Χαρακτηρισμός νέων πολυμερικών υλικών με δυνατότητες ελεγχόμενης βιοστατικής δράσης

Abstract

Raman spectroscopy is a reliable method for the characterization of the molecular structure of matter. It could even be considered as a valuable analytical tool for quantitative measurements. However, the Raman Effect is weak for the detection of molecular species at very low concentrations. Nevertheless, the Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) technique increases the cross-section of the phenomenon by several orders of magnitude and thus improves detection limits; even single molecule detection has been reported. A prerequisite for the SERS phenomenon is the proximity or the adsorption of the analyte to/on the noble metal nanoparticles, especially of silver (Ag) or gold (Au), in the form either of colloidal solutions or of nanostructured surfaces. A cutting edge in the use of SERS, besides the development of new SERS substrates, is the optimization of the already used ones. In the present thesis, the SERS technique was the main qualitative and quantitative method for the quantitative analysis of biocidal polymers and cationic surfactant substances. Moreover, it was attempted to optimize SERS substrates based on nanocolloidal silver suspensions (prepared according to the Lee & Meisel method) using surfactants. Initially, the characterization of novel biocidal polymers was done and their release rate out of matrices was measured. The two biocidal polymers studied were PVBCHAM (covalent bonding of CTAB with the polymer) and PSSAmC16 (electrostatic bonding of CTAB with the polymer). The first complex acts biostatically through direct contact, while the second acts via potential release of the biostatic substance. The characterization of these new materials was done both in solid form (FT-Raman spectroscopy) and in saline (NaCl 0.5 M) and alcoholic solutions (EtOH 95%) by UV-Vis spectroscopy, Raman spectroscopy and more specifically by the SERS technique.Next, the incorporation of biocidal polymers into polymeric matrices (PMMA, PS, PVC, PSF and PBI) with different chemical structure and properties was carried out and relevant polymeric films were prepared. It was thus possible to investigate and measure the release rate of each biostatic substance encapsulated/trapped in the polymer matrix using UV-Vis and SERS techniques. SEM images from polymeric films, before and after the eventual release of the biostatic polymers from the polymeric matrices, were obtained for the proper structural characterization of these materials.In a second step, cationic surfactants (CTAB - Hexadecyltrimethylammonium bromide, BAC - Benzalkonium chloride, DTAB - Dodecyltrimethylammonium bromide) were studied by Raman spectroscopy and by the SERS technique. In the context of this study, changes of the SERS signal enhancement depending on the surfactant were detected and the interpretation of this observation was carefully done. At the same time, the possibility of determination of the critical micelle concentration (CMC) by the SERS technique was examined. The use of SERS for determining CMC is a new method that has both advantages and disadvantages. The results for CMC determination using the SERS technique were correlated with the corresponding by conventional / classical methods, like conductivity and molecular emission spectroscopy.Finally, during the quantitative study of ClearBal solutions (Brilliant Green / CTAB mixtures), variations in the intensities of the characteristic peaks of Brilliant Green in SERS spectra in the presence of CTAB were observed. This led to the need for further study of the behavior of Brilliant Green in the presence of CTAB upon the application of the SERS technique. The mechanism of the cationic surfactants’ action (CTAB, DTAB, BAC) was investigated for their potential use as tool for the enhancement of the SERS spectra of active compounds and especially Brilliant Green.

