Messmethoden für dynamische Lichtstreuung – Teil 2: Vergleich von TEM und DLS Partikelgrößen

Messung von Latex-Standards

                                durch Dynamische Lichtstreuung

Vergleich der Größenmessung durch TEM und DLS

Verschiedene Messtechniken messen unterschiedliche Eigenschaften eines Teilchens und können somit unterschiedliche Ergebnisse in Bezug auf die Größe, die aus der gemessenen Eigenschaft interpretiert wird, liefern.

Daher stellt sich oft die Frage, welches Ergebnis korrekt ist. Für viele Menschen ist „sehen glauben“, daher gilt das Ergebnis des Elektronenmikroskops als „korrekt“. Tatsächlich werden Proben, die für die Untersuchung mit dem Elektronenmikroskop vorbereitet werden, oft stark behandelt, und diese Behandlung kann weiche Materialien wie Polymere verteilen und die Oberflächenstrukturen verändern oder maskieren.

Es kann die Größenmessung einiger Materialien wie Tensid-Mizellen unmöglich machen. Im Gegensatz dazu misst DLS den hydrodynamischen Durchmesser dispergierter Teilchen in ihrer natürlichen Umgebung.

Jede Oberflächenstruktur, wie eine adsorbierte Polymerschicht oder eine Änderung der elektrischen Doppelschicht, die die Brownsche Bewegung des Teilchens beeinflusst, wird die effektive Teilchengröße ändern [5].

Durch Erhöhung der Oberflächenstruktur oder Verlängerung der elektrischen Doppelschicht mit einem sehr schwach salzigen Dispergiermittel wird die Brownsche Bewegung reduziert und die gemessene Größe erhöht. Aus diesen Gründen ist die hydrodynamische Größe oder DLS-Größe von Partikeln, die keine glatten, harten Kugeln sind, normalerweise größer als die TEM-Größe.

Probenvorbereitung von Latex-Standards für DLS-Messung

Für Instrumente mit einem 90 Grad-Erkennungswinkel (zum Beispiel Zetasizer Nano S90, μV oder APS) werden alle Latex-Standards in einer Konzentration geliefert, die zu hoch für die DLS-Messung ist, typischerweise 1%w/v. Eine zu konzentrierte Probe erzeugt Mehrfachstreuung, was dazu führt, dass die scheinbare Größe zu klein ist. Daher sollte die Latex-Dispersion mit 10mM NaCl, wie zuvor erläutert, die auf 0,2 Mikrometer gefiltert wurde, verdünnt werden.

Für Rückstreudetektions-Instrumente, die variablen Messpositionen haben (z. B. Zetasizer Nano S oder ZS), sind Messungen möglich bei reinigen Konzentrationen von Latex. Die Reduzierung der Weglänge, resultierend aus der variablen Messposition, resultiert in einer Reduzierung der Mehrfachstreuung.

Allerdings sollte die Endkonzentration jedes verwendeten Latex so sein, dass das Ergebnis unabhängig von der tatsächlichen Konzentration [2,3] mit der optimalen Konzentration abhängig von der Größe des Latex ist.

Verschiedene Thermo Scientific Nanosphere 3000, 2000 und 4000 Series Größenstandards wurden entsprechend vorbereitet und auf einer Reihe von Zetasizer-Instrumenten für diese Anwendungshinweise gemessen. Einige dieser Standards wurden in reiner Konzentration gemessen, andere wurden in 10mM NaCl verdünnt und andere wurden in 13% w/v Zuckerlösung vorbereitet.

Die Dichte der Polystyrol-Latex Sphären ist nahe der einer 13% w/v Zuckerlösung und reduziert Sedimentationsprobleme des Latex. Die Konzentration und das Verdünnungsmittel, die für die verschiedenen Latexstandards in diesen Anwendungshinweisen verwendet wurden, sind in Tabelle 1 dargestellt.

Ergebnisse und Diskussion Tabelle 1 fasst die Ergebnisse zusammen, die für verschiedene Latex-Standards gemessen durch DLS erhalten wurden. Die Tabelle enthält Details des verwendeten Latex (mit der Thermo-Teilenummer in Klammern dargestellt), den zertifizierten (#) oder hydrodynamischen (*) Größenbereich, die Konzentration, in der das Latex gemessen wurde, das für die Vorbereitung verwendete Verdünnungsmittel, das Instrument, auf dem die Messungen vorgenommen wurden, und die z-mittleren Durchmesser, die für jedes Latex erhalten wurden.

