Wie wichtig ist der Brechungsindex von Nanopartikeln?

Sind Brechungsindex und Absorption für Nanopartikel wichtig?

Zusammenfassung: Wir diskutieren den Brechungsindex von Gold-, Silber-, Titan- und anderen Nanopartikeln. In diesem Beitrag weisen wir auch auf den Brechungsindex einiger Polymere hin. Schließlich untersuchen wir, ob der Brechungsindex für DLS immer benötigt wird.

Im Allgemeinen haben die optischen Eigenschaften des Streumaterials einen enormen Einfluss auf das beobachtete Streuverhalten. Die Mie-Theorie kann diese Phänomene vollständig beschreiben. Daher ist die Mie-Theorie die beste Wahl. Beispielsweise beeinflussen der Brechungsindex n und die Absorption k des Streumaterials die Streuintensität. Infolgedessen sind für viele Forscher, die sich für den Größenbereich von Nanomaterialien interessieren, die optischen Eigenschaften des Materials selbst unbekannt. Was können wir in einem solchen Fall tun?

Dinge, die bei den optischen Eigenschaften von Nanopartikeln (Zetasizer) zu berücksichtigen sind

Erstens steht die Menge der Streuung in direktem Zusammenhang mit den Eigenschaften des Materials. Für das dynamische Lichtstreuung (DLS) können die Materialeigenschaften – auch wenn sie oft für den Aufbau eines Experiments angefordert werden – irrelevant sein. Wenn jedoch nur eine durchschnittliche Größe nach Intensität und eine durchschnittliche Polydispersität (PDI) nach Intensität benötigt werden, spielt es keine Rolle, welches Material die Intensität erzeugt hat. Die Materialeigenschaften kommen ins Spiel, wenn die Intensitätsgrößenverteilung in eine Volumen- oder Zahlenverteilung umgewandelt wird. In diesem Fall müssen wir genau wissen, wie viel Licht von jedem Nanopartikel gestreut wird. Um dies vorherzusagen, erfordert die Mie-Theorie den Brechungsindex und die Absorption dieses Partikels.
Zweitens sind die Materialeigenschaften für kleine Nanopartikel von weniger als 100 nm nicht einmal wichtig. Infolgedessen wird sich in diesem Fall die Volumenverteilung, die über DLS erhalten wird, nicht signifikant ändern.

Spielt der Brechungsindex für das Zeta-Potential eine Rolle?

Elektrophoretische Mobilität. Nur die Eigenschaften des Dispergiermittels werden wirksam. Daher müssten im Prinzip keine Parameter für Zeta-Potential-Messungen eingegeben werden. Die Software erfordert jedoch die Auswahl eines Materials.

FAQ: Wie wichtig sind Brechungsindex und Absorption für Nanopartikel?

Im Allgemeinen haben die optischen Eigenschaften des Streumaterials einen enormen Einfluss auf das beobachtete Streuverhalten. Die Mie-Theorie kann diese Phänomene vollständig beschreiben. Daher ist die Mie-Theorie die beste Wahl. Beispielsweise beeinflussen der Brechungsindex n und die Absorption k des Streumaterials die Streuintensität. Infolgedessen sind für viele Forscher, die sich für den Größenbereich von Nanomaterialien interessieren, die optischen Eigenschaften des Materials selbst unbekannt. Was können wir in einem solchen Fall tun?

Dinge, die bei den optischen Eigenschaften von Nanopartikeln (Zetasizer) zu berücksichtigen sind

1. Erstens steht die Menge der Streuung in direktem Zusammenhang mit den Eigenschaften des Materials. Für die dynamische Lichtstreuung (DLS) können die Materialeigenschaften – auch wenn sie oft für den Aufbau eines Experiments angefordert werden – irrelevant sein. Wenn jedoch nur eine durchschnittliche Größe nach Intensität und eine durchschnittliche Polydispersität (PDI) nach Intensität benötigt werden, spielt es keine Rolle, welches Material die Intensität erzeugt hat. Die Materialeigenschaften kommen ins Spiel, wenn die Intensitätsgrößenverteilung in eine Volumen- oder Zahlenverteilung umgewandelt wird. In diesem Fall müssen wir genau wissen, wie viel Licht von jedem Nanopartikel gestreut wird. Um dies vorherzusagen, erfordert die Mie-Theorie den Brechungsindex und die Absorption dieses Partikels.
2. Zweitens sind die Materialeigenschaften für kleine Nanopartikel von weniger als 100 nm nicht einmal wichtig. Infolgedessen wird sich in diesem Fall die Volumenverteilung, die über DLS erhalten wird, nicht signifikant ändern.

Spielt der Brechungsindex für das Zeta-Potential eine Rolle?

Ebenso tragen die Materialeigenschaften beim Zeta-Potential nicht zur Berechnung der elektrophoretischen Mobilität bei. Nur die Eigenschaften des Dispergiermittels werden wirksam. Daher müssten im Prinzip keine Parameter für Zeta-Potential-Messungen eingegeben werden. Die Software erfordert jedoch die Auswahl eines Materials.