Η φασματοσκοπία Raman θεωρείται αξιόπιστη μέθοδος για το χαρακτηρισμό της μοριακής δομής της ύλης. Λειτουργεί ως εργαλείο ανίχνευσης και είναι δυνατό με τη βοήθεια αυτής της τεχνικής να γίνουν και ποσοτικές μετρήσεις. Ωστόσο το φαινόμενο Raman είναι αρκετά ασθενές για την ανίχνευση μοριακών ειδών σε πολύ μικρές συγκεντρώσεις. Η τεχνική της επιφανειακής ενίσχυσης της σκέδασης Raman (Surface Enhanced Raman Scattering, SERS) αυξάνει την ενεργό διατομή του φαινομένου κατά μερικές τάξεις μεγέθους και βελτιώνει αντίστοιχα τα όρια ανίχνευσης της τεχνικής. Έχει αναφερθεί ανίχνευση ακόμα και ενός μορίου. Προϋπόθεση εμφάνισης του φαινομένου SERS είναι η γειτνίαση ή η προσρόφηση της εξεταζόμενης ουσίας με/σε νανοσωματίδια ευγενούς μετάλλου, κυρίως αργύρου (Ag) ή χρυσού (Au) υπό μορφή είτε κολλοειδών αιωρημάτων, είτε νανοδομημένων επιφανειών. Πεδίο αιχμής για αποτελεσματική χρήση της τεχνικής SERS, πέρα από την ανάπτυξη νέων υποστρωμάτων SERS, είναι και η βελτιστοποίηση των ήδη χρησιμοποιούμενων. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, η τεχνική SERS αποτέλεσε κύρια μέθοδο ποιοτικού και ποσοτικού προσδιορισμού αντιμικροβιακών πολυμερών και κατιοντικών επιφανειοδραστικών ενώσεων. Επίσης, έγινε προσπάθεια βελτιστοποίησης των υποστρωμάτων SERS που βασίζονται σε νανοκολλοειδή αιωρήματα Ag, παρασκευασμένα σύμφωνα με τη μέθοδο Lee & Meisel, με χρήση επιφανειοδραστικών ενώσεων. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε η μελέτη και ο προσδιορισμούς του ρυθμού αποδέσμευσης βιοστατικών πολυμερών από πολυμερικές μήτρες. Τα δύο βιοστατικά πολυμερή που μελετήθηκαν ήταν το PVBCHAM (πολύ(χλωριούχο βινυλο βενζοιλο δεκαεξυλοτριμεθυλαμμώνιο)) (ομοιοπολική σύνδεση CTAB/πολυμερούς) και το PSSAmC16 (πολυ(βρωμιούχο στυρολοσουλφονικό δεκαεξυλοτριμεθυλαμμώνιο)) (ιοντική σύνδεση CTAB/πολυμερούς). Το πρώτο δρα βιοστατικά μέσω επαφής, ενώ το δεύτερο δρα μέσω δυνητικής αποδέσμευσης της βιοστατικής ουσίας. Η μελέτη αποδέσμευσης πραγματοποιήθηκε σε διαλύματα NaCl 0.5M ως προσομοίωση θαλάσσιου ύδατος και σε αλκοολικά διαλύματα (95% EtOH). Εν συνεχεία, πραγματοποιήθηκε η παρασκευή υμενίων με ενσωμάτωση των βιοστατικών πολυμερών σε διαφορετικής χημικής δομής και ιδιοτήτων πολυμερικές μήτρες (PMMA, PS, PVC, PSF και PBI). Η διερεύνηση και ο προσδιορισμός του ρυθμού αποδέσμευσης της κάθε βιοστατικής ουσίας που ενσωματώθηκε στην εκάστοτε πολυμερική μήτρα πραγματοποιήθηκαν με τη εφαρμογή των τεχνικών UV-Vis και SERS. Για τον ορθότερο δομικό χαρακτηρισμό των υλικών αυτών ελήφθησαν εικόνες SEM από τα πολυμερικά υμένια πριν και μετά την ενδεχόμενη αποδέσμευση των βιοστατικών πολυμερών.Σε δεύτερο στάδιο, μελετήθηκαν κατιοντικές επιφανειοδραστικές ενώσεις (CTAB - Hexadecyltrimethylammonium bromide, BAC - Benzalkonium chloride, DTAB - Dodecyltrimethylammonium bromide) με την τεχνική SERS. Το ενδιαφέρον εστιάστηκε στη διαφοροποίηση της ενίσχυσης του σήματος SERS που παρατηρήθηκε ανάλογα με την επιφανειοδραστική ουσία. Στο πλαίσιο αυτό δόθηκε η δέουσα προσοχή στο ενδεχόμενο προσδιορισμού της κρίσιμης συγκέντρωσης μικκυλιοποίησης (CMC) μέσω της τεχνικής SERS και στην ερμηνεία αυτής της επιστημονικής παρατήρησης. Ο προσδιορισμός της CMC με τη βοήθεια της τεχνικής SERS χωρίς τροποποίηση των νανοσωματιδίων με ενεργούς ενδείκτες Raman αποτελεί ένα νέο τρόπο προσδιορισμού, ο οποίος εμφανίζει τόσο πλεονεκτήματα όσο και μειονεκτήματα. Τα αποτελέσματα όσον αφορά στον προσδιορισμό της CΜC με την τεχνική SERS συσχετίστηκαν με αντίστοιχες μετρήσεις προσδιορισμού της CMC με συμβατικές/κλασικές μεθόδους αγωγιμομετρίας και φασματοσκοπίας μοριακής εκπομπής, ενώ η επίδραση της παρουσίας νανοκολλοειδών αιωρημάτων Ag ελέγχθηκε με μετρήσεις επιφανειακής τάσης.Τέλος, κατά την ποσοτική μελέτη διαλυμάτων ClearBal (μίγματα Brilliant Green/CTAB) παρατηρήθηκαν διαφοροποιήσεις στις εντάσεις των χαρακτηριστικών κορυφών του BG στα φάσματα SERS παρουσία του CTAB. Αυτό οδήγησε στην περαιτέρω μελέτη της συμπεριφοράς του BG παρουσία του CTAB κατά την εφαρμογή της τεχνικής SERS. Στο πλαίσιο αυτό μελετήθηκε ο τρόπος δράσης κατιοντικών επιφανειοδραστικών ενώσεων (CTAB, DTAB, BAC), ως μέσων για την περαιτέρω ενίσχυση φασμάτων SERS ενεργών ουσιών και ιδιαίτερα του BG.