TEMとDLS(動的光散乱)で測定した粒子サイズ(粒度)の比較

Dynamic Light Scattering 動的光散乱(DLS) によるラテックス標準測定

動的光散乱(DLS)はナノ粒子やタンパク質、ポリマーのような低分子量分子のサイズ特性化に適した非侵襲的技術です。この技術はブラウン運動を経験する粒子や分子のランダムな移動により生じる散乱光強度の時間的変動を測定します。このブラウン運動の速度は測定され、平行拡散係数(D)といい、これはストークス・アインシュタインの方程式[1-3]を用いて流体力学的直径(D,_H)に変換できます。

DLSは第一原理を使用する絶対的な技術であるため、校正が必要ありません。しかし、正しい動作を確認するために定期的に機器の検証を行う必要があります。

球形ポリマーラテックスは、正しい機器性能を検証するために非常に一般的に使用されます。これはほぼ完璧な球の一様な分散として使用できるからです。球はサイズを単一の数値で明確に説明できる唯一の3次元形状であり、単一の分散体なので、平均サイズ計算に関連する不確実性を排除します。

ポリマーラテックスサンプルには他の利点があります。水と密度が似ているため、1ミクロン未満の粒子は測定中に懸濁液に残ります。分散液は室温で保管でき、保存寿命は数ヶ月から数年です。

Nanosphere 3000シリーズのサイズ標準物質[3]には、NIST[4]にトレーサブルな透過型電子顕微鏡(TEM)で測定した校正証明書がそれぞれ提供されます。標準仕様には、動的光散乱(DLS)で測定された流体力学的直径も含まれます。

Nanosphere 3000シリーズのサイズ標準物質は、20nmから900nmまで利用可能です。測定が最も容易なサイズは、20nmから300nmの間です。60nmより大きい粒子は、DLSに適した希釈液で非常に再現性のある結果を提供できるほど十分に大きいです。300nmより大きい粒子は、角度および測定標準がこれより小さいとき、散乱強度に顕著な変化が現れ始めるので、角度を考慮する必要がありません。

Duke Standards 2000および4000シリーズは、NISTにトレーサブルなサイズの標準物質であり、DLS検証アプリケーションにも使用でき、1ミクロン以上のサイズを含みます。

認証された流体力学的サイズ

Nanosphereボトルに表示された結果は、認証されたTEM結果です。

DLSの結果(つまり流体力学的サイズ)は、提供された仕様シートで引用されており、認証された値ではありません。

すべてのNanosphere 3000標準物質の場合、DLSによるサイズ精度は10mM NaClで調製されたサンプルの場合、指定された流体力学的サイズ範囲±2%)内にあるべきです[2,3]。

塩化ナトリウムは、電気的二重層を抑制するために使用されます。標準物質を脱イオン水で希釈すると、二重層が拡張し、人工的にサイズが増加し、仕様から外れる可能性があります。

TEMとDLSで測定したサイズの比較

さまざまな測定技術は、粒子のさまざまな特性を測定するため、測定された特性から解釈されたサイズの観点で異なる結果を提供することがあります。したがって、多くの場合、どれが正しい結果ですか?という質問がよく生じます。

多くの人にとって「見ることは信じること」であるため、電子顕微鏡の結果は「正確」だとされています。

実際には、電子顕微鏡検査のために準備されたサンプルは、しばしば過酷に処理され、これらの処理でポリマーグリッドのような柔らかい材料が歪められ、表面構造が変化したりマスキングされたりする可能性があります。

界面活性剤ミセルのような一部のタイプの材料のサイズ測定を不可能にすることがあります。対照的に、DLSはネイティブ環境で分散された粒子の流体力学的直径を測定します。

吸着された高分子層のようなすべての表面構造または粒子のブラウン運動に影響を与える電気二重層の変化は、有効粒子サイズを変更します[5]。

非常に低い塩分散剤を使用して表面構造を増強したり電気二重層を拡張すると、ブラウン運動が減少し、測定されたサイズが増加します。このために滑らかで硬い球体ではない粒子の流体力学的サイズまたはDLSサイズは、通常TEMサイズよりも大きくなります。

