Wciągający, chemiczny świat.

Antybiotyki

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 03 Aug 2015 15:54:00 +0000

Antybiotyki to produkty metabolizmu bakterii, promieniowców i grzybów działające toksycznie na inne drobnoustroje. Ich odkrywcą jest szkocki lekarz i mikrobiolog Alexander Fleming, który w 1929 roku zaobserwował hamujący wpływ pleśni pędzlaka (Penicillium notatum, obecna nazwa Penicillium chrysogenum) na hodowlę bakterii gronkowca złocistego (Staphylococcus aures). Znaczące ilości penicyliny uzyskali Howard W. Florey i Ernst B. Chain. W 1941 roku do lecznictwa wprowadzono pierwszy antybiotyk, była to penicylina wyizolowana z pędzlaka. W późniejszych latach otrzymano wiele antybiotyków naturalnych wyizolowanych z hodowli różnych drobnoustrojów, np. streptomycynę (zastosowana po raz pierwszy w 1944 do zwalczania gruźlicy), tetracyklinę, gramicydynę, chloromycetynę, tyrotrycynę. Obecnie oprócz antybiotyków naturalnych stosuje się antybiotyki syntetyczne oraz półsyntetyczne, otrzymywane wskutek chemicznych modyfikacji antybiotyków naturalnych.

Penicillium notatum.

Możemy wyróżnić antybiotyki posiadające szerokie lub wąskie spektrum działania. Bakterie możemy podzielić na dwie grupy. Metodą różnicującą bakterie jest barwienie metodą Grama, w której na utrwalone (zabite i przyklejone np. wysoką temperaturą) na szkiełku bakterie działa się kolejno dwoma barwnikami - fioletem krystalicznym i fuksyną lub safraniną oraz tzw. zaprawą, w której skład wchodzi jod w roztworze jodku potasu (płyn Lugola). Bakterie Gram-dodatnie, potraktowane fioletem i zaprawą, zatrzymują zabarwienie, pomimo odbarwienia etanolem. Bakterie Gram-ujemne pod wpływem etanolu odbarwiają się, a następnie po spłukaniu wodą przyjmują drugi barwnik - fuksynę. Antybiotyki o szerokim spektrum działania mogą hamować rozwój obu typów bakterii. Bakterie Gram-dodatnie mają prostszą ścianę komórkową niż szczepy Gram-ujemne, dzięki czemu są wrażliwe na antybiotyki o wąskim spektrum działania, które są mniej toksyczne.

Bakterie Gram-dodatnie.

Bakterie Gram-ujemne.

Antybiotyki beta-laktamowe

Różne rodzaje penicylin produkuje się przez fermentacje Penicillium chrysogenum w obecności różnych pożywek.

Ogólny wzór penicylin.

Penicylina G (benzylopenicylina) dominuje, kiedy w podłożu hodowlanym znajduje się dużo kwasu fenylooctowego.

Penicylina G.

Kiedy do pożywki dodaje się kwas fenoksyoctowy powstaje penicylina V (fenoksymetylopenicylina).

Penicylina V.

Penicyliny półsyntetyczne, takie jak ampicylina i amoksycylina, produkuje się przez zastąpienie grup chemicznych w aromatycznym łańcuchu bocznym, penicylin uzyskanych biosyntetycznie.

Ampicylina.

Amoksycylina.

Wszystkie penicyliny to beta-laktamy (wewnątrzcząsteczkowe amidy) mające ten sam mechanizm działania: zatrzymują biosyntezę ściany komórkowej.

Pierścień beta-laktamowy.

Ściany komórek bakteryjnych różnią się od ścian komórek ssaków, są zatem atrakcyjnym celem dla antybiotyków. Ściany komórek bakteryjnych zawierają receptory beta-laktamowe, znane jako białka wiążące penicylinę (PBPs). Antybiotyki beta-laktamowe blokują aktywność PBPs i zapobiegają rozwojowi i naprawie ściany komórkowej. Powszechne użycie penicyliny prowadzi do odporności bakterii na ten antybiotyk. Z powodu szybkiego rozmnażania się bakterii, szczepy ewoluują wytwarzając beta-laktamazy, enzymy hydrolizujące wiązanie beta-laktamowe w cząsteczce antybiotyku beta-laktamowego, zanim przyłączy się do receptorów w ścianie komórkowej. W rezultacie, lekarze czasami przypisują, pacjentom leczonym penicyliną, inhibitory beta-laktamazy, aby przechytrzyć bakterie.

Inną ważną grupą antybiotyków beta-laktamowych o szerokim zakresie działania są cefalosporyny (pochodne kwasu 7-aminocefalosporynowego). Cefalosporyny pierwotnie były izolowane z kultur Cephalosporium acremonium. Cefaleksyna (Keflex) jest półsyntetyczną cefalosporyną, często stosowaną w infekcjach ucha lub skóry.

Cefaleksyna.

Antybiotyki zatrzymujące syntezę białek

W 1947 roku z produktów bakterii Streptomyces venezuelae wyizolowano chloramfenikol. Jest to czynnik bakteriostatyczny o szerokim zakresie działania, który zakłóca syntezę białek, wiążąc się do rybosomów bakteryjnych. Z powodu toksyczności, użycie chloramfenikolu jest ograniczone. Hamuje on enzymy wątrobowe i produkcję czerwonych krwinek. Jest jednak stosowany w przypadku zakażenia spojówek i rogówki wywołanego przez drobnoustroje wrażliwe na chloramfenikol oraz ropnych zakażeń skóry opornych na leczenie innymi antybiotykami.

Chloramfenikol.

Aminoglikozydy to aminocukry, które są antybiotykami o szerokim spektrum działania. Streptomycyna, wyizolowana z Streptomyces griseus, była pierwszym odkrytym antybiotykiem tego typu. Chociaż początkowo okazała się skuteczna przeciwko bakteriom Gram-ujemnym, bakterie szybko uodparniały się na nią, co ograniczyło jej użycie i dziś zazwyczaj jest stosowana razem z innymi antybiotykami.

Streptomycyna.

Neomycyna produkowana przez Streptomyces fradiae jest antybiotykiem o szerokim zakresie działania. Jednak z powodu niekorzystnego działania na nerki i uszy, jej użycie jest ograniczone do aplikacji miejscowych, często w kombinacji z innymi antybiotykami i kortykosteroidami.

Neomycyna.

W 1952 roku z Streptomyces erythraeus wyizolowano erytromycynę. Erytromycyny to antybiotyki makrolidowe, które zawierają 12-, 14- lub 16-członowy rdzeń laktonowy (cykliczny ester).

14-członowy lakton.

Erytromycyna A, główny produkt fermentacji S.erythraea, jest makrolidem o 14-członowym pierścieniu, który jest używany przez chemików jako podstawa do syntezy innych antybiotyków.

Erytromycyna A

Półsyntetyczne makrolidy są często używane, ponieważ mogą być podawane doustnie i mają stosunkowo niską toksyczność. Zazwyczaj podaje się je w przypadku infekcji dróg oddechowych, Legionelozy, pozaszpitalnego zapalenia płuc oraz kiedy pacjent jest uczulony na penicylinę. Jednym z najczęściej używanych antybiotyków makrolidowych uzyskiwanych z erytromycyny A jest azytromycyna.

Azytromycyna.

Odporność bakterii na makrolidy związana jest z mutacją rybosomalnego RNA, co zapobiega wiązaniu się cząsteczek antybiotyku.

W późnych latach 40. XX wieku i wczesnych 50. wyizolowano serię antybiotyków tetracyklinowych ze szczepów promieniowca Streptomyces aureofaciens. Wszystkie tetracykliny zawierają cztery 6-członowe pierścienie. Antybiotyki te wiążą się do rybosomów bakteryjnych i zakłócają produkcję białek. Niestety, częste użycie tetracyklin doprowadziło do odporności niektórych szczepów, która występuje kiedy bakterie wytworzą białka, które zapobiegają wiązaniu się cząsteczek antybiotyku lub wyprodukują enzymy dezaktywujące tetracykliny.

Podstawowa struktura tetracyklin.

J. J. Lagowski, Chemistry: Foundations and Applications, Macmillan Reference USA; 1 edition (February 20, 2004).

Andrzej Czubaj, Encyklopedia szkolna WSIP. Biologia, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne Spółka Akcyjna, Warszawa 2005.

http://www.doz.pl/leki/p592-Detreomycyna

http://www.doz.pl/leki/p121-Cusi_Chloramphenicol

Rysunki:

http://www.sciencephoto.com/media/13305/view

https://pl.wikipedia.org/wiki/Bakterie_Gram-dodatnie#/media/File:Gram_Stain_Anthrax.jpg.

https://pl.wikipedia.org/wiki/Bakterie_Gram-ujemne#/media/File:Pseudomonas_aeruginosa_Gram.jpg.

"Penicillin-core" autorstwa Cacycle - Praca własna. Licencja Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

"Penicillin-G" autorstwa Cacycle - Praca własna. Licencja Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

"Penicillin-V-2D-skeletal" autorstwa Benjah-bmm27 - Praca własna. Licencja Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

"Ampicillin structure" autorstwa User:Mysid - Self-made in BKChem, scaled in perl + vim.. Licencja Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

"Amoxicillin-2D-skeletal". Licencja: Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

"Beta-lactam" by Lhynard at engelsk Wikipedia - Eget arbejde. Licensed under Public Domain via Wikimedia Commons.

"Cefalexin" autorstwa Fvasconcellos (dyskusja · edycje) - Praca własna. Licencja Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

"Chloramphenicol-2D-skeletal". Licencja: Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

"Neomycin". Licencja: Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

http://www.guidetopharmacology.org/GRAC/LigandDisplayForward?ligandId=1456.

"Azithromycin structure" autorstwa Yikrazuul - Praca własna. Licencja Domena publiczna na podstawie Wikimedia Commons.

"Tetracyclines" autorstwa David Ruben - en:Image:Tetracyclines.png. Licencja CC BY-SA 3.0 na podstawie Wikimedia Commons.

Kosmetyki: róż do policzków

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 27 Jul 2015 12:47:00 +0000

Kobiety w starożytnej Grecji i Rzymie stosowały naturalnie występujące czerwone pigmenty takie jak ochra, morszczyn, cynober, henna, czerwień szafranowa oraz koszenila, jako róż do policzków. We wczesnej Europie używano brazylijskiej sekwoi bezpośrednio po uzyskaniu dostępu do zasobów półkuli zachodniej, a do wczesnych lat 20. XX wieku stosowano również minię ołowianą ( Pb₃O₄).

minia ołowiana

Chociaż pierwsze róże do policzków miały postać smarowidła, to współczesne techniki pozwalają na uzyskanie wielu form, np. ciekłe zawiesiny, zemulgowane kremy i płynne preparaty o mlecznej konsystencji, kremy pozbawione wody, uwodnione i nieuwodnione żele. Obecnie, najbardziej popularny na rynku jest róż prasowany z powodu matowego wykończenia po aplikacji i dużej trwałości.

Głównymi fazami prasowanych róży do policzków są: faza proszku i faza spoiwa (lub olejowa). Faza proszku zawiera składniki takie jak: wypełniacze mineralne w proszku (krzemian magnezu), mika (glinokrzemian magnezu), serycyt (forma uwodnionej miki) i kaolin (znany jako glinka porcelanowa). Talk jest najbardziej popularnym ze wszystkich wypełniaczy i w zależności od rozmiaru cząstek może być praktycznie przezroczysty, a na dodatek jest bardzo miękki w dotyku. Chociaż w dużej ilości używana jest również mika z uwagi na jej przezroczystość i gładką teksturę, to po aplikacji na skórę błyszczy się. Suche spoiwa są zazwyczaj używane w celu zachowania formy sprasowanego proszku. Do tej grupy związków należą mydła metaliczne takie jak stearynian cynku i magnezu, i materiały polimerowe np. polietylen. W fazie suchego proszku w różu do policzków występują również barwniki: karmin (główny składnik to kwas karminowy, czerwony), ditlenek tytanu, tlenek żelaza, zielony tlenek chromu, ultramaryna (Na_8-10Al₆Si₆O₂₄S_2-4), fiolet manganowy (pirofosforan amonu i manganu (III) - otrzymywany przez ogrzewanie mieszaniny Mn₂O₃, wodorofosforanu amonu i kwasu fosforowego) .

tlenek tytanu (IV)

tlenek żelaza (II)

tlenek chromu (III)

fiolet manganowy

ultramaryna

kwas karminowy

karmin

Inne typu związków chemicznych zawarte w różu do policzków to materiały nadające gładką strukturę po aplikacji, takie jak krzemionka, nylon i polimetakrylan metylu. Faza olejowa lub spoiwo sprasowanego różu do policzków zazwyczaj zawiera oleje (np. olej słonecznikowy, olej kokosowy, olej rycynowy, olej mineralny), estry (np. ester sorbitolu), i/lub woski, które zapewniają kremową strukturę (np. wosk pszczeli, wosk kandelila, lanolina, wosk Carnauba). Dodatkowo składnikami mogą być witaminy (np. octan tokoferylu, tokoferol [witamina E], palmitynian retinylu [witamina A], palmitynian askorbylu [rozpuszczalna w tłuszczach forma witaminy C], pantenol [witaimina B5]), ekstrakty z ziół (korzeń żywokostu, rozmaryn) i konserwanty (metyloparaben, propyloparaben, butyloparaben, imidazolidynylomocznik).

John Toedt, Darrell Koza, Kathleen Van Cleef-Toedt, Chemical Composition of Everyday Products, GREENWOOD PRESS, London 2005.
https://pl.wikipedia.org/wiki/Tetratlenek_trio%C5%82owiu
https://pl.wikipedia.org/wiki/Tlenek_tytanu(IV)
https://pl.wikipedia.org/wiki/Tlenek_%C5%BCelaza(II)
https://pl.wikipedia.org/wiki/Tlenek_chromu(III)
https://en.wikipedia.org/wiki/Manganese_violet
https://pl.wikipedia.org/wiki/Ultramaryna
https://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_karminowy
https://en.wikipedia.org/wiki/Carmine

Sztuczny mięsień z pozłacanej skórki cebuli

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Wed, 22 Jul 2015 18:22:00 +0000

Wen-Pin Shin i jego współpracownicy z National Taiwan University, którzy zajmują się tworzeniem sztucznych mięśni odkryli, że struktura komórek cebuli jest podobna do tej, którą próbowali uzyskać. Zaczęli więc badania z wykorzystaniem tych komórek. Jednowarstwowa, pusta sieć komórek skórki cebuli sprawia, że są efektywnymi siłownikami, mogącymi kurczyć się i rozszerzać. Za to obecność hemicelulozy w komórkach sprawia, że brakuje im miękkości i elastyczności. Zespół usunął tą niedogodność, przez wstępną obróbkę skórki cebuli w kwasie siarkowym i liofilizację.