Probieren Sie einen Wert aus und sehen Sie sich den Effekt an!

Zusätzlich zu den oben genannten zwei Punkten können Sie Brechungsindexwerte modellieren und die Ergebnisse beobachten:

• Sie können sich zum Beispiel vom Einfluss der Materialeigenschaften überzeugen. Um dies zu veranschaulichen, bearbeiten Sie zunächst einen bestehenden Datensatz (markieren Sie den Datensatz, rechtsklicken, Datensatz bearbeiten). Danach geben Sie ihm einen neuen Probenamen [zum Beispiel „Wolframprobe mit n=1,6 und abs=0,01“]. Dann können Sie die Materialeigenschaften bearbeiten [klicken Sie auf das gepunktete Kästchen daneben, Hinzufügen, geben Sie einen Materialnamen und den zugehörigen Brechungsindex und die Absorption ein] und dann OK OK. Infolgedessen erscheint eine Kopie Ihres ursprünglichen Datensatzes mit den neuen Analyseparametern in Ihrer Datei. Indem Sie beide Datensätze hervorheben [drücken Sie die Strg-Taste und markieren Sie beide], können die Ergebnisse mit den beiden verschiedenen Methoden jetzt überlagert und anschließend verglichen werden.
  Sie können dann bestätigen, dass es keinen Unterschied im Intensitätsverteilungsresultat gibt (sowie beim z-Mittelwert und der Polydispersität).
  So können Sie direkt beobachten, welchen Einfluss eine Änderung der Materialeigenschaften des Streumaterials auf die Volumenverteilung haben kann.
• Darüber hinaus können einige optische Eigenschaften von Nanomaterialien über Google gefunden werden. Zum Beispiel finden Sie unten eine Zusammenstellung von Brechungsindex- und Absorptionswerten für gängige Nanomaterialien. Zur Verdeutlichung: Dies gilt für einen Helium-Neon-Laser mit λ=632nm (die Wellenlänge im Zetasizer).

Wählen Sie Brechungsindex-Eigenschaften von Nanopartikeln

Abschließend listen wir in der folgenden Tabelle einige gängige Materialien auf. Einige – allerdings nicht alle – sind Teil der standardmäßigen Softwareparameterliste.

Tabelle der ausgewählten Materialeigenschaften
Beispielmaterial	Brechungsindex	Absorption
Liposomen #
Phospholipide	n=1,45	k=0,001
Exosomen	n=1,37 – 1,39*	k=0,01
Mikrovesikel (> .2µm)	n=1,40*	k=0,01
Nanopartikel und Kolloide
Gold [Au]	n=0,20	k=3,32
Silber [Ag]	n=0,135	k=3,99
Platin [Pt]	n=2,32	k=4,16
Palladium [Pd]	n=1,77	k=4,29
TiO2	n=2,41	k=0,001
SiO2	n=1,54	k=0,00
PFOB-Emulsionen	n=1,305	k=0,10
Nanodiamanten	n=2,42	k=0,00
Makromoleküle
Proteine	n=1,45	k=0,001
Polystyrol	n=1,59	k=0,01

^# „Optische Charakterisierung von Liposomen durch Rechtwinklige Lichtstreuung und Trübung“ Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranen 1467, 1,  219-226 (2000)
* „Messung des Brechungsindex durch Nanopartikel-Tracking-Analyse zeigt Heterogenität in extrazellulären Vesikeln“ Journal of Extracellular Vesicles 2014, 3:25361 DOI: 10.3402/jev.v3.25361 (2014)
+ Zusätzlich enthält die „Brechungsindex-Liste amorpher Polymere“ in der Polymerdatenbank eine relevante zusammenhängende Liste.

Zusammenfassend lautet die kurze Antwort: Selbst ohne die Parameter können wir mit DLS nützliche Informationen aus Nanopartikeln gewinnen.

Ressourcen

• Am wichtigsten sind die Intensität – Volumen – Anzahl – Welche Größe ist korrekt? zeigt die verschiedenen Darstellungen der Verteilung.
• Was ist die Mie-Theorie: Die ersten 100 Jahre in einem Webinar
• Dynamische Lichtstreuung – gängige Begriffe definiert sodass Sie sie nachvollziehen können.
• In ähnlicher Weise wie in diesem Beitrag listet das Malvern Referenzhandbuch: Leitfaden zur Probendispersion und Brechungsindex (MAN0396-1-0) Werte für die Beugung auf.
• Zusätzlich ist die Liste der dielektrischen Konstanten gängiger Lösungsmittel (von UMass) für das Zeta-Potential nützlich.

Bisherige Beiträge

• Welche Größe ist richtig (Intensität-Volumen-Zahl)?
• Top 10 Tipps für die GPC Probenvorbereitung
• OmniSEC-Software-Demonstration in 3 Minuten.

Abschließend, wenn Sie Fragen haben, senden Sie mir bitte eine E-Mail an ulf.nobbmann@malvern.com – Danke!