Untersuchung von kolloidalem Gold durch dynamische Lichtstreuung

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Einleitung 

Kolloidales Gold ist eine Suspensionslösung von Goldnanopartikeln, die interessante Eigenschaften zeigt [1]. Die Farbe des Musters wird durch die Größe und Form der Goldpartikel bestimmt [2]. Abbildung 1 zeigt verschiedene kolloidale Goldsuspensionen mit unterschiedlichen Partikelgrößen. Partikel von 5nm oder kleiner sind gelb, 5nm bis 20nm erscheinen rot und über 100nm erscheinen blau. 

Goldpartikel in wässriger Lösung besitzen eine negative Ladung, die ihnen eine starke Affinität zu verschiedenen biologischen Makromolekülen wie Proteinen und Antikörpern verleiht [3]. Daher wird kolloidales Gold in verschiedenen biotechnologischen Anwendungen wie DNS-Bindung, Bildsonden und diagnostischen Mitteln eingesetzt [1,4,5]. Außerdem wird kolloidales Gold für Anwendungen in der fortschrittlichen Elektronik und in Beschichtungsbereichen entwickelt [6].

Die Bestimmung der Größeneigenschaften von kolloidalem Gold ist entscheidend, um sicherzustellen, dass die Partikel einen gleichmäßigen Durchmesser aufweisen und keine aggregierten Partikel vorhanden sind. Elektronenmikroskopie-Techniken werden weit verbreitet als Methode zur Bestimmung der Größenverteilung eingesetzt [1,2]. Abbildung 2 zeigt ein Transmissionselektronenmikroskopbild einer kolloidalen Goldprobe. Man kann einzelne Goldpartikel klar erkennen, wobei die Mehrheit in Aggregaten mit mehr als zwei Partikeln vorhanden ist.

Obwohl die Elektronenmikroskopie eine großartige Visualisierungsmethode für Partikel darstellt, reicht sie aus statistischer Sicht nicht aus, da nur einige Dutzend oder Hunderte von Partikeln gemessen werden können. Elektronenmikroskopie kann verwendet werden, um die Anzahl-basierte Größenverteilung zu bestimmen, indem Partikelgrößen berechnet werden.

Die dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine nicht-invasive Technik zur Messung der Größe von Nanopartikeln in einer Dispersion. Diese Methode nutzt die Brownsche Bewegung, um die Intensität des gestreuten Lichts im Zeitverlauf einer Partikel-Suspension zu messen. Durch Analyse der Intensitätsschwankungen des gestreuten Lichts kann der Diffusionskoeffizient bestimmt werden, der es ermöglicht, die Partikelgröße zu berechnen, basierend auf der Stokes-Einstein-Gleichung.

Diese Anwendungsnotiz untersucht die Methode der Größenbestimmung von kolloidalem Gold mit dynamischer Lichtstreuung und vergleicht die Ergebnisse mit den durch Elektronenmikroskopietechniken erzielten Ergebnissen.

Experiment

Alle Messungen in dieser Application Note wurden bei 25°C unter Verwendung eines Zetasizer Nano S durchgeführt. Der Nano S ist mit einem 4mW He-Ne-Laser mit einer Wellenlänge von 633nm und einem Avalanche-Photodiodendetektor (APD) ausgestattet, der das gestreute Licht bei einem Winkel von 173° erfasst.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 3 zeigt die Intensitätsgrößenverteilung von kolloidalen Goldlösungen, die mit dem Nano S gemessen wurde. Diese Abbildung zeigt den relativen Anteil des Lichts, das von Partikeln verschiedener Größenklassen (X-Achse) gestreut wird. Die durch den Prozess erzielte Verteilungsgröße weist zwei Peaks mit Durchschnittswerten von 13,6nm und 339nm auf. Die Analyseergebnisse für Intensität, Volumen und Anzahl dieser Peaks sind in Tabelle 1 dargestellt.

Die gemessene Intensitätsgrößenverteilung deutet auf eine beträchtliche Menge von aggregierten Partikeln im Muster hin. Wenn jedoch diese Größenverteilung in Volumen (oder Masse oder Gewicht) (Abbildung 4) umgewandelt wird, zeigt sich, dass aggregierte Partikel in geringen Konzentrationen vorhanden sind. Der Mie-Theorie wird angewendet, um die Intensitätsergebnisse in Volumen umzuwandeln, wobei Refraktionsindex (n) und Extinktionskoeffizient (k) der Partikel erforderlich sind. In diesem Fall wurden Werte von 0,2 (n) und 3,32 (k) verwendet [9]. Die erhaltene Volumengrößenverteilung zeigt, dass über 90 % des Musters aus kleinen Partikeln von etwa 13nm bestehen.