Alle Standards, die von Thermo erhältlich sind, haben einen zertifizierten Größenbereich, aber einige haben auch hydrodynamische Größenbereiche angegeben. Der zertifizierte Größenbereich (#) wird mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie erhalten und ist NIST-zertifiziert nachverfolgbar. Der hydrodynamische Größenbereich (*) wird durch DLS bestimmt.

Die Ergebnisse zeigen, dass es einen weiten Konzentrationsbereich gibt, in dem Latex-Standards gemessen werden können. Die Rückstreudetektion, die im Zetasizer Nano verwendet wird, erlaubt es, einige Latex-Proben bei reiner Konzentration, d. h. 1% w/v, zu messen. Während die Größe der Latexpartikel zunimmt, werden die Probleme von Anzahlfluktuationen und Sedimentation wichtig.

Während einer DLS Messung fluktuiert die Intensität des gestreuten Lichts aufgrund der Brownschen Bewegung der Teilchen. Die Streuintensität ist proportional zur Probenkonzentration und so sollte die Anzahl der Teilchen innerhalb des Streuvolumens während der Messung konstant bleiben. Allerdings nimmt die Anzahl der Teilchen im Streuvolumen ab, während die Teilchengröße zunimmt, bis schwere Fluktuationen der momentanen Anzahl von Teilchen im Streuvolumen auftreten.

Anzahlfluktuationen werden als Variationen in der Anzahl der Teilchen innerhalb des Streuvolumens während einer DLS- Messung definiert. Um Anzahlfluktuationen zu vermeiden, muss die Konzentration der Probe erhöht werden.

Allerdings wird dies Mehrfachstreuungseffekte erhöhen, die wiederum das erhaltene Ergebnis beeinflussen werden. Die Rückstreudetektion, in Kombination mit einer variablen Messposition, ermöglicht es, höhere Probenkonzentrationen zu messen, wodurch Anzahlfluktuationen vermieden werden. Anzahlfluktuationen zeigen sich normalerweise durch erhöhte und fluktuierende Baselines in den Korrelationsfunktionen.

Ein zweites Problem bei der Messung großer Partikelgrößen durch DLS ist die Sedimentation. Alle Teilchen werden sedimentieren und die Rate hängt von der Teilchengröße und den relativen Dichten der Teilchen und des Suspendiermediums ab. Für DLS sollte die Sedimentationsrate wesentlich langsamer als die Diffusionsrate sein. Große Partikel diffundieren langsam, weshalb Sedimentation ein wichtigeres Problem darstellt.

Das Vorhandensein von Sedimentation kann festgestellt werden, indem die Stabilität der Zählrate durch Wiederholungsmessungen der gleichen Probe überprüft wird.

Zählraten, die bei aufeinanderfolgenden Messungen abnehmen, deuten darauf hin, dass Sedimentation vorhanden ist und das Expert Advice-System in der Zetasizer-Software wird dies dem Nutzer anzeigen.

Es kann vorteilhaft sein, die Partikel in einem Medium ähnlicher Dichte zu suspendieren, wenn die Viskosität nicht signifikant erhöht wird. Für die Messungen von 3, 6 und 8,9μm Latex in dieser Anwendungshinweis wurden die Proben in 13% w/v Zuckerlösung vorbereitet, die die gleiche Dichte wie das Latex aufweist.

Die Ergebnisse, die für die 3, 6 und 8,9μm Latexproben erzielt wurden, leigen im erwarteten Größenbereich der DLS- Technik. Sie wurden bei Konzentrationen zwischen 0,15 und 0,24% w/v gemessen. Diese Ergebnisse bestätigen, dass Mehrfachstreuungseffekte durch Rückstreudetektion minimiert und dass Anzahlfluktuationen und Sedimentation die erzielten Ergebnisse nicht beeinflusst haben.

Referenzen
[1] R. Pecora (1985) Dynamische Lichtstreuung: Anwendungen der Photonenkorrelationsspektroskopie. Plenum Press, New York.
[2] Internationale Norm ISO13321 (1996) Methoden zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung Teil 8: Photonenkorrelationsspektroskopie. Internationale Organisation für Normung (ISO).
[3] Internationale Norm ISO22412 (2008) Partikelgrößenanalyse: Dynamische Lichtstreuung (DLS). Internationale Organisation für Normung (ISO).

[4] National Institute of Standards and Technology (www.nist.gov).
[5] R.S. Chow und K. Takamura (1988) J. Colloid. Int. Sci, 125, 266.