Dokument: Phasenverhalten von Proteinen und Kolloid-Polymer Mischungen
| Titel: | Phasenverhalten von Proteinen und Kolloid-Polymer Mischungen | |||||||
| Weiterer Titel: | Phase Behaviour of Proteins and Colloid-Polymer Mixtures | |||||||
| URL für Lesezeichen: | https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=9798 | |||||||
| URN (NBN): | urn:nbn:de:hbz:061-20081217-104738-7 | |||||||
| Kollektion: | Dissertationen | |||||||
| Sprache: | Englisch | |||||||
| Dokumententyp: | Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation | |||||||
| Medientyp: | Text | |||||||
| Autor: | Gögelein, Christoph [Autor] | |||||||
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| Stichwörter: | bhase behaviour, proteins, colloid-polymer mixtures, cluster aggregation | |||||||
| Dewey Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik | |||||||
| Beschreibungen: | In dieser Arbeit werden Gleichgewichtsphasenübergänge in kolloidalen Dispersionen und Proteinlösungen theoretisch und experimentell untersucht. Die Dissertation setzt sich zusammen aus zwei theoretischen Teilen über das Phasenverhalten von Lysozymlösungen und Mischungen von ladungsstabilisierten Kolloiden und neutralen Polymeren. In einem vorwiegend experimentellen Teil untersuchen wir das Nichtgleichgewichts-Phasenverhalten und die Aggregationskinetik von wässrigen Mischungen geladener Kolloidkügelchen, einschließlich eines theoretischen Modells zur Beschreibung der initialen Aggregationskinetik.
Im ersten Teil wird das Phasenverhalten von Lysozym im Rahmen eines kolloidalen Modells mit anisotrop anziehenden sowie abgeschirmten Coulomb-Wechselwirkungen unter Verwendung einer thermodynamischen Störungstheorie berechnet. Die in diesem Modell auftretenden Wechselwirkungsparameter werden anhand von experimentellen Daten bestimmt. Die experimentell auftretenden Phasen werden konsistent in unserem Modell beschrieben. Die berechneten gas-flüssig und flüssig-fest Koexistenzkurven stimmen nahezu quantitativ mit den experimentellen Daten überein. Dies zeigt, dass das Phasenverhalten von Lysozym wesentlich durch die anisotropen Wechselwirkungen beeinflußt wird. Die aus unseren Rechnungen gefundene Reichweite der anziehenden Wechselwirkung stimmt sehr gut mit zuvorigen Messungen überein. Weiterhin liefert unser Modell eine konsistente Beschreibung des Kolloidstrukturfaktors bei kleinen Wellenzahlen. Der zweite Teil befaßt sich mit Depletionswechselwirkungen und dem Gleichgewichts-Phasenverhalten von Mischungen aus geladenen Kolloiden und Polymeren in guten und $\theta$-Lösungsmitteln. Das Phasenverhalten wird bestimmt mittels einer generalisierten freien Volumentheorie, die für kleine Polymer-Kolloid Größenverhältnisse $q < 1$ Ergebnisse liefert in guter Übereinstimmung mit früheren Computersimulationen. Für $q > 1$ beschreibt die Theorie das Phasenverhalten nur qualitativ richtig. Wir untersuchen insbesondere den Einfluß schwacher elektrostatischer Abstoßungen und den Einfluß der Lösungsmittelqualität und zeigen, daß die Kolloidladungen die homogene Phase gegen Entmischung stabiliseren. Die Phasenstabilität nimmt mit anwachsendem $q$ und anwachsender Lösungsmittelqualität zu. Die Lösungsmittelqualität beeinflußt auch stark die Lage der gas-flüssig Koexistenzkurve für schwach geladene Kolloide. Für ein $\theta$-Lösungsmittel und für $q > 1$ bleibt die Binodale nahezu unbeeinflußt von der Coulombabstoßung. Im dritten Teil wird die Stabilität und das Phasenverhalten einer Mischung von geladenen, nanometrischen Kolloiden und Polymeren von etwa gleicher Größe mittels Photonenkorrelationsspektroskopie untersucht, um das Wechselspiel zwischen ladungsinduzierter Abstoßung und polymerinduzierter Anziehung der Kolloide zu studieren. Wir finden, daß bereits eine geringe elektrostatische Abschirmung bzw. eine geringe Polymerkonzentration die Aggregation der Kolloide beschleunigt. Die experimentellen Aggregationszeiten stimmen