Wenn dieser Resultat in die Anzahlgrößenverteilung, wie in Abbildung 5 dargestellt, umgewandelt wird, erhält man einen einzelnen Peak mit einem Durchschnitt von 12,4nm. Diese Ergebnisse zeigen, dass, wenn die Partikel mit einer Anzahl-gestützten Methode wie der Elektronenmikroskopie untersucht werden, die meisten sichtbaren Partikel klein sind. Große Partikel können nur durch Zählen einer ausreichenden Anzahl von Partikeln festgestellt werden. Die Anzahl-gestützte Methode zeigt, dass es nur sehr wenige aggregierte Partikel gibt, die viel Licht streuen und somit den größten Teil des Intensitätspeaks ausmachen. (Abbildung 3). Daher können bei Analyse solcher Muster mit dynamischer Lichtstreuung und Elektronenmikroskopie erheblich unterschiedliche Ergebnisse auftreten.

Würde das in Abbildung 2 gezeigte Muster mittels dynamischer Lichtstreuung gemessen, wäre es sehr schwierig, eine Analyse für verschiedene Aggregatgrößen wie Einzelpartikel, Aggregate von zwei oder drei Partikeln durchzuführen. Daher wird die dynamische Lichtstreuung nicht für die Analyse von Mustern mit drei unterschiedlichen Größen empfohlen.

Daher kann eine Mischung aus Einzelpartikeln und Aggregaten aus 2, 3 oder 4 Partikeln eine breite einzelne Peak wegen des Einflusses der großen, die meisten des Lichts streuenden Partikel aufweisen. Z-durchschnittlicher Durchmesser und Dispersitätswerte sind empfindlich gegenüber dem Vorhandensein von aggregierten Partikeln. Der z-durchschnittliche Durchmesser ist der durchschnittliche hydrodynamische Durchmesser, und der Dispersitätswert ist eine Schätzung der Verteilungsbreite. Beide Werte werden gemäß dem internationalen Standard ISO13321 für die dynamische Lichtstreuung berechnet [10].

Fazit

Die dynamische Lichtstreuung ist eine geeignete Methode zur Größenbestimmung von kolloidalem Gold. Diese Methode ist sehr empfindlich gegenüber dem Vorhandensein aggregierter Partikel und kann zur Bestimmung der Gleichmäßigkeit des Musters mittels z-durchschnittlicher Durchmesser und Dispersitätsanalyse verwendet werden.

Bei monodispersen Mustern sollten die mit dynamischer Lichtstreuung und Elektronenmikroskopie erzielten Ergebnisse sehr ähnlich sein. Bei polydispersen Mustern jedoch ergeben sich aufgrund der Streuung durch große Partikel mit der dynamischen Lichtstreuung tendenziell größere Größen als mit der Elektronenmikroskopie.

Literaturverweise

[1] M.A. Hayat (1989) Colloidal Gold:Principles, Methods and Applications,
Academic Press, New York.

[2] K. Miura and B. Tamamushi (1953)J. Electron Microscopy 1, 36-39.
[3] M. Horisberger and M.F. Clerc(1985) Histochem and Cell Biol. 82,219-223.
[4] A. Csaki, R. Möller and W.Fritzsche (2002) Expert Rev. Mol.Diagn. 2, 89-94.
[5] R. Tanaka, T. Yuhi, N. Nagatani,T. Endo, K. Kerman, Y. Takamura and E. Tamiya (2006) Anal. Bioanal.Chem 385, 1414-1420.
[6] T. Sato and H. Ahmed (1997)Applied Phys. Letters 70, 2759-2761.
[7] A.N. Shipway, E. Katz and I Willner (2000) 1, 18-52.
[8] P. Mulvaney, M. Giersig and A.Henglein (1992) J. Phys. Chem. 96,
10419- 10424.

[9] L. G. Shulz (1954) J. Opt. Soc. Am.44, 357-362 and 362-368.
[10] International Standard ISO13321 Methods for Determination of Particle
Size Distribution Part 8: Photon Correlation Spectroscopy, International Organization for Standardization (ISO) 1996.

Zetasizer Nano

Der Zetasizer Nano von Malvern Instruments ist das erste kommerzielle Gerät, das Hardware und Software für statische, dynamische und elektrophoretische Lichtstreumessungen enthält. Zu den mit einem Nano-Gerät messbaren Eigenschaften gehören Größenverteilung, Molekulargewicht und Zetapotential.

Der Zetasizer Nano wurde entwickelt, um die Anforderungen von Pharmaproben und Biomolekülen mit niedriger Konzentration und geringem Probenvolumen sowie Anwendungen mit hoher Konzentration von Kolloiden zu erfüllen. Dank eines rückwärtigen Streusystem und eines neuen Cuvettendesigns erfüllt er diese einzigartigen Anforderungen. Infolgedessen übertreffen die Größen- und Konzentrationsspezifikationen des Zetasizer Nano die anderer kommerziell erhältlicher dynamischer Lichtstreugeräte. Der Größenbereich erstreckt sich von 0,6nm bis 6μm, der Konzentrationsbereich von 0,1ppm bis 40% w/v.

Der Zetasizer Nano-System verfügt nicht nur über ein patentiertes Hardwaredesign, sondern auch über herausragende Software zur Geräteverwaltung und Datenanalyse. Diese Software verwendet einen selbstoptimierenden Algorithmus, der die erforderlichen optischen Einstellungen für jede Probe automatisiert und ein „One-Click“-Mess-, Analyse- und Berichtssystem verwendet, das entwickelt wurde, um die Lernkurve für neue Benutzer zu minimieren.