表: ラテックス標準物質で実施されたDLS測定の要約。

この表には、使用されたラテックス(括弧内に示された部品番号)、認証された(#)または流体力学的(*)サイズ範囲、ラテックスが測定された濃度、準備に使用された希釈剤、測定が行われた機器、および各ラテックスから得られたz平均直径に関する詳細が含まれています。

結果と議論

表1は、DLSによって測定されたさまざまなラテックス標準に対して得られた結果を要約したものです。すべての標準は認証されたサイズ範囲を持っていますが、一部は流体力学的サイズ範囲も引用されています。認証されたサイズ範囲(#)は透過電子顕微鏡を使用して得たもので、NISTにトレース可能です。流体力学的サイズ範囲(*)はDLSにより決定されます。

結果は、ラテックス標準物質を測定できる濃度範囲が広いことを示しています。Zetasizerで使用される後方散乱検出により、一部のラテックスサンプルをそのままの濃度(例：1% w/v)で測定することができます。

ラテックス粒子のサイズが増加するに伴い、数の変動および沈降問題が重要になります。DLSを測定する間、散乱光の強度は粒子のブラウン運動によって変動します。散乱強度はサンプル濃度に比例するため、散乱体積内の粒子数は測定プロセス中に一定に維持する必要があります。しかし粒子サイズが増加するにつれて散乱体積の粒子数は散乱体積の瞬間的粒子数の激しい変動が生じるまで減少します. 数の変動はDLS測定プロセス中に散乱体積内の粒子数の変化により定義されます。

数の変動を防ぐには、サンプルの濃度を高くする必要があります。しかしこれは多重散乱効果を増加させ、得られる結果に影響を及ぼす可能性があります。後方散乱検出を可変測定位置とともに使用すると、より高いサンプル濃度を測定できるため、数の変動問題を防ぐことができます。数の変動は一般に相関関数で上がったり変動する基準線によって示されます。

DLSで大きなサイズの粒子を測定する際の第二の問題は沈降です。すべての粒子は沈降し、その速度は粒子サイズと粒子および懸濁媒の相対密度によって異なります。DLSの場合、沈降速度は拡散速度よりもはるかに遅くなければなりません。大きな粒子はゆっくり拡散されるため、沈降がより重要な問題です。

沈降の存在は、同じサンプルの繰り返し測定からカウント速度の安定性を確認することで確認できます。連続した測定でカウント率が減少することは沈降が存在することを示し、Zetasizerソフトウェアはこれをユーザーに強調します。

粘度が著しく上昇しない限り、似た密度の媒質で粒子を懸濁することが有利である可能性があります。このアプリケーションノートで3, 6, および8.9mmラテックスを測定するため、サンプルはラテックスと同じ密度を持つ13% w/vのスクロースで準備されました。

3, 6, および8.9μmラテックスサンプルで得られた結果は、DLS技術を使用して予想されるサイズ範囲内にあります。彼らは0.15から0.24% w/vの濃度で測定されました。これらの結果は、後方散乱検出を用いることで多重散乱効果を最小化し、数の変動および沈降が得られた結果に影響しなかったことを確認します。

この資料のダウンロード: ラテックス標準測定

参照

[1] R. Pecora (1985) 動的光散乱: 光子相関分光法の応用。プレンプレス、ニューヨーク。

[2] 国際標準 ISO13321(1996) 粒子サイズ分布測定方法 パート8: 光子相関分光法。ISO(国際標準化機構)。

[3] 国際標準 ISO22412(2008) 粒子サイズ分析: 動的光散乱(DLS)。ISO(国際標準化機構)。

[4] 米国国立標準技術研究所(www.nist.gov)。

[5] R.S. Châu and K. Takamura (1988) J. コロイド. 国際科学, 125, 266まで。