Partikelgrößenbestimmung mit dynamischer Lichtstreuung

Transkript

1 Partikelgrößenbestimmung mit dynamischer Lichtstreuung Applikationen mit dem Nanopartikel-Messgerät ANALYSETTE 12 DynaSizer Die neue ANALYSETTE 12 DynaSizer erlaubt durch das Messverfahren der dynamischen Lichtstreuung Partikelgrößenmessungen zwischen 1 und 6000 nm. Anhand von drei Beispielproben (Farbe, Gold-Nanopartikel und Nanokapseln mit wasserhaltigem Kern) werden die Vorteile dieser Messtechnik beschrieben.

2 Inhalt: Analyse schwarzer Tinte Analyse von Gold-Nanopartikeln Analyse von Nanokapseln mit wasserhaltigem Kern (NLCA) Leistungsmerkmale der ANALYSETTE 12 DynaSizer

3 Analyse schwarzer Tinte mit dem Nanopartikel-Messgerät ANALYSETTE 12 DynaSizer Aufgabenstellung Analyse der beiden Chargen schwarzer Tinte mit der Bezeichnung A und B mit den Nanopartikel-Messgerät ANALYSETTE 12 DynaSizer. Es handelt sich um lichttrocknende schwarze Flüssigfarbe, bestehend aus organischen Dispersionspigmenten und Acryl. Es soll die Größe der Pigmente und der eventuell in den Proben vorhandenen Zusatzstoffe gemessen werden. Das von dem Hersteller mitgelieferte Verdünnungsmittel ermöglicht die Verdünnung der Farben. Wir möchten jedoch auch die Farben ohne Verdünnung und ohne Veränderung analysieren und bewerten. Analyse der verdünnten Farben Die zu charakterisierenden Farben sind intensiv schwarz und deckend, sodass es unmöglich ist, sie durch dynamische Lichtstreuung in der klassischen Konfiguration zu charakterisieren. Dies würde insbesondere das Risiko bergen, die Probe lokal mit dem Laserstrahl aufzuheizen, was die Messung verfälschen würde. Eine erste Lösung besteht darin, die Proben so zu verdünnen, dass halbtransparente Proben entstehen. Die Proben der Chargen A und B müssen stark mit dem Lösungsmittel verdünnt werden, um eine vernünftige Transparenz zu erzeugen. Wir haben in diesem Fall eine fache Verdünnung vorgenommen, bevor wir die Analyse mit dem Nanopartikel-Messgerät ANALYSETTE 12 DynaSizer durchgeführt haben. Die von dem Hersteller angegebene Viskosität des Acryls beträgt 35 cps und wir messen hierfür einen Brechungsindex von 1,455. Trotz der starken Verdünnung erkennt die ANALYSETTE 12 DynaSizer ein geeignetes und innerhalb von ein oder zwei Minuten nach der Erfassung analysierbares Signal. Dieses Signal bezieht sich auf Partikel im Submikron-Bereich in beiden Proben. Um eine statistische Einschätzung der Größe dieser Partikel zu bekommen, programmieren wir mehrere sukzessive Erfassungen von 120 Sekunden und sammeln die Ergebnisse. Die Ergebnisse dieser Analysen wurden in Form eines Histogramms der kumulierten Größen in Abbildung 1 für die verdünnte Charge B und in Abbildung 2 für die verdünnte Charge A dokumentiert.

4 Abbildung 1: Charge B fach verdünnt: Das Histogramm zeigt die kumulierte Größe, die wir durch mehrere Messungen in 120 Sekunden erhalten haben. Abbildung 2: Charge A fach verdünnt: Das Histogramm zeigt die kumulierte Größe, die wir durch mehrere Messungen in 120 Sekunden erhalten haben. Diese Resultate zeigen zunächst einmal, dass die um das fache verdünnte Farbe B im Wesentlichen aus relativ monodispersen und um einen durchschnittlichen hydrodynamischen Durchmesser von 32 nm zentrierten Partikeln besteht. Bei der Analyse wurden jedoch auch punktuell einige größere Partikel entdeckt (bis zu 1,3 Mikron). Die um das fache verdünnte Farbe A besteht im Wesentlichen aus um einen durchschnittlichen hydrodynamischen Durchmesser von 48 nm zentrierten Partikeln.

