Een protocol voor het direct meten van de deeltjesgrootteverdeling in geconcentreerde oplossingen met dynamische lichtverstrooiing microscopie wordt gepresenteerd.
Methodenartikel
Een protocol voor het direct meten van de deeltjesgrootteverdeling in geconcentreerde oplossingen met dynamische lichtverstrooiing microscopie wordt gepresenteerd.
Een protocol voor het meten van polydispersiteit van geconcentreerde polymeeroplossingen met behulp van dynamisch lichtverstrooiing wordt beschreven. Dynamische lichtverstrooiing is een techniek die wordt gebruikt om de grootteverdeling van polymeeroplossingen of colloïdale deeltjes te meten. Hoewel deze techniek veel wordt gebruikt voor de beoordeling van polymeeroplossingen, is het moeilijk om de deeltjesgrootte in geconcentreerde oplossingen te meten vanwege het effect van meervoudige verstrooiing of sterke lichtabsorptie. Daarom moeten de geconcentreerde oplossingen voorafgaand aan de meting worden verdund. Implementatie van het confocale optische onderdeel in een dynamisch lichtverstrooiingsmicroscoop1 helpt om deze barrière te overwinnen. Met behulp van zo'n microscopisch systeem kunnen zowel transparante als troebele systemen worden geanalyseerd onder dezelfde experimentele opstelling zonder verdunning. Als representatief voorbeeld werd een grootteverdelingsmeting van een temperatuurafhankelijke polymeeroplossing uitgevoerd. De grootte van de polymeerketens in een waterige oplossing was enkele tientallen nanometers bij een temperatuur onder de lagere kritische oplossingstemperatuur (LCST). Daarentegen namen de groottes toe tot meer dan 1,0 µm boven de LCST. Dit resultaat is consistent met de waarneming dat de oplossing troebel werd boven de LCST.
Deeltjesgrootte is een van de meest fundamentele eigenschappen van colloïdale en polymeeroplossingen. Er worden talrijke technieken gebruikt om de deeltjesgrootte te meten. Deeltjesgrootten van 1,0 µm of groter kunnen direct worden gemeten met behulp van een optische microscoop. Voor kleinere deeltjes worden alternatieve technieken gebruikt, zoals laserdiffractie, elektronenmicroscopie of atoomkrachtmicroscopie2,3. Dynamische lichtspreiding is een veelgebruikte techniek voor het meten van deeltjesgrootteverdelingen in oplossingen4. De resultaten die met deze techniek worden verkregen, zijn niet afgeleid van afbeeldingen van de deeltjes, maar van de karakteristieke tijd van de fluctuaties in verstrooide lichtintensiteit. Deze fluctuaties zijn afkomstig van Brownse beweging, die wordt gekenmerkt door een diffusieconstante. De grootteverdeling wordt verkregen uit de verdeling van diffusieconstanten met behulp van de Einstein-Stokes-vergelijking. Vanwege de eenvoud wordt dynamische lichtspreiding veel gebruikt voor de routinematige beoordeling van oplossingen, zoals verven en voedselcolloïden.
Voorwaardbehandeling is vereist voor de meeste technieken die worden gebruikt voor de deeltjesgroottemeting van oplossingsmonsters. In het geval van elektronenmicroscopie en atoomkrachtmicroscopie moet het monster worden geanalyseerd onder vacuümcondities. Daarom is het moeilijk om de monsters in hun oorspronkelijke vorm te observeren. Bovendien kunnen voor laserdiffractie en dynamische lichtspreiding alleen verdunde monsters die vrij zijn van meervoudige verstrooiing en lichtabsorptie worden gemeten. Om deze moeilijkheid te overwinnen, zijn verschillende nieuwe technieken voorgesteld voor het meten van dynamische lichtspreiding van onverdunde, geconcentreerde oplossingen, zoals cross-correlatiespectroscopie5,6, laagcoherente dynamische lichtspreiding7,8, diffusie-golfspectroscopie9,10 en differentiële dynamische microscopie11,12.
We hebben een nieuw apparaat ontwikkeld, een dynamisch lichtspreidingsmicroscoop1. Dit apparaat stelt ons in staat om troebele monsters zonder verdunning te meten door middel van een confocale optisch systeem waarin meervoudige verstrooiing wordt geëlimineerd met behulp van een splete. De meetprocedure en gegevensanalyse zijn echter iets gecompliceerder dan die van commercieel verkrijgbare instrumenten. Deze video legt de meetprocedure en gegevensanalyse in detail uit aan de hand van de analyse van het temperatuurafhankelijke polymeer, poly(N-isopropylacrylamide), als voorbeeld.
1. Monstervoorbereiding
2. Particle Size Measurement met een Dynamic Light Scattering Microscoop
. Hier, I (t) de verstrooide lichtintensiteit en de tijd t (•••) t de tijd gemiddeld. De vervaltijd zal ongeveer 0,1 ms. Tijdcorrelatie functies van verstrooide lichtintensiteit een polystyreen latex suspensie (radius korrelgrootte: 50 nm) gemeten op verschillende knooppunten, zoals getoond in figuur 2 (a). Deze correlatiefuncties omgezet in de verdelingsfuncties van de hydrodynamische straal van het inverse Laplace transformatie (zie figuur 2 (b) en (c)). Met dezelfde procedure tijd correlatiefuncties en verdelingsfuncties van de hydrodynamische straal van het PNIPA oplossing werd verkregen bij 25 ° C en 35 ° C. Figuren 3 (a) en (b) tonen de tijdcorrelatie functies van de verstrooide lichtintensiteit en de bijbehorende grootte verdelingsfuncties van de PNIPA oplossing hieronder (25 ° C) en hoger (35 ° C) de LCST. De grootteverdeling functies werden verkregen door de inverse Laplace transformatie, gevolgd door decorrectie van de gedeeltelijke heterodyne. De gemiddelde hydrodynamische straal onder de LCST is enkele tientallen nanometers, die typisch is voor polymeeroplossingen. In tegenstelling, de hydrodynamische straal boven de LCST is ongeveer 1,0 urn. Dit resultaat is consistent met het feit dat de oplossing troebel boven de LCST. De rode en blauwe lijnen in Figuur 3 vertegenwoordigen de grootteverdeling van PNIPA oplossingen verkregen onmiddellijk na en 20 minuten na de oplossing troebel, respectievelijk. Figuur 3 (b) duidelijk de groei van de aggregatie.

