Guia Básico para Análise de Características de Partículas-4

Técnica 2: Espalhamento de Luz Dinâmico 

  O Espalhamento de Luz Dinâmico (Dynamic Light Scattering, DLS), também conhecido como Espectroscopia de Correlação de Fótons (Photon Correlation Spectroscopy, PCS) ou Espalhamento de Luz Quase-Elastic (Quasi-Elastic Light Scattering, QELS), é uma técnica bem estabelecida e não invasiva para medir o tamanho de partículas e polímeros no intervalo de tamanho de 1 micrômetro a menos de 1 nanômetro.

  Usando essa técnica, é possível medir amostras compostas por partículas suspensas em líquidos como proteínas, polímeros, micelas, carboidratos, nanopartículas, dispersões coloidais e emulsões.

Principais Vantagens:
      • Intervalo de distribuição de tamanho de partículas ideal para tamanhos nanométricos e biológicos
      • Requer uma pequena quantidade de amostra
      • Análise rápida e alta produtividade
      • Tecnologia não invasiva que permite recuperação completa da amostra

Princípio

  As partículas em suspensão exibem movimento browniano devido a colisões térmicamente induzidas entre as partículas suspensas e as moléculas do solvente.

  Quando um laser incide sobre as partículas, a intensidade da luz espalhada varia rapidamente em uma escala de tempo muito curta, dependente do tamanho das partículas: quanto menores as partículas, mais longe e mais rapidamente são movidas pelas moléculas do solvente. A análise dessas flutuações de intensidade permite calcular a velocidade do movimento browniano e, usando a relação de Stokes-Einstein, calcular o tamanho de partícula.

  O diâmetro medido por Espalhamento de Luz Dinâmico é chamado de diâmetro hidrodinâmico, o qual se refere à forma como as partículas se difundem no fluido. O diâmetro obtido por essa técnica representa o diâmetro de uma esfera que possui o mesmo coeficiente de difusão de translação medido nas partículas.  

 

  Uma ilustração do diâmetro hidrodinâmico registrado via DLS, que é maior que o diâmetro do “núcleo” das partículas. O coeficiente de difusão de translação é influenciado não apenas pelo tamanho do ‘núcleo’ das partículas, mas também por qualquer estrutura superficial aleatória e pela concentração e tipo de íons no meio. Isso explica porque a dimensão pode ser maior do que a medida por microscopia eletrônica, sugerindo que as partículas estão em seu ambiente original.

  O Espalhamento de Luz Dinâmico produz uma distribuição de tamanho de partículas ponderada por intensidade, o que significa que partículas maiores podem dominar os resultados de tamanho de partícula, sendo importante estar ciente disso.

Equipamento

  O equipamento tradicional para Espalhamento de Luz Dinâmico consiste de uma fonte de laser que focaliza em uma amostra usando lentes.

  A luz é espalhada pelas partículas em todas as direções, e tradicionalmente um único detector posicionado a 90° do feixe de laser coleta a intensidade da luz espalhada.

  Flutuações na intensidade da luz espalhada são convertidas em pulsos elétricos que são enviados para um correlador digital. Este gera a função de auto-correlação a partir da qual é calculado o tamanho de partícula.

NIBS

  Em equipamentos modernos, a tecnologia NIBS (Non-Invasive Backscatter) estende o intervalo de tamanhos de partículas que podem ser medidos e a concentração de amostras que podem ser analisadas.

  A função de medição de tamanho desses dispositivos detecta a luz espalhada a um ângulo de 173°, como mostrado abaixo. Isso é conhecido como detecção de retrodispersão. Além disso, os componentes ópticos não entram em contato ao mesmo tempo com a amostra, e por isso o dispositivo de detecção é considerado não invasivo.

  Existem muitas vantagens em utilizar a detecção de retrodispersão não invasiva.
      • Melhor sensibilidade.
      • Uma gama mais ampla de concentrações de amostras pode ser medida.  

      • A preparação da amostra é simplificada. 

(a)  Para partículas pequenas ou amostras de baixa concentração, tirar o máximo de luz que é espalhada pela amostra é vantajoso. Quando o laser atravessa a parede da cubeta, a diferença no índice de refração entre o ar e o material da cubeta pode causar “flare”. Este flare pode interferir no sinal das partículas dispersas. Mover a posição de medição do centro da cubeta para longe da parede da cubeta removerá este efeito.

