NANOPARTİKÜL BOYUT ve ZETA POTANSİYEL ÖLÇÜM CİHAZLARI

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

BeNano Serisi Nanopartikül Boyut ve Zeta Potansiyeli Analiz Cihazları

Bettersize Instruments tarafından geliştirilen BeNano Serisi, nanopartikül boyut ve zeta potansiyeli analizörlerinin en son neslini temsil eder. Partikül boyutu, zeta potansiyeli ve moleküler ağırlığın hassas ölçümlerini sağlamak için dinamik ışık saçılması (DLS), elektroforetik ışık saçılması (ELS) ve statik ışık saçılması (SLS) içerir.

BeNano Serisi, kimya mühendisliği, ilaç, yiyecek ve içecek, mürekkepler ve pigmentler ve yaşam bilimi dahil ancak bunlarla sınırlı olmamak üzere çeşitli endüstrilerdeki akademik ve üretim uygulamalarında kapsamlı bir kullanım alanı bulur.

Dinamik ışık saçılması (DLS)

Nanopartikül karakterizasyonu alanında, dinamik ışık saçılması (DLS) veya foton korelasyon spektroskopisi (PCS) yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. DLS partikül boyut analizörü, nanopartiküller, emülsiyonlar ve süspansiyonlar için doğru, hızlı ve oldukça tekrarlanabilir ölçümler sağlar. BeNano 180 Zeta Pro nanopartikül analizörü dinamik ışık saçılımını kullanır ve 0,3 nanometre kadar küçük nanomalzemeleri doğru bir şekilde ölçebilir. Bu yetenek, onu nanopartiküllerin boyut dağılımını analiz etmek ve nano tozlu malzemeleri araştırmak için vazgeçilmez bir araç haline getirir.

Teorik Arka Plan

Işık saçılımı, tek renkli ve tutarlı bir ışık kaynağının bir partikülü oluşturan atomlardaki yüklerle etkileşime girmesiyle oluşan salınımlı bir dipolden gelen ışığın her yöne dağılmasını ifade eder.

Saçılan ışığın yoğunluğu, partikülün boyutu ve moleküler ağırlığı gibi içsel fiziksel özelliklerinden etkilenir. Bu yoğunluk, partiküllerin ortamdaki moleküllerle çarpışmaları sonucu kendiliğinden ve sürekli hareket etmesiyle oluşan Brown hareketi geçiren partiküllerin rastgele hareketi nedeniyle zamanla dalgalanır.

Saçılan ışık yoğunluğundaki zamanla oluşan dalgalanmalar, oto-korelasyon fonksiyonunun analizi yoluyla difüzyon katsayısının belirlenmesini sağlar. Sadece partikülün öteleme hareketini belirten ve dönme hareketini belirtmeyen öteleme difüzyon katsayısı, Brown hareketinin hızını ölçmek için kullanılır. Bu katsayı, partikülün başlangıç ​​noktasından uzaklaşma olasılığını hesaba katmak için zaman birimi başına alan birimleri olarak ölçülür.

Partikül boyut dağılımı daha sonra Stokes-Einstein denklemi kullanılarak difüzyon katsayısından hesaplanabilir. Bu analitik yönteme dinamik ışık saçılması denir ve genellikle DLS olarak kısaltılır.

Stokes-Einstein denklemi aşağıdaki şekilde ifade edilir:

Denklem 1: Stokes-Einstein denklemi

Hidrodinamik yarıçap, aynı boyuttaki mükemmel küresel bir partikülle aynı oranda yayılan bir partikülün etkin boyutudur. Şekil 1'de, partikülün gerçek boyutu, merkezi ile dış kenarı arasındaki mesafedir, oysa hidrodinamik yarıçap, tek bir bütün olarak yayıldıkları için bağlı parçaların uzunluğunu hesaba katar. Hidrodinamik yarıçap, öteleme difüzyon katsayısıyla ters orantılı olarak değişir.

Şekil 1: Hidrodinamik yarıçapın gösterimi.

Optik Kurulum

Şekil 2, DLS cihazının tam düzenlemesini göstermektedir.

Şekil 2, BeNano 90, Bettersize Instruments'ın dinamik ışık saçılımı için optik kurulumunu göstermektedir.

Lazer
DLS cihazlarında kullanılan lazer cihazlarının çoğu gaz lazerleri ve katı hal lazerlerinden oluşur. DLS kurulumlarında yaygın olarak bulunan bir gaz lazeri örneği, 632,8 nm dalga boyunda ışık yayan helyum-neon lazeridir. Katı hal lazeri, ışık üretme aracı olarak katı bir malzeme kullanır. Bu lazerlerde, optik özelliklerini değiştirmek için katı malzemeye "dopant" adı verilen az miktarda safsızlık eklenir. Bu dopantlar genellikle neodim, krom ve iterbiyum gibi nadir toprak mineralleridir. En sık kullanılan katı hal lazeri, Nd: YAG olarak kısaltılan neodim katkılı itriyum alüminyum garnettir. Gaz lazerleri, nispeten düşük bir maliyetle kararlı bir dalga boyunda ışık yayma avantajına sahiptir. Ancak gaz lazerleri genellikle büyük hacimleri nedeniyle hantaldır. Tersine, katı hal lazerleri kompakt ve daha hafiftir, bu da onlarla çalışmayı daha yönetilebilir hale getirir.