5 Die Verteilung dieser Probe scheint ein wenig größer zu sein als in der vorherigen Probe, mit einer Größenverteilung zwischen 22 und 100 nm. Bei der Analyse wurden jedoch auch punktuell einige größere Partikel entdeckt (bis zu 1,2 Mikron). Analyse der unverdünnten Farben Um die unveränderte Farbe - insbesondere ohne starke Verdünnung - analysieren zu können, bietet das Nanopartikel-Messgerät ANALYSETTE 12 DynaSizer die Möglichkeit, im Thin Layer Modus zu arbeiten. Diese mit dem Überschussenergiekollektor des Laserstrahls (Photonenfalle) verbundene Konfigurationsart ermöglicht die Vermeidung der bei deckenden und absorbierenden Proben entstehenden Aufheizungswirkung. Die beiden Farben werden daher direkt anhand eines Thin Layers mit einer Stärke im Bereich von 20 Mikrometern getestet. Das Gerät erkennt ein interpretierbares Signal innerhalb von drei Minuten nach der Erfassung. Um wie zuvor eine statistische Einschätzung der Größe dieser Partikel zu bekommen, programmieren wir mehrere sukzessive Erfassungen von 180 Sekunden und sammeln die Ergebnisse. Die Ergebnisse dieser Analysen haben wir in Form eines Histogramms der kumulierten Größen in Abbildung 3 für die unverdünnte Charge B und in Abbildung 4 für die unverdünnte Charge A dokumentiert. Abbildung 3: Charge B unverdünnt: Das Histogramm zeigt die kumulierte Größe, die durch mehrere Messungen von 180 Sekunden erhalten wurde.

6 Abbildung 4: Charge A unverdünnt: Das Histogramm zeigt die kumulierte Größe, die durch mehrere Messungen von 180 Sekunden erhalten wurde. Das Resultat Die Ergebnisse der Analysen der unverdünnten Farben unterscheiden sich erheblich von den Ergebnissen der Analysen bei starker Verdünnung. Die durchschnittliche Größe der in der unverdünnten Probe B vorhandenen Partikel beträgt ca. 40 nm, erscheint aber sehr viel mehr polydispers als bei der verdünnten Probe. Insbesondere stellen wir statistisch deutlich mehr Partikel zwischen 30 und 100 nm fest. Dieses Ergebnis ist bei der Farbe A sogar noch signifikanter. Die entdeckten Partikel besitzen eine noch stärker in Richtung der großen Größen verschobene Verteilung, d.h. zwischen ca. 10 nm und nm mit einem durchschnittlichen hydrodynamischen Durchmesser von 72 nm. Wir konnten die beiden Farben in verdünntem und unverdünntem Zustand analysieren. Die beiden Proben wiesen größere Partikelmengen im Bereich von mehreren Dutzend Nanometern auf. Im Durchschnitt nm bei Charge B und ca nm bei Probe A. Anscheinend hat jedoch die Konzentration einen Einfluss auf die Existenz großer Partikel in der Probe in einem Größenbereich von einem oder mehreren Dutzend Nanometern. Eine mögliche Erklärung hierfür wäre beispielsweise die Existenz von Zusatzstoffen aus feinen Partikeln, die schwach mit der reinen Farbe verbunden sind. Diese könnten nach einer Verdünnung des Systems redispergiert werden.

7 Analyse von Gold-Nanopartikeln mit dem Nanopartikel-Messgerät ANALYSETTE 12 DynaSizer Aufgabenstellung Charakterisierung von Gold Nanopartikeln ANALYSETTE 12 DynaSizer. mit dynamischer Lichtstreuung mit der Details zur Probe und der Messung Die Probe wurde im Original-Zustand ohne jegliche Verdünnung mit der Ultra-Thin Layer Funktion des Nanopartikel-Messgerätes ANALYSETTE 12 DynaSizer gemessen. Parameter des Versuchs: - Analysetemperatur: 25 C - Viskosität: 0,894 - Brechungsindex des Lösungsmittels: 1,3 Intensitätsverteilung Abbildung 1: Das Histogramm zeigt die Intensitätsverteilung nach 1 min. Messdauer. Die Probe scheint polydispers zu sein mit einem hydrodynamischen Durchmesser zwischen ca. 110 nm bis 6 μm. Die Grundgesamtheit der maximalen Amplitude zentriert sich um einen durchschnittlichen Durchmesser von 250 nm und ist wahrscheinlich in der Mehrzahl.

8 Anzahl der Partikel (%) in Abhängigkeit vom Durchmesser Abbildung 2: Das Histogramm zeigt die kumulierte Größe nach der Mie Korrektur. Die Höhe eines Balkens stellt das Verhältnis der Objekte im Zusammenhang der Anzahl der Partikel dar. Die Anzahlverteilung der Partikel deutet darauf hin, dass die Probe um einen durchschnittlichen Durchmesser von 120 nm zentriert ist.

