Applications of nanoscale chemical imaging in the life and polymer sciences

Abstract

Rasterkraftmikroskopie-Infrarotspektroskopie (AFM-IR) ist eine auf Rastersonden basierende IR-Technik, die die Ortsauflösung eines AFM mit den chemischen Informationen der IR-Spektroskopie kombiniert. AFM-IR profitiert von den seit langem etablierten Spektren-Struktur-Korrelationen der Bulk-IR-Spektroskopie und kann chemische Bilder mit einer Ortsauflösung von 10 nm detektieren. Trotz des Potenzials zur chemischen Charakterisierung eines breiten Spektrums von organischen Materialien im Nanomaßstab wird AFM-IR noch nicht in großem Umfang in der angewandten Forschung eingesetzt, insbesondere nicht in interdisziplinären Forschungsgebieten. In dieser Arbeit wurde AFM-IR in den Bio-und Polymerwissenschaften durch eine Reihe von Kooperationen sowohl mit anderen Forschungsgruppen innerhalb der TU Wien als auch mit Unternehmenspartnern angewandt. Zusätzlich wurde ein perspektivischer Artikel über die Anwendung von AFM-IR in den Biowissenschaften verfasst, mit dem Ziel, die zukünftige interdisziplinäre Zusammenarbeit mit dieser Disziplin zufördern.T. Reesei ist ein filamentöser Pilz, der aufgrund seiner außergewöhnlichen Produktion und Sekretion von Cellulasen, Xylanasen und Endoglucanasen in der industriellen Enzymproduktion eingesetzt wird. In dieser Arbeit wurde die intrazelluläre Verteilung von β-Faltblatt-haltigen Cellulasen und Xylanasen durch die Kombination von Kontaktmodus-AFM-IR mit Fluoreszenzmikroskopie und chemometrischer Analyse kartiert. Dies war durch die Verwendung eines fluoreszierenden Markers (verstärkt gelb fluoreszierendes Protein) möglich, der in kleinen Mengen unter den gleichen Bedingungen wie die Cellulasen produziert und mit ihnen zusammengebracht wird. Das daraus resultierende Fluoreszenzsignal wurde zur Kalibrierung eines Regressionsmodells der partiellen kleinsten Quadrate (PLS) verwendet, das in der Lage ist, die intrazelluläre Verteilung von Cellulasen und Xylanasen vorherzusagen. Bei der Anwendung auf die Polymerwissenschaft war der erste Schritt die Entwicklung eines zuverlässigen Protokolls für die nanoskalige Charakterisierung von Polymerproben mit AFM-IR. Besonderes Augenmerk wurde auf die Probenvorbereitung gelegt. Diese erfordert einen Mikrotomschnitt bei einer Temperatur, die unter der Glasübergangstemperatur des Polymers liegt, um ein Verschmieren und damit verbundene Artefakte und somit erhöhte Messschwierigkeiten zu vermeiden. Das Protokoll wurde dann für die Analyse von vier verschiedenen handelsüblichen Polymerproben angewandt, was die Identifizierung und Kartierung nicht nur der Hauptbestandteile der Mischungen, sondern auch ihrer mineralischen Füllstoffe ermöglichte.Schließlich wurde ein handelsübliches Recycling-Polyolefin-Gemisch mit Hilfe von AFM-IR im Tastmodus auf der Nanoskala gründlich charakterisiert. Das Vorhandensein einer Grenzflächezwischen der Polyethylen (PE)-und der Polypropylen (PP)-Phase wurde mithilfe eines Gaußschen Mischungsmodells nachgewiesen und als Ethylen-Propylen-Kautschuk identifiziert, der möglicherweise als Kompatibilisierungsmittel für die Polyolefinmischung dient. Darüber hinaus wurde das Vorhandensein kleiner PP-Tropfen in der PE-Phase sowie die weite Verbreitung von Verunreinigungen aus Nicht-Polyolefin-Polymeren festgestellt. Diese Ergebnisse zeigen die Nützlichkeit der AFM-IR-Methode bei der Analyse komplexer Rezyklatproben, bei denen die herkömmlichen Methoden zur Charakterisierung im Nanobereich (Elektronenmikroskopie und AFM) ohne die Verwendung von Färbeprotokollen keine direkten chemischen Informationen liefern.

Atomic Force Microscopy –Infrared Spectroscopy (AFM-IR) is a scanning probe-based nanoscale IR technique that combines the resolution of an AFM with the chemical information provided by IR spectroscopy. AFM-IR benefits from bulk IR spectroscopy ́slong established spectra-structure correlations to extract valuable information at a maximum resolution of 10 nm. Despite its potentialto obtain nanoscale chemical characterization of a broadrange of samples, AFM-IRis still not widely used to solve applied problems, particularly those involving interdisciplinary research.In this thesis, AFM-IR was applied to the life and polymer sciences through a series of collaborative works with both other research groups within TU Wien, as well as external companies. Additionally, a perspectivearticlewas written on the application of AFM-IRto the life sciences, with the aim of incentivizing future interdisciplinary collaboration between the two fields.T. Reeseiis a filamentous fungi used inindustrial enzyme production due to its exceptional production and secretion of cellulases, xylanases and endoglucanases. In this work, the intracellular distribution of β-sheet containing cellulases and xylanases was mapped by combining contact mode AFM-IR with fluorescence microscopy and chemometric analysis. This was possible through the use of a fluorescent label (enhanced yellow fluorescent protein) which is produced in small amounts under the same condition as the cellulases and is collocated with them. The resulting fluorescence signal was used to calibrate a partial least squares model which is capable of predictingthe distribution of cellulases and xylanases intracellularly. When applied topolymer science, the first step was the development of areliable protocol for the nanoscale characterization of polymer samples using AFM-IR. Particular emphasis wasplaced on the sample preparation, which requires microtome sectioning at a temperature lower than the glass-transition temperature of the material to prevent smearing, and subsequent artifacts and increased measurement difficulty. The protocol was then followed for the analysis of four different commercially available polymer samples,allowingthe identification and mapping of not only the major components of the blends, but also of their mineral fillers. Finally, a commercially available post-consumer polyolefin recyclate blend was thoroughly characterized at the nanoscale using tapping mode AFM-IR. Thepresence of an interface between the polyethylene (PE)and polypropylene (PP) phaseswas detected usinga gaussian mixture model and identified as being ethylene propylene rubber, which potentially actsas a compatibilizer to the polyolefin blend. Additionally, the presence of small PP droplets inside the PE phase was detected, as well as the widespread distribution of non-polyolefin polymer contaminants. These results showcase the usefulness of AFM-IR in the analysis of complex recyclate samples, where the traditional nanoscale characterization methods (electron microscopies and AFM) do not offer direct chemical information without the use of staining protocols.