Po osadzeniu warstw złota o różnej grubości na każdej stronie komórek, naukowcy przyłożyli napięcie do ich sztucznego mięśnia. Przy niskich napięciach, od 0-50 V komórki rozszerzyły się i wyginały w dół, ale przy napięciach 50-1000 V kurczyły się i wyginały w górę. Ogólnie rzecz biorąc, komórki działały tak jak ludzkie mięśnie.

Wen-Pin i jego współpracownicy z cebulowych mięśni skonstruowali prostą pęsetę, która mogła chwycić i przenieść małą bawełnianą kulkę o wadzie 0,1 mg.

The Mole, Issue 04, July 2015.

Testy analityczne w folii bąbelkowej

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 20 Apr 2015 18:47:00 +0000

W regionach o małych zasobach finansowych folia bąbelkowa może być stosowana jako pojemnik do przechowywania ciekłych próbek i przeprowadzania bioanaliz. Pęcherzyki mogą być łatwo wypełnione, poprzez wstrzyknięcie próbek za pomocą igły lub końcówki pipety, a następnie uszczelnione utwardzaczem do paznokci. Dzięki temu, że bąbelki są przezroczyste w zakresie światła widzialnego, mogą być użyte jako kuwety w pomiarach fluorescencji i absorbancji. Wnętrze folii jest sterylne, co pozwala na przechowywanie próbek, bez konieczności posiadania drogich urządzeń do sterylizacji. Pęcherzyki są również przepuszczalne dla gazów i mogą być wykorzystane do hodowli i przechowywania mikroorganizmów. Kiedy wprowadzimy do nich elektrody węglowe staną się ogniwami elektrochemicznymi.

Folia bąbelkowa może być użyteczna w badaniach wykrywających anemię, na którą cierpi prawie jedna trzecia populacji, w tym wielu chorych w krajach rozwijających się. Anemia objawia się dużym zmęczeniem, a u dzieci upośledza rozwój fizyczny i psychiczny. Dlatego kreatywność naukowców jest wielkim dobrodziejstwem dla służby zdrowia w krajach rozwijających się.

Test jest bardzo prosty:

1. Wszystkie pęcherzyki napełniamy 2,4 cm3 reagentu Drabkin'a, który zawiera KCN, K3[Fe(CN)6] i K2HPO4. Otwór, który pozostał po igle lub końcówce pipety może być uszczelniony utwardzaczem do paznokci.

2. Pracownicy służby zdrowia wstrzykują próbki krwi do pęcherzyków i inkubują je przez 15 minut. Za pomocą jednej folii bąbelkowej może być badana krew kilku ludzi.

3. Żelazocyjanek w reagencie Drabkin'a utlenia żelazo zawarte w hemoglobinie (z Fe2+ do Fe3+). Aniony cyjankowe wiążą się z białkiem tworząc cyjanomethemoglobinę, której maksimum absorpcji wynosi 540 nm.

4. Chemicy mogą zmierzyć absorbancję dla fali o długości 540 nm, przy pomocy spektrofotometru, obliczyć zawartość cyjanomethemoglobiny, a tym samym ilość żelaza we krwi.

(A) Pęcherzyki napełnione reagentem Drabkin'a, (B) pęcherzyki napełnione reagentem Drabkin'a i hemoglobiną o różnym stężeniu, (C) krzywa wzorcowa.

Anal. Chem. 2014, 86 (15), 7478 - 7485, DOI: 10.1021/ac501206m.

https://magazines.rsc.org/web-reader/eic/#!edition/org.rsc.eic.01012015/article/org.rsc.eic.page-116

Alternatywa dla antybiotyków

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Sun, 11 Jan 2015 11:49:00 +0000

Nanocząstki metali szlachetnych mają unikalne właściwości, takie jak zlokalizowany powierzchniowy rezonans plazmonowy (LSPR). Pewne metale (np. złoto i srebro) posiadają chmury elektronowe (plazmony), które są powierzchniowymi falami elektromagnetycznymi mogącymi rezonować ze światłem padającym pod odpowiednim kątem. Ponieważ fale są na granicy metalu i ośrodka (np. powietrza lub wody), oscylacje są bardzo czułe na jakiekolwiek zmiany tej granicy, jak adsorpcja molekuł przez powierzchnię metalu. Pasmo LSPR może być modyfikowane przez łączenie cząstek, co znacznie zwiększa lokalne pole elektryczne, co z kolei wzmacnia sygnały optyczne w fotoluminescencji dwufotonowej (TPPL). Wzmocnienie TPPL jest z sukcesem wykorzystywane do obrazowania komórek bakteryjnych w zakresie NIR (bliska podczerwień). Nanocząstki złota szczególnie nadają się do TPPL, wykazują słabe sygnały TPPL w stanie dyskretnym, ale znacznie silniejsze w postaci agregatu.

Qing-Hua Xu wraz z kolegami z National University of Singapore zademonstrowali, że kationowe nanocząstki złota tworzą agregaty na powierzchni gram-pozytywnych bakterii gronkowca złocistego (Staphylococcus aureus), tak samo dobrze jak na powierzchni gram-ujemnych bakterii pałeczki okrężnicy (Escherichia coli); najbardziej popularnych patogenów odpowiedzialnych za zakażenia szpitalne. Dzięki dobrym sygnałom TPPL infekcje bakteryjne i skórne mogą być łatwo wykryte.

Inną zaletą nanocząstek złota jest ich działanie niczym "nanogrzejniki". Promieniowanie z zakresu bliskiej podczerwieni jest zamieniane w ciepło, które jest wystarczające do zniszczenia komórki bakteryjnej przez przerwanie błony komórkowej i denaturację enzymów bakterii. Nanocząstki złota wykazują wysoką selektywność w stosunku do komórek bakterii i niską cytotoksyczność w odniesieniu do komórek ssaków. Efekt fototermiczny jest interesujący jako nowa i efektywna terapia, ponieważ coraz więcej bakterii jest odpornych na antybiotyki.

http://www.chemistryviews.org/details/news/7215542/Alternative_To_Antibiotics.html
http://bmz.wbbib.uj.edu.pl/documents/2167477/44f475fd-3920-4338-b6f9-e17412858625
http://pl.wikipedia.org/wiki/Powierzchniowy_rezonans_plazmonowy

Plasmon-Coupled Gold Nanospheres for Two-Photon Imaging and Photoantibacterial Activity,

Peiyan Yuan, Xin Ding, Zhenping Guan, Nengyue Gao, Rizhao Ma, Xiao-Fang Jiang, Yi Yan Yang, Qing-Hua Xu, Adv. Healthcare Mat. 2014. DOI: 10.1002/adhm.201400524

Nowa metoda syntezy polimerów aromatycznych

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Sun, 04 Jan 2015 22:32:00 +0000

Japońscy chemicy rozwineli nową, bezpośrednią syntezę poli(o-arylenów). Ich osiągnięcie zapewnia nowe zróżnicowanie strukturalne dla polimerów fenylenowych.

W chemii organicznej długo brakowało odpowiedniej reakcji prowadzącej do bezpośredniego otrzymania poli(o-arylenów). W 1902 roku odkryto aryny, sześciowęglowe pierścienie zawierające wiązanie potrójne. Wcześniej znane były poliaryleny, w których pierścienie są połączone w pozycji meta i para, jednak pozycja orto wciąż była nieosiągalna.

Naukowcy wierzą, że wiązanie w pozycji orto nada polimerowi inny kształt i prawdopodobnie zapewni odmienne zachowania typu bodziec-reakcja w porównaniu z polifenylenami, z wiązaniami w dwóch pozostałych pozycjach.

Te właściwości mogą otworzyć nowe możliwości tworzenia nanomateriałów węglowych znajdujących zastosowanie w katalizie, cienkich warstw, które selektywnie odbijają światło spolaryzowane kołowo oraz budulców materiałów supramolekularnych, do wytwarzania urządzeń elektronicznych i sensorów chemicznych.

Chemicy wytwarzali poli(o-aryleny) pośrednio, najpierw przez polimeryzację oksabicyklicznych alkenów, a następnie dehydratację.

Polimeryzacja oksabicyklicznych alkenów, a następnie ich dehydratacja [1].

W nowych badaniach, Yoshihide Mizukoshi, Koichiro Mikami, and Masanobu Uchiyama z University of Tokyo w pierwszym etapie syntezy przeprowadzili reakcję prowadzącą do otrzymania arynu, który jest produktem pośrednim, a następnie jego polimeryzację w obecności katalizatora, w skład którego wchodzi miedź. Produktem reakcji są poli(o-aryleny) o łańcuchach, których długość dochodzi do 100 jednostek.

Polimeryzacja arynu [2].

http://cen.acs.org/articles/92/web/2014/12/New-Link-Aromatic-Polymers.html

[1] J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI: 10.1021/ja502073k

[2] J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI: 10.1021/ja5112207

Reakcja Maillarda

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Sat, 20 Dec 2014 12:55:00 +0000

W 1912 roku Louis-Camille Maillard (1878-1936) przez przypadek odkrył, że mieszanina aminokwasów i cukrów intensywnie brązowieje podczas podgrzewania. Dzięki temu odkryciu ustanowiono zasady dla zrozumienia nieenzymatycznych reakcji brązowienia występujących podczas gotowania, pieczenia oraz przechowywania produktów spożywczych, nad którymi wcześniej tylko spekulowano. Po ponad 100 latach od tego odkrycia opublikowano ponad 50 000 artykułów naukowych i odbyło się 11 międzynarodowych sympozjów dotyczących reakcji Maillarda.

Na początku XX wieku Emil Fischer z sukcesem po raz pierwsz zsyntetyzował dipeptyd. Następnie procedura została zastosowana do łączenia aminokwasów w liniowe peptydy (granica pomiędzy peptydem a białkiem nie jest dokładnie sprecyzowana, rozróżnienie jest oparte na masie cząsteczkowej klasyfikowanego związku). Jednak, do aktywowania takiej reakcji potrzebne były drastyczne warunki chemiczne. Francuski biochemik Louis-Camille Maillard szukał alternatywnych szlaków, które mogą również występować w układach fizjologicznych. W ten sposób stał się jedną z pierwszych osób, które odkryły biosyntezę białek. Maillard urodził się w Pont-à-Mousson w północno-wschodniej Francji i studiował medycynę i nauki przyrodnicze w Nancy. Podczas pracy nad drugim doktoratem podgrzewał różne aminokwasy z glicerolem i stwierdził, że produktami reakcji są peptydy. Postulował, że rekacja przebiegająca w 170 stopniach Celsjusza może być również katalizowana enzymatycznie w żywym organizmie, z estrami aminokwasów i glicerolu jako produkty pośrednie. W kolejnych eksperymentach, Maillard zamiast glicerolu, jako polialkoholu użył glukozy, ale nie uzyskał peptydów, których się spodziewał. W rzeczywistości, reakcja przebiegła całkowicie niespodziewanie z powodu reaktywności grupy aldehydowej: mieszanina reakcyjna szybko stała się brązowa podczas ogrzewania i powstał dwutlenek węgla. Maillard zauważył, że reakcja nie jest limitowana glicyną i glukozą, ale również inne aminokwasy, peptydy, peptony (polipeptydy tworzące się podczas enzymatycznego rozpadu białek) i cukry reagują w ten sam sposób, chociaż w różnym stopniu. W szczególności, znacznie różnice widać w reaktywności poszczególnych cukrów. Pentozy reagują znacznie szybciej niż heksozy, a heksozy szybciej niż disacharydy. Sacharoza nie reaguje wcale. Po tym jak Maillard przeprowadził reakcje w różnych atmosferach gazowych (tlenu, azotu, wodoru), tworzenie dwutlenku węgla przypisał dekarboksylacji aminokwasu. Jednak nie był on w stanie wyizolować każdej określonej struktury z mieszaniny reakcyjnej. Substraty reakcji, aminokwasy i cukry, mogą reagować ze sobą praktycznie wszędzie w naturze z powodu ich szerokiego rozpowszechnienia, tak jak postulował Maillard, "nie tylko w fizjologii i patologii człowieka, ale również w fizjologii roślin, rolnictwie i geologii". Jednak ze wszystkich publikacji Maillarda, których było ponad 100, tylko osiem skupia się na reakcji brązowienia. Maillard brał udział w I Wojnie Światowej jako wolontariusz i cierpiał z powodu konsekwencji zarażenia paratyfusem, co wyrażnie ograniczyło jego zdolności naukowe. Po jego przeniesieniu do University of Algiers, nie przeprowadzał żadnych dalszych badań na reakcji nieenzymatycznego brązowienia. Maillard zmarł 12.05.1936 w Paryżu.

W przeciwieństwie do ogólniej opinii, znaczenie odkrycia Maillard było dostrzegane i dyskutowane przez innych naukowców zaraz po jego publikacji. W ten sposób, obserwacje Maillarda zapewniło wkład w zrozumienie tworzenia tak zwanych melanoidyn (polimery o dużej masie cząsteczkowej i brązowej barwie). Wcześniej tworzenie melanoidyny było przypisywane reakcji degradacji tryptofanu. Maillard zakładał również, że reakcja aminokwasów z cukrami jest odpowiedzialna za powstawanie brązowych substancji w tworzeniu próchnicy. Ten punkt widzenia był krytykowany w czasach, w których żył Maillard, a dziś uznawany jest za przestarzały. Maillard w swoich rozważaniach nie uwzględnił, na przykład roli kondensacji ligniny i chinonu.

