Методическая статья

Измерение Распределение частиц по размерам в мутных растворах с помощью динамического рассеяния света микроскопии

DOI:

10.3791/54885

⸱

9 января 2017 г.

 , 
1Department of Chemistry, School of Science, University of Tokyo, 2Institute for Solid State Physics, University of Tokyo

В этой статье

Краткое содержание

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Протокол для прямого измерения распределения частиц по размерам в концентрированных растворах с использованием динамического рассеяния света микроскопии представлена.

Аннотация

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Описан протокол измерения полидисперсности концентрированных растворов полимеров с использованием динамического рассеяния света. Динамическое рассеяние света — это метод, используемый для измерения распределения по размерам полимерных растворов или коллоидных частиц. Хотя этот метод широко используется для оценки полимерных растворов, измерить размер частиц в концентрированных растворах сложно из-за эффекта многократного рассеяния или сильного поглощения света. Поэтому концентрированные растворы перед измерением следует разбавлять. Реализация конфокальной оптической составляющей в микроскопединамического рассеяния света 1 помогает преодолеть этот барьер. С помощью такой микроскопической системы можно анализировать как прозрачные, так и мутные системы в одной и той же экспериментальной установке без разбавления. В качестве репрезентативного примера было проведено измерение распределения по размерам полимерного раствора, реагирующего на температуру. Размеры полимерных цепей в водном растворе составляли несколько десятков нанометров при температуре ниже нижней критической температуры раствора (LCST). Напротив, размеры увеличивались до более чем 1,0 мкм при превышении LCST. Этот результат согласуется с наблюдением, что раствор помутнел выше LCST.

Введение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Размер частиц является одним из самых фундаментальных свойств коллоидных и полимерных растворов. Для измерения размера частиц используются многочисленные методы. Частицы размером 1,0 мкм и более могут быть измерены непосредственно с помощью оптического микроскопа. Для более мелких частиц используются альтернативные методы, такие как лазерная дифракция, электронная микроскопия или атомно-силовая микроскопия2,3. Динамическое рассеяние света является широко используемым методом измерения распределения частиц по размерам в растворах4. Результаты, полученные с помощью этого метода, основаны не на изображениях частиц, а на характерном времени колебаний интенсивности рассеянного света. Эти флуктуации возникают в результате броуновского движения, которое характеризуется диффузионной постоянной. Распределение по размерам получается из распределения констант диффузии с помощью уравнения Эйнштейна-Стокса. Благодаря своей простоте динамическое рассеяние света широко используется для рутинной оценки растворов, таких как краски и пищевые коллоиды.

Предварительная обработка требуется для большинства методов, используемых для измерения размера частиц в образцах раствора. В случае электронной микроскопии и атомно-силовой микроскопии образец должен быть проанализирован в условиях вакуума. Поэтому наблюдать образцы в их родном виде сложно. Кроме того, для лазерной дифракции и динамического рассеяния света можно измерять только разбавленные образцы, свободные от множественного рассеяния и поглощения света. Чтобы преодолеть эту трудность, было предложено несколько новых методов измерения динамического рассеяния света из неразбавленных, концентрированных растворов, таких как кросс-корреляционная спектроскопия5,6, низкокогерентное динамическое рассеяние света7,8, спектроскопия диффузионной волны9,10 и дифференциальная динамическая микроскопия11,12.

Мы разработали новый аппарат под названием микроскоп динамического рассеяния света1. Этот аппарат позволяет измерять мутные образцы без разбавления с помощью конфокальной оптической системы, в которой многократное рассеяние устраняется с помощью точечного отверстия. Однако процедура измерения и анализа данных несколько сложнее, чем у коммерчески доступных приборов. В этом видео подробно объясняется процедура измерения и анализа данных на примере термочувствительного полимера поли(N-изопропилакриламида).