(b)  Partículas maiores ou amostras de alta concentração espalham mais luz. Medindo próximo à parede da cubeta minimiza a extensão do caminho que a luz espalhada deve atravessar, reduzindo, portanto, os efeitos de múltiplo espalhamento. 

Técnica 3: Tecnologia de Imagem Automática

  A tecnologia de imagem automática é um método de medição de alta resolução para análises de características de partículas que abrangem desde aproximadamente 1 micrômetro até vários milímetros.

  As imagens de partículas individuais são capturadas a partir de amostras dispersas e analisadas para determinar o tamanho, formato e outras características físicas relevantes. Durante uma única medição, dezenas a milhares de partículas podem ser medidas, resultando em distribuições estatisticamente representativas.

  Sistemas de imagem estática são projetados para amostras dispersas que permanecem imobilizadas. Sistemas de imagem dinâmica permitem que amostras se movam através dos dispositivos ópticos de captura de imagens, possibilitando uma compreensão mais aprofundada da amostra ou validação de medições de tamanho de partículas baseadas em conjunto (ensemble), como a difração a laser. Aplicações típicas incluem:

      •  Medição de diferenças de formato de partículas que não podem ser distinguidas apenas pelo tamanho
      •  Detecção e / ou enumeração de aglomerados, partículas grandes ou contaminantes (enumeration)
      •  Medição de partículas de forma não esférica, como cristais em formato de agulha
      •  Validação de medições de tamanho de partículas baseadas em conjunto (ensemble), como a difração a laser

Equipamento

  Um sistema típico de imagem automatizada compreende três componentes principais.

1. Exibição e Dispersão da Amostra
      Este estágio é crucial para obter resultados adequados, como a separação espacial de partículas e aglomerados individuais no campo de visão.

      Diferentes métodos de exibição de amostras podem variar dependendo do tipo da amostra e do método de medição utilizado. As medições de imagem dinâmica utilizam uma célula de fluxo através da qual a amostra passa durante a medição. Medições de imagem estática utilizam, por exemplo, lâminas de microscópio, placas de vidro ou membranas filtrantes como superfície plana. Métodos de dispersão automatizada são preferíveis para evitar variações entre operadores.  

 

 

  

2. Óptica de Captura de Imagem

      As imagens de partículas individuais são capturadas utilizando lentes ópticas e uma câmera CCD digital apropriada.

      Sistemas de imagem estática oferecem maior flexibilidade na iluminação da amostra,como iluminação reflectedora (episcopic), iluminação transmitedora (diascopic) ou iluminação de campo escuro (dark field). Um sistema de imagem dinâmica oferece uma única fonte de iluminação, normalmente por trás da amostra.

      No caso de materiais birrefringentes, como cristais, óticas polarizadoras podem ser empregadas. Os sistemas de imagem dinâmica mais avançados utilizam mecanismos de fluxo de bainha hidrodinâmica para manter foco consistente em partículas muito pequenas.

  

 

3. Software de Análise de Dados

      Equipamentos padrão medem e registram várias propriedades morfológicas de cada partícula.

      Os dispositivos mais avançados possuem software com opções gráficas e de classificação de dados, possibilitando a extração simplificada de dados relevantes por meio de uma interface visual intuitiva.

      As imagens em escala de cinza individualmente armazenadas para cada partícula fornecem uma verificação qualitativa dos resultados quantitativos. 

 

 

Técnica 4: Espalhamento de Luz por Eletroforese (ELS)

 Espalhamento de Luz por Eletroforese (ELS) é uma técnica utilizada para medir a mobilidade eletroforética de partículas dispersas ou moléculas contidas em soluções. Esta mobilidade é frequentemente convertida para potencial zeta para permitir que materiais sejam comparados em condições experimentais distintas.

  O princípio físico básico por trás disso é a eletroforese. A dispersão é aplicada em uma célula com dois eletrodos.

  Quando um campo elétrico é aplicado aos eletrodos, qualquer partícula ou molécula carregada mover-se-á para o eletrodo carregado oposto. A velocidade com que qualquer partícula ou molécula carregada se move está relacionada à mobilidade eletroforética e, portanto, ao potencial zeta da partícula ou molécula.