はじめに 第3回コロイド実用技術講座 分散 凝集のすべて 215.1.26 液相の微粒子分散系 微粒子分散系における相互作用力 液体中に微粒子状の物質が懸濁したもの 疎水性引力の長距離性とその起源から タンパク質と固体の相互作用まで 岡山大学大学院自然科学研究科 石田 尚之 どうやって分散状態を保つか どうやって凝集させるか 分散 凝集性の評価 制御が重要 分散 凝集 付着 脱着 の評価と表面間力 分散 凝集の評価と表面間力 分散 凝集性 付着 脱着性 の評価 制御 表面間の相互作用力 表面間力 への理解が重要 溶媒の条件や表面の構造によって 表面間力はどう変化するか 溶媒条件 and/or 表面の条件 電解質の添加 pの変化 分子の吸着 界面活性剤の添加 分子による化学的被覆 高分子の添加 斥力的 分散 系は安定 脱着 付着しない 引力的 凝集 系は相分離 付着 表面間力を測定すれば分散 凝集の評価 制御が可能
197年代以前の表面間力に関する研究 理論 実験 全相互作用力 光散乱 etc r de ばねばかり 表面間力の実効的な 液体薄膜の安定性の評価 作用範囲 数 数十nm 水銀滴の合一の測定 力 斥 電 静 相互作用力 = 静電力 van der Waals力 van 表面間の力を どうやって測定すればよいか 分散 凝集の光学的測定 濁度 DLVO理論 表面間力の直接測定 als Wa 定性的 力 表面間の距離を >1nmの DLVO理論との不整合 表面間距離 精度で動かしたり 測った 直接測定の必要性 りする技術が必要 分散系の安定性評価の基準 表面間力測定装置(SFA) 197年代 J. Israelachviliらが開発 プリズム 分光器 対物レンズ ピエゾ素子 ピエゾ素子 表面移動 干渉縞 SFAの測定例と欠点 光学干渉による 干渉縞 距離測定 KNO3 水溶液中での雲母間の 相互作用力 (Shubin and Kekicheff, 1993) SFAの欠点 上部ロッド 取り扱いが難しい 力測定用 力測定用カンチレバー カンチレバー 透明 広い範囲で平滑な表面 ばねばかり 基本的に雲母 しか使えない 測定に時間がかかる 差動スプリング シリカ円筒に固定した 雲母とその配置 液体 白色光 下部ロッド レンズに固定した雲母に白色光を透過し 干渉縞により表面距離を測定 カンチレバーの変位量から表面間力を測定 非常に正確な測定 5 nmまで DLVO理論値と一致
原子間力顕微鏡(AFM) AFMによる相互作用測定 先鋭なチップ 曲率半径 1 nm のついた探針で表面を走査 凹凸によるカンチレバーのたわみをレーザーで測定 レーザー フォトディテクター 探針の先端 探針 1µm 試料平板 コロイドプローブ 表面像 微小粒子を探針に固定し コロイドプローブ 平板に対して 垂直に走査 ピエゾスキャナ 力を受けた探針の曲がり幅をレーザーで測定 ばねばかり コロイドプローブの作成法 相互作用の測定イメージ 表面接近 コロイドプローブ プローブ 表面後退 ガラス キャピラリ 粒子 相互作用力 接着剤 Probe Sample Piezo scanner 付着力 ご相談は n-ishida@okayama-u.ac.jp まで 相互作用力 顕微鏡観察下でプローブ先端に接着剤を塗布し 粒子を接着する 反発力 斥力 表面移動距離 表面間距離 引力
2µm DLVO DLVO
疎水性引力 既往の研究結果 水溶液中の疎水性表面間には 長距離から強い引力が作用する 疎水性引力 1 5nm 脂質二重膜 の形成 表面間での水の相変化による蒸気相の架橋 表面間からの水の流れ出しによる引力 3 3-5 Christenson et al. (1989) Mica adsorbed by fluorocarbon surfactant 1-3 28-32 Kurihara and Kunitake (1992) Mica coated with LB film of amphiphile 1-25 2-5 Rabinovich and Yoon (1994) Silica silanated with OTS 3-2 16-325 Wood and Sharma (1995) Mica silanated with OTE 1 48 Yaminsky (1998) Glass silanated with methylsilane 5 N.A. Kokkoli and Zukoski (1998) Gold coated with hexadecanethiol 3-7 1-3 Craig et al. (1999) Silica adsorbed by CPC 12 35-45 Considine et al. (1999) Polypropylene 2-4 N.A.? 1. 改質型表面 2. 