Протокол

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Подготовка образцов

  1. Очистка температуры реагирующих мономеров
    1. Растворить 20 г N -isopropylacrylamide (ПННА) в 100 мл толуола.
    2. Фильтр решение под вакуумом для удаления пыли.
    3. Смешайте фильтрат 500 мл петролейного эфира.
    4. Поместите реакционный сосуд в водяную баню со льдом.
    5. Раствор перемешивают до тех пор, пока мономеры осаждаются (обычно 30 мин).
    6. Фильтр решение при отсасывании, получая осажденных мономеров.
    7. Сушат мономеры при пониженном давлении (100 Па) в течение ночи.
  2. Приготовление раствора полимера температуры реагирующих
    1. Дега 20 мл деионизированной воды в течение 1,0 мин с использованием мембранного насоса.
    2. Растворить 780,8 мг очищенного NIPA в 9,5 мл дегазированной и деионизированной воды.
    3. Поместите реакционный сосуд в водяную баню со льдом.
    4. Щит реакциюсвет, покрывая устройство с алюминиевой фольгой.
    5. Раствор перемешивают осторожно в течение 10 мин при введении умеренный поток газа Ar мягко через кончик пипетки, прикрепленного к газовому баллону с трубкой.
    6. Добавить 11,9 мкл N, N, N ', N' тетраметилэтилендиамина к решению с помощью микропипетки.
    7. Раствор перемешивают в течение 1,0 мин при введении газа Ar, как уже упоминалось в пункте 1.2.5.
    8. При перемешивании образца, растворяют 4,0 мг персульфата аммония в 0,5 мл дегазированной и деионизированной воды.
    9. Смешайте раствор образца (со стадии 1.2.7) и раствора персульфата аммония (со стадии 1.2.8).
    10. Раствор перемешивают в течение 30 секунд при введении газа Ar, как уже упоминалось в пункте 1.2.5.
    11. Накройте решение с алюминиевой фольгой и держать его в холодильнике (4 ° C) в течение ночи.
  3. Подготовка образцов монтирует
    1. Поместите 60 мкл раствора образца (отшаг 1.2.11) в слайде полости.
    2. Накройте решение с круглой покровным стеклом. Будьте осторожны, чтобы не пузырьки воздуха ловушку.
    3. Удалите излишки раствора с помощью микропипетки и лабораторные салфетки.
    4. Печать образца с клеем. Пусть клей сохнуть при комнатной температуре (как правило, 6 ч).
    5. Подготовьте еще один слайд, заполненный 0,1% вес полистирола латекса (100 нм) диаметра частиц суспензии следующие шаги 1.3.1-1.3.4. Этот слайд используется в качестве стандарта.

2. Измерение размера частиц с динамического рассеяния света микроскопа

  1. Оптимизация инструмента
    1. Поместите полистирол суспензия латекса слайд (со стадии 1.3.5) на предметный столик инверсионного микроскопа. Боковая крышка стекла должна быть обращена вниз.
    2. Поместите заслонку луча в передней части детектора (в лавинный фотодиод и автокоррелятора).
    3. Нанесите лазерный луч (твердотельный лазер, λ = 488 нм, 30 мВт, непрерывноеволна) к образцу через линзы объектива (10 ×). Часть отраженного света проходит через зеркало запуска микроскопа и наблюдают с помощью ПЗС - камеры , установленной на боковой порт микроскопа (рисунок 1).
    4. Отрегулируйте высоту объектива, чтобы установить фокус на образце суспензии путем сдвига высоты объектива от низкого до высокого положения. Во время этой процедуры, отраженное изображение сфокусировано три раза: на поверхности покровного стекла, на границе раздела между покровным стеклом и образцом, а на границе раздела между образцом и дырочного предметное стекло. Установить фокальную точку между вторым и третьим пункта.
    5. Ослабление интенсивности рассеянного света, изменяя мощность лазера.
    6. Введем рассеянного света в детекторе путем удаления заслонку луча перед детектором. Данное устройство измеряет время корреляции интенсивности света.
    7. Установите обскуры (ф = 50 мкм) betwееп микроскоп и детектор для достижения конфокальной эффекта. Отрегулируйте положение пинхол, чтобы максимизировать интенсивность света на детекторе.
    8. Измеряют временной корреляционной функции интенсивности рассеянного света в течение 30 с при инициации работы коррелятора с помощью компьютера. Измеренная функция корреляции часто выражается в г (2) (т) - 1, где Т время корреляции 4 и figure-protocol-1 , Здесь я (т) является интенсивность рассеянного света в момент т и (•••) T время усреднения. Время распада будет составлять около 0,1 мс.
    9. Регулировка фокальной точки для получения широкого диапазона значений начальной амплитуды временной корреляционной функции (г (2) (т = 0) - 1).
      Примечание: Начальная амплитуда сильно зависит от количества отраженного света. Перемещая координирующим паклюARD интерфейс между покровным стеклом и образцом, количество отраженного света возрастает. Для сильных световых рассеивателей, таких как полистирол латекс, начальная амплитуда может быть изменен от 0 до 1. Тем не менее, трудно установить начальную амплитуду, близкую к 1 для более распространенных растворов полимеров, так как интенсивность отраженного света намного больше, чем что рассеянного света.
    10. Применение обратного преобразования Лапласа ( с помощью ограниченного упорядочению программы CONTIN 13,14) к полученной временной корреляционной функции для получения функции распределения частиц по размерам. В тех случаях, когда начальная амплитуда устанавливается меньшим, чем 0,2, функция распределения гидродинамического радиуса покажет резкий пик около 100 нм, что в два раза превышает фактический радиус (см обсуждение для подробностей).
  2. измерение образца
    1. Установите температуру стадии до 25 ° C.
    2. Поместите слайд, подготовленный с поли-NIPA (PNIPA) Solutион (этап 1.3.4) на столик микроскопа.
    3. Мера времени функции корреляции интенсивности рассеянного света, выполнив шаги 2.1.4-2.1.8. Если начальная амплитуда больше, чем 0,2, отрегулировать фокусировку, чтобы сделать начальную амплитуду временной корреляционной функции менее 0,2 с шага 2.1.9. Небольшая начальная амплитуда упрощает анализ.
    4. Установите температуру стадии до 35 ° C и подождать, пока раствор не станет мутным. Температура ниже критического раствора (НКТР) из PNIPA раствора составляет 32 ° C 15.
    5. Мера временной корреляционной функции с помощью следующих шагов 2.1.4-2.1.8. Если это возможно, отрегулировать положение фокальной точки, чтобы сделать начальную амплитуду временной корреляционной функции меньше, чем 0,2. Для мутных растворов, их начальные амплитуды имеют тенденцию к увеличению, так как интенсивность рассеянного света увеличивается в то время как отраженного света остается постоянной.
    6. Применить обратное Лапласа transformatiна полученных временных корреляционных функций для получения функции распределения по размерам. Обратите внимание, что фактический размер составляет половину полученное значение в тех случаях, когда начальная амплитуда меньше, чем 0,2.

