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Rheo-nuclear磁共振光谱学:多功能工具箱在复杂流体流变半岛综合体育官方APP下载德甲现象进行调查

2014年12月1日|文章
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2014年
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Rheo-nuclear核磁共振光谱学半岛综合体育官方APP下载德甲

克劳迪娅·施密特

帕德伯恩大学化学系,华宝Straße 100、33098帕德伯恩,德国。电子邮件:(电子邮件保护)

介绍

Soap的解决方案,乳液,面霜,油漆,许多食品、生物fluids-all这些材料属于复杂流体的类。他们显示流的行为,可以非常不同于一个简单的牛顿液体如水。的特殊的流动特性复杂的液体由于其复杂的结构和动力学的特点是层次结构的长度和时间尺度。理解复杂的流体的流动是很重要的所以产品可以对性能优化(油漆应该很容易适用但不应该滴)和处理(流过管道在制造业应该要求最低能量)。流变学、变形和流动的科学提供了实验工具,产生宏观性质如粘度和弹性模量的信息。然而,为了调整材料的流变特性在分子水平上了解是必要的。这刺激了一个叫做rheo-physics研究领域的发展,分子的调查方法和微观结构和动力学应用原位在流动条件下。Rheo-NMR (rheo-nuclear磁共振)是这一领域的研究的一部分。1,2

核磁共振有几个优点。它不需要透明的样品,与大多数rheo-optical技术。没有特殊探针需要添加到样本,这可能改变流变特性。核磁共振的也许最大的优点是它的多功能性。数以百计的不同的核磁共振方法可用,rheo-NMR大量未被利用,尽管商业rheo-NMR配件可供大约10年了。核磁共振光谱提供了工具,成像(MRI,断层扫描半岛综合体育官方APP下载德甲)和测速。

在本文中,重点是使用我们的一些工作2H rheo-NMR光半岛综合体育官方APP下载德甲谱学调查剪切流。这种方法提供了有趣的信息即使没有空间分辨率。最近的一些rheo-NMR发展也会提到。更全面的评论文章,包括成像和速度测量学,一直写,例如,通过保罗·卡拉汉。1,2

实验

在图1中,最常见的原则用于rheo-NMR剪切几何图形显示。锥板和圆柱几何库爱特(专为层流)有一个对称轴沿磁场一致B。两个几何图形不同的取向磁场对剪切{xyz}的局部坐标系,提供补充信息shear-induced样本对齐。rheo-NMR细胞的尺寸是一个妥协的结果之间的要求剪切(窄隙达到均匀应力)和核磁共振(更好的填充系数差距)。典型的细胞外直径1厘米和2厘米之间,差距约5°的角度(锥和板),直径约1毫米的差距(库爱特)。剪切细胞周围是核磁共振线圈(通常是一个鸟笼谐振器)和它的转动部分是通过电动机的驱动轴连接位于下面或者在磁体杜瓦。

高分子液晶聚合物

向温的溶致液晶相各向异性即使在休息的时候,而其他复杂的液体,如聚合物和表面活性剂的解决方案,可能会只在剪下各向异性。因此,测量shear-induced取向是rheo-NMR最突出的目标之一。2H NMR光半岛综合体育官方APP下载德甲谱最适合研究液晶自剩余四极耦合氘原子核自旋量子数我= 1)导致谱与频率分裂紧身上衣,由Dn = 3/4 d问(3)因为2q - 1)在一个单轴的阶段。因子d问代表了时均四极耦合常数和q是磁场和导演之间的角度(对称轴)高分子液晶相。

向列相,它的特点是择优取向的分子沿着主管轴,可以显示两种类型的流动行为。它们可以flow-aligning或暴跌类型。前的采用稳定的方向剪切流,可以在宏观尺度均匀一致,而翻滚向列不断旋转剪切下,导致时空的导演取向模式。知识流的响应相关的优化处理条件下,尤其是高分子液晶聚合物,因为,根据定位的宏观流状态,完全不同的光学和机械性能的结果。

液晶被磁场也一致。在强场核磁共振磁体非常高剪切率是必要的调整低摩尔质量液晶的主任。更多的粘性高分子液晶中等剪切速率与rheo-NMR一系列方便的设备就足够了。在这种情况下,磁场之间的竞争和剪切可用于定量地描述流动行为。3,4

作为一个例子,结果两向列液晶聚矽左边的图2所示。3,4

剪切速率的依赖导演取向q四极分裂Dn的计算2H NMR光谱获得的锥板几何。以非常低的剪切速率磁场赢得了剪切力和导演的竞争仍接近磁场轴对齐(小q值)。随着剪切速率增加董事改变其方向由于增加粘性力矩。的flow-aligning聚合物(红色数据点)限制的角度接近流向(Leslie角)达到在高剪切率。第二聚合物(蓝色数据点),化学结构的不同只有间隔的长度(CH2单位在侧链),行为不同,揭示了暴跌的材质。统一取向聚合物的实现只有在低剪切率,抑制下跌时的磁场。超过临界剪切率、集暴跌和粉末谱线形状,代表导演方向的分布,是观察。倾向暴跌成为弱在更高的温度。测量在大量的高分子液晶聚矽显示暴跌不稳定发生在净化的集群存在于向列相,相关性也称低摩尔质量向列。基于这些发现,流的行为的调优侧链高分子液晶聚合物成为可能不仅通过改变温度,而且通过调整随机共聚物的组成由两个稍微不同的单体。4

