Comparação do tamanho de partículas (granulometria) medido por TEM e DLS (Espalhamento de Luz Dinâmico)

Medição padrão de látex por Espalhamento de Luz Dinâmico (DLS)

Espalhamento de Luz Dinâmico (DLS) é uma técnica não invasiva adequada para a caracterização do tamanho de nanopartículas e moléculas de baixo peso molecular, como proteínas e polímeros. Essa técnica mede as flutuações na intensidade da luz espalhada ao longo do tempo, causada pelo movimento aleatório das partículas ou moléculas que sofrem movimento browniano. A velocidade deste movimento browniano é medida e é denominada coeficiente de difusão translacional (D), que pode ser convertido em diâmetro hidrodinâmico (D,_H) utilizando a equação de Stokes-Einstein [1-3].

Como o DLS é uma técnica absoluta que usa o primeiro princípio, não é necessário calibrá-lo. No entanto, deve-se realizar regularmente a verificação do instrumento para assegurar o funcionamento correto.

Os látex poliméricos esféricos são comumente usados para verificar o desempenho apropriado do instrumento, pois podem ser usados como dispersões quase perfeitamente esféricas e unidimensionais. A esfera é a única forma tridimensional que pode ser definida com precisão por um único valor de tamanho, eliminando assim as incertezas associadas ao cálculo da média de tamanho.

As amostras de látex polimérico têm outras vantagens. Sua densidade é semelhante à da água, portanto, partículas menores que um mícron permanecem em suspensão durante a medição. As dispersões podem ser armazenadas à temperatura ambiente e têm vida útil de meses ou anos.

Os materiais padrão de tamanho da série Nanosphere 3000 [3] vêm com certificados de calibração medidos por microscopia eletrônica de transmissão (TEM) rastreáveis ao NIST [4]. As especificações padrão também incluem o diâmetro hidrodinâmico medido por DLS.

Os materiais padrão de tamanho da série Nanosphere 3000 estão disponíveis de 20 nm a 900 nm. Os tamanhos mais fáceis de medir estão entre 20 nm e 300 nm. Partículas maiores que 60 nm são suficientemente grandes para proporcionar resultados altamente reprodutíveis em diluentes adequados para DLS. Partículas maiores que 300 nm começam a mostrar uma mudança distinta na intensidade de espalhamento com a alteração do ângulo de medição, ferrmenado a desconsideração do ângulo.

Os padrões das séries Duke 2000 e 4000 são materiais padrão de tamanhos rastreáveis ao NIST que também podem ser usados para aplicações de verificação de DLS e incluem tamanhos acima de 1 mícron.

Tamanhos Hidrodinâmicos Certificados

Os resultados indicados no frasco do Nanosphere são os resultados certificados obtidos por TEM.

Os resultados de DLS (ou seja, tamanhos hidrodinâmicos) são citados na folha de especificações fornecida, mas não são valores certificados.

Para todos os materiais padrão Nanosphere 3000, a precisão de tamanho medida por DLS deve estar dentro de ±2% do intervalo de tamanho hidrodinâmico especificado para amostras preparadas em 10 mM de NaCl [2,3].

Cloreto de sódio é usado para suprimir a camada dupla elétrica. Se os padrões forem diluídos em água desionizada, a camada dupla se expande e o tamanho aumenta artificialmente, podendo causar desvio das especificações.

Comparação de Tamanhos Medidos por TEM e DLS

Diferentes técnicas de medição podem fornecer resultados diferentes em termos de tamanho, pois medem características diferentes das partículas. Portanto, uma pergunta frequente é: qual resultado é o correto?

Para muitos, “ver é crer”, então os resultados do microscópio eletrônico são “precisos”.

Na prática, as amostras preparadas para microscopias eletrônicas são frequentemente tratadas severamente, e este tratamento pode distorcer materiais macios, como a matriz polimérica, alterando ou mascarando as estruturas de superfície.

Isso pode tornar impossível a medição do tamanho de alguns tipos de materiais, como micelas de surfactantes. Em contraste, o DLS mede o diâmetro hidrodinâmico de partículas dispersas em um ambiente nativo.

Qualquer estrutura de superfície ou variação da camada dupla elétrica que afete o movimento browniano das partículas, como uma camada de polímero adsorvido, altera o tamanho efetivo das partículas [5].

Utilizar dispersantes de baixo teor de sal que aumentem a estrutura superficial ou expandam a camada dupla elétrica resultará numa redução do movimento browniano e num aumento no tamanho medido. Por estas razões, o tamanho hidrodinâmico de partículas não esféricas ou sólidas, ou o tamanho medido por DLS, é geralmente maior do que o medido por TEM.