Co ciekawe, Maillard w swojej dyskusji nad znaczeniem "jego" reakcji nie wspominał o produktach spożywczych. Żyjący w tym samym czasie co Maillard, C. J. Lintner z laboratorium fermentacji dawnego Royal Technical University of Munich, przypisał reacji pomiędzy aminokwasami a cukrami ogromne znaczenie techniczne w procesie suszenia, browarnictwie i tworzeniu aromatu. Ruckdeschel, współpracownik Lintnera postulował, że podczas "reakcji Maillarda" aromat słodowy jest tworzony głownie przez konwersję aminokwasu leucyny. W tym kontekście Akabori odkrył w 1927, że podczas dekarboksylacji aminokwasów w obecności glukozy tworzą się aldehydy z duża wydajnością. Inne związki karbonylowe takie jak glioksal (najprostszy dialdehyd), metyloglioksal lub diacetyl również prowadzą do aldehydów. Alabori wątpił, że glukoza pozostawała niezmieniona w tej reakcji, ale nie przeprowadzał systematycznych badań nad tym zagadnieniem. Schönberg i Moubacher pierwsi pokazali, że związki karbonylowe są niezbędne do tworzenia aldehydów. Reakcja dekompozycji jest znana od 1948 roku jako "degradacja Streckera", po odkryciu Adolpha Streckera. Stanowisko Ruckdeschela zostało więc potwierdzone, 3-metylobutanal jest tworzony z leucyny podczas degradacji Streckera; 3-metylobutanal jest ważnym czynnikiem smakowym w słodzie.

Niezależnie od badań nad reakcją brązowienia, którymi zajmował się Maillard, włoski chemik Mario Amadori próbował w latach 20. XX wieku odtworzyć starsze prace nad reakcjami kondensacji aromatycznych amin z glukozą. W ten sposób otrzymał, na przykład nietrwałe produkty dla p-toluidyny oprócz wcześniej opisanych "produktów stabilnych". Amadori ustalił, że strukturą labilną (niestabilną) jest N-glukozyd, a produkt stabilny to zasada Schiffa (związki organiczne zawierające w cząsteczce grupę azometinową -CH=N-, otrzymane w reakcji kondensacji pierwszorzędowych amin (aminy) z aldehydami aromatycznymi). Struktura produktu labilnego została potwierdzona przez grupę naukowców na czele ze zdobywcą Nagrody Nobla Richardem Kuhnem. Jednak nie określono struktury produktu stabilnego. Po pierwsze, stabilność związku w obecności kwasów świadczyło przeciwko zasadzie Schiffa, a po drugie powstawanie mannitoloaminy zamiast sorbitoloaminy podczas uwodornienia świadczyło o tym, że musi mieć miejsce przegrupowanie. Przegrupowanie labilnych N-glikozydów zostało nazwane "przegrupowaniem Amadori", a 1-amino-1-deoksyketozy "produktami Amadori".

Otrzymane wyniki można odnieść do reakcji aminokwasów z węglowodanami w pożywieniu. Na przykład, przy pomocy polarymetrii i krioskopii ustalono, że reakcja cukrów z wolnymi grupami aminowymi alifatycznych aminokwasów przebiega w stosunki 1:1 i jest szybsza w środowisku zasadowym. Jednak długo nie było możliwe wyizolowanie produktów reakcji i do roku 1951 przetrwał pogląd, że przegrupowanie Amadori jest ograniczone do N-glikozydów amin aromatycznych. Produkty Amadori amin alifatycznych lub aminokwasów ważne w żywności zostały odkryte w latach 50. XX wieku. Oba izomery fruktozolizyny, które są bardzo istotne w chemii białek, zostały pierwszy raz wyizolowane w 1962 roku dzięki użyciu chromatografi jonowymiennej.

Kurt Heyns, chemik z Chemical Institute of the University of Hamburg, obserwował tworzenie D-glukozoaminy w reakcji fruktozy z amoniakiem. Niedługo po tym, Carson jak również Heyns przenieśli ścieżkę reakcji na pochodne amin alifatycznych i aminokwasy. Tworzenie się pochodnych aldozy z aminokwasów i ketoz w analogiczny sposób jak podczas przegrupowania Amadori jest dzisiaj znane jako przegrupowanie Heynsa.

Michael Hellwig and Thomas Henle, Baking, Ageing, Diabetes: A Short History of the Maillard Reaction, Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 10315-10329.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Louis_Camille_Maillard#mediaviewer/File:Louis_Camille_Maillard.jpg
http://portalwiedzy.onet.pl/64527,,,,schiffa_zasady,haslo.html

Balsamy do ciała i kremy

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Tue, 09 Dec 2014 09:22:00 +0000

Balsamy do ciała i kremy są stosowane na skórę, która jest złożonym narządem odpowiadającym za osłanianie i chronienie organizmu przed szkodliwą, obcą materią i patogenami, regulowanie temperatury ciała, produkowanie witaminy D oraz wyczuwanie zewnętrznych bodźców środowiskowych. Skóra jest złożona z dwóch głównych warstw, leżącej na dole skóry właściwej, która jest wsparciem dla leżącego nad nią naskórka. Skóra właściwa zawiera naczynia krwionośne, nerwy, gruczoły potowe, wyspecjalizowane receptory oraz aktywne części mieszków włosowych. Naskórek składa się z kilku warstw komórek, które ulegają ciągłemu podziałowi i przesuwają się na zewnątrz skóry, aż stracą możliwość podziału i obumierają kiedy osiągną najbardziej zewnętrzną warstwę skóry. Martwe komórki naskórka tworzą warstwę rogową, składającą się z 25 do 30 warstw tych komórek, które są zbudowane głównie z keratyny i zawierają 10 % wody. Sebum, wydzielina gruczołów łojowych zlokalizowanych na mieszkach włosowych, chroni skórę przed utratą nawilżenia, natłuszcza i zmiękcza. Podobnie do sebum działają kosmetyczne, emolientowe (zmiękczające skórę) balsamy lub kremy, które chronią skórę, zapobiegają suchości skóry oraz przynoszą ulgę. Balsamy i kremy to zawiesiny koloidalne dwóch lub więcej cieczy, które są wzajemnie nierozpuszczalne (np. olej rozproszony w wodzie [balsam] lub woda rozproszona w oleju [krem]). Zasadniczym składnikiem każdego z tych produktów jest substancja tłuszczowa lub oleista, która tworzy ochronną powłokę na skórze, zachowując w ten sposób odpowiednie nawilżenie skóry oraz jej elastyczność. Krem na zimę historycznie był emulsją składającą się z około 55 % oleju mineralnego, 19 % wody różanej, 13 % substancji woskowych, 12 % wosku pszczelego oraz 1 % boraksu.

Typowe składniki powszechnie używane do wzmacniania funkcjonowania bariery skóry zawierają alkany uzyskiwane z ropy naftowej (np. olej mineralny lub wazelina) oraz dimethicone (nazwa zwyczajowa: polidimetylosiloksan, suchy emolient). Składnikami zapewniającymi utrzymanie lipidowej bariery skóry są naturalne tłuszcze (np. lanolina), kolagen (białko w tkance łącznej) i oleje (np. oliwa z oliwek, olej ze słodkich migdałów, olej kokosowy, olej z pestek moreli, olej słonecznikowy, olej z orzechów macadamia, olej z pomarańczy oraz olej kukurydziany). Inne dodawane składniki to: woda, aromaty, pigmenty, woski (np. wosk pszczeli, wosk pomarańczowy), emulgatory (np. alkohol cetylowy, alkohol cetearylowy, polisorbat 60 [monostearynian polioksyetylenosorbitolu], glikol propylenowy oraz gliceryna), środki kryjące i zagęszczacze (np. stearynian glicerylu, glinokrzemian magnezu i guma ksantanowa [polisacharyd pochodzenia mikrobiologicznego]), witaminy (np. octan tokoferylu, tokoferol [witamina E]), ekstrakty ziołowe i konserwanty (np. sól disodowa EDTA, diazolidynylan mocznika, kwas cytrynowy, metyloparaben, propyloparaben, etyloparaben, butyloparaben i butylohydroksytoluen [BHT]).

Większość kremów oczyszczających jest produkowanych podobnie do kremów na zimno, ale modyfikuje się ich zdolność usuwania zanieczyszczeń. Zazwyczaj zawierają od 15 do 50 procent olejów z ograniczoną ilością materiałów woskowych.

John Toedt, Darrell Koza, Kathleen Van Cleef-Toedt, Chemical Composition of Everyday Products, GREENWOOD PRESS, London 2005.
http://www.kosmopedia.org/encyklopedia/dimethicone,306/

Kolory chemii (1)

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Fri, 21 Nov 2014 13:06:00 +0000

Dziś na pracowni analizy żywności oznaczaliśmy aktywność przeciwutleniającą miodów metodą CUPRAC, wykorzystującą redukcję Cu(II) do Cu(I). Jon Cu (I) występuje w postaci kompleksu z neokuproiną, 2,9-dimetylo-1,10-fenantroliną (Nc). Kompleks [Cu(Nc)₂]⁺jest intensywnie zabarwiony na żółto.

Wzór neokuproiny

Wykonaliśmy krzywą wzorcową odpipetowując do 7 kolb miarowych 2 cm³ roztworu chlorku miedzi (0,01 mol/dm³), 2 cm³ roztworu neokuproiny (0,0075 mol/dm³), 2 cm³buforu octanu amonu o pH 7 oraz 0,0; 100; 200; 400; 500; 600 i 800 mL roztworu kwasu kawowego o stężeniu C=50 mg/cm³

Roztwory do krzywej wzorcowej.

Wykonaliśmy również próbki do oznaczenia aktywności przeciwutleniającej miodu wielokwiatowego i gryczanego w analogiczny sposób jak próbki do krzywej wzorcowej, z tym że zamiast roztworu kwasu kawowego odpipetowaliśmy ekstrakty z badanych miodów.

Próbki badanych miodów.

Trujące rośliny: rącznik pospolity

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Tue, 21 Oct 2014 14:36:00 +0000

Rącznik pospolity (Ricinus communis L.) – gatunek rośliny należący do rodziny wilczomleczowatych (Euphorbiaceae Juss.). Pochodzi z terenów o klimacie ciepłym, gdzie rośnie jako krzew. W Polsce uprawiany jest jako roślina roczna zwykle w celach ozdobnych. Ma on okazałe, dłoniasto podzielone liście, czasem wybarwione czerwono, podobnie jak dość gruba łodyga. Osiąga wysokość 1-2 m w zależności od warunków glebowych, w jakich się rozwija. Pędy zakończone są kwiatostanami zebranymi w grona, a jesienią kolczastymi owocami, przypominającymi owoce kasztanowca. W owocach mieszczą się owalne nasiona okryte twardą okrywą nasienną o brązowej barwie z ciemniejszymi plamami.

W nasionach rącznika występuje rycyna. Rycyna należy do grupy toksalbumin, które są białkami roślinnymi i bywają nazywane fitotoksynami. Ich cząsteczki są duże i nie dają się dializować, a w wyższych temperaturach następuje ich rozpad. Wywołują silną hemolizę krwinek, podane doustnie wywołują silne zatrucia, które objawiają się podrażnieniem przewodu pokarmowego, wymiotami, obrzękami wątroby i nerek i ich uszkodzeniem. Podawane pozajelitowo działają znacznie silniej niż przy zażyciu doustnym.

Toksalbuminy występują również w innych gatunkach roślin. Są nimi: rosnąca w Polsce robinia akacjowa - zwana akacją, która zawiera robinę, uprawiana powszechnie fasola zwyczajna zawierająca fazynę. Jednak tylko rycyna jest groźną fitotoksyną, ponieważ dwie pozostałe substancje są znacznie mniej toksyczne, a w dodatku fazyna rozkłada się podczas gotowania, a robina występuje w nasionach akacji grochodrzewu, które nie są praktycznie używane.

Model wstęgowy struktury rycyny

Rycyna podawana pozajelitowo nawet w ilościach śladowych (0,0001 mg/kg) może być dawką śmiertelną. Podawana doustnie wchłania się tylko częściowo i jest o wiele mniej toksyczna. W przypadku zjedzenia nasion dużą rolę odgrywa ich rozdrobnienie. Nasienie z nieuszkodzoną, twardą okrywą nasienną najczęściej jest nieszkodliwe. Przeżute wywołuje silne, bardzo poważne zatrucie, które objawia się pieczeniem w jamie ustnej, stanami zapalnymi żołądka i jelit, wymiotami, kolkami, krwawą biegunką i obrzmieniem wątroby oraz nerek. Nawet kilka nasion rącznika może być dawką śmiertelną dla dziecka. Spożycie 20 nasion tej rośliny jest dawką śmiertelną dla człowieka dorosłego. Objawy toksyczne wywołuje zjedzenie nawet 1-2 nasion.

Olej rycynowy po wytłoczeniu poddawany jest obróbce przez ogrzewanie i gotowanie z wodą i dlatego nie zawiera rycyny, ponieważ podczas tych zabiegów rozkłada się ona całkowicie.

Podczas II Wojny Światowej stosowano bomby z rycyną i "rycynowe" aerozole. Rycyną zainteresowali się również terroryści.

Witold Seńczuk, Toksykologia współczesna, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2005.

Wiedza i życie, marzec 2014 nr 3 (951).

http://pl.wikipedia.org/wiki/Rącznik_pospolity
http://pl.wikipedia.org/wiki/Rycyna

Środki do prania: enzymy

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 13 Oct 2014 11:22:00 +0000

Enzymy definiujemy jako organiczne katalizatory, które pobudzają specyficzne reakcje, od których zależy życie. Większość enzymów to białka, w związku z tym składają się z aminokwasów. Największy rozwój związany z przemysłem detergentów jest związany z wprowadzeniem do nich enzymów. Używane enzymy są bardzo stabilne i łatwo je wyizolować z mikroorganizmów.