而正温的高分子液晶聚合物需要选择性含重氢的分子,在易溶的系统使氘化溶剂(通常是水)可以作为探针的取向。使用D rheo-NMR的详细研究2O shear-induced州和导演放松在停止在库埃特几何进行了剪切易溶的高分子液晶聚合物在水溶液hydroxpropylcellulose耿和同事。5

溶剂分子的小型四极分裂,由于其较低的剩余订单,结果在光谱高信噪比的改善。这使得时间分辨实验成为可能。一个例子可以看到右边的图2中,在时间分辨的D2O光谱测量的伊莎贝尔Quijada-Garrido高分子科学与技术研究院,马德里,西班牙,和尼科诺夫从波罗的海国家科学院,加里宁格勒,俄罗斯,像虫的表面活性剂胶束水溶液的(“活聚合物”)启动后剪切进行描述。

易溶的层状相

溶致液晶层状相(L一个),经常发现在表面活性剂水溶液,是最有趣的一个。层状结构也由脂质和生物体中扮演重要角色。L一个阶段可以或多或少由成堆的平面扩展影响或密集multilamellar囊泡。泡状态对药物输送或作为微反应器。剪切有很强的影响方向和层状的形态阶段。研究层状剪切是一个40 wt %的解决方案下系统的非离子表面活性剂C10E3(三甘醇mono -n十二烷基醚)的D2O。67在此系统中,shear-induced multilamellar囊泡形成较低的温度和足够高的剪切率,而在较高温度和较低的剪切速率稳定状态由层保持一致。布鲁诺Medronho和同事研究了怎样一种状态转化为另一个切变。6在库埃特rheo-NMR结果几何图3所示。光谱随时间的演变(压力成正比)揭示从一致连续转换层multilamellar囊泡,但一个不连续的过程,有两种状态共存,相反的方向,当囊泡转化成层保持一致。额外的2H rheo-NMR实验和空间分辨率,在维多利亚大学,惠灵顿,新西兰,表明前者转换整个样品均匀而收益转换从multilamellar泡层对齐始于库爱特的内部移动墙外壁细胞和传播。7

最近的进展

的1H核也经常用于rheo-NMR光谱学。半岛综合体育官方APP下载德甲由于剩余偶极耦合1H光谱往往广泛而毫无特色但放松可以提供样品的信息。1H NMR是易于使用的工具来检测转换从液体到固体通过监测液体的窄线消失的组件。例如,Ohgoet al。监控与时间有关的1H D丝蛋白的光谱2O为溶剂。8研究人员观察到的信号强度的降低由于shear-induced形成丝绸丝绸时聚合形成分子从随机b-sheets线圈。

rheo-NMR一个非常有趣的原子核是由加林娜Pavlovskaya和托马斯·Meersmann。9他们使用的四极耦合23Na(自旋我= 3/2)调查比对多糖黄原胶溶液的流管流。的弱一致性non-liquid-crystalline聚合物中不能检测到单量子23Na光谱(或2H NMR光谱溶剂)。然而,使用一个特殊的脉冲序列产生一个魔法角double-quantum过滤光谱只有一个剩余四极耦合存在,即使很小的耦合。在各向同性的解决方案double-quantum过滤频谱就消失了。这是一种很有前途的技术,因为大量的rheo-NMR应用程序23Na,特别是在生物样本。

还是挑战rheo-NMR是流变的同时测量和NMR参数。在这种结合核磁共振测量或实验流变测量可以优化。前方法的一个早期的例子是意识到大卫•格拉博夫斯基弗莱堡大学的德国,曾经一个剪切细胞自建扭矩传感器。3这使同时测量剪切粘度在NMR实验。为证明原则flow-aligning高分子液晶聚合物上面所讨论的,cf。图2。磁场的存在,改变粘度随着剪切速率的函数,由于导演取向的变化。当NMR探头是磁铁的,然而,粘度是独立于剪切速率自对齐主任莱斯利角已经在低剪切率。最近,更灵活和易于使用的rheo-NMR设备与扭矩传感器已经发达的Petrik Galvosas维多利亚大学,惠灵顿,新西兰。10

第二种方法,使高端流变实验,是由曼弗雷德威廉和他的团队在卡尔斯鲁厄理工学院,德国。他们使用Halbach-type磁铁类似描述的一个参考11,它由一个装配的小永磁体排列在剪切细胞被连接到一个商业流变仪。因此低场低分辨率1核磁共振弛豫谱可结合各种流变实验包半岛综合体育官方APP下载德甲括测量振荡剪切下的复杂的剪切模量。

引用

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  7. 背面Medronho,奥尔森,c·施密特和p . Galvosas“瞬态和稳态剪切条带rheo-NMR研究层状相,“z。化学。226年,12931313 (2012)。doi:http://dx.doi.org/10.1524/zpch.2012.0313
  8. k . Ohgo f . Bagusat t .仓叶和美国对世界,“调查结构过渡的再生丝素蛋白水溶液rheo-NMR光谱学,”半岛综合体育官方APP下载德甲j。化学。Soc。130年,41824186 (2008)。doi:http://dx.doi.org/10.1021/ja710011d
  9. ge Pavlovskaya和t . Meersmann空间映射的水分子排列非结晶的生物聚合物流体使用双量子过滤(DQF)23Na MRI。”期刊。化学。列托人。5,26322636 (2014)。doi:http://dx.doi.org/10.1021/jz501075j
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核磁共振(NMR)

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