Um protocolo para a medição directa da distribuição de tamanho de partículas em soluções concentradas usando microscopia de luz espalhamento dinâmico é apresentado.
Artigo de método
Um protocolo para a medição directa da distribuição de tamanho de partículas em soluções concentradas usando microscopia de luz espalhamento dinâmico é apresentado.
Um protocolo para medir a polidispersidade de soluções poliméricas concentradas usando espalhamento dinâmico de luz é descrito. O espalhamento dinâmico de luz é uma técnica usada para medir a distribuição de tamanho de soluções poliméricas ou partículas coloidais. Embora esta técnica seja amplamente utilizada para a avaliação de soluções poliméricas, é difícil medir o tamanho das partículas em soluções concentradas devido ao efeito de espalhamento múltiplo ou forte absorção de luz. Portanto, as soluções concentradas devem ser diluídas antes da medição. A implementação do componente óptico confocal em um microscópio dinâmico de espalhamento de luz1 ajuda a superar essa barreira. Usando esse sistema microscópico, os sistemas transparentes e turvos podem ser analisados sob a mesma configuração experimental sem diluição. Como exemplo representativo, foi realizada uma medição de distribuição de tamanho de uma solução de polímero responsiva à temperatura. Os tamanhos das cadeias poliméricas em uma solução aquosa eram de várias dezenas de nanômetros a uma temperatura abaixo da temperatura crítica mais baixa da solução (LCST). Em contraste, os tamanhos aumentaram para mais de 1,0 μm quando acima do LCST. Este resultado é consistente com a observação de que a solução ficou turva acima do LCST.
O tamanho das partículas é uma das propriedades mais fundamentais das soluções coloidais e poliméricas. Inúmeras técnicas são usadas para medir o tamanho das partículas. Tamanhos de partícula de 1,0 μm ou maiores podem ser medidos diretamente usando um microscópio óptico. Para partículas menores, técnicas alternativas, como difração a laser, microscopia eletrônica ou microscopia de força atômica, são usadas2,3. O espalhamento dinâmico de luz é uma técnica comumente usada para a medição de distribuições de tamanho de partícula em soluções4. Os resultados obtidos com esta técnica não são derivados de imagens das partículas, mas do tempo característico das flutuações na intensidade da luz espalhada. Essas flutuações se originam do movimento browniano, que é caracterizado por uma constante de difusão. A distribuição de tamanho é obtida a partir da distribuição das constantes de difusão usando a equação de Einstein-Stokes. Devido à sua simplicidade, o espalhamento dinâmico de luz é amplamente utilizado para a avaliação rotineira de soluções, como tintas e colóides alimentares.
O pré-tratamento é necessário para a maioria das técnicas usadas para a medição do tamanho das partículas de amostras de solução. No caso de microscopia eletrônica e microscopia de força atômica, a amostra deve ser analisada em condições de vácuo. Portanto, é difícil observar as amostras em suas formas nativas. Além disso, para difração de laser e espalhamento dinâmico de luz, apenas amostras diluídas que estão livres de espalhamento múltiplo e absorção de luz podem ser medidas. Para superar essa dificuldade, várias novas técnicas foram propostas para a medição do espalhamento dinâmico de luz a partir de soluções concentradas e não diluídas, como espectroscopia de correlação cruzada5,6, espalhamento dinâmico de luz de baixa coerência7,8, espectroscopia de ondas difusoras9,10 e microscopia dinâmica diferencial11,12.
Desenvolvemos um novo aparelho chamado microscópio dinâmico de dispersão de luz1. Este aparelho nos permite medir amostras turvas sem diluição por meio de um sistema óptico confocal no qual o espalhamento múltiplo é eliminado usando um orifício. No entanto, o procedimento de medição e análise de dados é um pouco mais complicado do que os dos instrumentos disponíveis comercialmente. Este vídeo explica o procedimento de medição e análise de dados em detalhes usando a análise do polímero responsivo à temperatura, poli(N-isopropilacrilamida), como exemplo.
Preparação 1. Amostra
2. Partícula medição do tamanho com um Dynamic Light Scattering Microscópio
. Aqui, I (t) é a intensidade da luz dispersa no tempo t e (•••) T tem uma média de tempo. O tempo de decaimento será de aproximadamente 0,1 ms. Funções tempo de correlação de intensidade da luz dispersa para uma suspensão de látex de poliestireno (raio de partícula: 50 nm) foram medidos em diferentes pontos focais, como mostrado na Figura 2 (a). Estas funções de correlação foram convertidos para as funções de distribuição do raio hidrodinâmico pela transformação inversa de Laplace (consulte a Figura 2 (b) e (c)). Utilizando o mesmo procedimento, as funções de correlação de tempo e funções de distribuição do raio hidrodinâmico da solução PNIPA foram obtidos a 25 ° C e 35 ° C, respectivamente. As Figuras 3 (a) e (b) mostram as funções de correlação de tempo da intensidade da luz dispersa e as funções de distribuição de tamanho correspondente da solução abaixo PNIPA (25 ° C) e acima (35 ° C) a TCIS. As funções de distribuição de tamanhos foram obtidos pela transformação inversa de Laplace seguido pelacorreção do heterodyne parcial. O raio hidrodinâmico médio abaixo da TCIS é de várias dezenas de nanómetros, o que é típico para soluções de polímero. Em contraste, o raio hidrodinâmico acima da TCIS é de cerca de 1,0 um. Este resultado é consistente com o facto que a solução é turva acima da TCIS. As linhas vermelhas e azuis na Figura 3 representam a distribuição do tamanho de soluções PNIPA obtidos imediatamente após 20 min e após a solução se tornar turva, respectivamente. A Figura 3 (b) indica claramente o crescimento da agregação.

