2 Eigenschaften, Vorteile, Limitierungen der Methoden

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1 Sedimentationszentrifuge zur Größenanalyse von Nanopartikeln aus: Fortschrittsberichte der DKG; Bd. 20 (2006) Heft 1; Erlangen, November 2006 M. Missbach 1) Summary: Various measuring techniques for particle size in the low micron and nanometer range exist. Most of them are based on light scattering principles. The only method to get absolute size results that do not involve any assumptions in the interpretation of the raw data are microscopy (yielding dry particle diameters) and sedimentation methods using X-ray detection sources but that like most others give the hydrodynamic diameter. Whilst standard sedimentation equipment due to the long time involved in the settling of small particles is limited to larger diameters, the centrifuges due to high reachable G-forces allow to use this principle for particles down to around 10nm. Many operating parameters including choice of different spin fluids. Thus an enourmous size range for the same sample may be covered (e.g. from a few tens of nm to a few tens of microns) as runs on the same sample with different speeds can be merged into one result. Vorerst ein Überblick über die verschiedenen Techniken, um mit den Unterschieden auch die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren herausarbeiten zu können: 1 Möglichkeiten zur Partikelgrößenmessung (nm und unterer µm Bereich) Prinzipiell ist anzumerken, dass alle Methoden eine gewisse Probenvorbereitung benötigen; Suspendierung, Stabilisierung mit Netzmittel, 2 Eigenschaften, Vorteile, Limitierungen der Methoden Einerseits Bestimmung des Trockendurchmessers (Mikroskop, Elektronenmikroskop); geben Auskunft über die Form der Partikel; Werte nicht unbedingt mit anderen Verfahren vergleichbar. Wenn eine repräsentative Aussage erforderlich ist, muss eine größere Population vermessen werden, was zeitaufwendig ist. Andererseits: Systeme, die den hydrodynamischer Durchmesser erfassen: Einzelpartikel (Zähler) z.b. Coulter Counter oder "ensemble averaging techniques", große Populationen werden statistisch vermessen Laserlichtstreuung, Fraunhofersysteme Messbereich eigentlich nach unten durch Laserlichtwellenlänge begrenzt; Daher Extrapolation nach unten in den Bereich der Mie-Streuung mit begleitenden Schwierigkeiten (Stichwort: Imaginäranteil der Brechung). Bei multimodalen Verteilungen daher sehr viel Mathematik involviert (Annahmen zur Auswahl der Modelle müssen getroffen werden, was Werte unsicher macht). Ultraschall-Elektrokinetik Vorteil: auch höhere Konzentrationen, wie sie in der Produktion anfallen, können gemessen werden. Allerdings müssen auch hier Modellannahmen getroffen werden, um richtige Ergebnisse zu erhalten. Feld-Fluss-Fraktionierung (FFF) Chromatographisches System, eher für Molmassen geeignet, hoher Instrumenteller Aufwand wegen des Zusätzlichen Detektors Sterische Exklusions-Chromatographie (SEC/GPC) Es gilt ähnliches wie für die FFF Methode. Dynamische Lichtstreuung, Photokorrelationsspektroskopie Messung nur in sehr hohen Verdünnungen möglich. Resultate rasch Verfügbar; Über die Interpretation der Korrelationskurve in Partikelgrößen müssen Annahmen getroffen werden (z.b. ob monomodal oder multimodales Ergebnis erwartet wird) Bei Rückstreugeräten, die eine höhere Konzentration erlauben, sind größere Partikel (> 1µ schwer erfassbar) Statische Lichtstreuung (MALLS oder Goniometer) Rasch arbeitend, Informationen über Partikel (Mie-Streuung) erforderlich bzw. müssen kalibriert werden. Sedimentation/Zentrifugalsedimentation Absolutmessung des hydrodynamischen Durchmessers möglich, Messzeiten können etwas länger dauern (Minuten bis Stunden); Reine 1) LaborChemie Wien, A-1230, Kanitzgasse 21,