Tabela: Resumo das medições de DLS realizadas para materiais padrão de látex.

Esta tabela contém detalhes sobre o látex usado (número da peça indicado entre parênteses), o intervalo de tamanho certificado (#) ou hidrodinâmico (*) e a concentração em que o látex foi medido, o diluente utilizado para a preparação, o instrumento usado para a medição e o diâmetro z-médio obtido para cada látex.

Resultados e Discussão

A Tabela 1 resume os resultados obtidos para diferentes padrões de látex medidos por DLS. Todos os padrões têm um intervalo de tamanho certificado, mas alguns também citam um intervalo de tamanho hidrodinâmico. O intervalo de tamanho certificado (#) foi obtido por microscopia eletrônica de transmissão e é rastreável ao NIST. O intervalo de tamanho hidrodinâmico (*) é determinado por DLS.

Os resultados mostram que existe um amplo intervalo de concentração que pode ser usado para medir padrões de látex. A detecção por retroespalhamento utilizada no Zetasizer permite medir algumas amostras de látex em concentrações puras (por exemplo, 1% p/v).

À medida que o tamanho das partículas de látex aumenta, os problemas de flutuação numérica e sedimentação tornam-se importantes. Durante a medição por DLS, a intensidade da luz espalhada flutua devido ao movimento browniano das partículas. Como a intensidade do espalhamento é proporcional à concentração da amostra, o número de partículas dentro do volume de espalhamento deve ser mantido constante durante o processo de medição. No entanto, conforme o tamanho das partículas aumenta, o número de partículas no volume de espalhamento diminui até que ocorram severas flutuações no número instantâneo de partículas dentro do volume de espalhamento. As flutuações numéricas são definidas como alterações no número de partículas dentro do volume de espalhamento durante o processo de medição de DLS.

Para evitar flutuações numéricas, a concentração da amostra deve ser aumentada. No entanto, isso aumenta os efeitos de espalhamento múltiplo, afetando os resultados obtidos. A utilização de detecção por retroespalhamento com uma posição de medição variável permite a medição de concentrações mais altas de amostras, evitando assim problemas de flutuação numérica. As flutuações numéricas são geralmente indicadas por uma linha de base instável e flutuante na função de correlação.

Um segundo problema ao medir partículas grandes por DLS é a sedimentação. Todas as partículas apresentam sedimentação, e a velocidade dessa sedimentação depende do tamanho da partícula e da densidade relativa da partícula e do meio de suspensão. Para o DLS, a velocidade de sedimentação deve ser muito mais lenta do que a velocidade de difusão. Partículas grandes se difundem lentamente, portanto, a sedimentação torna-se um problema mais significativo.

A presença de sedimentação pode ser confirmada verificando a estabilidade da taxa de contagem nas medições repetidas da mesma amostra. Uma taxa de contagem decrescente em medições consecutivas indica a presença de sedimentação, e o software do Zetasizer ressalta isso ao usuário.

É vantajoso suspender as partículas em um meio de densidade semelhante, desde que a viscosidade não aumente significativamente. Nesta nota de aplicação, para medir látexes de 3, 6 e 8,9 mícrons, as amostras foram preparadas em 13% p/v de sacarose, que tem a mesma densidade que o látex.

Os resultados obtidos para as amostras de látex de 3, 6 e 8,9 μm estão dentro dos intervalos de tamanho esperados usando a técnica DLS. Foram medidas em concentrações entre 0,15 a 0,24% p/v. Esses resultados confirmam que a detecção por retroespalhamento minimizou os efeitos de espalhamento múltiplo e que flutuações numéricas e sedimentação não afetaram os resultados obtidos.

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Referências

[1] R. Pecora (1985) Espalhamento de Luz Dinâmico: Aplicações da Espectroscopia de Correlação de Fótons. Plenum Press, Nova Iorque.

[2] Norma Internacional ISO13321 (1996) Métodos de Medição da Distribuição de Tamanho de Partículas Parte 8: Espectroscopia de Correlação de Fótons. ISO (Organização Internacional de Padronização).

[3] Norma Internacional ISO22412 (2008) Análise de Tamanho de Partículas: Espalhamento de Luz Dinâmico (DLS). ISO (Organização Internacional de Padronização).

[4] Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos EUA (www.nist.gov).

[5] R.S. Chow e K. Takamura (1988) J. Colloid. International Science, 125, 266.