Caractérisation de l’or colloïdal à l’aide de la diffusion dynamique de la lumière (DLS)

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Introduction 

L’or colloïdal est une solution de dispersion en suspension de nanoparticules d’or présentant des propriétés intéressantes [1]. La couleur de l’échantillon est déterminée par la taille et la forme des particules d’or [2]. Figure 1 montre la suspension colloïdale d’or de différentes granulométries. Une granulométrie inférieure à 5 nm apparaît jaune, de 5 nm à 20 nm en rouge, et supérieure à 100 nm en bleu. 

Les particules d’or dans une solution aqueuse sont dotées d’une charge négative forte, conférant une affinité marquée pour des macromolécules biologiques telles que les protéines et les anticorps [3]. C’est pourquoi l’or colloïdal est actuellement appliqué dans divers domaines biotechnologiques, tels que la liaison à l’ADN, la sonde d’imagerie et les agents de diagnostic [1,4,5]. En outre, la suspension d’or colloïdal est en cours de développement pour des applications dans l’électronique avancée et les revêtements [6].

La caractérisation des tailles de l’or colloïdal est vitale pour vérifier que le diamètre des particules est uniforme et que l’échantillon dispersé ne contient pas de particules agglomérées. Les techniques de microscopie électronique sont largement utilisées comme méthodes de caractérisation de la taille [1,2]. Figure 2 est une image de microscopie électronique en transmission de l’échantillon d’or colloïdal. Bien que les particules d’or individuelles soient clairement visibles, la majorité existe sous forme d’amas composés de deux particules ou plus.

Bien que la microscopie électronique soit une excellente méthode de visualisation des particules, elle n’est pas suffisante d’un point de vue statistique car seulement quelques dizaines ou centaines de particules peuvent être mesurées. La microscopie électronique peut être utilisée pour calculer la taille des particules en comptant les particules de différentes tailles, ce qui permet de déterminer la distribution granulaire basée sur le nombre.

La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est une technique non invasive pour mesurer la taille des nanoparticules dans une dispersion. Cette méthode utilise le mouvement brownien pour mesurer l’intensité de la lumière diffusée au fil du temps dans une suspension de particules. En analysant les fluctuations d’intensité de la lumière diffusée, on peut déterminer le coefficient de diffusion pour déduire la distribution granulaire à travers l’équation de Stokes-Einstein.

Cette note d’application examine la méthode de caractérisation de la taille de l’or colloïdal utilisant la DLS et la différence des résultats obtenus par rapport aux techniques de microscopie électronique.

Expérimentation

Toutes les mesures dans cette note d’application ont été réalisées à 25°C à l’aide du Zetasizer Nano S. Le Nano S est équipé d’un laser He-Ne de 4 mW et 633 nm, ainsi que d’un détecteur de photodiode à avalanche (APD), et la lumière diffusée est détectée à un angle de 173°.

Résultats et discussion

Figure 3 montre la distribution proportionnelle d’intensité de la taille granulaire d’une solution d’or colloïdal mesurée par le Nano S. Cette figure démontre la proportion relative de lumière (axe Y) diffusée par les particules de différentes classes de taille (axe X). La distribution granulaire ainsi obtenue présente deux pics, l’un avec une moyenne de 13.6 nm et l’autre de 339 nm. Les résultats d’analyse d’intensité, de volume et de nombre de ces pics sont présentés dans le Tableau 1.

La distribution mesurée par l’intensité volumique indique qu’il y a un nombre significatif de particules agglomérées présentes dans l’échantillon. Toutefois, si l’on convertit cette distribution granulaire en volume (ou masse ou poids) (Figure 4), on constate qu’il existe une faible concentration de particules agglomérées. L’intensité des résultats est convertie en volume à l’aide de la théorie de Mie, qui nécessite les valeurs de l’indice de réfraction (n) et de l’absorption (k) des particules. Ici ont été utilisés respectivement 0.2 (n) et 3.32 (k) [9]. La distribution volumique obtenue montre que plus de 90 % de l’échantillon est constitué de petites particules d’environ 13 nm sur une base de masse.