Używanie enzymów w środkach piorących ma długą historię, zaczynając od patentu z 1913 roku na sodę z dodatkiem preteolitycznej (trawiącej białka) trypsyny sprzedawanej jako produkt do prania wstępnego. Jednak środek ten nie osiągnął dużego sukcesu komercyjnego i enzym został zastąpiony przez proteazy bakteryjne, które wymagają obojętnego pH. Enzymy proteolityczne były testowana jako dodatki do proszków do prania w Niemczech w latach 20. XX wieku oraz w Szwajcarii w latach 30. jednak bez spektakularnych sukcesów. Ostatecznie, rozwijano nowe szczepy enzymów ze stabilnością w szerszym zakresie pH, stabilnością wobec dodatku wybielacza i szybszym działaniu. W późnych latach 60. XX wieku, kilka produktów do namaczania i syntetycznych detergentów pojawiających się na rynku USA zawierało enzymy. Większość enzymów ulega denaturacji w wysokiej temperaturze, dlatego środki je zawierające działają najlepiej w ciepłej wodzie, a nie gorącej. Postęp technologiczny wprowadził enzymy izolowane z bakterii zamieszkujących naturalne, gorące źródła, dzięki czemu mogą być używane w wyższych temperaturach.

Enzymy katalizują niszczenie i usuwanie uporczywych plam białkowych. Plamy z czekolady i pożywienia na bazie skrobi, tak samo jak plamy z trawy, które są trudne do usunięcia w przypadku prania w niskiej temperaturze, można wyeliminować przy pomocy enzymów.

W przemyśle detergentów wyróżnia się cztery główne typu enzymów:

proteazy: działają na białka tworząc aminokwasy,
amylazy: przekształcają skrobie w dekstryny,
lipazy: atakują tłuszcze i oleje,
celulazy: hydrolizują celulozę zniszczonych włókien i usuwają mikro kulki puchu na powierzchni bawełny oraz przywracają kolor.

Mechanizm działania enzymów to rozszczepianie białek na mniejsze frakcje peptydów, które są rozpuszczalne w wodzie. Nawet jeśli przekształcenie jest niekompletne, białko ulega degradacji do produktów, które mogą być łatwo usunięte przez detergent.

John Toedt, Darrell Koza, Kathleen Van Cleef-Toedt, Chemical Composition of Everyday Products, GREENWOOD PRESS, London 2005.

Rozwój przemysłowej syntezy ibuprofenu

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Thu, 09 Oct 2014 19:48:00 +0000

W każdej przemysłowej syntezie organicznej szczególny nacisk kładzie się na ekonomię atomową; najbardziej wydajne jest używanie tylko takich reagentów, których atomy występują w końcowym produkcie. Przykładem ewolucji syntezy z coraz większą ekonomią atomową jest synteza ibuprofenu.

Synteza I

W Jednej z pierwszych syntez przemysłowych ibuprofenu używano sekwencji reakcji prowadzących do wprowadzenia grupy metylowej do karboksylowego łańcucha bocznego kwasu 4-izobutylofenylooctowego:

1) estryfikacja Fischer’a kwasu 4-izobutylofenylooctowego,

2) reakcja z estrem etylowym i węglanem dietylu w obecności etanolanu sodu (krzyżowa kondensacja Claisen’a) daje anion podstawionego estru malonowego (B),

3) alkilacja anionu B, a następnie hydroliza daje dipodstawiony kwas malonowy (D),

4) dekarboksylacja związku D prowadzi do ibuprofenu.

Nawet jeśli dzięki tej syntezie otrzymujemy ibuprofen z całkiem dobrą wydajnością, to marnują się atomy węgla (tylko 13 z 18 węgli związku pośredniego C występuje w ibuprofenie).

Synteza II

Alternatywna ścieżka z lepszą ekonomią atomową zaczyna się od 4-izobutyloacetofenonu. Potraktowanie tego ketonu chloroacetonitrylem w obecności etanolanu sodu daje epoksynitryl (E). W reakcji związku E z nadchloranem sodu (kwas Lewis’a) powstaje α-cyjanoketon (F). W wyniku hydrolizy związku F powstaje ibuprofen

Synteza III

W tej syntezie osiągnięto najwyższą ekonomię atomową. Katalityczna redukcja grupy karbonylowej 4-izobutyloacetofenonu daje alkohol (G). Karboksylowanie związku G katalizowane palladem prowadzi do ibuprofenu. W końcowym produkcie występuje tylko jeden atom dodatkowo wprowadzany w syntezie.

Wiliam H. Brown, Christopher S. Foot, Brent L. Iverson, Eric V. Anslyn, Organic Chemistry, Brooks/Cole Cengage Learning, Wydanie V, 2009.

Środki piorące: organiczne wypełniacze aktywne

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 06 Oct 2014 07:27:00 +0000

Czynniki zapobiegające ponownemu osadzaniu się brudu

Detergenty mają właściwości usuwające plamy z włókien, ale równie ważne jest zapobieganie ponownemu osadzeniu się brudu na tkaninie podczas prania. Dlatego w środkach do prania stosuje się specjalne związki, które chronią przed ponownym zabrudzeniem. Działają one poprzez zaadsorbowanie się na powierzchni włókna i utworzenie sciśle przylegającej, ochronnej powłoki.

Efektywnymi czynnikami zapobiegającymi ponownemu osadzaniu się brudu w przypadku włókien zawierających celulozę, takich jak bawełna oraz mieszaniny bawełny i włókien syntetycznych, są pochodne karboksymetyloskrobi (CMS) i karboksymetylocelulozy (CMC). CMC praktycznie nie działa w przypadku włókien syntetycznych.

karboksymetyloceluloza

Niejonowe etery celulozy są odpowiednie do włókien syntetycznych. Współczesne środki do prania są zaopatrzone w mieszaninę polimerów anionowych i niejonowych (np. karboksymetyloceluloza, metyloceluloza) i często w poli(tlenek etylenu) i polimer kwasu tereftalowego.

poli(tlenek etylenu)

kwas tereftalowy

Czynniki pogrubiające

Karboksymetyloceluloza jest również używana jako czynnik pogrubiający. Związkami takimi są również modyfikowane celulozy niejonowe, metyloceluloza, hydroksyetyloceluloza, hydroksypropylometyloceluloza. Wszystkie te modyfikowane celulozy są rozpuszczalne w zimnej wodzie i nierozpuszczalne w wodzie gorącej i większości rozpuszczalników organicznych.

Rozjaśniacze optyczne

Rozjaśniacze optyczne są integralną częścią środków piorących, proszków i płynów. Są związkami organicznymi mogącymi przekształcać niewidzialne światło ultrafioletowe w widzialne niebieskie światło o większej długości fali. To barwniki, które są absorbowane przez włókna tkaniny, ale nie dają się łatwo spłukać. Odbicie światła niebieskiego sprawia, że ubrania wyglądają na jaśniejsze niż są w rzeczywistości.

Rozjaśniacze optyczne to zazwyczaj pochodne kumaryny, stilbenu i bis(benzoksazolu).

przykłady rozjaśniaczy optycznych

Czynniki chelatujące

Rolą czynników chelatujących jest blokowanie wielowartościowych jonów i sprawianie, że są one niewykrywalne i nieskuteczne. Sól sodowa kwasu (etylenodinitrylo)tetraoctowego (EDTA), kwas nitrylotriocowy (NTA) i dwuetylenotrójaminopentaoctan (DTPA) są jednymi z najczęściej używanych czynników chelatujących.

EDTA

Sól sodowa EDTA reaguje z jonami wapnia dając kompleks, w którym wapń jest związany z atomami azotu występującymi w EDTA. W reakcji uwalniane są jony sodu.

Kompleks chelatowy EDTA z jonem metalu

NTA pochłania więcej jonów wapnia na jednostkę wagi niż EDTA, z powodu jego mniejszej masy atomowej. Każdy ze związków wiąże więcej jonów wapnia niż magnezu, ponieważ masa atomowa magnezu jest mniejsza niż wapnia.

DTPA

NTA

John Toedt, Darrell Koza, Kathleen Van Cleef-Toedt, Chemical Composition of Everyday Products, GREENWOOD PRESS, London 2005.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Karboksymetyloceluloza#mediaviewer/File:Carboxymethyl_cellulose.png
http://pl.wikipedia.org/wiki/Poli(tlenek_etylenu)#mediaviewer/File:Polyethylene_glycol.png
http://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_tereftalowy#mediaviewer/File:Terephthalic-acid-2D-skeletal.png
http://pl.wikipedia.org/wiki/EDTA
http://pl.wikipedia.org/wiki/DTPA#mediaviewer/File:Dtpa_structure.png
http://pl.wikipedia.org/wiki/Kwas_nitrylotrioctowy#mediaviewer/File:Nitrilotriacetic-acid-2D-skeletal.png

Żabia trucizna

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Thu, 02 Oct 2014 13:23:00 +0000

Od wieków lub nawet tysiącleci ludzie mieszkający w dżungli zachodniej Kolumbii używają zatrutych rzutek. Trucizna jest uzyskiwana z wydzielin skórnych jaskrawo zabarwionych żab z rodzaju Phyllobates (neará i koki w języku tubylców). Jedna żaba zawiera ilość trucizny wystarczającą do wykonania 20 zatrutych rzutek. W przypadku najbardziej trującego gatunku (Phyllobates terribilis) samo potarcie żaby jest wystarczające, aby uzyskać zatrutą rzutkę. Co ciekawe gatunek ten ma ilość jadu wystarczającą do zabicia 20000 myszy lub 10 ludzi.

Liściołaz żółty (Phyllobates terriblis)

Naukowcy z National Institutes of Health w Stanach Zjednoczonych zainteresowali się tą trucizną kiedy odkryto, że działa na komórkowe kanały jonowe, co mogłoby uczynić ją użytecznym narzędziem w podstawowych badaniach mechanizmów transportu jonów. Wyizolowano 11 mg dwóch toksyn, batrachotoksynę oraz batrachotoksyninę A, z 5000 żab. Ich nazwy wywodzą się z Greckiego słowa batrachos, które oznacza żabę. Aby określić strukturę tych związków wykorzystano spektroskopię NMR, spektroskopię masową oraz dyfrakcję promieniowania rentgenowskiego.

batrachotoksyna

Batrachotoksyna oraz batrachotoksynina A znajdują się wśród najbardziej śmiertelnych trucizn jakie kiedykolwiek odkryto. Szacuje się, że już 200 µg batrachotoksyny jest wystarczające, aby wywołać nieodwracalne zatrzymanie serca u człowieka. Ustalono, że działa ona przez zablokowanie kanałów Na⁺ w pozycji otwartej, co powoduje duży napływ jonów sodu do zaatakowanej komórki.

batrachotoksynina

Historia batrachotoksyny ukazuje kilka prawidłowości w odkrywaniu leków. Po pierwsze, informacje o biologicznie czynnych związkach i ich źródle są często pozyskiwane od tubylców zamieszkujących w danym rejonie. Po drugie, tropikalne lasy deszczowe są bogatym źródłem strukturalnie skomplikowanych, biologicznie aktywnych związków. Po trzecie, cały ekosystem, nie tylko rośliny, jest potencjalnym źródłem ciekawych cząsteczek.

Wiliam H. Brown, Christopher S. Foot, Brent L. Iverson, Eric V. Anslyn, Organic Chemistry, Brooks/Cole Cengage Learning, Wydanie V, 2009.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Phyllobates
http://pl.wikipedia.org/wiki/Batrachotoksyna

Środki czyszczące: nieorganiczne wypełniacze aktywne

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 29 Sep 2014 10:37:00 +0000

Wypełniacze aktywne (środki zwiększające efekt piorący) wzmacniają działanie większości drogich detergentów o wysokiej aktywności. Kombinacja wypełniaczy aktywnych i detergentów ma działanie synergiczne, a zatem zwiększa się skuteczność produktu. Środki zwiększające efekt piorący powinny mieć zdolność kontrolowania twardości wody poprzez eliminację jonów magnezu i wapnia oraz być kompatybilne z innymi składnikami preparatu.

Wyróżniamy pięć głównych grup tych związków:

fosforany,
krzemiany,
węglany,
zeolity,
związki wybielające.

Fosforany

Wyróżniamy dwa typy fosforanów - ortofosforany oraz fosforany złożone. Ortofosforany używane w przemyśle detergentów to: fosforan (V) sodu w formie bezwodnej i uwodnionej (Na₃PO₄i Na₃PO₄^.12 H₂O), wodorofosforan (V) sodu w formie bezwodnej (Na₂HPO₄) i krystalicznej (Na₂HPO₄^.12 H₂O). W przeszłości fosforany były używane jako wypełniacze aktywne w mydłach, ale dziś stosuje się je rzadko, ponieważ powodują eutrofizację zbiorników wodnych. Związki te mają właściwości zmiękczające wodę, przez wytrącanie osadu jonów metali w formie galaretowatego osadu.

Fosforan (V) sodu może kokrystalizować (kokrystalizacja, czyli krystalizacja związków zbudowanych z różnych cząsteczek, jest powszechnie stosowaną metodą otrzymywania nowych kryształów, których właściwości często są bardzo odmienne od wyjściowych krystalicznych substancji) z podchlorynem sodu tworząc materiał zwany chlorowanym fosforanem trisodu (Na₃PO₄^.¼ NaOCl^.11 H₂O). Jest on dodawany do środków piorących wymagających połączenia wybielających i sterylizujących właściwości NaOCl z zasadowością i zmiękczaniem fosforanu (V) sodu.

Przemysł detergentów wprowadził inną formę fosforanów zwanych fosforanami skondensowanymi, które mają mniejszą zasadowość niż fosforan (V) sodu. Powszechnie używana związki to:

pirofosforan tetrasodu, Na₄P₂O₇(TSPP)
tripolifosforan sodu, Na₅P₃O₁₀ (STP)
tetrafosforan sodu, Na₆P₄O₁₃
heksametafosforan sodu, (NaPO₃)₆

heksametafosforan sodu

Zarówno tetrafosforan jak i heksametafosforan sodu są higroskopijne a przez to nieodpowiednie do użycia w suchych proszkach. TSPP jest obecnie używany tylko w środkach specjalnego przeznaczenia, ale analog potasowy znajduje zastosowanie w ciekłych detergentach. Połączenie TSPP z węglanem sodu działa skuteczniej niż związki użyte pojedynczo.

STP był dostępny komercyjnie w połowie lat 40. XX wieku i zastąpił TSPP z powodu lepszej rozpuszczalności oraz maskowania jonów powodujących twardość wody. Maskowanie jest definiowane jako reakcja kationu i anionu, w której powstaje rozpuszczalny kompleks. Maskowanie jonów wapnia i magnezu prowadzi do zmiękczenia wody i jest to najważniejsza funkcja każdego wypełniacza aktywnego.

