Isoelektrische Punkte von Nanomaterialien – Q&A

Isoelektrische Punkte von Nanomaterialien (IEPs)

In einem kürzlich von Ana Morfesis präsentierten Webinar mit dem Titel „Charakterisierung des Zeta-Potentials & Isoelektrischer Punkt von Nanomaterialien“ war die Nachfrage so groß, dass wir nicht in der Lage waren, die zahlreichen während der Veranstaltung gestellten Fragen zu beantworten.

Vielen Dank für die Teilnahme!

Da das Interesse so groß war, haben wir die folgende Liste von Fragen und Antworten bereitgestellt, um allen Interessierten einen Vorteil zu verschaffen. Wir haben auch eine Tabelle mit den gebräuchlichen IEPs von Metalloxiden zur Verfügung gestellt, wie sie links gezeigt wird.

Für diejenigen, die nicht an der Live-Veranstaltung teilnehmen konnten, wurde die Sitzung aufgezeichnet und steht zur Wiedergabe zur Verfügung.

Können wir die Oberflächenladung pro Fläche von Nanopartikeln aus ihren Zeta-Potential-Werten abschätzen?

Im Prinzip ist das möglich, wenn auch auf indirekte Weise: Sie können die erweiterten Protein-Dienstprogramme/Rechner aktivieren und sich die Registerkarte „Protein Charge & F(κ a)“ ansehen. Um den Rechner zu nutzen, müssen die elektrophoretische Mobilität, der hydrodynamische Radius Rh, die Ionenstärke, die Lösungsviskosität und die Temperatur eingegeben werden. Der Rechner sagt dann eine „Calculated Z“-Anzahl von Ladungen voraus, die zur gemessenen elektrophoretischen Mobilität passt. Die Oberflächenladungsdichte wäre dann

Oberflächenladungsdichte = „Calculated Z“ / { 4 π Rh^2 }

Welches ist der beste Weg, um die angelegte Spannung zu bestimmen, wenn Proben in einem Puffer (z. B. Phosphat-Puffer) gemessen werden? ­

Die angelegte Spannung jedes gespeicherten Zeta-Datensatzes kann ermittelt werden, indem man sie in die Datensatzansicht einfügt. Um den Arbeitsbereich zu bearbeiten, folgen Sie diesem Blog (unter dem Abschnitt zur Anzeige eines benutzerdefinierten Parameters, FAQ zur Bearbeitung von Arbeitsbereichen) und fügen Sie „gemessene Spannung“ zur Datensatzansicht hinzu, oder fügen Sie einfach das „Spannungs- und Strom- (M)“-Diagramm zum Arbeitsbereich hinzu, damit es zu einem verfügbaren Bericht wird.

Um zu ermitteln, welche Spannung angewendet werden soll, wäre es am einfachsten, den Automatikmodus zu verwenden. Alternativ kann für empfindliche Proben die Spannung manuell ausgewählt werden, sodass ein gutes Phasendiagramm erhalten werden kann. Zur Orientierung kann dieser Beitrag über Proben mit hoher Ionenstärke nützlich sein.

Welche Zelle würden Sie für Partikel empfehlen, die aus einem API in der Pharmaindustrie bestehen und in Wasser nicht löslich sind: 0,8 mL-Zelle für Wasserdispersionen oder 1 mL-Zelle? Der Hauptzweck ist die Messung des Zeta-Potentials und der Größe von Partikeln unter 200 nm.­

Wenn Proben in nicht-wässrigen Dispersionen gemessen werden sollen, dann wäre für das Zeta-Potential die beste Option der Dip-Zelle ZEN1002 in Verbindung mit der Glasküvette PCS8501. Für die Größenbestimmung alleine könnten die lösungsmittelresistenten geringvolumige Küvetten ZEN0040 geeignet sein, je nach verwendetem Lösungsmittel. Es gibt eine technische Notiz zu nicht-wässrigen partikulären Suspensionen mit weiteren Details.

Bezüglich der Zeta-Potenzialgrenze, wo das Kolloid stabil ist: Sollte es auch von der Partikelgröße abhängen?­

Das Zeta-Potential sollte nicht von der Größe abhängen. Daher wäre die oft angewendete „Daumenregel“ von ~30mV sowohl für sehr kleine ~nm-große Nanopartikel als auch bis zu mehreren Mikron geeignet.