Dedektör
Numune hücresi bir lazer ışınıyla ışınlanır ve bu da partikülün ışığı dağıtmasına neden olur, bu da daha sonra Brown hareketi nedeniyle dalgalanır. Yüksek hassasiyete sahip bir dedektör, düşük yoğunluklarda bile dağılmış ışık sinyallerindeki bu dalgalanmaları yakalar ve bunları korelatörde analiz edilmek üzere elektrik sinyallerine dönüştürür. Fotomultiplier tüpleri ve çığ fotodiyotları, DLS'nin optik kurulumunda genellikle dedektör olarak kullanılır. Lawrence W.G. ve diğerlerine göre, PMT ve APD çoğu sinyal seviyesinde benzer gürültü-sinyal performansı sergiler ve APD, kırmızı ve yakın kızılötesi spektral bölgelerde PMT'yi geride bırakır. APD ayrıca PMT'ye kıyasla daha yüksek mutlak kuantum verimliliği gösterir. Bu nedenlerden dolayı, APD giderek DLS cihazlarında kullanılmaktadır.

Korelatör
Optik kurulum tamamlandıktan sonra, korelatör, hidrodinamik yarıçapın dağılımını hesaplamak için dedektörler tarafından algılanan sinyalleri analiz eder. Detektörden toplanan saçılma yoğunluğunu, kendisinin zaman kaydırmalı bir versiyonuyla çarparak, korelatör matematiksel bir algoritma kullanarak oto-korelasyon fonksiyonu G1(q, τ) üretir. G1(q, τ) fonksiyonu, 1'den 0'a kadar tek bir üstel azalma gösterir ve bu da t zamanındaki ve t zamanı artı τ'daki sinyaller arasındaki korelasyonu gösterir. Elde edilen korelasyon fonksiyonu bilgisi daha sonra Stokes-Einstein denklemi kullanılarak hidrodinamik yarıçapı hesaplamak için kullanılır.

Monodispers ve Polidispers

Monodispers partiküller boyut, şekil ve kütle bakımından homojenlik gösterir ve bu da partikül boyut dağılım eğrisinde tek bir dar tepeye yol açar. Buna karşılık, polidispers partiküller bu özelliklerde değişkenlik gösterir. Örneklerin polidispersitesini kabul etmek çok önemlidir çünkü korelatördeki hidrodinamik yarıçap dağılımını hesaplamak için kullanılan algoritmalar, örneklerin monodispers veya polidispers olmasına göre farklılık gösterir.

Polidispers örneklerin oto-korelasyon fonksiyonunu ele almak için iki temel matematiksel algoritma kullanılır. En yaygın yöntem, oto-korelasyon fonksiyonunun Taylor genişlemesini çözmeyi gerektiren Cumulants yöntemidir. Ancak, Cumulants yöntemi yalnızca minimum boyutta polidispersiteye sahip örnekler için geçerlidir. Hesaplamayı doğrulamanın bir yolu, polidispersite indeksini (PDI) hesaplamak ve kontrol etmektir; Cumulants analizi yalnızca PDI değeri nispeten küçükse geçerlidir. Öte yandan, CONTIN algoritması, geniş dağılıma sahip örnekler için hidrodinamik yarıçap dağılımını doğrudan hesaplayabilir. Düzenlemeyi içeren oldukça karmaşık bir matematiksel teknik içerir.

Veri Yorumlama

Partikül boyut test sonuçlarını değerlendirirken, verilerin yorumlanması partikül boyutlarının kalitesi ve dağılımı hakkında fikir verebilir. Partikül boyut analizine geçmeden önce korelasyon fonksiyonunun kalitesini değerlendirmek önemlidir, çünkü bu doğrudan partikül boyut sonuçlarının doğruluğunu etkiler. Korelasyon fonksiyonunun genel kalitesi şeklinden çıkarılabilir. Şekil 6'da, gürültüsüz 1'den 0'a düzgün, üstel olarak azalan bir korelasyon eğrisi iyi gerçekleştirilmiş bir korelasyonu gösterir ve partikül boyut dağılımı analizine devam etmeye hazır olunduğunu gösterir.

Şekil 6, iyi tanımlanmış bir korelasyon fonksiyonu eğrisini göstermektedir.

