Study of Processes Associated with Freezing of Aqueous Solutions

Mgr. Ľubica Vetráková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Většina látek rozpuštěných ve vodním roztoku je prakticky nerozpustná v ledu. Při mrazení vodných roztoků můžeme proto pozorovat zajímavé jevy. Ve své disertaci popisuji a vysvětluji některé z nich – zakoncentrování mrazením, selektivní zabudování iontů a změnu kyselosti při mrazení. Tato práce se zaměřuje hlavně na změny kyselosti při mrazení roztoků pufrů a solí a vliv těchto změn kyselosti na stabilitu a reaktivitu ostatních látek přítomných v roztoku. Kyselost v pevném stavu byla stanovena spektroskopicky s použitím acidobazických indikátorů, a numericky vyhodnocena jako Hamettova aciditní funkce. Disertační práce popisuje a diskutuje čtyři projekty. První projekt se zabývá změnami kyselosti při mrazení a lyofilizaci fosfátových pufrů. Kyselosti mrazených a lyofilizovaných pufrů byly monitorovány jako funkce původního pH roztoku. I když byly kyselosti lyofilizátů do jisté míry podobné původnímu pH, nenašli jsme žádnou podobnost mezi původním pH a kyselostí zmrazeného pufru, ani mezi kyselostí zmrazeného pufru a výsledného lyofilizátu. Závěrem projektu je, že monitorování kyselosti výsledného lyofilizátu není dostatečné na předpovídání všech změn kyselosti během celého procesu lyofilizace. Ve druhém projektu byly kyselosti zmrazených roztoků pufrů korelovány s obnovenou aktivitou modelového enzymu DbjA, který byl podroben několika cyklům zmrazení a rozmrazení v daném pufru. Změny kyselosti při mrazení byly následně potlačeny přídavkem vhodné soli, což mělo za následek úplné obnovení aktivity modelového enzymu po zmrazení a rozmrazení. Tyto výsledky demonstrují silný vliv lokální kyselosti ve zmrazeném stavu na stabilitu zmrazených proteinů. Třetí projekt se zaměřuje na hledání důvodu zrychlení redoxní reakce mezi 4 chlorofenolem a chromanem v ledu oproti reakci v nezmrazeném roztoku. Tato reakce začala probíhat v roztoku jen tehdy, když byla koncentrace jednoho z reaktantů zvýšená 100-násobně a pH roztoku pokleslo o 3 jednotky. Z toho vyvozujeme, že důvod pro zrychlení této reakce v ledu je kombinace zakoncentrování roztoku a poklesu pH při mrazení. Poslední projekt se zabývá ledovými květy – dendritickými ledovými útvary, které vznikají na čerstvém ledu. O ledové květy se zajímají environmentální chemici kvůli jejich předpokládané roli při tvorbě solných aerosolů v polárních oblastech. Proto jsme pozorovali integritu laboratorně připravených ledových květů pomocí environmentálního rastrovacího elektronového mikroskopu. Výsledky této studie ukazují, že ledové květy pravděpodobně nejsou přímým zdrojem solných aerosolů v polárních oblastech.

Abstract:

Most of solutes present in an aqueous solution are very poorly soluble in ice. As a result, interesting phenomena are observed when aqueous solutions are frozen. In my dissertation, I describe and explain some of them – freeze-concentration, selective ion incorporation, and freezing-induced acidity change. The thesis focuses mainly on the study of the acidity changes during freezing of solutions of buffers and salts, and how these acidity changes impact the stability and reactivity of other compounds present in a solution. Solid state acidity was assayed spectroscopically with a use of acid-base indicators, and numerically evaluated in terms of Hammett acidity function. Four projects are described and discussed in this dissertation. The first project deals with freezing- and sublimation-induced acidity changes during freezing and lyophilization of phosphate buffers. The acidities of frozen and lyophilized samples were monitored as a function of initial pH. Although the acidity of lyophiles was somewhat similar to the initial pH, we found no resemblance between the initial pH and the acidity in the frozen state, nor between the frozen-state acidity and that of the resulting lyophile. This implies that monitoring only the acidity of a lyophile is not sufficient to predict all the acidity changes throughout the whole lyophilization process. In the second project, the frozen-state acidities of buffers were correlated to recovery activity of the model enzyme, DbjA, that underwent several freeze-thaw cycles in the corresponding buffer solution. Subsequently, the freezing-induced acidity changes were prevented by addition of a properly chosen salt, and the activity of the model enzyme after freezing and thawing was completely recovered. This demonstrates the strong effect of the local frozen-state acidity on the stability of frozen-thawed proteins. The third project focuses on accelerated redox reaction between 4 chlorophenol and chromate in a frozen solution in comparison with the reaction in an aqueous solution. The cause of the acceleration was sought. 100-fold increased concentration of one reactant and a decrease of pH by 3 units were both needed for the reaction to proceed in solution. Therefore, the acceleration of the reaction in ice is reasoned by the freeze-concentration and the freezing-induced acidity change. The last project deals with frost flowers - dendritic formations of ice crystals found on freshly formed ice. The frost flowers are of interest for environmental chemists due to their suspected role in a formation of sea-salt aerosol in polar areas. We prepared the frost flowers in the laboratory and studied their integrity upon ice sublimation with environmental scanning electron microscope. The results of the observations imply that the frost flowers are probably not a direct source of a sea-salt aerosol in polar areas.

Keywords

freezing, ice, acidity changes, pH shift, solid-state acidity, crystallization of buffers, denaturation of enzymes, frost flowers, acceleration of reactions, freeze-concentration, selective ion incorporation, cryoprotection, indicator, acidity probe, spectroscopy, diffuse reflectance, phosphate buffer, DbjA, lyophilization, mrazení, led, změny kyselosti, skok pH, kyselost v pevné fázi, krystalizace pufrů, denaturace enzymů, ledové květy, zrychlení reakcí, zakoncentrování při mrazení, selektivní zabudování iontů, kryoprotekce, indikátor, aciditní sonda, spektroskopie, difusní reflektance, fosfátový pufr, lyofilizace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 4. 8. 2017

Thesis defence

• Date of defence: 13. 9. 2017
• Supervisor: doc. Mgr. Dominik Heger, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Přemysl Lubal, Ph.D., prof. RNDr. Jiří Kolafa, CSc., Evgenyi Shalaev, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Physical Chemistry