En convertissant ce résultat en granulométrie basée sur le nombre, comme le montre la Figure 5, on obtient un pic unique avec une moyenne de 12.4 nm. Ces résultats indiquent que si vous caractérisez cet échantillon à l’aide d’une méthode basée sur le nombre comme la microscopie électronique, la plupart des particules visibles seront de petites particules. La présence de grandes particules ne pourra être observée que si un nombre suffisant est calculé. Sur une base numérique, cet échantillon contient très peu de particules agglomérées, mais ces particules dispersent une quantité considérable de lumière et constituent donc une grande partie du pic d’intensité granulométrique (Figure 3). Par conséquent, ces échantillons peuvent présenter des résultats très différents lorsqu’ils sont analysés par la diffusion dynamique de la lumière et la microscopie électronique.

Si l’échantillon montré dans la Figure 2 était mesuré à l’aide de la diffusion dynamique de la lumière, l’analyse de particules variées (particules uniques, agrégats de deux, de trois particules, etc.) serait très difficile. Ainsi, la diffusion dynamique de la lumière n’est pas recommandée comme méthode d’analyse pour des échantillons de tailles variées.

Par conséquent, les mélanges de particules uniques et d’agrégats composés de 2, 3 ou 4 particules produiront un large pic unique sous l’influence des grosses particules, majoritaires en dispersion lumineuse. Les valeurs de diamètre z-moyen et de dispersité sont sensibles à la présence de particules agglomérées. Le diamètre z-moyen est le diamètre hydrodynamique moyen et la valeur de dispersité est une estimation de la largeur de la distribution. Ces deux valeurs sont calculées en conformité avec la norme internationale ISO 13321 relative à la diffusion dynamique de la lumière [10].

Conclusion

La diffusion dynamique de la lumière est une méthode appropriée pour déterminer la taille de l’or colloïdal. Cette technique est très sensible à la présence de particules agglomérées, ce qui permet d’utiliser le diamètre z-moyen et la dispersité comme méthode de détermination de l’uniformité de l’échantillon.

Dans le cas d’échantillons à dispersion unique, les résultats obtenus par la diffusion dynamique de la lumière et la microscopie électronique doivent être très proches. Cependant, pour les échantillons polydispersés, la diffusion dynamique de la lumière détecte des granulométries plus élevées en raison de la dispersion lumineuse par les grandes particules, contrairement à la microscopie électronique.

Bibliographie

[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

Le Zetasizer Nano de Malvern Instruments est le premier appareil commercial comportant du matériel et des logiciels capables de mesures par diffusion statique, dynamique et électrophorèse de la lumière. Les caractéristiques d’échantillon mesurables par l’appareil Nano incluent la taille des particules, la masse moléculaire et le potentiel zêta.

L’appareil Zetasizer Nano est conçu pour répondre aux besoins des segments des biomolécules et des produits pharmaceutiques à faibles concentrations et faibles volumes, ainsi qu’aux applications colloïdales à haute concentration. L’usage de dispositifs optiques de diffusion arrière et la conception novatrice de cuvette répondent à ces exigences uniques. Les spécifications du Zetasizer Nano en termes de taille et de concentration des particules surpassent celles d’autres appareils de diffusion dynamique de la lumière. C’est-à-dire que l’échelle de taille des particules est de 0,6 nm à 6 µm, et l’échelle de concentration va de 0,1 ppm à 40% p/p.

Le système Zetasizer Nano dispose non seulement d’un design matériel breveté, mais aussi de logiciels excellents pour le contrôle de l’appareil et l’analyse des données. Ces logiciels utilisent un algorithme d’optimisation automatique pour régler les paramètres optiques en fonction de chaque échantillon et sont conçus pour minimiser le temps d’apprentissage de nouveaux utilisateurs à l’aide d’un système de mesure, d’analyse et de rapport « en un seul clic ».