Was ist der Unterschied zwischen IEP und PZC?­

Dies ist eine ziemlich knifflige Frage. Für die meisten Zwecke ist der Punkt der Nullladung (PZC) gleichbedeutend mit dem isoelektrischen Punkt (IEP). Einige Veröffentlichungen betrachten den PZC als die Gesamtsumme aller Ladungen, während der IEP nur die Oberflächenladungen einschließt. Der IEP wird jedoch in der Regel durch Titration und elektrophoretische Mobilität gemessen und umfasst (Interaktionen mit) die (nahegelegenen) Ionen des umgebenden Puffermediums. Der IEP kann durch elektrophoretische Lichtstreuung mittels einer Titration gegen den pH-Wert gemessen werden.

­Ist es möglich, das Zeta-Potential für eine nicht-wässrige Dispersion, wie in HFA-Treibmittel, zu messen? Wenn ja, wie?­

Ja, es ist möglich, die elektrophoretische Mobilität nicht-wässriger Dispersionen zu messen. Die Nützlichkeit des Zeta-Potentials per se mag zweifelhaft sein, da die Theorie wirklich nur in wässrigen Medien definiert ist. Die insgesamt durch ein angelegtes Feld verursachte Mobilität kann jedoch dennoch Informationen über die Gesamtladung der Partikel in organischen Medien liefern. Es gibt zwei spezielle Küvetten, die für Proben, die nicht in Wasser vorbereitet werden, verwendet werden: die Dip-Zelle ZEN1002 in Glasküvetten und die hochkonzentrierte Zeta-Zelle ZEN1010. Prüfen Sie auch diese Technische Notiz zu nicht-wässrigen Partikel-Suspensionen.

Kann die sterische Stabilisierung ein System stabilisieren, das laut Zeta-Potential instabil wäre?

Ja. Sterische Stabilisierung allein kann die Ursache für eine stabile kolloidale Dispersion sein. In Wasserproben tritt häufig eine Ladungsstabilisierung auf, und viele Formulierungen erhalten Stabilität durch eine Kombination aus elektrostatistischer und sterischer Stabilisierung. Selbst ein System mit relativ geringem Zeta-Potential kann somit noch stabil sein, solange sterische Stabilisierung (auch bekannt als Ausschlussvolumen-Interaktionen) vorhanden ist.

Sehen Sie auch diese technische Notiz zu Stabilität und Zeta-Potential-Konzepten.

­Ich habe eine Frage bezüglich der Elektroden der Einwegküvetten. Ich habe versucht, ZP-Messungen durchzuführen (Siliziumdioxid gelöst in 20mM NaCl-Lösung), aber nach einer Weile begannen die Elektroden zu korrodieren. Warum? Kann man das verhindern?­

Die Elektroden korrodieren durch elektrochemische Redox-Reaktionen. Der Korrosionsprozess hängt von der angelegten Spannung, der Einsatzdauer und der Leitfähigkeit ab. Wenn in einem Puffer weniger Salz vorhanden ist, wird die Oxidation der Elektroden reduziert, aber nie vollständig verhindert. Wenn die Qualität von Probe und Daten dies zulässt, kann die angelegte Spannung reduziert werden. Um diese Effekte zu reduzieren, wäre es eine gute Idee, die maximale Anzahl der Subruns im automatischen Modus auf 20-40 zu begrenzen. In der Regel, wenn das Phasendiagramm beim ~30. Subrun nicht wiederholbar war, gibt es möglicherweise keinen großen Nutzen darin, viel weiter zu messen. Auch die Methodik der Diffusionsbarriere könnte von Interesse sein und eine Anwendungshinweis zur polymerbeschichtete Siliziumdioxid-Partikel, Größe und Zeta.

Können wir den isoelektrischen Punkt von kationischen Polymerlösungen mit Ihrem Equipment messen?

Der Zetasizer kann verwendet werden, um das Zeta-Potential von Polymerlösungen in Wasser zu bestimmen. Die Messung eines isoelektrischen Punkts erfordert die Vorbereitung mehrerer Proben unter verschiedenen Bedingungen (pH-Wert). Die Probenvorbereitung kann mit dem automatischen Titrator MPT2-Zubehör, das bis zu drei Titrantflaschen handhaben kann, automatisiert werden. Sehen Sie diesen Anwendungshinweis zur automatischen Bestimmung von isoelektrischen Punkten.

Wenn während der Zeta-Potenzialmessung eine Flockung auftritt, wird dies die Ergebnisse beeinflussen?

Wenn Ihre Probe bereits geflockt ist, besteht keine spezifische Gefahr bei der Messung des Zeta-Potentials: Solange ein qualitativ hochwertiges Phasendiagramm vorliegt, kann das System das Zeta-Potential von Partikeln bis zu 100 Mikron bestimmen. Wenn die Flockung während und infolge der angelegten Spannung auftritt, deutet dies darauf hin, dass möglicherweise eine elektrochemische Wechselwirkung zu einer Degradation der Probe führt. Es könnte sinnvoll sein zu untersuchen, ob die Probe auch ohne angelegte Spannung flockt (d.h. nur einige Minuten im Küvettenverbleibt) oder ob eine reduzierte angelegte Spannung nicht zu einer Flockung führt.

Sehen Sie sich auch diese technische Notiz zur maximalen Größe von 100 Mikron für das Zeta-Potential an.

Was ist der Unterschied zwischen Oberflächenzeta-Potential und Zeta-Potential bei der Malvern Nano-Serie?

Das Zeta-Potential ist das wirksame Potential des Partikels an der Schergrenze. Das Oberflächenzeta-Potential ist das extrapolierte Zeta-Potential einer flachen Oberfläche, das aus der Messung von Sondenpartikeln in Abhängigkeit von der Entfernung von einer geladenen Oberfläche abgeleitet wird.

Details zur Messtechnik sind in diesem Anwendungshinweis zur Oberflächenzeta-Potentialzelle beschrieben und mit einem beispielhaften Anwendungshinweis für Siliziumdioxid-Material. Sehen Sie sich das Trainingsvideo für die Oberflächenzeta-Methode auf dem Malvern YouTube-Kanal an.

Wie können wir das Z-Potential eines festen Pulvers messen, das in keiner Flüssigkeit gelöst werden kann und im festen Zustand gemessen werden sollte?­

Das Zeta-Potential ist eine Systemparameter, das das elektrostatistische Potential an der Schergrenze von diffundierenden Partikeln in einem wässrigen Medium beschreibt. Das Zeta-Potential kann nicht in Luft oder im Festkörperzustand gemessen werden. Wenn das Pulver in einer Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, dispergiert werden kann, dann kann das Zeta-Potential der dispergierten Partikel in dieser Flüssigkeit gemessen werden, solange die Partikelgröße kleiner als 100 Mikron ist und die Sedimentierung langsam genug erfolgt, um die fertige Erfassung eines Phasendiagramms geeigneter Qualität zu ermöglichen.

Sehen Sie sich auch diese technische Notiz zur maximalen Größe von 100 Mikron für das Zeta-Potential an.

Warum befindet sich der Bereich der kolloidalen Instabilität bei +/- 30 mV? Ist 30 mV nahe der thermischen Energie bei Raumtemperatur?­

Das ist ein interessanter Punkt. Die Daumenregel von 30mV stammt aus experimentellen Erfahrungen. Bei dieser Spannung ist die elektrostatische Abstoßung zwischen Partikeln in der Regel stärker als die zufällige thermische Brownsche Bewegung und verhindert, dass sich Partikel „zufällig treffen“.

Wie stabilisiert man Zeta-Potential-Messwerte in Einwegzellen für eine Suspension, bei der die Zeta-Ergebnisse schwanken? Und können Sie auch eine allgemeine Vorstellung davon geben, welche Konzentration für die Zeta-Potenzialmessung in einer Einwegzelle verwendet werden sollte?­

Einige Ratschläge werden im „Expertenrat“-Tab während Live-Messungen gegeben, ebenso wie beim Hervorheben verwandter wiederholter Läufe. Wenn es mehr oder weniger einen konsistenten Trend in eine Richtung gibt, könnte dies ein Temperatureffekt sein. Die Probe könnte mehr Zeit benötigen, um sich vor Beginn der Messung einzustellen, oder es könnte ratsam sein, eine Wartezeit zwischen wiederholten Läufen einzuplanen, wenn Joule-Heizung das Driften verursacht.

Die Zählrate für die Zeta-Messung sollte ausreichend sein, um ein gutes Phasendiagramm zu erhalten. Der Zeta-Qualitätsbericht sollte dies anzeigen, wenn die Zählungen zu niedrig sind. Dies könnte durch Erhöhung der Konzentration der Probe überwunden werden. (Eine Ausnahme von dieser Empfehlung stellen absorbierende Proben dar, hier kann die Reduzierung der Konzentration eine Verbesserung bringen, da Licht durch die Küvette müssen, um zum Detektor auf der anderen Seite der Küvette zu gelangen). Der Zetasizer sollte in der Lage sein, ein breites Konzentrationsspektrum von Proben abzudecken, solange genügend ungestreutes Licht durchgelassen wird. Als vage Regel: Wenn man durch die Probe eine Zeitung lesen kann, sollte es für Messungen in Ordnung sein (übrigens gilt das auch für traditionelle 90-Grad-Streuungsoptiken bei Größenmessungen).

­Können Sie erneut über den Effekt von Salz sprechen — können Sie vorhersagen, ob sich das PZC mit hinzugefügtem Salz verändern würde? Ich messe Eisenoxidpartikel in DI und mit hinzugefügtem NaCl. Vielen Dank für eine fantastische Präsentation!!­

Der isoelektrische Punkt ändert sich nur, wenn ein Effekt namens spezifische Ionenadsorption eintritt. Wenn entweder die Natrium- (Na+) oder die Chlorid- (Cl-) -Ionen spezifisch an die Oberfläche der Eisenoxidpartikel binden , könnte eine Verschiebung auftreten. Unseres Wissens gibt es keinen Weg, das vollständig vorherzusagen, außer es experimentell zu bestimmen. (Oder versuchen Sie zu überprüfen, ob darüber bereits Forschung veröffentlicht wurde, jedoch werden oft Partikel auf unterschiedliche Weise produziert und stabilisiert, was ihren isoelektrischen Punkt verändern würde). Im Folgenden finden Sie ein Diagramm, das die Wirkung spezifischer und unspezifischer Ionenadsorption an Alaunproben zusammenfasst, wie man an der Überlappung (unspezifisch) und der Verschiebung (spezifische Ionen werden adsorbiert) im isoelektrischen Punkt erkennt.

­Wenn Sie eine pH-Titration an einer Probe durchführen, die bei pH 8 von Natur aus vorliegt, wie würden Sie die Probe titrieren, wenn Sie Messungen von pH 4-12 machen möchten? Wie berücksichtigen Sie die Zugabe von Ionen aus Säure und Base, wenn Sie dies tun?­

Es gibt viele Möglichkeiten, eine Titration durchzuführen, und sie führen zu unterschiedlichen Ergebnissen, da das Zeta-Potential ein systemspezifischer Parameter ist. Mit anderen Worten, es ist nicht möglich, eine Probe vollständig mit „Probe bei pH7“ zu beschreiben, ohne eine vollständige Beschreibung der Komponenten des umgebenden Puffers, der Leitfähigkeit, der Ionenstärke, der Ionentypen, des pH-Werts, der Additive,… zu geben.

Um eine einfache Titration durchzuführen, könnte man HCl und NaOH verwenden, wenn das für Ihre Probe geeignet ist. Wenn in der Probe ein gewünschtes Additiv vorliegt (vielleicht eine andere Komponente wie 100mM Sucrose), dann muss dieses an beiden Endpunkten (d. h. die verwendete Säure und Base sollten diese Komponente enthalten) eingeschlossen werden. Die Änderung der Leitfähigkeit ist Teil des Experiments, und deshalb wird die Leitfähigkeit aufgezeichnet. Ein typisches Titrationsdiagramm, das den isoelektrischen Punkt sowie die instabilen und stabilen Bereiche zeigt, sofern die elektrostatische Stabilisierung involviert ist, ist unten abgebildet (dies ist für Kaffeeergänzung).