Krzemiany

Dodatek krzemianu sodu lub potasu do syntetycznych detergentów przynosi wiele korzyści. Pod postacią ciekłą lub stałą mają właściwości buforujące, tworzą emulsje i przeciwdziałają osadzaniu się brudu.

Krzemian sodu jest produkowany przez stopienie piasku, który zawiera dużą ilość krzemionki z sodą kalcynowaną, według następującej reakcji:

Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃+ CO₂

Proporcje krzemionki, piasku i sody kalcynowanej są bardzo ważne, ponieważ od nich zależy alkaliczność. Cząsteczka krzemianu sodu często przedstawiana jest w postaci Na₂O:SiO₂.

Krzemiany są produkowane w postaci ciekłej, krystalicznej lub proszku. Stosunek Na₂O:SiO₂ zazwyczaj jest dostosowywany do danego produktu i jego zastosowania. Metakrzemian sodu (Na₂O/SiO₂=1/1) jest używany w suchych mieszaninach. Ciekłe krzemiany mające stosunek Na₂O:SiO₂1:2 lub wyższy są używane w płynach do zmywarek automatycznych.

Krzemiany są inhibitorami korozji stali i aluminium, która może być spowodowana przez syntetyczne kompleksy i złożone fosforany.

Węglany

Węglany zaczęły być stosowane z powodu ograniczeń nałożonych na stosowanie fosforanów. Węglan sodu (Na₂CO₃) lub mieszanina Na₂CO₃ i zeolitu zastąpiły STP w granulowanych produktach do prania.

Węglan sodu zapewnia wysoką alkaliczność (pH roztworu jest większe od 9) oraz zmiękcza wodę poprzez wytrącanie węglanu wapnia i magnezu.

Soda syntetyczna jest najwyższej jakości w porównaniu do sody wydobywanej naturalnie. Są dwa ważne gatunki węglanów: soda lekka i soda ciężka. Soda ciężka to soda bezwodna o dużym ciężarze nasypowym dochodzącym do 1200 kg/m3, to znaczy około 2 razy większym niż zwykłej sody bezwodnej. Otrzymywanie sody ciężkiej polega na przeprowadzeniu zwykłej sody bezwodnej w jednowodną w krystalizatorach z następującą po tym powtórną kalcynacją (prażenie substancji w celu usunięcia z niej dwutlenku węgla, wody lub innych składników lotnych).

O metodach produkcji sody pisałam w tym wpisie.

Zeolity

Krzem jest drugim po tlenie najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem w skorupie ziemskiej. Jednak w przyrodzie nie znajdziemy krzemu w czystej postaci, zawsze związany jest z tlenem (krzemionka, kwarc) i tlenkami metali.

Zeolity, znane jako sita molekularne są ważną alternatywą dla fosforanów w proszkach do prania. Występują pod postacią soli wapnia, sodu, magnezu, potasu i baru.

Najczęściej używaną formą zeolitu jest typ A - który jest uwodnionym glinokrzemianem sodu o wzorze empirycznym Na₂O^.Al₂O₃^.xSiO₂^.yH₂O.

uproszczona struktura zeolitu typu A

Główną zaletą zeolitów w porównaniu do fosforanów jest nierozpuszczalność w wodzie oraz usuwanie jonów np. magnezu i żelaza łatwo i szybko. Kiedy zeolity mają kontakt z twardą wodą, następuje wymiana jonów sodu występujących w ich strukturze na jonu wapnia i magnezu. Jednak jony magnezu nie są całkowicie usuwane z powodu ich rozmiaru. Z tego powodu zeolity są często używane z innymi wypełniaczami aktywnymi, np. węglanami.

John Toedt, Darrell Koza, Kathleen Van Cleef-Toedt, Chemical Composition of Everyday Products, GREENWOOD PRESS, London 2005.
Józef Kępiński, Technologia chemiczna nieorganiczna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1975.
http://naukawpolsce.pap.pl/aktualnosci/news,122003,paracetamol-i-piperazyna-pod-presja.html
http://pl.wikipedia.org/wiki/Heksametafosforan_sodu#mediaviewer/File:Sodium_hexametaphosphate.png
http://sjp.pwn.pl/slownik/2562549/kalcynacja

Trujące rośliny: przęśl

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Thu, 25 Sep 2014 12:23:00 +0000

Przęślowate (Ephedraceae)- należy tu jeden rodzaj – przęśl (Ephedra L.) z 64 gatunkami. Rośliny te występują na terenach suchych, najczęściej na stepach i pustyniach. Spotykane są we wszystkich częściach świata z wyjątkiem Antarktydy, Australii i Oceanii. W granicach współczesnej Polski nie występują, ale przęśl dwukłosowa rośnie niedaleko – w zachodniej Ukrainie i na Słowacji.

przęśl dwukłosa

Jak sama nazwa wskazuje, substancją trującą występującą w przęślu (Ephedra L.) jest efedryna, (1R,2S)-1-fenylo-1-hydroksy-2-N-metyloaminopropan, która występuje również w tojadzie mordowniku, w cisach i innych roślinach.

Przęśl znany był już w czasach prehistorycznych ok. 60000 lat p.n.e. Starożytni Rzymianie dokładnie opisali roślinę i jej zastosowania. Rosyjscy zielarze w XVI wieku stosowali ekstrakt z tej rośliny do leczenia bólu, a Indianie z południowo-zachodniej Ameryki - do leczenia chorób przenoszonych drogą płciową. Efedryna w formie krystalicznej została wyizolowana w 1885 roku. przez japońskiego chemika Nagayoshi Nagi. W latach 90. XX wieku efedryna była wykorzystywana do syntezy metamfetaminy. W formie wstrzyknięć była podawana japońskim pilotom kamikadze w czasie II wojny światowej.

Pod względem budowy cząsteczka efedryny jest podobna do adrenaliny, noradrenaliny i dopaminy - związków pełniących funkcję neuroprzekaźników. Jej mniejsza polarność w porównaniu do tych związków ułatwia pokonywanie bariery lipidowej, szybsze wnikanie do komórek i wypieranie endogennych amin z ich receptorów.

Cząsteczka efedryny zawiera dwa chiralne atomy węgla, w związku z czym występuje w postaci czterech izomerów chiralnych: dwóch enancjomerów erytro (efedryna) i dwóch treo (pseudoefedryna). Efedryna naturalna jest lewoskrętna.

Efedryna wykazuje silne właściwości fizjologiczne, między innymi wzmaga czynność serca, rozszerza oskrzela oraz pogłębia i przyśpiesza tętno i oddech. Ponadto długotrwale podwyższa ciśnienie tętnicze krwi, obkurcza naczynia krwionośne, pobudza ośrodkowy układ nerwowy oraz hamuje opróżnianie pęcherza. U ludzi uzależnionych powoduje najczęściej zmiany w zachowaniu. Obserwowane psychozy są podobne do wywoływanych przez amfetaminę (paranoja, halucynacje słuchowe i wzrokowe). Powrót do normalnego zachowania obserwuje się bezpośrednio po wyeliminowaniu związku. W przypadku śmiertelnego zatrucia stężenie efedryny wynosiło: we krwi 11 mg/l, w wątrobie 24 mg/kg, w nerkach 14 mg/kg, a w mózgu 9 mg/kg.

Efedryna stosowana jest również jako lek w postaci cholorwodorku. Wskazania: zakażenia dróg oddechowych – jako składnik preparatów złożonych, stany skurczowe dróg oddechowych, miejscowo w celu obkurczenia naczyń w stanach zapalnych błon śluzowych, ostre niedomagania krążenia, zapaści, dychawica oskrzelowa, rozedma płuc.

Preparaty na rynku polskim zawierające efedrynę:

Efrinol 1% - krople do nosa (1 g zawiera 10 mg chlorowodorku efedryny) - dostępny na receptę,
Efrinol 2% - krople do nosa (1 g zawiera 20 mg chlorowodorku efedryny) - dostępny na receptę,
Ephedrinum Hydrochloricum (iniekcje - stany skurczowe dróg oddechowych, stosowany domięśniowo lub podskórnie, dawkę ustala lekarz,
Rubital compositum, syrop prawoślazowo - malinowy - w infekcjach wirusowych i bakteryjnych gardła, krtani, oskrzeli, w przeziębieniach, kaszlu,
Tussipect - kaszel oraz stany zapalne górnych dróg oddechowych i oskrzeli.

Efedryna ponadto zmniejsza apetyt i z tego powodu jest dodawana do niektórych preparatów odchudzających.

Witold Seńczuk, Toksykologia współczesna, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2005.
A. Kołodziejczyk, Naturalne związki organiczne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2004.

http://bazalekow.mp.pl/leki/subst.html?id=257

http://www.doz.pl/leki/s3395-chlorowodorek_efedryny

http://pl.wikipedia.org/wiki/Przęślowate

http://pl.wikipedia.org/wiki/Efedryna

http://pl.wikipedia.org/wiki/Noradrenalina

http://pl.wikipedia.org/wiki/Adrenalina

http://pl.wikipedia.org/wiki/Dopamina

Nowy polimer a wydajność ogniw słonecznych

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 22 Sep 2014 14:32:00 +0000

Wytwarzanie energii za pomocą ogniw słonecznych może stać się bardziej opłacalne i wydajne dzięki współpracy pomiędzy naukowcami z wydziału chemii University of Chicago, Institute for Molecular Engineering oraz Argonne National Laboratory.

Naukowcy zidentyfikowali mowy polimer, który poprawia wydajność ogniw słonecznych. Określono również mechanizm według którego działa polimer. Materiał pozwala na znacznie łatwiejsze poruszanie się ładunków elektrycznych w ogniwie, pobudzając produkcję elektryczności, czego nie stosowano nigdy wcześniej w takich urządzeniach.

Ogniwa słoneczne produkowane z polimerów są popularnym tematem badań z powodu ich atrakcyjnych właściwości. Ale naukowcy ciągle zmagają się z niską wydajnością generowanej przez nie mocy elektrycznej. Obszar tych badań jest dopiero rozwijany.

Nowy polimer, nazwany PID2 poprawia wydajność generowanego prądu o 15%, kiedy dodawany jest do standardowej mieszaniny polimeru i fulerenu. W takiej mieszaninie polimer jest donorem elektronów, a fuleren ich akceptorem, co pozwala na rozdzielenie ładunku.

Po dodaniu kolejnego polimeru uzyskano ogniwo składające się z dwóch polimerów i fulerenu. Naukowcy uzyskali wydajność 8,2% po dodaniu optymalnej ilości PID2, czyli jak dotychczas najwyższą dla takiego typu ogniwa, ale wyniki sugerują, że można osiągnąć jeszcze lepsze rezultaty. Obecnie badacze pracują nad osiągnięciem wydajności bliskiej 10%, koniecznej aby ogniwo było opłacalne w zastosowaniach komercyjnych.

Rezulataty są niezwykłe nie tylko ze względu na zaawansowane możliwości techniczne, ale również dlatego, że PID2 zwiększa efektywność poprzez nową metodę. Wcześniej starano się osiągnąć większą efektywność przez zwiększenie absorpcji światła w urządzeniu.

W celu wygenerowania prądu przez ogniwo słoneczne, elektrony muszą być przeniesione z polimeru do fulerenu w urządzeniu. Różnica pomiędzy poziomami energii elektronów dla standardowej mieszaniny polimeru i fulerenu jest wystarczająco duża, aby przenoszenie elektronów było utrudnione. Wartość poziomów energii w PID2 mieści się pomiędzy wartościami dwóch pozostałych materiałów, dzięki czemu działa jako pośrednik w procesie. Dodatek PID2 sprawia również, że w mieszaninie polimerów formują się włókna, które poprawiają przemieszczanie się elektronów przez materiał. Włókna służą jako drogi, które pozwalają elektronom podróżować do elektrod na bokach ogniwa słonecznego. Do zbadania tej struktury użyto promieniowania rentgenowskiego.

www.sciencedaily.com/releases/2014/09/140919142843.htm

Skaningowy mikroskop jonowy (FIB)

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Fri, 19 Sep 2014 11:47:00 +0000

Skaningowy mikroskop jonowy umożliwia wycinanie cienkich folii za pomocą jonów. Został skonstruowany w połowie lat 80. XX wieku i był wykorzystywany do modelowania i analizy defektów w półprzewodnikach.

Najważniejszym elementem jest źródło jonów najczęściej galu, które są przyśpieszane napięciem 2-50 keV. Przyśpieszone jony uderzają w powierzchnię próbki, powodując rozpylenie materiału. Poprzez kontrolę wiązki jonów wybijającej elektrony można wycianać próbki z określonych obszarów powłok, a także nadawać dowolne kształty powierzchni. Dodatkową zaletą jest emisja elektronów wtórnych wywołana oddziaływaniem wiązki z próbką, co pozwala na tworzenie obrazu próbki (podobnie jak w skaningowych mikroskopach elektronowych).

Dodatkowo w skaningowym mikroskopie jonowym znajdziemy źródło elektronów, które służy głównie do obserwacji procesu pobierania próbki. Dostępne są również mikroskopy trójwiązkowe (źródło elektronów oraz dwa źródła jonów: galu i argonu. Jony argonu są lżejsze od jonów galu i mają mniejszą energię, dzięki czemu powodują mniej uszkodzeń radiacyjnych, co ma znaczenie w obserwacjach wysokorozdzielczych.

Innym elementem wyposażenia jest urządzenie służące do depozycji powłok z fazy metalorganicznej na powierzchni badanej próbki. Powłoki (stosuje się głównie platynę lub wolfram) chronią analizowane materiały w czasie procesu wycinania preparatu.

FIB jest bardzo użytecznym narzędziem w inżynierii materiałowej, gdzie stosuje się go do preparatyki cienkich folii do obserwacji w elektronowych mikroskopach transmisyjnych. Cały proces polega na wycieciu cienkiego preparatu i umieszczeniu go na nośniku umożliwiającym obserwacje próbki w mikroskopie.

Fotografia SEM półprzewodnika przygotowanego do badania TEM przez skaningowy mikroskop jonowy.

