Ladung und Größe geladener Polymere in Lösung

Anwendung der gepulsten Feldgradienten NMR

  • Abb. 1: DOSY-NMR-Spektrum einer Lösung von Arginin, Glutaminsäure und PDADMAC aufgenommen an einem 500MHz-NMR-Spektrometer mit einem Diffusions-NMR-ProbenkopfAbb. 1: DOSY-NMR-Spektrum einer Lösung von Arginin, Glutaminsäure und PDADMAC aufgenommen an einem 500MHz-NMR-Spektrometer mit einem Diffusions-NMR-Probenkopf
  • Abb. 1: DOSY-NMR-Spektrum einer Lösung von Arginin, Glutaminsäure und PDADMAC aufgenommen an einem 500MHz-NMR-Spektrometer mit einem Diffusions-NMR-Probenkopf
  • Abb. 2: Elektrophorese-NMR-Spektrum einer Lösung von Arginin und Glutaminsäure aufgenommen an einem 300MHz-NMR-Spektrometer mit Mikroimagingausrüstung und einen speziellen Elektrophorese-NMR-Probenkopf
  • Abb. 3: Effektive Ladung von Poly(styrolsulfonat) in einer Mischung aus Methanol und Wasser
Ulrich Scheler
 
Der Effekt der magnetischen Kernresonanz (NMR) beruht auf der Wechselwirkung des magnetischen Momentes des Atomkernes mit einem starken äußeren Magnetfeld, das meist durch supraleitende Magneten erzeugt wird. Zusätzliche ortsabhängige Magnetfelder, s.g. Magnetfeldgradienten, werden Ortsinformationen oder Translation im NMR-Signal kodiert, die in der Lösung Aussagen über die hydrodynamische Größe und die effektive Ladung erlauben. 
 
Da das magnetische Moment an den Kernspin gekoppelt ist, richten sich die magnetischen Momente im äußeren Magnetfeld nicht vollständig aus, sondern präzedieren mit einer charakteristischen Frequenz, der Larmor-Frequenz um das äußere Feld. Die Frequenz ist spezifisch für jedes Isotop und ist proportional zum angelegten äußeren Magnetfeld, darauf beruht die hohe Selektivität der NMR. Durch resonante Hochfrequenzimpulse dieser Frequenzen können die Kernspins angeregt und auch selektiert oder manipuliert werden. Aus den unterschiedlichen Pulsfolgen ergeben sich eine Vielzahl unterschiedlicher NMR Experimente zur Selektion oder Ausmittelung einzelner Wechselwirkungen im Spektrum [1]. 
 
Strukturaufklärung durch lokale Wechselwirkungen
 
NMR ist wegen der zugrunde liegenden lokalen Wechselwirkungen für die Charakterisierung weicher Materie und insbesondere ungeordneter Materialien besonders geeignet. Für die chemische Strukturaufklärung in Lösung ist die NMR heute eine unverzichtbare Methode der chemischen Industrie und in der Forschung. Durch ortsabhängige Magnetfelder, so genannte Magnetfeldgradienten, wird räumliche Information im NMR-Signal kodiert und das ist die Grundlage der MRT. Im gepulste Feldgradienten Experiment (PFG NMR) wir das Prinzip ausgenutzt, um die Position von Molekülen zu zwei Zeiten zu kodieren. Aus dem Vergleich der Kodierung zu zwei Zeiten werden Bewegungen gemessen [3]. PFG-NMR ist weit verbreitet um Diffusion in Flüssigkeiten zu messen. Aus dem Selbstdiffusionskoeffizienten wird über die Stokes-Einstein-Gleichung der hydrodynamische Radius berechnet, der Radius einer Kugel mit gleichen hydrodynamischen Widerstand.

Aus diesem wird eine Aussage über die hydrodynamische Konformation der Makromoleküle möglich, die durch die Qualität des Lösemittels eingestellt werden kann. Die Ergebnisse passen gut zu den Ergebnissen aus dynamischer Lichtstreuung, wobei dynamische Lichtstreuung besser für größere Objekte geeignet ist. PFG-NMR hingegen erfasst auch kleine Moleküle, die nur eine geringe Streuintensität aufweisen. PFG-NMR erlaubt die Detektion der Signale in einer spektralen Dimension, damit können die Diffusionskoeffizienten einzelnen chemischen Spezies zugeordnet werden. Abbildung 1 zeigt ein DOSY (diffusion-ordered) NMR-Spektrum einer Mischung aus Glutaminsäure, Arginin und einem langkettigen Polykation (PDADMAC). Die hohen Diffusionskoeffizienten der Aminosäuren sind deutlich vom geringeren Diffusionskoeffizienten des Polymers getrennt. Mit diesem Verfahren wird auch Bildung von Komplexen und Aggregation untersucht. 