Was würden Sie im Zeta-Potential von Goldnanopartikeln erwarten, die mit zwei Liganden mit Thiol-Enden beschichtet sind (am Nanopartikel gebunden) und das andere Ende der Carboxylkette? ­(Einer der Liganden ist in verschiedenen Experimenten kürzer als der andere)­

Die Gesamtladung wird ein Ergebnis aller Komponenten in der Probe sein. Nacktes Gold ist wahrscheinlich stark negativ, das Hinzufügen von Thiol kann diese negative Ladung erhöhen, Carboxylketten können die Schergrenze weiter nach außen verschieben und somit die Stärke/das Ausmaß des Zeta-Potentials reduzieren. Siehe auch Anwendungshinweis zu kolloidalem Gold.

­Ich weiß, dass man, um einen korrekten Zeta-Potentialwert eines Partikels in wässriger Lösung zu erhalten, einen Elektrolyt-Puffer verwenden muss, jedoch besagen einige Artikel zu Nanopartikeln, dass dies nicht notwendig ist, und sie verwenden nur deionisiertes Wasser. Ist das richtig­?

Streng genommen ist es zwar nicht notwendig, eine minimale Ionenstärke im wässrigen Puffer zu haben, jedoch erscheint bei vielen Proben (besonders wenn Proteine und Biomoleküle beteiligt sind) eine gewisse Menge an Gegenionen oft als vorteilhaft und notwendig für stabile Proben. Das Zeta-Potential kann in deionisiertem Wasser gemessen werden, jedoch könnte die Verwendung dieses Wertes praktisch nicht so nützlich sein, da „reale“ Proben oft ionische Komponenten enthalten. (Viele Nanopartikuläre Systeme sind mit einem Surfactant stabilisiert, und dieses könnte entfernt werden, wenn kein Salz vorhanden ist. Sehen Sie einen verwandten Blog darüber, wie man von Standards gute Daten erhält.)

Um genaue Werte für das Zeta-Potential eines Partikels in wässriger Lösung zu erhalten, welche Art von Wasser ist besser, destilliert, deionisiert oder Milli-Q-Wasser?­

Der Wassertyp spielt keine große Rolle, solange es staubfrei ist. Wichtiger ist, wie die Daten interpretiert werden und bei Vergleichen von Proben, dass exakt die gleiche Verdünnung durchgeführt wird, wenn aussagekräftige Schlüsse aus den Daten gezogen werden sollen.

Ich habe versucht, den Zeta-Potentialwert von Hämatit in wässriger Lösung zu erhalten, und der gefundene IEP liegt immer um pH 3 herum. Warum ist das so? Es sollte um 7, 8 liegen, …weil es ein basisches Material ist­

Bitte sehen Sie sich diese Veröffentlichung an: „Some Surface Characteristics of Six Hematite Ores from the Middleback Range Area, South Australia“ International Journal of Mining Engineering and Mineral Processing 2012, 1(2): 73-83, wo dieser Effekt auch berichtet wird.

Wie testen Sie die Partikelgröße in dem Sonnenschutzmittel, das Sie hier präsentiert haben?

Für Sonnencreme sind die Partikel möglicherweise für Laserbeugung oder für dynamische Lichtstreuung geeignet. Für beide Methoden wäre eine gewisse Verdünnung erforderlich. Die in der Folie zur Größenentwicklung von ZnO und TiO2 (pH7) gemeldeten Daten wurden mit dynamischer Lichtstreuweiterung erfasst.

­Ich arbeite an einer Herbizidformulierung. Es handelt sich um eine 30%ige Suspension. Aber es muss einen pH von 3 für gute Stabilität haben. Was sollten wir tun, um den pH auf 5-6 zu verschieben und die Stabilität zu erhalten?

Sie könnten in der Lage sein, eine Modifikatorkombination wie APMA/PEG hinzuzufügen. Dieser Anwendungshinweis für ein anderes, aber ähnliches Problem könnte eine Inspiration sein „Die Bedeutung des Zeta-Potentials bei der keramischen Verarbeitung – Alaun“.

­Kann ich die Zelle noch verwenden, wenn die Elektroden dunkler werden? Warum verfärben sich die Elektroden nur nach einem Gebrauch?­

Die Elektroden bestehen aus Kupfer mit einer dünnen Schicht Gold. Dieses Elektrodenmaterial kann durch elektrochemische Reaktionen oxidiert werden. Die Elektroden sind wahrscheinlich noch verwendbar, jedoch wäre es am besten, dies zu bestätigen, indem ein Standard gemessen wird (zum Beispiel Zeta-Potenzial-Transfer-Standard DTS1235, das ebenfalls Sicherheitsdatenblatt für den Malvern-Zeta-Transfer-Standard enthalten Informationen zur Lagerung und Zusammensetzung). Die Schwärzung erfolgt langsamer bei Proben mit niedrigerer Leitfähigkeit, weniger Subruns und niedrigerer angelegter Spannung.