Figura 1. Esquema do microscópio de dispersão de luz dinâmica. Pinhole (PH), divisor de feixe (BS), polarizador (Pol) e fotodiodo avalanche (APD). Por favor clique aqui para veruma versão maior desta figura.

Figura 2. Os resultados representativos de uma suspensão de látex de poliestireno. (A) funções de correlação temporal da intensidade da luz dispersa para a suspensão de látex de poliestireno. O raio nominal é de 50 nm, e a concentração é de 0,1% em peso. Dois conjuntos de dados foram obtidos a partir de diferentes pontos de dispersão. (B), (c) funções de distribuição de tamanho correspondente para a suspensão de látex de poliestireno, obtidos por transformação inversa de Laplace de (a). A linha vermelha corresponde à função de correlação de tempo cuja amplitude inicial é de cerca de 1,0, e a linha azul corresponde ao que com uma amplitude inicial que é de aproximadamente 0,2. O eixo horizontal foi calculado sem (b) e com (c), considerando o efeito de heterodyning parcial (PHD), quando A << ; 1. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3. Os resultados representativos para uma solução PNIPA. (A) funções de correlação temporal de intensidade de luz dispersa para a solução PNIPA. (B) funções de distribuição de tamanho correspondente para a solução PNIPA obtido pela transformação inversa de Laplace de (a). O eixo horizontal foi calculado considerando o efeito de heterodyning parcial para cada conjunto de dados. A linha preta representa os dados obtidos a 25 ° C. A linha vermelha representa os dados obtidos imediatamente após a solução se tornar turva (35 ° C). A linha azul representa os dados obtidos após uma medição de 20 min da linha vermelha./54885/54885fig3large.jpg "Target =" _ blank "> Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
A amplitude inicial da função de correlação de tempo depende muito do ponto focal, como mostrado na Figura 2 (a). Isto aparentemente contraria o facto de que a solução é homogénea (excepto para a camada fina na interface) 8. Esta variação na amplitude inicial é atribuída a uma variação na quantidade de luz reflectida. Teoria heterodyne parcial 16 prevê que a amplitude inicial, A, a intensidade da luz dispersa, eu s, e a intensidade da luz refletida, I r, satisfazer a seguinte equação 1

Esta equação mostra que a maior I r torna-se, o mais pequeno se torna um. Portanto, A é reduzida, definindo a posição focal próximo da interface. A aparente de difusão constante D Um can ser obtido ajustando a função de correlação de tempo no caso de soluções monodispersas:

Onde
. Aqui, n é o índice de refracção do solvente (água, 1,33), θ é o ângulo dispersa (180 °), e λ é o comprimento de onda da luz (514,5 nm). Uma vez que aplicada geometria retroespalhamento, o valor de q é fixo. No entanto, este ponto é resolvido pelo uso de diferentes comprimentos de onda de luz. Por favor note que qualquer tipo de fonte de laser de onda contínua está disponível para construir o microscópio DLS. Graças ao pequeno volume irradiado, o factor de coerência 17 está estimada em mais de 0,99 e é insignificante. Para soluções polidispersos, a função de distribuição de D A é obtido pela transformação inversa de Laplace. th heterodyne parciaiseory também prevê que D A não é a mesma que a constante de difusão D efectiva. Estas duas constantes de difusão satisfazer a seguinte equação:

A constante de difusão D é convertido no raio Rh hidrodinâmico utilizando a equação de Stokes-Einstein 4. Quando A = 1, esta relação se torna D A = D. Neste caso, o processo de conversão de dados é o mesmo que o descrito para a dispersão dinâmica de luz comum. A linha vermelha mostrada na Figura 2 (b) corresponde a este caso. Em contraste, esta relação torna-se D A = 0,5 D ao limite de A → 0. Por conseguinte, o tamanho é estimada para ser duas vezes tão grande como o tamanho real quando A é pequeno (na prática, inferior a 0,2), como mostrado pela A linha azul da Figura 2 (b) A é significativamente pequena, o eixo horizontal pode ser deslocado, como mostrado na Figura 2 (c). Em princípio, podemos converter D A em D para qualquer valor de. Na prática, no entanto, é melhor para definir a amplitude inicial menor do que 0,2, uma vez que a aproximação simples D A ~ 0,5 D é válido.
As características proeminentes da técnica de dispersão de microscópio de luz dinâmica foram demonstrados usando uma solução PNIPA. A conformação do PNIPA abaixo e acima da TCIS tem sido extensivamente estudada usando pequeno ângulo de dispersão de neutrões 15,18. Em contraste, a dispersão dinâmica de luz não tem sido utilizada para a análise de PNIPA acima da TCIS devido à sua turbidez 19. Este problema é resolvido pelo microscópio de luz de dispersão dinâmica, como se mostra nas Figuras 3 (a) e (b). O tamanho destes agregados é várias &# 181; m, o que não pode ser obtida por qualquer pequeno ângulo de raios X de dispersão / neutrões ou técnicas de dispersão de luz convencionais. medições resolvida no tempo usando este sistema dar informações sobre o processo de agregação durante a mudança de temperatura.
A desvantagem do microscópio de dispersão de luz dinâmica é também ilustrada na Figura 3. Para o resultado abaixo da TCIS, a função de correlação de tempo é fortemente afetada pela pequena quantidade de poeira presente (as linhas pretas na Figura 3). Por exemplo, a função de correlação de tempo não se decompor completamente, mesmo com tempos de correlação da ordem de 1,0 s. Isto é porque o volume irradiado com este aparelho (aproximadamente 1.0 um) é significativamente menor do que irradiada com o aparelho de dispersão de luz dinâmica habitual (cerca de 100 um). Nos casos em que a intensidade de luz dispersa é fraco, o sinal está obscurecido pelo ruído, tal como a causada por Squantidades de shopping de poeira na solução. Portanto, os três picos mostrados na Figura 3 (b) pode não ter importância quantitativa embora a ordem geral do tamanho é significativa. Note-se que um espalhador tal fraco pode ser medida por um aparelho de dispersão de luz dinâmica convencional.
Nós demonstramos que a dinâmica microscópio de dispersão da luz permite-nos medir amostras tanto transparentes e turvos com a mesma configuração. Uma vez que o comprimento do percurso óptico nas amostras é curto, esta técnica pode ser aplicada a amostras de absorção de luz fortes, tais como suspensões de nanotubos de carbono 20. Além disso, devido à sua alta resolução espacial, esta técnica pode ser aplicada a células biológicas. Para a sua aplicação para a biologia, este método também pode ser combinada com outras técnicas de imagiologia, tais como imagiologia de fluorescência e Raman. Assim, acreditamos que a dinâmica microscópio de dispersão da luz é uma ferramenta poderosa para uma ampla gama de campos de pesquisa.
Os autores não têm nada a divulgar.
Este trabalho foi apoiado financeiramente por Grants-in-Aid for Scientific Research do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia (nº 25248027 a MS).
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| N-isopropilacrilamida, 98% | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. | Tolueno I0401 | |
| , 99% | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 201-01876 | |
| éter de petróleo, temperatura de destilação 30 ~ 60 ° C | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 169-22565 | |
| N,N,N',N'-tetrametiletilenodiamina, 99% | Sigma | T9281 | |
| persulfato de amônio, 98% | Sigma | 248614 | |
| suspensão de látex de poliestireno, 1 wt% | Duke Scientific Corporation | 3500A | |
| argônio | Koike Sanso Kogyo Co., Ltd. | pureza > 99,999 vol.% | |
| cavidade slide | Matsunami Glass Ind., Ltd. | 83-0336 | |
| microscópio invertido | Nikon Instech Co., Ltd. | ECLIPSE Ti-U | |
| Thermo Plate | Tokai Hit CO.,Ltd | TP-108R-C | |
| Laser de estado sólido | coerente | OBIS 488LX | |
| fotodiodo de avalanche | ALV-GmbH | ALV-High Q.E. Avalanche fotodiodo | |
| correlacionador | ALV-GmbH | ALV-5000/EPP |
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