Méthode de mesure des échantillons de référence pour la diffusion dynamique de la lumière-2 : Comparaison des tailles de particules mesurées par TEM et DLS

Mesurer les normes de latex

                                par diffusion dynamique de la lumière

Comparaison des tailles mesurées par TEM et DLS

Différentes techniques de mesure mesureront différentes propriétés d’une particule et pourront donc donner des résultats différents en termes de taille interprétée à partir de la propriété mesurée.

Par conséquent, la question qui se pose souvent est laquelle est le résultat correct ? Pour beaucoup de gens, « voir c’est clair », donc le résultat du microscope électronique est « correct ». En fait, les échantillons préparés pour l’examen au microscope électronique sont souvent traités de manière stricte et ce traitement peut déformer des matériaux souples comme les lattices de polymères et modifier ou masquer les structures de surface.

Cela peut rendre impossible la mesure de la taille de certains types de matériaux comme les micelles tensioactives. En revanche, DLS mesure le diamètre hydrodynamique des particules dispersées dans leur environnement natif.

Toute structure de surface telle qu’une couche de polymère adsorbé, ou un changement dans la double couche électrique qui affecte le mouvement brownien de la particule, modifiera effectivement la taille de particule [5].

Augmenter la structure de surface ou étendre la double couche électrique en utilisant un dispersant très faible en sel, réduira le mouvement brownien et augmentera la taille mesurée. Pour ces raisons, la taille hydrodynamique ou DLS des particules qui ne sont pas lisses, dures  comme des sphères est généralement plus grande que la taille TEM.

Préparation des échantillons de normes de latex pour la mesure par DLS mesure

Pour les instruments avec un angle de détection de 90o (par exemple, Zetasizer Nano S90, μV ou APS), tous les standards de latex sont fournis à une concentration qui est trop élevée pour la mesure par DLS, typiquement 1% p/v. Un échantillon trop concentré entraînera une diffusion multiple et la taille apparente sera trop petite. Par conséquent, le latex doit être dilué avec 10 mM NaCl tel que discuté précédemment qui a été filtré à 0,2 microns.

Pour les instruments de détection par rétrodiffusion avec des positions de mesure variables (par exemple, Zetasizer Nano S ou ZS), les mesures sont possibles sur des concentrations de latex pures. La réduction de la longueur de trajet résultant de la position de mesure variable entraîne une réduction de la diffusion multiple.

Cependant, la concentration finale de tout latex utilisé doit être telle que le résultat soit indépendant de la concentration réelle [2,3] avec la concentration optimale étant dépendante de la taille du latex.

Divers Thermo Scientific Nanosphere 3000, 2000 et 4000 standards de taille ont été préparés en conséquence et mesurés sur une gamme d’instruments Zetasizer pour cette note d’application. Certains de ces standards ont été mesurés à concentration pure , d’autres ont été dilués dans 10 mM NaCl et d’autres ont été préparés dans une solution de 13% p/v de saccharose.

La densité des sphères de latex de polystyrène est proche de celle d’une solution de 13% p/v de saccharose et réduit les problèmes de sédimentation du latex. La concentration et le diluant utilisés pour les divers standards de latex utilisés dans cette note d’application sont présentés dans le Tableau 1.

Résultats et discussion Le Tableau 1 résume les résultats obtenus pour divers standards de latex mesurés par DLS. Le tableau inclut des détails du latex utilisé (avec le numéro de pièce Thermo affiché en parenthèses), la gamme de tailles certifiée (#) ou hydrodynamique (*), la concentration à laquelle le latex a été mesuré, le diluant utilisé pour la préparation, l’instrument sur lequel les mesures ont été prises et les diamètres z-moyens obtenus pour chaque latex.

Tous les standards disponibles chez Thermo ont une gamme de tailles certifiée mais certains ont aussi des gammes de tailles hydrodynamiques mentionnées. La gamme de tailles certifiée (#) est obtenue à l’aide de la microscopie électronique à transmission et est traçable à NIST. La gamme de tailles hydrodynamiques (*) est déterminée par DLS.

Les résultats montrent qu’il existe une large gamme de concentrations pour lesquelles des standards de latex peuvent être mesurés. La détection par rétrodiffusion utilisée dans le Zetasizer Nano permet de mesurer certains échantillons de latex à une concentration pure c’est-à-dire 1% p/v. À mesure que la taille des particules de latex augmente, l’importance des fluctuations du nombre et la sédimentation deviennent importantes.

Pendant une 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 et donc le nombre de particules dans le volume de la diffusion devrait rester constant au cours de la mesure. Toutefois, à mesure que la taille des particules augmente, le nombre de particules dans le volume de diffusion diminue jusqu’à ce que de fortes fluctuations du nombre momentané de particules dans le volume de diffusion se produisent.

Les fluctuations du nombre sont définies comme des variations du nombre de particules dans le volume de diffusion au cours d’une mesure DLS. Pour éviter les fluctuations du nombre, la concentration de l’échantillon doit être augmentée.

Cependant, cela entraînera une augmentation des effets de diffusion multiple qui influenceront à leur tour le résultat obtenu. La détection par rétrodiffusion, en combinaison avec une position de mesure variable, permet de mesurer des concentrations d’échantillon plus élevées et d’éviter ainsi les problèmes de fluctuations du nombre. Les fluctuations du nombre se manifestent normalement par des bases élevées et fluctuantes dans les fonctions de corrélation.

Un deuxième problème lors de la mesure de particules de grande taille par DLS est celui de la sédimentation. Toutes les particules se sédimenteront et le taux dépendra de la taille des particules et des densités relatives des particules et du milieu de suspension. Pour DLS, le taux de sédimentation doit être bien plus lent que le taux de diffusion. Les particules de grande taille diffusent lentement donc la sédimentation est un problème plus important.

La présence de sédimentation peut être déterminée en vérifiant la stabilité du taux de comptage lors de répétitions des mesures du même échantillon.

Des taux de comptage en diminution avec des mesures successives indiquent que la sédimentation est présente et le système de conseil expert dans le logiciel Zetasizer signalera cela à l’utilisateur.

Il peut être avantageux de suspendre les particules dans un milieu de densité similaire si la viscosité n’est pas significativement augmentée. Pour les mesures de latex à 3, 6 et 8,9 μm dans cette note d’application, les échantillons ont été préparés dans 13% p/v de saccharose qui a la même densité que le latex.

Les résultats obtenus pour les échantillons de latex à 3, 6 et 8,9 μm sont dans la plage de taille attendue en utilisant la technique DLS. Ils ont été mesurés à des concentrations entre 0,15 et 0,24% p/v. Ces résultats confirment que les effets de diffusion multiple ont été minimisés en utilisant la détection par rétrodiffusion et que les fluctuations du nombre et la sédimentation n’ont pas influencé les résultats obtenus.

Références
[1] R. Pecora (1985) Diffusion lumineuse dynamique : Applications de la spectroscopie de corrélation de photons. Plenum Press, New York.
[2] Norme internationale ISO13321 (1996) Méthodes pour la détermination de la distribution de la taille des particules Partie 8 : Spectroscopie de corrélation de photons. Organisation internationale de normalisation (ISO).
[3] Norme internationale ISO22412 (2008) Analyse de la taille des particules : Diffusion dynamique de la lumière (DLS). Organisation internationale de normalisation (ISO).

[4] National Institute of Standards and Technology (www.nist.gov).
[5] R.S. Chow et K. Takamura (1988) J. Colloid. Int. Sci, 125, 266.