Können wir dieselbe Zelle verwenden, um sowohl Zeta-Potential als auch Molekulargewicht zu messen?­

Die Einweg-Zeta-Küvette DTS1070 kann für sowohl Zeta-Potential- als auch Größenmessungen verwendet werden. Die Zelle ist nicht für statische Lichtstreuungsmessungen konzipiert, bei denen höhere Qualität (typischerweise Quarz) erforderlich ist, um Artefakte zu vermeiden, die durch leichte Fertigungstoleranzen verursacht werden. Beispielsweise könnte ein Flair von Plastikküvetten zum Gesamtintensitätssignal beitragen. Dies ist für die dynamische Lichtstreuung, bei der nur die Schwankungen der Intensität analysiert werden, nicht von Bedeutung. Bei der statischen Lichtstreuung jedoch wird die Gesamtintensität gemessen, und diese Flairbeiträge würden das Ergebnis beeinflussen, da sich eine Küvette geringfügig von einer anderen unterscheiden könnte (und auch die erneute Platzierung derselben Küvette könnte diesen Effekt haben). Sie sind willkommen, dies zu testen, indem Sie den Streuungseffekt einer Konzentrationsreihe vergleichen, die mit einer größeren Glasküvette und der Zeta-Potenzial-Küvette gemessen wird. Beachten Sie bitte, dass in der Software eine andere Lösung erforderlich ist, um jede verfügbare Küvette auszuwählen, aber dann die Messposition auf 5,5mm erzwungen werden muss, da die DTS1070 Küvette in der Software für Molekulargewichtsbestimmungen nicht verfügbar ist.

Ist es vorteilhaft, Proben vor der Analyse des ZP zu sonifizieren? Wie effektiv sind diese bei Partikeln, die sich in Lösungen zu Aggregaten verbinden? Insbesondere arbeite ich mit regulären Stärkepartikeln und Nanopartikeln.

Sonication kann hilfreich sein, um große Agglomerate zu zerbrechen und Messungen vornehmen zu können, bevor die Partikel vollständig aus der Dispersion herausfallen. Es wäre immer gut zu überprüfen, dass die Probe dann nach der Sonication über die Zeit stabil bleibt und sich nicht einfach wieder agglomeriert. Ein weiterer Tipp könnte das Dichteanpassen des Dispersionsmittels sein, beispielsweise durch Zugabe von Zucker. Wir haben es geschafft, das Zeta-Potential von’a=100 Mikron großen Partikeln zu bestimmen.

Sie sagten, die hoch konzentrierte Zelle kann Suspensionen mit max. 10% w/w Probengehalt handhaben. Welche Konzentration kann die Einwegkapillare handhaben? Gibt es in jeder Suspension, bei Veränderung des pH-Werts, einen isoelektrischen Punkt? Ich habe eine Veröffentlichung ohne IEP gesehen, was mich ein wenig verwirrt hat.

Die maximale Konzentration ist vom Probenemuster abhängig, wenn das Muster bis zu einem gewissen Grad „trübe“ ist, sollte es dennoch messbar sein. In der Praxis und für viele Proben dürfte dies wahrscheinlich im Bereich Bruchteile eines Prozents liegen. Nicht jede Probe muss einen isoelektrischen Punkt haben. Wenn die Stabilisierung völlig nichtionisch und nur auf sterischer Stabilisierung basiert, könnte das Material über einen weiten pH-Bereich ungeladen bleiben.

Ich hoffe, dass die obigen Tipps und Hinweise Ihnen beim nächsten Mal helfen können, wenn Sie die Ladung dispergierter Nanomaterialien bestimmen möchten.

Zuvor

• Kann ich den Zetasizer für das Studium von… verwenden?
• Neue Benutzer des Nanosizer – Kurzanleitung zur Perfektion
• Wie man die richtige Größe für Latex-Standards misst

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