Przygotowanie cienkiej folii odbywa się w kilku etapach:

1) na obszar, z którego zostanie przygotowana cienka folia, nakłada się powłokę ochronną,

2) wiązka jonów rozpyla materiał wokół zabezpieczonego miejsca,

3) próbkę pochyla się o kąt 60 stopni i rozpyla materiał, odcinając preparat od podłoża,

4) do komory zostaje wprowadzony mikromanipulator, który jest spajany z próbką,

5) odcinany jest mostek - ostatnie miejsce, w którym preparat połączony jest z próbką,

6) za pomocą mikromanipulatora (igły) preparat przenoszony jest na nośnik umieszczony na specjalnym uchwycie,

7) próbkę spaja się z nośnikiem za pomocą wolframu, a następnie odcina igłę,

8) na nośniku dokonuje się pocięcia preparatu do grubości około 100 nm, która umożliwia obserwacje w elektronowych mikroskopach transmisyjnych.

Zachęcam do polubienia - SEM - Studenci Entuzjaści Mikroskopii

Krzysztof Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska, Nanomateriały inżynierskie - konstrukcyjne i funkcjonalne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/9f/Focuses_Ion_Beam_1540_EsB_(Zeiss)%2C_with_EDX_and_lithography_equipment..JPG/1280px-Focuses_Ion_Beam_1540_EsB_(Zeiss)%2C_with_EDX_and_lithography_equipment..JPG
http://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Focused_ion_beams?uselang=pl#mediaviewer/File:Fib_tem_sample.jpg

Trujący ziemniak

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Wed, 17 Sep 2014 11:53:00 +0000

Alkaloidy steroidowe

Zasadniczy szkielet budowy chemicznej pochodzi od cyklopentanoperhydrofenantrenu. Często związane są z cukrami i wtedy nazywane są glikoalkaloidami.

cyklopentanoperhydrofenantren

W całym ziemniaku występuje glikoalkaloid – solanina. Największe ilości znajdują się w owocach (do 1%), a zwłaszcza niedojrzałych, a także w kwiatach i zielu (0,1-0,4%). W bulwach alkaloid można znaleźć w ilościach śladowych. Jednak w bulwach, na których wyrastają kiełki, zawartość solaniny wzrasta nawet do 5%.

solanina

Działanie solaniny:

- właściwości hemolityczne,

- początkowo działa pobudzająco na ośrodkowy układ nerwowy,

- po jakimś czasie działa podrażniająco, upośledzając ośrodek oddechowy,

- duże dawki mogą wywołać śpiączkę i śmierć.

Dawka toksyczna dla człowieka: 0,3 g.

Kiedy może wystąpić zatrucie: zjedzenie niedojrzałych owoców, sporządzanie potraw z kiełkujących bulw, głównie w okresie wiosennym.

Objawy zatrucia: zaburzenia przewodu pokarmowego (mdłości, wymioty, kolka, biegunka), ból głowy, przypadki cięższych zatruć są rzadkością.

Zagrożenie zatruciem: wiosną (kwiecień, maj) w razie spożycia potraw z kiełkujących bulw, zatrucia owocami mogą wystąpić jesienią przy wykopkach i pieczeniu ziemniaków w ognisku na polu.

Witold Seńczuk, Toksykologia współczesna, Wydawnictwo Lekarskie PZWL, Warszawa 2005.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Steroidy#mediaviewer/File:Steran_num_ABCD.svg
http://pl.wikipedia.org/wiki/Solanina#mediaviewer/File:Solanine.svg

Środki czyszczące: wybielacze

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 15 Sep 2014 09:19:00 +0000

Generalnie, wszystkie wybielacze są czynnikami utleniającymi, których używa się do wybielania lub rozjaśniania tkanin i pozbycia się trudnych plam. Kolor takich trudnych plam jest często powiązany ze słabo związanymi elektronami, np. tymi występującymi w wiązaniu podwójnym pomiędzy atomami. Wiązania podwójne mogą nadawać kolor cząsteczce, a grupy które decydują o barwie związku nazywamy chromoforami.

Chromofory - grupy absorbujące promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie 180-800 nm (chromofor alkenowy, chromofor benzenowy, chromofor karbonylowy, chromofor azowy, chromofor tiolowy, chromofor nitrozowy)

Proces wybielania polega na atakowaniu podatnych elektronów cząsteczki brudu przez cząsteczki usuwające elektrony, które zawierają tlen lub chlor i zniszczeniu chromoforów w cząsteczkach plamy. Tak więc wybielanie to przekształcenie barwnych cząsteczek w bezbarwne, rozpuszczalne w wodzie związki, które następnie mogą być usunięte przez detergent i spłukane wodą. Alternatywnie, cząsteczki mogą pozostać na tkaninie, ale nie są w już w stanie absorbować światła widzialnego.

Czynnikami wybielającymi dodawanymi do środków do prania są związki uwalniające tlen. W Europie i innych regionach świata najpopularniejszymi wybielaczami są związki nadtlenkowe. Jeden z tych związków, nadtlenek wodoru (H₂O₂) jest przekształcany w środowisku alkalicznym w anion nadtlenku wodoru, który jest aktywnym związkiem pośrednim.

H₂O₂ + OH^- → H₂O + HOO^-

HOO^- atakuje wiązanie podwójne w cząsteczce brudu uwalniając tlen i powodując wybielenie. Najpowszechniej używanym źródłem nadtlenku wodoru jest uwodniony peroksoboran sodu [Na₂[B₂(O₂)₂(OH)₄]^.6H₂O, który w formie krystalicznej zawiera anion nadtlenkowy B₂(O₂)₂(OH)₄^2-składający się z dwóch tetraedrycznych grup BO₂(OH)₂^-, połączonych dwoma mostkami -O-O-.

anion nadtlenkowy

Peroksoboran hydrolizuje w wodzie tworząc nadtlenek wodoru.

[B₂(O₂)₂(OH)₄]^2-→ 2 BO₂^- + 2 H₂O₂

Peroksoboran sodu może być używany jako uniwersalny wybielacz tkanin i jest stosowany w Europie od około 50 lat.

Peroksoboran sodu jest stabilnym materiałem, kiedy zmiesza się go z innymi suchymi składnikami. Jednak śladowe ilości wody i niektórych metali ciężkich mogą katalizować proces rozkładu substancji. W związku z tym w celu absorpcji wody i metali stosuje się siarczan lub krzemian magnezu oraz pirofosforan tetrasodu, co pozwala przedłużyć okres przechowywania.

Innym efektywnym związkiem wybielającym jest podchloryn. Używanie roztworu podchlorynu (stężenie 5,25%) zyskało na znaczeniu w wielu krajach, kiedy zaczęto prać w zimnej wodzie, w której peroksoboran sodu okazał się nieskuteczny. Podchloryn reaguje w środowisku zasadowym tworząc aniony podchlorynowe.

HOCl + OH^- → ClO^- + H₂O

Wodny roztwór podchlorynu sodu (NaOCl) jest stosowany jako źródło aktywnego chloru, który może być używany zarówno w praniu jak i płukaniu. Wybielacz ten jest produkowany poprzez rozpuszczenie gazowego chloru w rozcieńczonym roztworze wodorotlenku sodu (12 do 16 %), aż do zneutralizowania zasady.

podchloryn sodu

Sproszkowany peroksoboran sodu ma kilka zalet w stosunku do płynnego podchlorynu sodu:

NaOCl musi być dodawany oddzielnie do prania i płukania, natomiast nadboran może znajdować się już w gotowych proszkach do prania,

wysoka dawka NaOCl może znacznie zniszczyć tkaniny i kolory,

Podchloryn sodu ma ograniczoną stabilność, szczególnie w obecności zanieczyszczeń jonami metali ciężkich,

NaOCl wykazuje wysoką reaktywność i potencjał utleniający, dlatego może wpływać negatywnie na barwniki tkaniny i większość wybielających czynników fluorescencyjnych,

NaOCl działa nieskutecznie w przypadku tkanin z poliestru powodując ich żółkniecie zamiast wybielenia.

Wybielacze zawierające tlen są bezpieczne dla koloru tkaniny, ale ogólnie są mniej aktywne niż wybielacze chlorowe i wymagają wyższych temperatur, wyższej zasadowości oraz wyższego stężenia żeby działać efektywnie. W niższej temperaturze wody, enzymy znajdujące się w wielu plamach pochodzenia biologicznego (np. krew, trawa) nazywane katalazami, rozkładają nadtlenek wodoru bardzo szybko i mogą zniszczyć wybielacz w kilka minut. W wysokiej temperaturze katalazy są dezaktywowane. Szybki wzrost użycia włókien syntetycznych, na które niekorzystnie wpływa chlor, sprawił że peroksoboran sodu jest używany częściej.

Aby zapobiegać zniszczeniom powodowanym wysoką dawką NaOCl zaczęto stosować symklozen, czyli kwas trichloroizocyjanurowy (N₃O₃C₃Cl₃), który uwalnia chlor powoli, co zmniejsza ryzyko uszkodzenia tkaniny. Symklozen jest stosowany również jako wolno rozpuszczające się tabletki chlorowe do długotrwałej dezynfekcji wody basenowej.

symklozen

John Toedt, Darrell Koza, Kathleen Van Cleef-Toedt, Chemical Composition of Everyday Products, GREENWOOD PRESS, London 2005.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Nadboran_sodu#mediaviewer/File:Perborate_dimer.png
http://pl.wikipedia.org/wiki/Podchloryn_sodu#mediaviewer/File:Sodium-hypochlorite.png
http://en.wikipedia.org/wiki/Trichloroisocyanuric_acid#mediaviewer/File:Trichloorisocyanuurzuur.png

Wytrzymałość nanometali

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Thu, 11 Sep 2014 15:42:00 +0000

Cechą charakterystyczną nanometali jest nanometryczny rozmiar ziaren, co powoduje zwiększenie powierzchni właściwej granic ziaren w jednostce objętości, a to nadaje im unikatowe właściwości.

Granica ziarna - wewnętrzne powierzchnie graniczne oddzielające dwa kryształy lub ziarna o takim samym składzie chemicznym, różniące się tylko orientacją krystalograficzną.

Mikrostruktura polikrystalicznego stopu tytanu z wyraźnymi ziarnami (szare obszary) i granicami (czarne linie) po wytrawieniu

Z wytrzymałością materiału często powiązana jest granica plastyczności, czyli wartość naprężenia przy którym zaczynają powstawać nieodwracalne mikroskopowe odkształcenia plastyczne we wszystkich ziarnach.

Materiał	Granica plastyczności, MPa
Materiał	mikro	nano
AA1050	70	200
AA1100	40	170
AA3004	95	360
AA6082	370	437
AA5182	395	430
AA5483	215	490
AA2017	350	570
AA2024	115	330
AA7075	200	470
AA7475	230	650
Al-Zn	375	750
Ti	345	1060
Ti6Al4V	900	1040

Seria AA - stopy aluminium

Istnieje pewna optymalna średnia wielkość ziarna, dla której materiał wykazuje najwyższe właściowości wytrzymałościowe.

Krzysztof Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska, Nanomateriały inżynierskie - konstrukcyjne i funkcjonalne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
http://zasoby.open.agh.edu.pl/~11sashot/strona.php?t=pm&h=nm&v=
http://pl.wikipedia.org/wiki/Granica_ziarna
http://pl.wikipedia.org/wiki/Granica_plastyczności

Syntetyczne detergenty (surfaktanty)

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 08 Sep 2014 13:23:00 +0000

Substancja powierzchniowo czynna (surfaktant, tensyd) to substancja chemiczna, której cząsteczki zawierają część hydrofilową i część hydrofobową. Część hydrofilowa to najczęściej grupa atomów zawierająca tlen np. -OH, -COOH, -COH lub azot. Część hydrofobowa utworzona jest przez długi łańcuch alifatyczny.

Cząstki brudu, głównie tłuszczu, sadzy, kurzu, gleby mają właściwości hydrofobowe. W procesie usuwania brudu z powierzchni skóry lub tkaniny surfaktanty przyczepiają się częścią hydrofobową do cząstek brudu, a grupa hydrofilowa "wciągana" jest do wody. Ruch wody powoduje odrywanie się cząstek brudu z otaczjącą je micelą utworzoną przez detergenty. W miceli uwięzione są jeszcze oprócz brudu pęcherzyki powietrza (substancji hydrofobowej). Tworzą się "bańki" powietrza, makroskopowo obserwowane jako piana. Micele z uwięzionym brudem i powietrzem są unoszone (flotują) na powierzchnię wody, a następnie są mechanicznie usuwane z roztworu.

Krótka historia

Chemiczny proces syntezy mydła przez wieki nie ulegał zmianie aż do roku 1916, kiedy w Niemczech opracowano pierwsze syntetyczne detergenty w odpowiedzi na niedostępność tłuszczu podczas I Wojny Światowej. Detergenty te były oparte na krótkołańcuchowych alkilonaftalenosulfonianach, tworzonych przez połączenie alkoholu propylowego lub butylowego z naftalenem, a następnie sulfonowanie. Produkcja detergentów używanych w gospodarstwie domowym rozpoczęła się od początku do połowy lat 30. XX wieku, ale nie zwiększano produkcji aż do zakończenia II Wojny Światowej, kiedy dostęp do surowców do produkcji mydła był ograniczony i były one bardzo drogie. Te detergenty były długołańcuchowymi alkiloarylosulfonianami z benzenem jako centrum aromatyczności i częścią alkilową syntetyzowaną z nafty. Następnie rozwinęły się badania dotyczące chemii detergentów, a kilka z nich zaczęło być dostępnych komercyjnie do zmywania ręcznego oraz prania tkanin. W ciągu kilku lat, tanie syntetyczne detergenty w większości produkowane z produktów przeróbki ropy naftowej stały się szeroko dostępne. W tym samym czasie alkiloarylosulfoniany zostały prawie całkowicie przyćmione przez detergenty oparte na siarczanach alkoholu otrzymywane najczęściej z alkoholi tłuszczowych pochodzących z surowców naturalnych. Obecnie najbardziej znanym przedstawicielem tej grupy jest laurylosiarczan sodu (SLS lub SDS) stosowany w większości kosmetyków czyszczących (np. szampony, żele pod prysznic). Cząsteczki syntetycznych detergentów są podobne do cząsteczek mydła na tyle, aby mieć tak samo dobre właściwości czyszczące, a jednocześnie wystarczająco odmienne, aby przeciwdziałać wpływowi twardej lub kwaśnej wody.

laurylosiarczan sodu

Środki piorące

We współczesnym świecie w celu wyprania ubrań używamy syntetycznych detergentów, które wyparły stosowane wcześniej mydło. Środki do prania dostępne pod postacią proszku i płynu mają za zadanie usunąć plamy oraz wybielić, zmiękczyć lub kondycjonować tkaniny w różnych warunkach chemicznych wody oraz temperaturze. Podczas gdy płynne detergenty są polecane na tłuste plamy, proszki są skuteczne w przypadku plam z gleby. Środki piorące weszły do użytku z powodu problemów ze zwyczajnym mydłem, które traci swoją jakość podczas przechowywania, nie ma wyspecjalizowanych zdolności czyszczących oraz nie wypłukuje się całkowicie z tkaniny. Na dodatek mydło traci swoje właściwości czyszczące w twardej wodzie (zawierającej jony magnezu i wapnia), ponieważ rozpuszczalne karboksylany sodu przekształcają się w nierozpuszczalne sole wapniowe i magnezowe, pozostawiając znany wszystkim brudny pierścień w wannie lub nadając szarawy odcień odzieży. Aby przeciwdziałać tym niepożądanym reakcjom zaczęto interesować się syntetycznymi detergentami, których struktura tylko nieznacznie różni się od budowy chemicznej mydła.