Результаты

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Время корреляционные функции интенсивности рассеянного света для полистирольных латексных суспензии (радиус частиц: 50 нм) были измерены при различных фокусных точках, как показано на рисунке 2 (а). Эти корреляционные функции были преобразованы в функции распределения гидродинамического радиуса по обратного преобразования Лапласа (см Рисунок 2 (б) и (с)). Используя ту же самую процедуру, временные корреляционные функции и функции распределения гидродинамического радиуса раствора PNIPA были получены при 25 ° С и 35 ° С соответственно. На рисунках 3 (а) и (б) показывают время корреляции функции интенсивности рассеянного света и соответствующие функции распределения частиц по размерам раствора PNIPA ниже (25 ° C) и выше (35 ° C) НКТР. Функции распределения частиц по размерам были получены с помощью обратного преобразования Лапласа, за которым следуюткоррекция частичного гетеродина. Средний гидродинамический радиус ниже НКТР составляет несколько десятков нанометров, что характерно для растворов полимеров. В отличие от этого, гидродинамический радиус выше НКТР составляет около 1,0 мкм. Этот результат согласуется с тем, что раствор мутный выше НКТР. Красные и синие линии на рисунке 3 представляют собой распределение по размерам PNIPA растворов , полученных сразу после и через 20 мин после раствора становился мутным, соответственно. На рисунке 3 (б) четко указывает на рост агрегации.

figure-results-1
Рисунок 1. Схематическое изображение динамического рассеяния света микроскопа. Точечным (РН), расщепитель луча (БС), поляризатор (Pol), и лавинные фотодиоды (ЛФД). Пожалуйста , нажмите сюда , чтобы просмотретьувеличенная версия этой фигуры.

figure-results-2
Рисунок 2. Представитель результаты для полистирола латекса суспензии. (А) Время корреляционные функции интенсивности рассеянного света для полистирольных латексных суспензии. Номинальный радиус составляет 50 нм, а концентрация составляет 0,1% мас. Два набора данных были получены из разных точек рассеяния. (Б), (в) соответствующие функции распределения размера для полистирольных латексных суспензии , полученные с помощью обратного преобразования Лапласа (а). Красная линия соответствует корреляционной функции времени, у которых начальная амплитуда составляет примерно 1,0, а синяя линия соответствует тому, что с начальной амплитудой, что составляет примерно 0,2. Горизонтальная ось была рассчитана без (б) и (с) с учетом эффекта частичного гетеродинирования (PHD), когда A << ; 1. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

figure-results-3
Рисунок 3. Типичные результаты для решения PNIPA. (А) Время корреляционные функции интенсивности рассеянного света для решения PNIPA. (Б) соответствующие функции распределения размера для PNIPA раствора , полученного с помощью обратного преобразования Лапласа (а). Горизонтальная ось была рассчитана с учетом эффекта частичного гетеродини для каждого набора данных. Черная линия представляет собой данные, полученные при 25 ° С. Красная линия представляет собой данные, полученные после того, как только раствор становится мутным (35 ° C). Синяя линия представляет собой данные, полученные после измерения 20 мин красной линии./54885/54885fig3large.jpg "Целевых =" _blank "> Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Обсуждение