吸着型表面 3. LB膜表面 表面改質剤による改質 水溶液中で測定 界面活性剤の吸着 界面活性剤共存下で 測定 単分子膜 LangmuirBlodgett膜 を形成 水溶液中で測定 - Si O Si O Si - - Si O Si O Si - シリカ 雲母 流体力学的要因 Mica coated with LB film of DDOA 吸着分子の配向に基づく双極子 双極子相互作用 Christenson and Claesson (1988) 表面近傍での水の再配向に基づくエントロピー変化 吸着イオンの揺らぎによる引力 14 熱力学的要因 静電的要因 1 疎水性表面の種類 疎水性引力の起源に関する仮説 表面分子の吸脱着に基づく系の自由エネルギー変化 Mica adsorbed by CTAB タンパク質 の構造形成 Israelachvili and Pashley (1982) 疎水性粒子の 急速凝集 Adhesion Force [mn/m] 疎水性粒子の 気泡への付着 疎水性引力 Range of Force [nm] van der Waals力 Surface 1nm Reference シリカ 雲母 雲母 表面の疎水化方法によって引力の性質や起源が異なる
シランカップリング剤で疎水化した表面間の相互作用 シリカ表面をオクタデシル トリクロロシラン(OTS, C18)で疎水化 hi=25nm hi=5nm 推定されるメカニズム 5-1 -5-15 -1 35-2 45 Approaching (1st cycle) Separating (1st cycle) Approaching (6th cycle) Separating (6th cycle) -25-3 4 1 2 3 4 Separation Distance (nm) 5 Force/Probe radius (mn/m) Force/Probe radius (mn/m) Step -5-5 -1-15 -2 1st cycle 2nd cycle 6th cycle -25-3 5 1 15 2 Separation Distance (nm) 25 引力発生時と消滅時にステップが現れる 初期表面間距離が短い場合 2回目以降の相互作用はステップなし 架橋の生成要因 実験方法 表面 I 通常の方法? 表面 II 表面が空気に接触しない 溶存ガスの凝集 表面の気泡の合一 表面の気相膜の合一 空気に触れさせず疎水化した表面の相互作用
5 Approaching Separating 5 Approaching Separating 5 Approaching Separating 5 Approaching Separating F/R (mn/m) -5-1 -15-2 -25 F/R (mn/m) -5-1 -15-2 -25 5-5 -1 van der Waals force -15 5 1 15 2 F/R (mn/m) -5-1 -15-2 -25 F/R (mn/m) -5-1 -15-2 -25-3 -3 1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Distance h (nm) Distance h (nm) -3 1 2 3 4 5-3 1 2 3 4 5 Distance h (nm) Distance h (nm)? Frequency (%) 1 9 8 3 2 1 表面 I 表面 II Frequency (%) 8 7 2 1 表面 I 表面 II 5 1 15 2 1 2 3 h s (nm) F m (mn/m)
(5 5µm) 5nm 2nm nm
25 Jump van der Waals force Jump Distance (nm) 2 15 1 1-3 M 1-2 M 1-1 M F/R 4πγcosθ F/R= 4πγcosθ 5 18 95 88 Contact Angle (deg) θ > 9
固体表面へのタンパク質の吸着 人工生体材料 バイオセンサー 実験方法 タンパク質汚れ タンパク質固定AFMプローブ モデル表面間の相互作用を測定 AFMプローブ N2 N2 N2 CO CO モデル表面 タンパク質の基本的な相互作用 O O O C 2 2 O O アミノプロピル シラン C タンパク質をAFMプローブに固定 固体表面との相互作用測定 シリコンウェハ N O タンパク質と固体表面間の相互作用の 分子レベルの理解が必要 タンパク質 3 3 アルキルシラン グルタル アルデヒド C モデル表面 CO CO CO アミノプロピル シラン タンパク質や固体表面の性質 官能基 電荷 濡れ性 周囲の環境 p 溶質 溶媒 N2 N2 C 吸着機構はさまざまな要因が影響し 複雑 O O O N O O ジカルボン酸 基板の官能基がタンパク質の付着に与える影響 表面接近 表面後退 付着エネルギー 官能基の違いにより付着エネルギーに大きな差 C3表面が最も大きな付着エネルギー 疎水性相互作用は大きな付着力をもたらす
p 4 p 7 p 9 BSA 5.2 COO 2. N2 ~ 6.