Składniki zawarte w którymkolwiek komercyjnie dostępnym syntetycznym produkcie do prania można podzielić na osiem różnych grup: wypełniacz aktywny (środek zwiększający efekt piorący), barwniki fluorescencyjne (wybielacze optyczne), enzymy, inhibitory korozji, wybielacze, wypełnienie, aromaty i środki barwiące. Jedna z głównych funkcji wypełnienia, którym zazwyczaj jest siarczan sodu to dodanie objętości produktowi. Powoduje również granulacje detergentu, dzięki czemu łatwo można wysypać go z opakowania. Ilość wypełnienia wewnątrz danego produktu może wahać się pomiędzy 0 do 35 %. Inhibitory korozji zapobiegają szkodliwym skutkom działania jonów detergentu, które mogą powodować szybkie rdzewienie elementów pralki zrobionych ze stali. Związki te to zazwyczaj krzemiany sodowe.

Główne środki aktywne takie jak detergenty tworzą micele i usuwają tłuste plamy z ubrań i innych rzeczy według takiego samego mechanizmu jak mydło. Współczesne surfaktanty są syntetyzowane z różnych pochodnych ropy naftowej lub tłuszczów. Podobnie do kwasów tłuszczowych używanych w produkcji mydła, ropa naftowa zawiera łańcuchy węglowodorowe, które są hydrofobowe, ale przyciągane do tłustych plam. Łańcuchy węglowodorowe są podstawą hydrofobowego ogona molekuły surfaktantu. Inne związki, takie jak trójtlenek siarki, kwas siarkowy oraz tlenek etylenu są używane w celu wytworzenia hydrofilowej głowy. Podobnie jak przy produkcji mydła, najczęściej używane zasady to wodorotlenek sodu i potasu.

Rozwiązanie dla problemu powstawania osadu z mydła po raz pierwszy zostało zrealizowane poprzez produkcję detergentów alkilobenzenosulfonianowych (ABS). ABS zostały zsyntetyzowane z propylenu, który jest otrzymywany z ropy naftowej, benzenu i kwasu siarkowego. ABS produkowane są w procesie obejmującym alkilowanie benzenu olefinami lub chlorkami alkilowymi, sulfonowanie otrzymanego alkilobenzenu najczęściej gazowym SO₃ i neutralizację. Podobieństwa między detergentem (RSOOO^-Na⁺) i mydłem (RCOO^-Na⁺) są oczywiste. Molekuła mydła posiada atom węgla związany z atomem tlenu, do którego przyłączony jest sód. Natomiast detergent posiada atom siarki w tej pozycji. Detergenty produkowane w ten sposób są znacznie bardziej rozpuszczalne niż mydło. W ten sposób mogą stabilizować emulsje woda-olej, ale w przeciwieństwie do mydła, kiedy sód zostanie zastąpiony przez wapń lub magnez cząsteczka jest nadal rozpuszczalna. Z powodu większej stabilności detergenty ABS utrzymują się w ściekach o wiele dłużej niż mydło.

Zwiększona stabilność detergentów ABS wynika z większej stabilności chemicznej ugrupowania sulfonowego. Ponadto surowce z ropy naftowej zawierają rozgałęzione łańcuchy, w przeciwieństwie do prostych łańcuchów z tłuszczów zwierzęcych. W środowisku naturalnym bakterie nie mogą z łatwością degradować rozgałęzionych detergentów ABS i zaczynają się akumulować w zbiornikach wodnych, ściekach, rzekach oraz źródłach wody pitnej. Na początku lat 60. XX wieku, podejrzewano zagrożenie wód podziemnych, co wywołało publiczne protesty, a rząd USA rozwiązał problem poprzez zastąpienie detergentów ABS biodegradowalnymi liniowymi detergentami alkilosulfonianowymi (LAS). Te detergenty składają się z nierozgałęzionego łańcucha węglowodorowego dołączonego do pierścienia aromatycznego lub benzenowego połączonego z ujemnie naładowaną grupą sulfonową. Mikroorganizmy mogą łatwo niszczyć cząsteczki LAS poprzez produkcję odpowiednich enzymów. Rozgałęzione łańcuchy detergentów ABS inhibitują reakcję degradacji. Wiele ciekłych detergentów zawiera inne wydajne, ale droższe surfaktanty - alkiloeterosiarczany (AES). Cząsteczki AES mają część węglowodorową wywodzącą się z alkoholi (lub alkilofenoli), polarną głowę pochodzącą z tlenku etylenu oraz część siarczanową. Najbardziej znanym przykładem jest SLES (etoksylowany laurylosiarczan sodu).

ABS

LAS

SLES

W detergentach, których używamy w naszych domach dominują surfaktanty anionowe, ale zwiększa się użycie surfaktantów niejonowych. Detergenty anionowe, które stanowią dużą część wszystkich środków czyszczących, w postaci proszków są szczególnie efektywne w czyszczeniu włókien, które łatwo absorbują wodę, np. tych produkowanych z naturalnych włókien (bawełny, wełny, jedwabiu). Detergenty niejonowe są skuteczne w czyszczeniu włókien syntetycznych. Większość z nich znajduje się w płynnych środkach do prania i mają działanie pieniące. Typowy detergent niejonowy ma grupę fenolową, która jest niezwykle polarna, ale nie ma ładunku. Cząsteczki niejonowego detergentu (np. etoksylowane alkohole tłuszczowe) są produkowane poprzez przekszałcenie węglowodorów do alkoholi, a następnie reakcję alkoholi tłuszczowych z tlenkiem etylenu.

Kosmetyki

W szamponach pod nazwami Medialan KF i Medialan KA stosowane są delikatne detergenty sarkozydowe. Stężone roztwory wykazują działanie konserwujące oraz duże powinowactwo do keratyny skóry i włosów. Nie odtłuszczają i nie przesuszają skóry i włosów.

Skutecznymi środkami myjącymi stosowanymi w szamponach, środkach kąpielowych i preparatach do higieny jamy ustnej i zębów są siarczany alkoholi (wcześniej wspomniany już laurylosiarczan sodu oraz siarczany 2-etyloheksylu), niepodrażniające skóry i błon śluzowych.

Detergenty alkilobenzenosulfonianowe mają silne właściwości odtłuszczające, dlatego w formie soli z trietanoloaminą pod nazwą Marlopone, stosowane są do mycia skóry mocno przetłuszczającej się.

Sole kwasu N-acyloglutaminowego (detergenty N-acyloglutaminianowe), których roztwory mają pH = 5-7 (zbliżone do naturalnego pH skóry), nie drażnią błon śluzowych, nie wysuszają skóry, mają dobre właściwości myjące nawet w twardej wodzie. W kosmetyce stosowana jest sól tris(2-hydroksyetylo)amoniowa z resztą tłuszczową lipidów oleju kokosowego.

Pod nazwą Hostapon KTW, w pastach do zębów kryją się detergenty taurydowe, czyli sole sodowe pochodnych tauryny, nie drażniące skóry i błon śluzowych i dające trwałą pianę nawet w twardej wodzie.

tauryna

Sól sodowa diestru 2-etyloheksylowego kwasu sulfobursztynowego, występująca pod nazwą Docusat-Natrium, należy do detergentów sulfobursztynowych. Ma dobre właściwości zwilżające, potęguje działanie środków przeciwbakteryjnych, stosowana jest w pastach do zębów i szamponach przeciwłupieżowych.

Docusat-Natrium

Detergenty cukrowe to niejonowe detergenty, w skład których wchodzą cukry proste (glukoza) i dicukry (maltoza, sacharoza). Stosowane są pod nazwą handlową Triton CG-110 w mydłach i preparatach do kąpieli.

Acylosacharydy zawierają sacharozę estryfikowaną masyconymi kwasami tłuszczowymi (palmitynowym, stearynowym) lub kwasami oleju kokosowego, zawierającymi 12-18 atomów węgla. Stosowane są pod nazwami: Crodesta, Grilloten jako emulgatory w kosmetykach dla dzieci.

Chlorek steapirynowy (Emcol E-607S), który jest przykładem detergentów steapiryniowych zalicza się do łagodnych detergentów stosowanych w szamponach.

Emcol E-607S

John Toedt, Darrell Koza, Kathleen Van Cleef-Toedt, Chemical Composition of Everyday Products, GREENWOOD PRESS, London 2005.
Marcin Molski, Chemia piękna, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2012.
http://www.chemia.polsl.pl/~zpsoip/images/stories/Pliki/chemia_kosmetyczna2009.pdf
http://pl.wikipedia.org/wiki/Laurylosiarczan_sodu#mediaviewer/File:SDS-2D-skeletal.png
http://jan.ucc.nau.edu/~doetqp-p/courses/env440/env440_2/lectures/lec22/lec22.html
http://pl.wikipedia.org/wiki/Tauryna#mediaviewer/File:Taurine.svg
http://de.wikipedia.org/wiki/Docusat-Natrium#mediaviewer/File:Dioctyl_sodium_sulfosuccinate.png
http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/summary/summary.cgi?cid=61747

Elektronowy mikroskop skaningowy (SEM)

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Thu, 04 Sep 2014 22:34:00 +0000

Ideę konstrukcji mikroskopu, w którym obraz powierzchni uzyskuje się poprzez jej skanowanie wiązką elektronów przedstawił niemiecki fizyk Knoll w 1935 roku. Knoll wykonał pionierski eksperyment, dzięki któremu uzyskał rozdzielczą 100 mikrometrów i uzyskał pierwszy skaningowy obraz topografii powierzchni próbki. Pierwszy obraz o rozdzielczości większej niż w mikroskopii świetlnej (50-100 nm) uzyskał niemiecki fizyk von Ardenne w 1938 roku. Pierwszy SEM zbudowano w USA (1942 r., Zworykin, Hiller, Snyder) o zdolności rodzielczej około 1 mikrometra, co w krótkim czasie poprawiono i uzyskano rezultat 50 nm. W Europie elektronowy mikroskop skaningowy o takiej rozdzielczości skonstruowano w ośrodku uniwersytetu Cambridge w 1952 roku (Oatley i McMullan). W 1965 roku angielska firma Cambridge Scientific Instruments Ltd. zaoferowała pierwszy komercyjny model SEM - Stereoscan - przeznaczony do badania próbek o rozwiniętych powierzchniach. Dynamiczny rozwój informatyki doprowadził do konstrukcji pierwszego cyfrowego SEM sterowanego programem komputerowym z cyfrowym zapisem obrazu. Obecnie elektronowa mikroskopia skaningowa jest najpopularniejszą metodą mikroskopii elektronowej. Zdolność rozdzielcza SEM typowa dla mikroskopów produkowanych na początku XXI wieku to 3,5 nm.

Elektronowy mikroskop skaningowy (von Ardenne)

Zasada działania

Nanometrowa wiązka elektornów wytworzona przez układ elektronooptyczny bombarduje próbkę, skanując jej powierzchnię linia po linie. Wiązka jest formowana przez układ soczewek magnetycznych. Pod wpływem wiązki elektronów próbka emituje różne sygnały (elektrony wtórne, elektrony wstecznie rozproszone, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie), które są rejestrowane za pomocą odpowiednich detektorów, a następnie przetwarzane na obraz próbki lub widmo promieniowania rentgenowskiego.

Sygnały wtórne wykorzystywane do tworzenia obrazów:

elektrony wtórne (SE) - powstają na skutek niesprężystych zderzeń elektronów bombardujących próbkę z elektronami powłok zewnętrznych; emisja zależy od napięcia przyśpieszjącego i kąta padania elektronów pierwotnych na badaną powierzchnię (dzięki temu można uzyskać odpowiedni kontrast topograficzny); partie wypukłe są jasne, a partie wklęsłe są ciemne; najlepsza zdolność rozdzielcza,
elektrony wstecznie rozproszone (BSE) - powstają w wyniku zderzeń sprężystych (zmiana kierunku praktycznie bez zmiany energii, emisja nie zależy od napięcia przyśpieszającego, jest mała i zależy od liczby atomowej); dzięki nim możliwe jest rozróżnienie obszarów różniących się składem chemicznym,
promieniowanie rentgenowskie - emitowane na skutek wybicia elektronu z wewnętrznej powłoki i następującego po nim przeskoku elektronu z poziomu o wyższej energii na wolne miejsce na powłoce wewnętrznej; przeskokowi towarzyszy uwolnienie nadmiaru energii.

Oddziaływanie elektron-próbka w SEM.

Elektronowy mikroskop skaningowy składa się z:

działa elektronowego, gdzie wytwarzana jest wiązka elektronów,
kolumny, w której następuje przyśpieszenie i ogniskowanie wiązki elektornów,
układu próżniowego,
komory próbki, w której elektrony wiązki oddziałują z próbką,
zestawu detektorów odbierających różne sygnały emitowane przez próbkę,
systemu przetwarzania sygnału na obraz.