9 Analyse von Nanokapseln mit wasserhaltigem Kern (NLCA) mit dem Nanopartikel-Messgerät ANALYSETTE 12 DynaSizer Aufgabenstellung Analyse einer Dispersion von Nanokapseln mit wasserhaltigem Kern in Wasser. Probenvorbereitung Die gelieferte Probe wurde 100-fach verdünnt angeliefert. Diese 1/100 verdünnte NLCA Probe wurde gemessen und anschließend wurde diese Probe nochmals 100-fach mit destilliertem Wasser verdünnt und dann analysiert insgesamt wurde also eine Verdünnung im Faktor 1/ vorgenommen. Parameter des Versuchs: - Analysetemperatur: 20 C - Dynamische Viskosität des Lösungsmittels: 100cps - Brechungsindex des Lösungsmittels: 1,47 Analyse des im Verhältnis 1/100 verdünnten NLCA Die ANALYSETTE 12 DynaSizer erkennt bereits innerhalb von drei Minuten nach der Erfassung ein geeignetes und analysierbares Signal. Um eine statistische Einschätzung der Größe dieser Partikel zu bekommen, programmieren wir mehrere sukzessive Erfassungen von 180 Sekunden und sammeln die Ergebnisse. Das Ergebnis dieser Analyse wurde in Form eines Histogramms der kumulierten Größen in Abbildung 1 dokumentiert (Präsentation des Ergebnisses in der Amplitude des Streulichts). Abbildung 1: Probe NLCA verdünnt im Verhältnis 1/100. Das Histogramm zeigt die kumulierte Größe, die durch mehrere Messungen innerhalb von 3 Minuten erhalten wurde.

10 Die Probe enthält Partikel mit einem hydrodynamischen Durchmesser zwischen 80 nm und 470 nm. Die maximale gemessene Amplitude entspricht einem hydrodynamischen Durchmesser von 165 nm. Analyse des im Verhältnis 1/ verdünnten NLCA Die ANALYSETTE 12 DynaSizer erkennt innerhalb von fünf Minuten nach der Erfassung ein geeignetes und analysierbares Signal. Das Ergebnis dieser Analyse wurde in Form eines Histogramms der kumulierten Größen in Abbildung 2 dokumentiert (Präsentation des Ergebnisses in der Amplitude des Streulichts). Abbildung 2: Probe NLCA verdünnt im Verhältnis 1/ Das Histogramm zeigt die kumulierte Größe, die durch mehrere Messungen innerhalb von 5 Minuten erhalten wurde. Die maximale gemessene Amplitude entspricht einem hydrodynamischen Durchmesser von 165 nm.

11 Die Leistungsmerkmale der ANALYSETTE 12 DynaSizer Geringste Probenmengen Für Messungen mit der ANALYSETTE 12 DynaSizer genügen geringste Probenmengen von 50 μl 5 ml, die direkt auf die optische Messzelle im Gerät gegeben werden. So werden Einmalprodukte wie Küvetten o. ä. überflüssig. Durch das intelligente Design wird die Reinigung zum Kinderspiel. Messung ultra dünner Schichten Durch den küvettenlosen Aufbau ist die Stärke der Messschicht variabel einstellbar. So können auch extrem dünne Probenschichten gemessen und unerwünschte Verfälschungen des Ergebnisses durch Mehrfachstreuung verhindert werden. Hierdurch wird auch die Messung bei sehr hoher Partikelkonzentrationen und dunkler Medien möglich. Messaufbau ANALYSETTE 12 DynaSizer Variable Laserleistung Die Laserleistung der ANALYSETTE 12 DynaSizer ist variabel einstellbar und erlaubt die Messung besonders dunkler Proben oder hoher Partikelkonzentrationen von bis zu 40 Gew.-%. Partikelgrößenverteilung und Partikelkonzentration Die maximale Ausgangsleistung von 65 mw bei einer Wellenlänge von 658 nm ermöglicht die Messung niedriger Partikelkonzentrationen. Neben dem Auswerteverfahren der Cumulant-Methode steht für mehrmodalige Proben auch der leistungsfähige Padé-Laplace-Algorithmus zur Verfügung. Kombiniert mit dem Multi- Akquisitions-Modus können so mittlere Partikelgrößen, vollständige Partikelgrößenverteilungen und der Polydispersitäts-Index ermittelt werden. Effektiv, bedienerfreundlich und auf den Nanometer genau! Die Vorteile der ANALYSETTE 12 DynaSizer auf einen Blick: Partikelgrößenmessung per dynamischer Lichtstreuung unter einem konstanten Streuwinkel von 135º Messbereich von 1 bis 6000 nm, geringste Probenmengen 50 μl 5 ml einfache Probenapplikation direkt ins Gerät Ultra-Thin Layer eine extrem dünne Messschicht verhindert Mehrfachstreuung Partikelkonzentrationen von 0,0003 % bis zu 40 Vol.-% Limitierung von Laser-Induzierten Temperatureffekten wählbare Probentemperatur zwischen 15ºC und 70ºC einzigartiger Algorithmus zur Ergebnisberechnung