Comparaison de la taille des particules mesurée par TEM et DLS (diffusion dynamique de la lumière)

Mesure standard du latex par diffusion dynamique de la lumière (DLS)

La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est une technique non invasive adaptée à la caractérisation de la taille des nanoparticules ainsi que des molécules de bas poids moléculaire comme les protéines et les polymères. Cette technique mesure la fluctuation temporelle de l’intensité de la lumière diffusée résultant du mouvement aléatoire des particules ou molécules subissant un mouvement brownien. La vitesse de ce mouvement brownien est mesurée et appelée coefficient de diffusion translationnelle (D), qui peut être converti en diamètre hydrodynamique (D,_H) en utilisant l’équation de Stokes-Einstein[1-3].

Étant donné que le DLS est une technique absolue utilisant les premiers principes, elle ne nécessite aucune correction. Cependant, une vérification régulière de l’instrument doit être effectuée pour s’assurer de son bon fonctionnement.

Les latex polymères sphériques sont couramment utilisés pour vérifier les performances correctes de l’instrument, car ils peuvent être utilisés comme une dispersion monodisperse de sphères presque parfaites. Les sphères sont la seule forme tridimensionnelle qui peut être décrite clairement en termes de taille unique et en tant que monodisperses, elles éliminent les incertitudes associées au calcul de la taille moyenne.

Les échantillons de latex polymère présentent d’autres avantages. Ils ont une densité semblable à celle de l’eau, donc les particules de moins d’un micron restent en suspension lors de la mesure. Ils peuvent être stockés à température ambiante et ont une durée de vie de plusieurs mois ou années.

La série de mesures standard de taille Nanosphere 3000[3] est associée à un certificat d’étalonnage mesuré par microscopie électronique en transmission (TEM) traçable selon NIST[4]. Les spécifications standard incluent également le diamètre hydrodynamique mesuré par diffusion dynamique de la lumière (DLS).

Les matériaux standards de taille de la série Nanosphere 3000 sont disponibles de 20 nm à 900 nm. Les tailles les plus faciles à mesurer sont entre 20 nm et 300 nm. Les particules de plus de 60 nm sont suffisamment grandes pour fournir des résultats très reproductibles dans les diluants appropriés pour DLS. Les particules de plus de 300 nm sont exemptes du besoin de considérer l’angle car la norme de mesure du changement d’intensité de la diffusion devient notable pour des angles plus élevés.

Les séries de normes Duke 2000 et 4000 sont des matériaux standards de taille traçables selon NIST et peuvent également être utilisées pour des applications de vérification DLS, y compris des tailles supérieures à 1 micron.

Taille hydrodynamique certifiée

Les résultats indiqués sur la bouteille Nanosphere sont basés sur les résultats certifiés de TEM.

Les résultats DLS (c’est-à-dire la taille hydrodynamique) mentionnés dans le document de spécification fourni ne sont pas des valeurs certifiées.

Pour tous les matériaux standards Nanosphere 3000, la précision de la taille par DLS doit être dans la plage de taille hydrodynamique spécifiée ±2% pour les échantillons préparés dans 10 mM NaCl[2,3].

Le chlorure de sodium est utilisé pour réduire la double couche électrique. Si l’on dilue les standards avec de l’eau désionisée, la double couche s’étend, augmentant artificiellement la taille et sortant de la spécification.

Comparaison des mesures de taille par TEM et DLS

Différentes techniques de mesure quantifient différentes caractéristiques des particules et peuvent donner des résultats différents en termes de taille interprétée à partir de la caractéristique mesurée. Une question fréquente est donc : quelle est le bon résultat ?

Pour beaucoup, « voir, c’est croire », et par conséquent, les résultats du microscope électronique sont considérés comme « précis ».

En réalité, les échantillons préparés pour l’examen par microscope électronique sont souvent traités sévèrement, un traitement qui peut déformer des matériaux souples comme les réseaux polymères ou altérer et masquer les structures de surface.

Ce traitement peut rendre la mesure de la taille impossible pour certains types de matériaux tels que les micelles de surfactant. En revanche, le DLS mesure le diamètre hydrodynamique des particules dispersées dans leur environnement natif.

Tout changement dans les structures de surface, telles qu’une couche polymère adsorbée, ou dans la double couche électrique affectant le mouvement brownien des particules, change la taille effective des particules[5].

Une faible concentration saline, augmentant les structures de surface ou étendant la double couche électrique, réduire le mouvement brownien et augmenter la taille mesurée. Pour cette raison, la taille hydrodynamique ou DLS des particules non sphériques, non dures est généralement plus grande que leur taille TEM.