2 Sedimentationsgeräte teuer und nur für Partikel >1µ praktikabel (abhängig von den Partikeleigenschaften). Aber es gibt Kombigeräte. 3 Zentrifugen: Prinzip - Typen - Vor- und Nachteile Hauptvorteil: "Sedimentationsmessung ist eine Absolutmessung". Dabei bedeutet der Begriff "Absolutmessung", dass zur Berechnung der Partikelgröße aus dem Messresultat nur eindeutig bestimmbare oder bekannte physikalische Werte herangezogen werden. Keinerlei Annahmen oder Berechnungsmodelle sind anzuwenden, das Messsystem muss nicht kalibriert oder einjustiert werden. Grundsätzlich werden Zentrifugen eingesetzt, bei denen sich die Probe im inneren einer Hohlscheibe absetzt, mit einem Detektorsystem wird das Signal durch die Scheibe hindurch erfasst. Stokes Gesetz (gültig für laminare Strömung während der Sedimentation) 18η f ln ( r i / S ) D 2 m = ω 2 ( ρ p ρ f ) * t i η f Viskosität der Flüssigkeit r i radiale Position des Messstrahles S radiale Position der Oberfläche t i Messzeit ω Winkelgeschwindigkeit d. Scheibe ρ p Dichte der Partikel ρ f Dichte des flüssigen Mediums Dieses Gesetz ursprünglich aufgestellt für die Sedimentation unter Gravitationskraft - kann für Partikelsedimentation in einer Zentrifuge erweitert werden: es ergibt sich damit die Zeit t, die ein Partikel mit dem Durchmesser D und der Dichte ρ benötigt, um die radiale Distanz S zur Position r des Detektors zu wandern. In dieser Formel sind im Gültigkeitsbereich des Stokes` Gesetzes alle Parameter eindeutig messbar, es müssen keine Annahmen getroffen werden wie gesagt: eine Absolutmessung! Dies natürlich nur, solange alle diese Parameter während der kompletten Messung konstant gehalten werden. Es ist keine Eichung des Messvorganges erforderlich bzw. möglich. Werden aber Parameter während der Messung verändert (wie z.b. die Drehzahl) oder sind sie nicht konstant (wie bei Einsatz eines deutlichen, mehrstufigen Gradienten), dann ist dieser Vorteil verloren auch wenn die Verteilungen enger erscheinen. Es muss geeicht werden oft mit Substanzen, die nicht dieselben Eigenschaften haben, wie die Proben was einen zusätzlichen Unsicherheitsfaktor ergibt. Da aufgrund der vorerst unbekannten Größe nicht vorausberechnet werden kann, wo sich ein Partikel befindet, sind auch die wirkenden Kräfte nicht berechenbar. Enorm großer Messbereich (von unter 10nm bis zu über 100µm, je nach Probentype), wobei der Bereich nach unten durch mögliche Rückdiffusion und nach oben durch die Bedingung der laminaren Sedimentation limitiert ist. Proben mit großem Unterschied in der Partikelgröße durch Kombination (Merging) von zwei Messläufen erfassbar. Nachteile: längere Messzeit, Mie-Korrektur (nur bei Lichtzentrifuge) Etwas größeres Probenvolumen erforderlich (10 bis 20ml) 4 Die zwei Zentrifugentypen nach der Art der Detektion: Lichtzentrifugen (z.b. Brookhaven DCP) Die Detektion erfolgt mittels eines Lichtstrahles Röntgenzentrifugen (Brookhaven XDC) Die Erfassung der Partikel erfolgt mittels eines niedrigenergetischen Röntgenstrahles durch Detektion in einem Szintillationsdetektor

3 5 Prinzipieller Ablauf einer Messung: Die Probenbezeichnung wird eingegeben, es werden die Betriebsparameter des Laufes gewählt, eventuell unter Einsatz der Modeling Utility. Mit einer Injektionsspritze werden 10 bis 15ml der Probe in die Hohlscheibe gefüllt. Die optische Dichte der Ausgangssuspension erfasst und gespeichert Das Programm durch "Start" begonnen, Suspension in der Hohlscheibe zu Beginn und beginnendes Absetzen der Partikel während der Messung Nach Ablauf werden die Resultate automatisch gespeichert und angezeigt. Die Probe wird durch "MIX" wieder aufgeschüttelt und aus der Scheibe abgesaugt. 6 Zwei Messmethoden bei Scheibenzentrifugen: Homogenstart (HOST) Dabei wird eine homogene Partikelsuspension eingesetzt. Die Position des Lichtstrahles befindet sich etwas über dem Scheibenboden (um nicht durch das angehäufte Sedimentationsgut beeinflusst zu werden). Während sich die Partikel von den großen zu den kleinen hin immer weiter absetzen, wird die Transparenz der Probe und damit das Signal am Detektor höher. Bei Start Phase 1 Phase 2 Phase 3 vor Ende Typischer Signalverlauf einer HOST Messung

4 Linienstart (LIST) Dabei wird auf die Oberfläche des laufenden Trennmediums eine geringe Menge konzentrierter Probe aufgebracht, die sich in Streifen trennt. Nach durchlaufen der Trägerflüssigkeit kann ohne Stop des Zentrifugenlaufes die nächste Probe aufgegeben werden. Bei Start Phase 1 Phase 3 Phase 5 Ende mit Restart Typischer Signalverlauf einer LIST Messung mit drei Partikelgrößen 7 Möglichkeiten zur Optimierung / Variierung Erstellen der Applikation a. Laufzeit: Die Zeitspanne für einen Lauf beträgt zwischen drei Minuten und acht Stunden. b. Drehzahl Die Drehzahl ist zwischen 600 und 6000rpm (bei Spezialscheiben bis 10000rpm) wählbar c. Volumen Das einsetzbare Volumen für eine Probe beträgt etwa 7ml bis 25ml d. Konzentration Wenn auch bei der Zentrifugalsedimentation keine Annahmen getroffen werden müssen, so muss dennoch darauf geachtet werden, dass die Vorbedingungen eingehalten werden. Abgesehen von der Unabhängigkeit der Einzelpartikel voneinander (bei 80% Volumsanteil sedimentieren Partikel sicherlich nicht ungestört im Medium), ist auch auf richtiges Strömumgsverhalten zu achten. e. Kopfsteuerung (Betriebsmodus) Neben dem Gravitationsmodus (G-mode), bei dem eine Messung bei ruhender Scheibe und ruhendem Detektorkopf abläuft, gibt es den F-Mode bei rotierender Scheibe und in der "Home Position" ruhendem Kopf und zwei Moden, bei denen der Detektorkopf gegen die Sedimentationsrichtung bewegt wird, um die Messdauer zu verringern. f. Laufmittel (Glycerin statt Wasser) Neben dem Standard Laufmittel ("spin fluid") Wasser können auch andere, hochviskose Flüssigkeiten eingesetzt werden, um den Messbereich zu erweitern. Ist eine Messung in organischen Lösungsmitteln erforderlich, so wird dazu eine lösungsmittelresistente Scheibe aus Polycarbonat eingesetzt.