Şekil 7'de gösterildiği gibi, eğri genel olarak biraz gürültüyle düzgün kalırsa, bu durum sonuçların tutarlılığını etkileyen numunelerde bulunan safsızlıklara atfedilebilir. Bu durumda, operatör, çözeltideki büyük toz parçacıkları gibi safsızlıkları ortadan kaldırmak için uygun şırınga gözenek boyutunu kullanarak numune çözeltisini bir kez daha filtreleme seçeneğine sahiptir.

Şekil 7, bir örnek olarak gürültü içeren bir korelasyon fonksiyonu eğrisini göstermektedir.

Şekil 8'deki korelasyon fonksiyonu eğrisi, bir test sırasında yetersiz saçılma olduğunda oluşan eğriye benzeyecektir.

Şekil 8, güçlü bir korelasyonun olmadığını gösteren bir korelasyon fonksiyonu eğrisinin bir örneğini göstermektedir.

Bu senaryoda fonksiyonun maksimum değeri 1'den önemli ölçüde düşüktür ve üstel bozunma özelliklerini göstermez. Bunu ele almak için operatör, saçılmayı artırmak için örnek konsantrasyonunu veya alt çalıştırma sayısını artırmayı düşünebilir.

Dinamik Işık Saçılması (DLS), saçılmış yoğunlukla ağırlıklandırılmış bir boyutu temsil eden z-ortalama partikül boyutu hakkında veri sağlar. Bunun nedeni, Cumulants ve CONTIN yöntemini kullanarak korelasyon fonksiyonu integralinin hesaplanması, ortalama bir translasyonel difüzyon katsayısı üretilmesi ve böylece Stokes-Einstein denkleminden ortalama hidrodinamik yarıçapın elde edilmesidir. Z-ortalama partikül boyutunun geçerliliği polidispersite indeksi (PDI) kullanılarak doğrulanmalıdır. Sonuç tablosunu incelerken, bir DLS partikül boyut raporu, karşılık gelen belirsizliğiyle birlikte z-ortalama partikül boyutunu ve PDI değerini içerir.

Büyük bir PDI değerinin, numunelerde potansiyel polidispersiteye işaret ettiğini ve z-ortalama partikül boyutunu numunenin eksik bir temsili haline getirdiğini belirtmek önemlidir.

Dinamik ışık saçılmasının ISO 22412:2017 Partikül Boyutu analizine göre, partikül boyutu ölçümlerine belirsizlikler ve tekrarlanabilirlik eşlik etmelidir. Ölçüm belirsizliği standart sapma ile gösterilirken, tekrarlanabilirlik her test çalışması içinde birden fazla ölçümden elde edilen sonuçların yakınlığını gösteren bağıl standart sapma ile gösterilir. ISO 22412:2017 standartlarına göre, 50 nm ile 200 nm arasındaki çaplara sahip monodispers malzemeler %2'den daha az z-ortalama partikül boyut tekrarlanabilirliği göstermelidir.

Geri Saçılmayı Algılama Teknolojisi

En İyi Algılama Pozisyonunu Bulmak İçin Akıllı Aramayı Kullanma

Statik Işık Saçılması (SLS)

SLS teknolojisinde, polimerler ve proteinler gibi çözeltilerde çözünen makromoleküllerin ağırlık ortalamalı moleküler ağırlığı ölçülür. Bir SLS ölçümü gerçekleştirirken, cihaz farklı konsantrasyonlardaki çözeltilerdeki partiküllerin saçılma yoğunluklarını belirler. Farklı konsantrasyonlardaki numunelerin Rayleigh oranları hesaplanır ve ardından bir Debye grafiği oluşturmak için konsantrasyonlara karşı çizilir. Daha sonra, moleküler ağırlık Mw ve ikinci virial katsayısı A2, sırasıyla Debye grafiğinin doğrusal uyumunun kesişiminden ve eğiminden türetilir.

Elektroforetik Işık Saçılması (ELS)

Işık saçılması teknolojisi alanında, ELS bir çözeltide asılı duran partiküllerin zeta potansiyelini ölçmek için kullanılır. Bu, saçılan ışıktaki Doppler kaymalarını gözlemleyerek elde edilir. Numuneye bir elektrik alanı uygulandığında, süspansiyonda dağılan yüklü parçacıklar elektroforetik harekete uğrar. Doppler etkisi, saçılan ışıkta olay ışığına kıyasla bir frekans kaymasına neden olur ve bu kaymanın büyüklüğü partiküllerin elektroforetik hızına bağlıdır. İleri yönde konumlandırılmış bir dedektör saçılma sinyalini yakalar ve bundan frekans kayması Δf ve elektroforetik hareketlilik belirlenebilir. Daha sonra Henry denklemi zeta potansiyelini ve elde edilen elektroforetik hareketliliğe dayalı dağılımını türetmek için kullanılır.