Table : Résumé des mesures DLS effectuées sur les standards de latex.

Cette table comprend des détails sur le latex utilisé (numéro de pièce entre parenthèses), la plage de taille certifiée (#) ou hydrodynamique (*), la concentration des échantillons de latex mesurés, le diluant utilisé pour la préparation, l’instrument utilisé pour effectuer la mesure et le diamètre z-moyen obtenu pour chaque latex.

Résultats et discussions

Le tableau 1 résume les résultats obtenus pour différents standards de latex mesurés par DLS. Tous les standards ont une plage de taille certifiée, bien que certains mentionnent également une plage de taille hydrodynamique. La plage de taille certifiée (#) est obtenue par microscopie électronique en transmission et est traçable selon NIST. La plage de taille hydrodynamique (*) est déterminée par DLS.

Les résultats montrent une large gamme de concentrations à laquelle les standards de latex peuvent être mesurés. Utilisée avec la détection de la diffusion arrière sur le Zetasizer, certaines mesures de latex peuvent être réalisées à des concentrations nettes (ex. 1% w/v).

À mesure que la taille des particules de latex augmente, les problèmes de nombre et de sédimentation deviennent significatifs. Durant la mesure DLS, l’intensité de la lumière diffusée fluctue en raison du mouvement brownien des particules. L’intensité de la diffusion est proportionnelle à la concentration de l’échantillon, donc le nombre de particules dans le volume de diffusion doit rester constant durant le processus de mesure. Toutefois, à mesure que la taille des particules augmente, le nombre de particules dans le volume de diffusion diminue jusqu’à ce que le nombre instantané de particules dans le volume fluctue sévèrement. La fluctuation du nombre est définie comme une variation dans le nombre de particules dans le volume de diffusion durant le processus de mesure DLS.

Pour éviter la fluctuation du nombre, la concentration de l’échantillon doit être augmentée. Cependant, cela augmente l’effet de multi-diffusion, influençant les résultats obtenus. L’utilisation de la détection de la diffusion arrière avec une position de mesure variable permet de mesurer des concentrations de l’échantillon plus élevées et ainsi évite les problèmes de fluctuation de nombre. La fluctuation de nombre est typiquement indiquée par une ligne de base augmentant et fluctuante dans la fonction de corrélation.

Un second problème lors de la mesure des grandes particules par DLS est la sédimentation. Toutes les particules sédimentent, et la vitesse dépend de la taille des particules ainsi que de la densité relative de la particule et du milieu de suspension. Pour DLS, la vitesse de sédimentation doit être beaucoup plus lente que la vitesse de diffusion. Les grandes particules diffusent lentement, rendant la sédimentation plus pertinente.

La présence de sédimentation peut être identifiée en vérifiant la stabilité de la vitesse de comptage lors de mesures répétées de l’échantillon. Une vitesse de comptage décroissante lors de mesures successives indique la présence de sédimentation et le logiciel Zetasizer le souligne à l’utilisateur.

Il peut être avantageux de suspendre les particules dans chaque milieu de densité similaire si la viscosité n’augmente pas de manière significative. Dans cette note d’application, les échantillons de latex de 3, 6 et 8.9 mm ont été préparés dans une solution à 13% w/v de saccharose ayant la même densité que le latex.

Les résultats obtenus pour les échantillons de latex de 3, 6 et 8.9 μm sont dans la plage de taille prévue à l’aide de la technique DLS. Ils ont été mesurés à des concentrations entre 0.15% et 0.24% w/v. Ces résultats confirment que l’effet de multi-diffusion a été minimisé en utilisant la détection de la diffusion arrière et que la fluctuation du nombre et la sédimentation n’ont pas affecté les résultats obtenus.

Télécharger ce document : Mesure des standards de latex

Références

[1] R. Pecora (1985) Diffusion dynamique de la lumière : Applications de la spectroscopie de corrélation de photons. Plenum Press, New York.

[2] ISO 13321 Standard International (1996) Méthodes de mesure de la distribution de taille des particules Partie 8 : Spectroscopie de corrélation de photons. ISO (Organisation Internationale de Normalisation).

[3] ISO 22412 Standard International (2008) Analyse de taille des particules : Diffusion dynamique de la lumière (DLS). ISO (Organisation Internationale de Normalisation).

[4] Institut National des Standards et de la Technologie des États-Unis (www.nist.gov).

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