5 Beispiel: eine Probe, die in Wasser mit einem Bereich von 3,7µm bis 0,09µm erfassbar ist, hätte in Glyzerin einen Messbereich von 29,6µm bis 0,7µm. Warum ist eine Optimierung der Messmethodik erforderlich, warum können leicht unterschiedliche Resultate auftreten, obwohl es sich um eine Absolutmethode handelt? Auch wenn alle Parameter direkt zugänglich sind, müssen doch di Rahmenbedingungen eingehalten werden, unter denen das Stokes Gesetz gilt. Dies ist nach obenhin die Bedingung, dass es sich um eine laminaren Sedimentationsstrom handelt, also bei Reynoldszahlen bis etwa 0,2 und dass nach unten hin die Sedimentation noch rasch genug stattfindet, um nicht durch Rückdiffusion zu stark beeinflusst zu werden. Beispiel: Eine bimodale Silikatprobe, die bei feststehendem Messkopf (F-mode, links) und einer Laufzeit von zwei Stunden noch nicht alle kleinen Partikel erfasst hat (Cumulative erst bei 80%), zeigt eine schlechte Auflösung der beiden Größen. Der Partikelanteil um 0,10µm ist nur als Schulter zu erkennen, der Anteil um 0,05µm noch kaum erfasst. Wird jedoch der Kopf gegen die Sedimentationsrichtung bewegt (X-mode, rechts), sind nach 50min bereits alle Partikel vermesse, die Population bei 0,10µm ist klar getrennt. Beide Läufe zeigen in der summarischen Auflistung den korrekten d50-wert von ca. 0,12µm, der Mittelwert ist aber wegen der fehlenden Feinanteile noch stark unterschiedlich.

6 8 Modeling Utility Das Resultat kann also von den Messbedingungen als auch von der erforderlichen Arbeitszeit her optimiert werden. Zur raschen Ermittlung der besten Bedingungen bietet das Programm eine Modellierfunktion, in der rasch der Einfluss der Änderung eines Parameters ermittelt werden kann. Auf Knopfdruck wird der Messbereich errechnet. Durch Reduktion der Drehzahl auf 700rpm erhöht sich der Durchmesser der größten Partikel auf das Doppelte (3,85µm) Durch Verdreifachung der Laufzeit auf 75min wird der Durchmesser der kleinsten messbaren Partikel auf 0,07µm gebracht.

7 Durch Wechsel zum X-Mode mit bewegtem Detek- Einsatz reiner Gravitation (G-Mode) erweitert den tor wird das Verhältnis von größtem zu kleinstem Größenbereich auf bis zu 47µm, wobei dieser Lauf Durchmesser auf etwa 1:40 gebracht, der Bereich.. dann mit einem zweiten für kleine Partikel zu einer wesentlich erweitert. Gesamtmessung vereinigt werden kann (merging). 8 Resultate Das Tabellarische Endresultat enthält neben den Betriebsparametern der Messung alle statistischen Auswertungen aus Partikelgröße und verteilung, wahlweise mit 2%, 5% oder 10%-Schritten. Ausdruck erfolgt in wählbaren Protokollen 9 Zusammenfassende Bemerkungen: Einer der großen Vorteile der Zentrifugen liegt im großen Messbereich und der Tatsache, dass es sich bei der Größenmessung um eine Absolutmessung handelt. Bei Lichtzentrifugen mit der Einschränkung, dass die Richtigkeit der Verteilung von der richtigen Wahl der Mie-Korrektur-Parameter abhängt. Als Schlusswort vielleicht die Aussage eines langjährigen Nutzers einer XDC, die den Einsatzschwerpunkt der Systeme auf den Kern bringt: "Wir haben die unterschiedlichsten Messsysteme im Einsatz. Wenn wir auf den einzelnen Geräten verschiedene Werte bekommen, aber einen richtigen benötigen, dann greifen wir auf die Röntgenzentrifuge zurück"