Figuur 1. Schema van de dynamische lichtverstrooiing microscoop. Pinhole (PH), bundelsplitser (BS), polarisator (Pol), en lawine-fotodiode (APD). Klik hier om te bekijkeneen grotere versie van deze figuur.

Figuur 2. Representatieve resultaten voor een polystyreen latex schorsing. (A) Tijd correlatie functies van de verstrooide lichtintensiteit voor de polystyreen latex schorsing. De nominale straal is 50 nm en de concentratie 0,1 gew%. Twee datasets werden verkregen uit verschillende verstrooiing punten. (B), (c) bijbehorende grootte verdelingsfuncties voor de polystyreen latex suspensie verkregen door de inverse Laplace transformatie van (a). De rode lijn komt overeen met de tijd correlatie functie waarvan de initiële amplitude is ongeveer 1,0, en de blauwe lijn komt overeen met die met een initiële amplitude dat is ongeveer 0,2. De horizontale as is berekend zonder (b) en (c) na het effect van partiële heterodyning (PHD) als A << ; 1. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3. Representatieve resultaten voor een PNIPA oplossing. (A) Tijd correlatie functies van de verstrooide lichtintensiteit voor de PNIPA oplossing. (B) bijbehorende grootte verdelingsfuncties voor de PNIPA, verkregen door de inverse Laplace transformatie van (a). De horizontale as werd berekend op basis van het effect van de gedeeltelijke heterodyning voor elke dataset. De zwarte lijn geeft de verkregen bij 25 ° C data. De rode lijn geeft het verkregen net na de oplossing werd troebel data (35 ° C). De blauwe lijn geeft de verkregen na 20 min meten van de rode lijn van gegevens./54885/54885fig3large.jpg "Target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
De initiële amplitude van de tijd correlatiefunctie sterk afhankelijk van het brandpunt, zoals getoond in figuur 2 (a). Dit is in tegenspraak schijnbaar dat de oplossing homogeen is (met uitzondering van de dunne laag op het grensvlak) 8. Deze variatie van de oorspronkelijke amplitude wordt toegeschreven aan een verandering in de hoeveelheid gereflecteerd licht. Gedeeltelijke heterodyne 16 theorie voorspelt dat de eerste amplitude A, de verstrooide lichtintensiteit, I s, en de intensiteit van gereflecteerd licht, Ir, voldoen aan de volgende vergelijking 1

Deze vergelijking toont aan dat hoe groter Ir wordt, hoe kleiner A wordt. Daarom A gereduceerd door de focale positie nabij het grensvlak. De schijnbare diffusie constante D A can worden verkregen door het aanbrengen van de tijd correlatiefunctie bij monodisperse oplossingen:

waar
. Hier is n de brekingsindex van het oplosmiddel (water, 1,33), θ is de verstrooide hoek (180 °) en λ de golflengte van het licht (514,5 nm). Aangezien we terugverstrooiing geometrie toegepast, is de waarde van q vast. Echter, dit punt opgelost door verschillende golflengten van licht. Let op elk type continue golf laserbron is beschikbaar om de DLS microscoop construeren. Dankzij de kleine bestraalde volume, wordt de coherentie factor 17 meer dan ongeveer 0,99 te zijn en te verwaarlozen. Voor polydisperse oplossingen, is de distributiefunctie van D A verkregen door de inverse Laplace transformatie. Gedeeltelijke heterodyne thEory voorspelt ook dat D A is niet hetzelfde als de werkelijke diffusieconstante D. Beide diffusieconstanten aan de volgende vergelijking:

De diffusieconstante D omgezet in de hydrodynamische straal Rh met de Einstein-Stokes vergelijking 4. Wanneer A = 1, deze relatie wordt D A = D. In dit geval, de data conversie proces is hetzelfde als dat voor de gemeenschappelijke dynamische lichtverstrooiing. De rode lijn in figuur 2 (b) correspondeert met de zaak. Daarentegen wordt deze relatie D A = 0,5 D op de grens van A → 0. Daarom wordt de grootte geschat tweemaal zo groot als de werkelijke grootte te zijn wanneer A is klein (bijna minder dan 0,2), zoals blijkt uit de blauwe lijn van figuur 2 (b) . Als we weten dat een significant klein, kan de horizontale as worden verschoven, zoals in figuur 2 (c). In principe kunnen we D A omzetten in D bij elke waarde van A. In de praktijk, is het beter om de eerste amplitude kleiner ingesteld dan 0,2, omdat de eenvoudige onderlinge D A D ~ 0,5 geldt.
De opvallende kenmerken van de dynamische lichtverstrooiing microscoop techniek werden aangetoond met behulp van een PNIPA oplossing. De conformatie van PNIPA onder en boven de LCST is uitgebreid bestudeerd met behulp van kleine-hoek neutronenverstrooiing 15,18. Daarentegen is dynamische lichtverstrooiing niet gebruikt voor de analyse van PNIPA boven de LCST vanwege de troebelheid 19. Dit probleem wordt opgelost door de dynamische lichtverstrooiing microscoop, zoals getoond in figuren 3 (a) en (b). De grootte van deze aggregaten meerdere &# 181, m, die niet kan worden verkregen met één kleine hoek X-ray / neutronenverstrooiing of conventionele lichtverstrooiingstechnieken. Tijdsopgeloste metingen met behulp van dit systeem geven informatie over de aggregatie proces tijdens de temperatuurverandering.
Het nadeel van de dynamische lichtverstrooiing microscoop wordt ook geïllustreerd in figuur 3. Het resultaat onder de LCST, wordt de tijd correlatiefunctie sterk beïnvloed door de zeer kleine hoeveelheid stof aanwezig is (de zwarte lijnen in figuur 3). Zo blijft de tijd correlatiefunctie niet volledig verval, zelfs met correlatie in de orde van 1,0 s. Dit komt doordat het volume bestraald met dit apparaat (ongeveer 1,0 urn) aanzienlijk kleiner is dan die bestraald met de gebruikelijke dynamische lichtverstrooiing inrichting (ongeveer 100 urn). Wanneer de intensiteit van het verstrooide licht zwak is, wordt het signaal onzichtbaar door het lawaai, vaak veroorzaakt door small hoeveelheden stof in de oplossing. Derhalve kunnen de drie pieken weergegeven in figuur 3 (b) geen kwantitatieve belang hoewel de algemene volgorde van de grootte zinvol. Overigens zou een dergelijke zwakke verstrooier kan worden gemeten met een conventionele dynamische lichtverstrooiing inrichting.
We hebben aangetoond dat de dynamische lichtverstrooiing microscoop kunnen wij zowel transparant als troebele monsters gemeten met de zelfde opstelling. Aangezien de optische weglengte in de monsters kort is, kan deze techniek worden toegepast op sterke lichtabsorberende monsters, zoals koolstof nanobuis 20 suspensies. Bovendien, vanwege de hoge ruimtelijke resolutie, kan deze techniek worden toegepast op biologische cellen. Voor de toepassing biologie, kan deze werkwijze ook worden gecombineerd met andere beeldvormende technieken, zoals fluorescentie en Raman imaging. Zo zijn wij van mening dat de dynamische lichtverstrooiing microscoop is een krachtig hulpmiddel voor een breed scala aan onderzoeksgebieden.
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dit werk is financieel ondersteund door Grants-in-Aid voor wetenschappelijk onderzoek van het Ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en Technologie (nr. 25248027 aan M.S.).
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| N-isopropylacrylamide, 98% | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. | I0401 | |
| tolueen, 99% | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 201-01876 | |
| petroleumether, destillatie temperatuur 30 ~ 60 °C | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 169-22565 | |
| N,N,N',N'-tetramethylethyleendiamine, 99% | Sigma | T9281 | |
| ammoniumpersulfaat, 98% | Sigma | 248614 | |
| polystyreenlatexsuspensie, 1 wt% | Duke Scientific Corporation | 3500A | |
| argon | Koike Sanso Kogyo Co., Ltd. | zuiverheid > 99,999 vol.% | |
| holte glijdbaar | Matsunami Glass Ind.,Ltd. | 83-0336 | |
| invers microscoop | Nikon Instech Co., Ltd. | ECLIPSE Ti-U | |
| Thermo Plate | Tokai Hit CO.,Ltd | TP-108R-C | |
| vaste-staatlaser | Coherent | OBIS 488LX | |
| lawinefotodiode | ALV-GmbH | ALV-High Q.E. Lawine Foto Diode | |
| correlator | ALV-GmbH | ALV-5000/EPP |
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen