Comparación de tamaños de partículas (distribución de tamaños) medidas con TEM y DLS (Dispersión de Luz Dinámica)

Medición estándar de látex a través de Dispersión de Luz Dinámica (DLS)

La dispersión de luz dinámica (DLS) es una técnica no invasiva adecuada para la caracterización de tamaño de nanopartículas así como moléculas de bajo peso molecular como proteínas y polímeros. Esta técnica mide las fluctuaciones en el tiempo de la intensidad de la luz dispersada causada por el movimiento aleatorio de partículas o moléculas que experimentan movimiento browniano. La velocidad de este movimiento browniano se mide y se conoce como el coeficiente de difusión traslacional (D) y puede ser convertido en el diámetro hidrodinámico (D,_H) usando la ecuación de Stokes-Einstein[1-3].

Dado que DLS es una técnica absoluta que utiliza principios primarios, no requiere calibración. Sin embargo, se debe realizar una verificación regular del instrumento para asegurar su correcto funcionamiento.

El látex polimérico en forma esférica se usa comúnmente para verificar el rendimiento apropiado del instrumento. Esto se debe a que puede ser utilizado como una dispersión monodispersa prácticamente perfecta en forma esférica. La esfera es la única forma tridimensional que puede ser definida claramente por su tamaño con un único número, eliminando las incertidumbres asociadas al cálculo del tamaño promedio.

Las muestras de látex polimérico tienen otros beneficios. Como tienen una densidad similar al agua, partículas de menos de 1 micrón permanecen en suspensión durante la medición. Las dispersiones pueden ser almacenadas a temperatura ambiente con una vida útil que dura de meses a años.

Los estándares de tamaño de la serie Nanosphere 3000[3] incluyen certificados de calibración medidos usando microscopía electrónica de transmisión (TEM) trazables a NIST[4]. Las especificaciones estándar también incluyen diámetros hidrodinámicos medidos por dispersión de luz dinámica (DLS).

Los estándares de tamaño de la serie Nanosphere 3000 están disponibles desde 20nm hasta 900nm. Los tamaños más fáciles de medir están entre 20nm y 300nm. Las partículas mayores de 60nm son lo suficientemente grandes como para ofrecer resultados altamente reproducibles en diluciones adecuadas para DLS. Las partículas mayores a 300nm no requieren consideración de ángulo ya que empiezan a exhibir cambios significativos en la intensidad de la dispersión con ángulos decrecientes.

Las series de estándares Duke 2000 y 4000 son estándares de tamaño trazables a NIST que también se pueden usar para aplicaciones de verificación de DLS e incluyen tamaños mayores a 1 micrón.

Tamaño hidrodinámico certificado

Los resultados indicados en el frasco Nanosphere son resultados certificados de TEM.

Los resultados de DLS (es decir, tamaño hidrodinámico) se mencionan en la hoja de especificaciones proporcionada y no son valores certificados.

Para todos los estándares de Nanosphere 3000, la precisión del tamaño por DLS debe estar dentro del rango especificado de tamaño hidrodinámico ±2% para muestras preparadas en 10mM NaCl[2,3].

El cloruro de sodio se usa para suprimir la doble capa eléctrica. Diluir el estándar en agua desionizada extenderá la doble capa y aumentará el tamaño de forma artificial llevándola fuera de especificaciones.

Comparación de tamaños medidos con TEM y DLS

Diferentes técnicas de medición miden diferentes propiedades de las partículas, y por ello pueden proporcionar diferentes resultados en términos de tamaño interpretado a partir de la propiedad medida. Por lo tanto, una pregunta común es, ¿cuál es el resultado correcto?

Para muchas personas, «ver es creer», por lo que los resultados de microscopía electrónica son «precisos».

De hecho, las muestras preparadas para examen de microscopía electrónica suelen ser tratadas severamente, y este tratamiento puede distorsionar materiales blandos como mallas poliméricas o cambiar o enmascarar las estructuras superficiales.

Puede hacer imposible medir el tamaño de ciertos tipos de materiales, como micelas de tensioactivos. En contraste, DLS mide el diámetro hidrodinámico de partículas dispersas en su entorno nativo.

Cualquier estructura superficial, como una capa polimérica adsorbida, o los cambios en la doble capa eléctrica que afectan el movimiento browniano de las partículas, cambiarán el tamaño efectivo de las partículas[5].

Aumentar la estructura superficial o extender la doble capa eléctrica usando un dispersante con baja salinidad disminuye el movimiento browniano e incrementa el tamaño medido. Por esta razón, el tamaño hidrodinámico de partículas que no son esferas lisas y duras, o el tamaño DLS, es generalmente mayor que su tamaño TEM.

Tabla: Resumen de medidas de DLS realizadas en estándares de látex.

Esta tabla incluye detalles sobre los tipos de látex usados (identificados con números de parte entre paréntesis), el rango de tamaño certificado (#) o hidrodinámico (*), la concentración a la que fue medido el látex, el diluyente usado para la preparación, el instrumento en el que se realizaron las medidas y el diámetro z-promedio obtenido para cada látex.

Resultados y discusión

La Tabla 1 resume los resultados obtenidos para varios estándares de látex medidos por DLS. Todos los estándares tienen rangos de tamaño certificados, aunque algunos también citan un rango de tamaño hidrodinámico. El rango de tamaño certificado (#) fue obtenido usando microscopía electrónica de transmisión y es trazable a NIST. El rango de tamaño hidrodinámico (*) es determinado por DLS.

Los resultados demuestran que puede medirse una amplia gama de concentraciones de estándares de látex. Mediante la detección de retrodispersión en Zetasizer, algunas muestras de látex pueden medirse incluso en concentraciones concentradas (por ejemplo, 1% w/v).

A medida que el tamaño de las partículas de látex aumenta, la variación numérica y los problemas de sedimentación se vuelven importantes. Durante la medición de DLS, la intensidad de la luz dispersada fluctúa debido al movimiento browniano de las partículas. La intensidad de dispersión es proporcional a la concentración de la muestra, por lo que el número de partículas dentro del volumen de dispersión debe mantenerse constante durante el proceso de medición. Sin embargo, según las partículas aumentan en tamaño, el número de partículas en el volumen de dispersión disminuye hasta que ocurre una fluctuación severa en el número momentáneo de partículas dentro del volumen de dispersión. La variación numérica se define como la variación en el número de partículas dentro del volumen de dispersión durante el proceso de medición de DLS.

Para prevenir la variación numérica, se debe incrementar la concentración de la muestra. Sin embargo, esto incrementa los efectos de dispersión múltiple, lo que afecta el resultado obtenido. La detección de retrodispersión combinada con una posición de medición variable permite medir concentraciones más elevadas, previniendo problemas de variación numérica. La variación numérica suele estar indicada por una línea de base oscilante y elevada en la función de correlación.

Al medir partículas de gran tamaño con DLS, un segundo problema es la sedimentación. Todas las partículas sedimentan, y la velocidad depende del tamaño de la partícula y la densidad relativa de la partícula y el medio de suspensión. Para DLS, la velocidad de sedimentación debe ser mucho menor que la velocidad de difusión. Las partículas grandes se difunden lentamente, haciendo que la sedimentación sea un problema más pertinente.

La presencia de sedimentación se puede verificar confirmando la estabilidad del conteo de tasa a partir de mediciones repetidas de la misma muestra. Una disminución en la tasa de conteo en mediciones consecutivas indica la presencia de sedimentación, algo que el software Zetasizer destacará al usuario.

Si la viscosidad no aumenta significativamente, puede ser ventajoso suspender las partículas en un medio de densidad similar. En esta nota de aplicación, para medir látex de 3, 6 y 8.9mm, las muestras se prepararon con un 13% p/v de sacarosa que tiene una densidad equivalente al látex.

Los resultados obtenidos para las muestras de látex de 3, 6 y 8.9μm están dentro del rango de tamaño esperado usando la técnica DLS. Se midieron concentraciones entre 0.15 y 0.24% p/v. Estos resultados confirman que el uso de la detección de retrodispersión minimiza los efectos de dispersión múltiple y que la variación numérica y la sedimentación no han afectado los resultados obtenidos.

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Referencias

[1] R. Pecora (1985) Dispersión de luz dinámica: Aplicaciones del espectroscopio de correlación de fotón. Plenum Press, Nueva York.

[2] Norma Internacional ISO13321(1996) Métodos de medición de distribución de tamaño de partícula Parte 8: Espectroscopía de correlación de fotón. ISO (Organización Internacional de Normalización).

[3] Norma Internacional ISO22412(2008) Análisis de tamaño de partícula: Dispersión de luz dinámica (DLS). ISO (Organización Internacional de Normalización).

[4] Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU. (www.nist.gov).

[5] R.S. Chau y K. Takamura (1988) J. Colloid. Int. Sci., 125, 266.