskopie darauf hin, dass sich bei der MMA-Polymerisation schon bei geringerem Umsatz Regionen mit höherer Mikroviskosität bilden, als in der Styrolpolymerisation. Zudem beeinflussen die strukturellen Heterogenitäten des Polymernetzwerks den größeren Farbstoff stärker als den kleinen und bewirken für diesen auch eine breite Verteilung des Diffusionskoeffizienten während der
MMA-Des Weiteren wurde die Bewegung von fluoreszenzmarkierten Tonpartikeln in einem Nanokomposit-Hydrogel untersucht. Als Polymerkomponente wurde das wasserlösliche, thermoresponsive Poly(N-isopropylacrylamid) verwendet. In wässriger Lösung entsteht durch physikalische Wechselwirkungen zwischen Polymerketten und Tonpartikeln ein Netzwerk. Bei ungefähr 31 °C findet im Nanokomposit-Hydrogel ein Volumenphasenübergang statt. Dabei kollabiert das Netzwerk und das Gel entquillt.
Dieser Vorgang wurde mittels Einzelmolekül-Weitfeldmikroskopie untersucht. Dazu wurde ein Perylendiimid-Derivat kovalent an die Tonpartikel angebunden. Die erfolgreiche Markierung wurde durch die Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie nachgewiesen. Zur Herstellung der Nanokomposit-Hydrogele wurde eine Mischung aus markierten und unmarkierten Tonpartikeln verwendet.
Die Partikeltrajektorien wurden mit der Methode des mittleren Verschiebungsquadrats analysiert. Dabei wurde beobachtet, dass die Tonpartikel anomale Subdiffusion zeigen.
Diese wird durch die Einbindung der Tonpartikel in das viskoelastische Netzwerk verursacht. Durch Angleichen mit der Formel für anomale Diffusion wurde neben dem allgemeinen Diffusionskoeffizienten Kα auch der Anomalieparameter α ermittelt. Bei normaler Diffusion besitzt der Anomalieparameter den Wert eins.
Zunächst wurden Nanokomposit-Hydrogele mit unterschiedlich hohem Feststoffgehalt untersucht. Bei Erhöhung des Feststoffgehaltes sank der Diffusionskoeffizient. Eine höhere Ton- und Polymerkonzentration führt also zu einem dichteren Netzwerk. Der Anomalieparameter nahm mit steigender Feststoffkonzentration ebenfalls ab, was darauf hinweist, dass auch die Elastizität des Netzwerks abnimmt.
Zwischen 22 °C und 38 °C wurde die Temperaturabhängigkeit des mittleren Diffusionskoeffizienten untersucht. Zwischen 22 °C und 31 °C wurde ein Anstieg des mittleren Diffusionskoeffizienten beobachtet. Nach dem Volumenphasenübergang nahm der Diffusionskoeffizient dann stark ab, bis er bei 38 °C deutlich unter dem Wert bei Raumtemperatur lag. Der Anomalieparameter folgte einem ähnlichen Trend. Bis 29 °C änderte sich der Anomalieparameter kaum. Danach kann bis 31 °C eine Zunahme bis auf 0.65 beobachtet werden. Nach dem Volumenphasenübergang folgte eine deutliche Abnahme bis auf 0.41. Die Diffusion der Tonpartikel wird stark durch das Polymernetzwerk beeinflusst, in das sie eingebunden sind. Der Anstieg des Diffusionskoeffizienten bis zum Volumenphasenübergang wird vermutlich nicht nur durch die Abnahme der Viskosität bei steigender Temperatur verursacht, sondern auch
durch die abnehmende Viskoelastizität des Netzwerks. Darauf weißt das Verhalten des Anomalieparameters hin, der in diesem Temperaturbereich ebenfalls ansteigt. Nach dem Volumenphasen-übergang kollabiert das Netzwerk. Dadurch wird es fester, wodurch der Diffusionskoeffizient stark sinkt. Zudem nimmt seine Elastizität ab, was dazu führt, dass der Anomalieparameter ebenfalls abnimmt.
Bisher stand für die Auswertung der Einzelmolekülfilme eine halbautomatische Matlab-Routine zur Verfügung, bei dem jede Molekültrajektorie einzeln erstellt werden musste.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine alternative Routine evaluiert, welche eine vollautomatische und simultane Trajektorienfindung erlaubt. Zunächst wurde die Robustheit der Routine für verschiedene Diffusionskoeffizienten bei unterschiedlichen Signal-zu-Rausch-Verhältnissen untersucht. Danach wurde die bisherige semi-manuelle mit der automatischen Trajektorienfindung verglichen. Als entscheidender Parameter stellte sich bei der vollautomatischen Trajektorienfindung die Wahl des geeigneten Suchradius heraus, innerhalb dessen nach der nächsten Position gesucht wird. Dieser muss je nach Diffusion und Signaldichte der Probe angepasst werden. Bei geeigneter Parameterwahl konnten die Trajektorien von Einzelmolekülfilmen mit einem mittleren Diffusionskoeffizienten zwischen 6×10-13 m2s-1 und 1×10-15 m2s-1 von der vollautomatischen Routine zuverlässig bestimmt werden.
Die Einzelmolekül-Weitfeldmikroskopie bietet neben der Untersuchung der Translation auch die Möglichkeit die Orientierung des Dipolmoments eines einzelnen Moleküls zu bestimmen. Mittels defokussierter Einzelmolekül-Weitfeldmessungen wurde die Ausrichtung von kovalent gebundenen Fluoreszenzmarkern in anisotropen Polyethylen-Nanopartikeln analysiert. Dabei sollte untersucht werden, ob die Methode prinzipiell geeignet ist, um die Orientierung der scheibchenförmigen, anisotropen Partikeln in situ zu studieren.
Bei der ursprünglich verwendeten kritischen Beleuchtung werden Moleküle, bei denen das Dipolmoment senkrecht zur Ebene orientiert ist, kaum angeregt. Deshalb wurde der bestehende optische Aufbau abgeändert um quasi-TIRF-Messungen zu ermöglichen. Die
beobachtet werden. Über 60% der Marker zeigten einen Polarwinkel von kleiner als 30°. Vergleichend wurden die Nanopartikel in einer Matrix aus Polyvinylalkohol dispergiert, in der sie zufällig orientiert sind. Hier entsprach die Orientierungsverteilung der Fluoreszenzmarker weitgehend der statistisch erwarteten.
Die Vorzugsorientierung des Fluorophors im Nanopartikel wird vermutlich durch seine feste Einbindung in die Struktur des Nanopartikels verursacht. Dafür spricht auch, dass während den Messungen nur äußerst selten eine Umorientierung der Farbstoffe beobachtet wurde.
Im Rahmen dieser Arbeit konnte die Einzelmolekül-Weitfeldmikroskopie erfolgreich auf unterschiedliche Fragestellungen im materialwissenschaftlichen Bereich angewendet werden.