 
Kohärente und inkohärente Bewegungen
 
Kohärente Bewegungen wie Fluss können im PFG-NMR-Experiment von inkohärenten Bewegungen wie Diffusion getrennt werden [4]. Für geladene Moleküle bietet sich das elektrische Feld als Separationsmöglichkeit an. Wird nun in situ ein elektrisches Feld angelegt, bewegen sich geladene Spezies kohärent in diesem Feld, die Bewegung wird mit PFG NMR gemessen. Geeignete Datenverarbeitung erlaubt auch hier eine zweidimensionale Korrelation zwischen chemischer Verschiebung, zur Identifikation der Spezies, mit der elektrophoretischen Beweglichkeit. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel einer Lösung von Glutaminsäure und Arginin, die anhand ihrer chemischen Verschiebungen im NMR-Spektrum unterscheidbar sind. Bei neutralem pH zeigt Arginin wegen der positiven Ladung eine positive elektrophoretische Beweglichkeit und Glutaminsäure eine negative elektrophoretische Beweglichkeit. Ohne elektrisches Feld wird in einem separaten Experiment der Diffusionskoeffizient auf gleicher Zeit- und Längenskale gemessen. Auf der Zeitskala des Elektrophorese-NMR-Experimentes wird der stationäre Zustand, also eine konstante Geschwindigkeit, gemessen. Somit wird aus der Kombination von Diffusionskoeffizient und elektrophoretischer Beweglichkeit für jede Spezies die effektive Ladung [5] bestimmt. Diese ist in makromolekularen Systemen (Polyelektrolyten und Proteinen) geringer als die nominelle Ladung, da ein Teil der Gegenionen kondensiert und somit die effektive Ladung verringert [6]. Nur diese verringerte effektive Ladung steht zur Verfügung, um mit anderen Molekülen oder Oberflächen in der Lösung in Wechselwirkung zu treten. Das Ausmaß der Gegenionenkondensation wird stark vom umgebenden Medium (Ionenstärke, pH und Dielektrizitätskonstante) beeinflusst [7]. Abbildung 3 zeigt die so bestimmte effektive Ladung von Poly(styrolsulfonat) einer Molmasse von 77 kg/mol in unterschiedlichen Mischungen von Methanol und Wasser zur Einstellung der Dielektrizitätskonstante der Lösung. Es ist zu erkennen, dass schon in reinem Wasser nur ca. ein Drittel der nominellen 350 Ladungen effektiv wirksam sind. Durch Zugabe von Methanol verringert sich dieser Anteil drastisch. Das geht mit einer deutlichen Verknäulung des Polymeres einher [8].
 
Fazit
 
Durch die Vielzahl möglicher hochselektiver Experimente und die Empfindlichkeit für lokale Wechselwirkungen ist die NMR-Spektroskopie besonders zur Charakterisierung weicher Materie wie Polymere geeignet. Einziger Nachteil ist die relativ geringe Empfindlichkeit der NMR, die zunehmend durch moderne Geräte verbessert wird. Gepulste Feldgradienten NMR erlaubt die Messung der Translation von Molekülen in Lösung und deren Zuordnung anhand der chemischen Verschiebung. Aus dem Selbstdiffusionskoeffizienten wird die hydrodynamische Größe bestimmt. Über eine Eichung mit Poly(styrolsulfonat)-Standards kann die Molmasse von Polyelektrolyten bestimmt werden. Die Kombination mit dem Elektrophorese-NMR-Experiment ermöglicht eine direkte Messung der effektiven Ladung von Makromolekülen und Aggregaten. Beide Verfahren werden auch zur Untersuchung der Bildung von Komplexen und der schwachen Bindung von Liganden eingesetzt.
 
 
Kontakt
Dr. Ulrich Scheler
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e. V
Dresden
scheler@ipfdd.de
 

Literatur

[1]        200 and More NMR Experiments: A Practical Course, Stefan Berger, Siegmar Braun, ISBN: 978-3-527-31067-8

[3]        Principles of Nuclear Magnetic Resonance Microscopy. Dezember 1993,  Paul T. Callaghan 978-0198539971

[4]        Gottwald, A. ; Kuran, P. ; Scheler, U. Separation of velocity distribution and diffusion using PFG NMR more Journal of Magnetic Resonance 162 (2003) 364-370

[5]        Scheler, U. NMR on polyelectrolytes more Current Opinion in Colloid and Interface Science 14 (2009) 212-215

[6]        Huber, K. ; Scheler, U. New experiments for the quantification of counterion condensation more Current Opinion in Colloid and Interface Science 17 (2012) 64-73

[7]        Böhme, U. ; Scheler, U. Counterion condensation and effective charge of poly(styrenesulfonate) more Advances in Colloid and Interfaces Science 158 (2010) 63-67

[8]        Böhme, U. ; Scheler, U. Effective charge of polyelectrolytes as a function on the dielectric constant of a solution more Journal of Colloid and Interface Science 309 (2007) 231-235

[9]        Böhme, U. ; Vogel, C. ; Meier-Haack, J. ; Scheler, U. Determination of charge and molecular weight of rigid-rod polyelectrolytes more Journal of Physical Chemistry / B 111 (2007) 8344-8347

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