gut mit der Aggregationstheorie von kolloidalen Dimeren überein, wobei darin hydrodynamische Wechselwirkungen berücksichtigt sind und die polymerinduzierte Anziehung mit dem Asakura-Oosawa-Vrij Potential beschrieben wird. Wir vergleichen die experimentellen Nichtgleichgewichts-Phasen mit den Vorhersagen der generalisierten freien Volumentheorie für die Spinodale und Binodale, und finden analoge Trends für den Einfluß der Salzkonzentration.In this thesis, we present a theoretical and experimental study of the equilibrium phase behaviour of colloidal dispersions and protein solutions. The thesis consists of two theoretical parts on the phase diagram of lysozyme solutions, and mixtures of charge-stabilised colloids and neutral polymers, respectively, and an experimental part on the stability of mixtures of charged colloids and non-adsorbing polymers, including a theoretical model of the aggregation kinetics. In the first part, the phase behaviour of lysozyme solutions is calculated using thermodynamic perturbation theory applied to a patchy colloidal model with an anisotropic interaction part that incorporates screened Coulomb repulsions. The interaction parameters in this model are obtained from experimental data sets. The experimental phases are consistently described by our model of protein interactions, and nearly quantitative agreement is found for the metastable gas-liquid and the fluid-solid coexistence lines. We show that the phase behaviour of lysozyme strongly depends on the anisotropic hydrophobic interactions. The range of attraction obtained with our model is in excellent agreement with previous surface force measurements. In addition, a consistent description is obtained for the structure factor at small wave numbers. The second part addresses the depletion interaction and the phase behaviour of mixtures of charged spherical colloids and neutral polymer chains under good and $\theta$-solvent conditions. To predict the phase behaviour, we have derived a generalised free-volume theory, which is in good agreement with computer simulation data of the binodal for polymer-to-colloid size ratios $q \leq 1$. For $q > 1$, our theory captures the qualitative trends. We study the effect of weak electrostatic repulsions and the influence of the solvent quality, and show that the colloid charge stabilises the homogeneous phase against demixing. The phase stability is enhanced with increasing $q$ and solvent quality. Our theory predicts that the solvent quality strongly affects the location of the gas-liquid coexistence curve in case of weakly charged colloids. For a $\theta$-solvent and $q > 1$, the gas-liquid coexistence curve is almost unaffected by electrostatic repulsions. In the third part, the stability and phase behaviour of an aqueous mixture of charged, nanosized spheres and polysaccharide chains of roughly equal sizes is investigated by visual inspection and photon correlation spectroscopy. We explore the interplay between charge-induced repulsion and polymer-induced colloid attraction. We find that even weak electrostatic screening, or small amounts of polymers enhance colloid aggregation. Good agreement is observed between the experimental cluster growth rates and the predictions of doublet formation theory with hydrodynamic interactions, where the polymer-induced attractions are well described by the Asakura-Oosawa-Vrij potential. We compare the non-equilibrium phases caused by macroscopic phase separation, with predictions from a generalised free-volume theory on equilibrium phases, and observe similar trends regarding the salt influence. | |||||||
| Lizenz: |  Urheberrechtsschutz | |||||||
| Fachbereich / Einrichtung: | Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik | |||||||
| Dokument erstellt am: | 17.12.2008 | |||||||
| Dateien geändert am: | 08.12.2008 | |||||||
| Promotionsantrag am: | 30.09.2008 | |||||||
| Datum der Promotion: | 24.11.2008 |