Schemat budowy elektronowego mikroskopu skaningowego.

Elektronowy mikroskop skaningowy (SEM).

Kolumna

Kolumna zawiera działo elektronowe, w którym wyróżnia się katodę (najczęściej drut wolframowy o średnicy około 100 mikrometrów), cylinder Wehnelta i anodę. Wiązka elektronów tworzona jest przez katodę w wyniku termoemisji, a strumień elektronów określany jest jako prąd emisji. Napięcie między cylindrem Wehnelta i anodą to tzw. napięcie przyśpieszające elektronów, określające ich energię i długość fali. Pod działem elektronowym zmajdują się cewki centrowania wiązki, które służą do takiego pochylania wiązki, aby przebiegała ona centrycznie w osi układu optycznego kolumny. Kolumna składa się również z kondensorów, czyli silnych soczewek magnetycznych, które zmniejszają średnicę wiązki elektronów, apertury ograniczającej średncę wiązki elektronów do 50 mikrometrów, soczewki pośredniej, która zmienia średnicę wiązki biegnącej do obiektywu, stygmatora kompensującego astygmatyzm, dwustopniowych cewek skanujących regulujących wielkość skanowanego obszaru (powiększenie) i szybkość skanowania oraz obiektywu, który jest ostatnią soczewką formującą wiązkę elektronów.

Schemat działa elektronowego.

Komora ze stolikiem próbek i detektorami

Znajduje się pod kolumną. Z boku komory zainstalowany jest detektor elektronów wtórnych. Detektor ten przyśpiesza elektrony o małej energii emitowane przez próbkę i zbiera je na powierzchni scyntylatora. Impulsy świetlne generowane w materiale scyntylatora są przekazywane światłowodem do fotopowielacza. Sygnał wyjściowy z fotopowielacza jest wzmacniany i przekazywany do obwodów elektronicznych sterujących jasnością plamki tworzących obraz na monitorze. Działanie detektora elektronów wstecznie rozproszonych jest oparte na tym samym zjawisku.

Układ próżniowy

Zapewnia odpowiednio niskie ciśnienie w kolumnie i komorze próbki. Tworzą go dwie pompy rotacyjne, pompa turbomolekularna oraz zawory elektromagnetyczne.

Przykłady badań za pomocą SEM:

topografia materiałów,
badanie nanostruktur,
ocena morfologii i rozkładu faz tworzyw sztucznych, ceramiki oraz kompozytów,
pomiar grubości warstwy,
pomiar ziaren (średnica, obwód, powierzchnia, kąt),
pomiar mikrotwardości,
diagnozowanie zniszczeń korozyjnych,
anliza składu chemicznego materiałów,
badania zoologiczne,
technika śledcza.

Przystawki analityczne:

spektroskopia z dyspersją energii (EDS) - analizuje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie; analiza wszystkich pierwiastków od liczby atomowej 5; mapy składu chemicznego,

spektroskopia z dyspersją długości fali (WDS) - dokładniejsza pod względem ilościowym; można określić stężenie jednego pierwiastka przez porównanie intensywności spektrum z badanej próbki ze spektrum pochodzącym ze wzorca,

spektroskopia strat energii elektronów (EELS) - analiza rozkładu energii elektronów przechodzących przez próbkę, które doznały niesprężystego rozproszenia; informacje o atomach, ich budowie elektronowej i rodzaju wiązań pomiędzy atomami; czuła na pierwiastki lekkie; znacznie lepsza rozdzielczość przestrzenna (możliwa rozdzielczość atomowa).

A oto przykładowy wynik uzyskany w ramach zajęć SEM - Studenci Entuzjaści Mikroskopii:

Wyniki analizy SEM/EDS - pasek do glukometru.

Ograniczenia

Próbka musi znajdować się w wysokiej próżni, więc:

musi być odporna na warunki próżniowe,

nie może zawierać wilgoci ani zanieczyszczeń, które mogą wydzielić się w wysokiej próżni i spowodować uszkodzenia,

musi być przewodząca; próbki nie wykazujące przewodnictwa muszą być pokryte warstwą substancji przewodzącej (węgla, srebra lub złota).

Przykładowe zdjęcia

Ziarna pyłku.

Porównanie technik: u góry analiza elektronów wstecznie rozproszonych, na dole amaliza elektronów wtórnych.

Oko muchy, powiększenie 4500x.

Nanorurki.

W tym wpisie pokazywałam zdjęcia fraktali ze srebra wykonane elektronowym mikroskopem skaningowym.

Barbacki, Mikroskopia elektronowa, wyd. 3 poprawione i uzupełnione, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2007.
Krzysztof Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska, Nanomateriały inżynierskie - konstrukcyjne i funkcjonalne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
http://pldocs.org/docs/index-43449.html
http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope
http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektronowy_mikroskop_skaningowy#Zastosowanie
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Skaneeriv_elektronmikroskoop.JPG#mediaviewer/
File:Skaneeriv_elektronmikroskoop.JPG
http://pl.wikipedia.org/wiki/Elektronowy_mikroskop_skaningowy#mediaviewer/File:Oddziaływanie_elektron-próbka_w_SEM.JPG
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Canon_(pl).JPG#mediaviewer/File:Canon_(pl).JPG
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube

Poglądy Arystotelesa

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Mon, 01 Sep 2014 10:43:00 +0000

Arystoteles (gr. Ἀριστοτέλης, Aristotelēs, ur. 384 p.n.e., zm. 7 marca 322 p.n.e.) – filozof, jeden z trzech, obok Sokratesa i Platona najsławniejszych filozofów starożytnej Grecji. Nazywany też Stagirytą (od miejsca urodzenia), lub po prostu Filozofem (w tekstach średniowiecznych i nowożytnych).

Według Arystotelesa cały świat składał się z czterech elementów. Różne związki powstawały poprzez łączenie się ich w różnych proporcjach. Wykluczone było łączenie się skrajnych sprzeczności, ponieważ ich właściwości zostałyby zniwelowane. Nie wyobrażano sobie by woda (mokra i zimna) mogła połączyć się z ogniem (suchym i gorącym), natomiast możliwe było połączenie się wody albo ognia z dwoma pozostałymi elementami. Teorię tę przedstawiano w następujący sposób:

Z powyższego rysunku wynika, że można łączyć parami następujące elementy:

ogień i powietrze,
powietrze i wodę,
wodę i ziemię,
ziemię i ogień.


Cztery elementy: ogień, powietrze, ziemia i woda. Ilustracja z: Izydor z Sewilli, De Responsione Mundi Et Astrorum Ordinatione (Augsburg 1472).

Przyjmowano również, że elementy mogły przechodzić wzajemnie jedne w drugie, ale tylko w kierunku elementów o podobnych właściwościach, tak więc można zmienić ogień w powietrze, powietrze w wodę, wodę w ziemię i ziemię w ogień, ale ziemia nie mogła zamienić się w powietrze, a woda w ogień. Według teorii głoszonej przez szkołę Arystotelesa zmiany te dokonywały się nieustannie kołowo, w ten sposób, że w sumie jest stale zachowana równowaga między czterema elementami (przeczucie zasady zachowania masy i energii).

Następcy Arystotelesa przyjęli piątą substancję eter, zupełnie odmienną od ziemskich substancji i nie podlegającą ich prawom. Nieustannie krążący eter był niezmienny i doskonały sam w sobie. Był czynnikiem utrzymującym wszechświat. Ten pogląd przetrwał dłużej niż nauka Arystotelesa o czterech elementach.

Celem filozofów greckich było uwolnić z substancji przez "operacje" elementy podstawowe, a przez dalsze "operacje" utworzyć nowe związki i w ten sposób zamieniać jedną substancję w drugą.

http://pl.wikipedia.org/wiki/Arystoteles

H. E. Fierz-Dawid, Historia rozwoju chemii, Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1958.
Arthur Greenberg, From Alchemy to Chemistry in Picture and Story, John Wiley & Sons 2007

Mikroskop sił atomowych

noreply@blogger.com (Katarzyna Krok) — Fri, 29 Aug 2014 11:27:00 +0000

W tym wpisie wspominałam o ograniczeniach mikroskopu optycznego, przy pomocy którego nie można zobaczyć obiektów mniejszych niż około połowa długości fali światła widzialnego (400-700 nm). Jednym z narzędzi pokonujących tą barierę jest mikroskop sił atomowych (AFM), dzięki któremu możemy uzyskać obraz powierzchni z rozdzielczością atomową. Pierwsze takie urządzenie skonstruowali Gerd Binnig, Calvin F. Quate i Christoph Gerber w 1986 roku.

mikroskop AFM

Podstawowymi komponentami są: sonda (mniej niż 10 nm średnicy) na sprężystej dźwigni (długość od 100 do 200 mikrometrów), skaner piezoelektryczny (przesuwa sondę) oraz komputer. Topografia próbki odtwarzana jest na podstawie danych o ugięciu dźwigni. Ugięcie to jest mierzone metodą optyczną za pomocą zogniskowanej wiązki lasera, która trafia do fotodetektora po odbiciu od powierzchni dźwigni. Każde odchylenie dźwigni wywołuje zmianę pozycji plamki lasera na detektorze, dzięki czemu możliwe jest wyznaczenie zmiany położenia dźwigni z dokładnością poniżej 1 nm, stosując dalsze ulepszenia możliwe jest osiągnięcie rozdzielczości poniżej jednego angstrema.

Dźwignia i sonda muszą spełniać określone wymagania. Ich długość powinna być możliwie jak największa tak samo jak twardość, dlatego często są zrobione z takich związków jak SiO₂, Si, Si₂N₄. Z kolei masa oraz promień krzywizny na końcu muszą być jak najmniejsze. Aby zwiększyć zdolność rozdzielczą sondy na jej końcu umieszcza się igiełkę węglową.

Fotografia SEM sondy

Pomiędzy sondą i próbką występują różne rodzaje oddziaływań:

1) krótkozasięgowe:

odpychania jonowe,
wiązania kowalencyjne i metaliczne,
zmiana konfiguracji elektronowej.
deformacje elastyczne i plastyczne,

2) długozasięgowe:

siły van der Waalsa,
kapilarne,
magnetyczne,
elektrostatyczne.

Mikroskop sił atomowych może pracować w trzech trybach:

1) tryb kontaktowy (contact mode):

sonda dotyka powierzchni próbki (stała siła),
występują krótkozasięgowe siły odpychania międzyatomowego (nakładanie się chmur elektronowych związanych z atomami ostrza oraz na powierzchni próbki),
odpychające siły kontaktowe powodują wychylenie dźwigni proporcjonalnie do zmian topografii powierzchni,
duża rozdzielczość,
łatwo uszkodzić sondę i próbkę
technika wolniejsza.

2) tryb bezkontaktowy (noncontact mode):

sonda 10 - 100 nm nad próbką, wysokość sondy nie ulega zmianie,
sonda wprawiana w drgania,
odległość między sondą a próbką jest bliska amplitudzie wibracji dźwigni,
oddziaływania przyciągające (dominacja oddziaływań van der Waalsa dalekiego zasięgu),
oddziaływanie sondy z próbką prowadzi do zmiany częstotliwości rezonansowej lub amplitudy oscylacji dźwigni; podczas skanowania układ elektryczny dąży do utrzymania tych wartości na stałym poziomie poprzez przemieszczanie sondy w górę i w dół, tak aby zachowana była odległość próbka-sonda,
można badać próbki miękkie,
niższa zdolność rozdzielcza,
szybkie skanowanie pozwala na obrazowanie w czasie rzeczywistym,

3) tryb "przerywanego kontaktu" (semicontact mode, tapping mode):

powierzchnia próbki jest "opukiwana" przez przemieszczającą się sondę,
kontakt okresowy,
można badać miękkie próbki,
polepszona rozdzielczość (obrazowanie większych powierzchni o dużej różnorodności topograficznej).

Jedynym trybem, w którym możemy naprawdę badać oddziaływanie z pojedynczym atomem jest obrazowanie bezkontaktowe.

Wykres oddziaływania sonda - próbka.

Najważniejsze zalety mikroskopii sił atomowych to: uzyskanie obrazu powierzchni ze zdolnością rozdzielczą rzędu wymiarów pojedynczego atomu, możliwość obrazowania 3D, badanie dowolnych próbek przewodzących i nieprzewodzących. Pomiary można prowadzić w warunkach wysokiej próżni, normalnej atmosfery lub nawet w warunkach, gdy badana próbka oraz sonda zanurzone są w cieczy. Ta ostatnia możliwość sprawia, że technika ta jest bardzo przydatna do badań układów biologicznych.

Ważniejsze zastosowania:

mikroskopowe mapy opisujące zarówno ukształtowanie powierzchni, jak i jej właściwości fizyczne, takie jak: tarcie, adhezja, rozkład ładunku elektrostatycznego, przewodność elektryczna, struktura domen magnetycznych i przewodność termiczna,
obrazowanie ścian domenowych w ferroelektrykach,
obrazowanie i badanie właściwości żywych komórek w ich naturalnym ciekłym środowisku,
badanie pojedynczych warstw atomów na specjalnych matrycach,
badanie struktury krystalicznej próbek,
dokonywanie manipulacji obiektami znajdującymi się na powierzchni próbki w skali subnanometrycznej.

Powierzchnia DVD

Wizualizacja AFM powierzchni kauczuku polisiloksanowego, wykonanego w trybie kontaktu przerywanego.

Powierzchnia szkła.

Pojedynczy łańcuchy polimerowy zarejestrowane w trybie "przerywanego kontaktu".

SEM - Studenci Entuzjaści Mikroskopii

https://www.coursera.org/course/nanosensors
https://www.youtube.com/watch?list=UUCYXhzZBFdb4fx2aCdU2sBg&v=Frr3KBWMP9I
Robert W. Kelsall, Iwan W. Hamley, Mark Geoghegan, Nanotechnologie, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2008.
Krzysztof Kurzydłowski, Małgorzata Lewandowska, Nanomateriały inżynierskie - konstrukcyjne i funkcjonalne, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
http://pl.wikipedia.org/wiki/Mikroskop_sił_atomowych
http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_force_microscopy