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Начальная амплитуда временной корреляционной функции в значительной степени зависит от фокальной точки, как показано на рисунке 2 (а). Это , казалось бы , противоречит тому , что раствор однороден (для тонкого слоя на границе раздела фаз , за исключением) 8. Это изменение в начальной амплитуды объясняется изменением количества отраженного света. Частичная теория гетеродина 16 предсказывает , что начальная амплитуда, А, рассеянный свет интенсивности, я с, и интенсивность отраженного света, я г, удовлетворяют следующему уравнению 1

figure-discussion-1

Это уравнение показывает , что чем больше я г становится, тем меньше А становится. Таким образом, А снижается путем установки фокальное положение , близком к интерфейсу. Кажущаяся константа диффузии D A чап быть получена путем подгонки временной корреляционной функции в случае монодисперсных решений:

figure-discussion-2

где figure-discussion-3 , Здесь п показатель преломления растворителя (воды, 1,33), θ является рассеянное угол (180 °), и λ является длина волны света (514,5 нм). Так как мы использовали геометрия рассеяния, значение Q фиксируется. Тем не менее, эта точка решается с использованием различных длин волн света. Пожалуйста, обратите внимание, что любой вид лазерного источника непрерывного излучения можно построить DLS микроскоп. Благодаря небольшому объему облучаемой, коэффициент 17 когерентности, по оценкам, более чем 0,99 и незначительна. Для полидисперсных растворов, функция распределения D А получается с помощью обратного преобразования Лапласа. Частичные гетеродинный йeory также предсказывает , что D A не совпадает с фактической константы диффузии D. Эти две константы диффузии удовлетворяют следующему уравнению:

figure-discussion-4

Константа диффузии D превращается в гидродинамический радиус R H , используя уравнение Эйнштейна-Стокса 4. При А = 1, эта зависимость становится D A = D. В этом случае, процесс преобразования данных является такой же, как для общего динамического рассеяния света. Красная линия показано на рисунке 2 (б) соответствует этому случаю. В противоположность этому , эта связь становится D A = 0,5 D в пределе → 0. Таким образом, размер, по оценкам, в два раза больше фактического размера , когда А мало (практически, менее чем 0,2), как показано в синяя линия на рис 2 (б) рисунке 2 (с). В принципе, мы можем преобразовать D A в D для любого значения A. На практике, однако, лучше , чтобы установить начальные амплитуда меньше , чем 0,2, так как простое приближение D A ~ 0,5 D справедливо.

Видные особенности динамического светового микроскопа методом рассеяния были продемонстрированы с использованием раствора PNIPA. Конформации PNIPA ниже и выше НКТР была тщательно изучена с помощью малоуглового рассеяния нейтронов 15,18. В противоположность этому , динамическое рассеяние света не был использован для анализа PNIPA выше НКТР из - за его помутнению 19. Эта задача решается с помощью динамического рассеяния света микроскопа, как показано на рисунках 3 (а) и (б). Размер этих агрегатов составляет несколько &# 181; м, которые не могут быть получены либо малоуглового рентгеновского рассеяния нейтронов / или обычными методами светорассеяния. С временным разрешением измерений с использованием этой системы дают информацию о процессе агрегации при изменении температуры.

Недостатком динамического рассеяния света микроскопа также показано на рисунке 3. Для получения результата ниже НКТР, корреляционная функция времени сильно зависит от очень небольшого количества пыли настоящее время (черные линии на рисунке 3). Например, корреляционная функция времени не затухает полностью, даже с временами корреляции в порядке 1,0 с. Это происходит потому, что объем облучаются этим аппаратом (приблизительно 1,0 мкм), значительно меньше, чем у облученного с обычным динамическим устройством рассеяния света (приблизительно 100 мкм). В тех случаях, когда интенсивность рассеянного света слабый, сигнал затемняется шума, вызванного, например, с помощью Sмола количества пыли в растворе. Таким образом, три пика , показанные на рисунке 3 (б) не может иметь количественное значение , хотя общий порядок размера имеет смысл. Следует отметить, что такой слабый рассеиватель может быть измерена с помощью обычного динамического светорассеяния аппарата.

Мы показали, что динамическое рассеяние света микроскоп позволяет нам измерять как прозрачные, так и мутные образцы с такой же установкой. Поскольку длина оптического пути в образцах короток, этот метод может быть применен к сильным поглощающих свет образцов, таких как углеродных нанотрубок 20 суспензий. Кроме того, в связи с его высоким пространственным разрешением, этот метод может быть применен к биологическим клеткам. Для его применения к биологии, этот метод также можно комбинировать с другими методами визуализации, такими как флуоресценция и обработки изображений комбинационного рассеяния. Таким образом, мы считаем, что динамическое рассеяние света микроскоп является мощным инструментом для широкого круга научных направлений.

Раскрытие информации

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Эта работа была финансово поддержана грантами на научные исследования от Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий (No 25248027 для M.S.).

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
N-изопропилакриламид, 98%Tokyo Chemical Industry Co., Ltd.I0401
толуол, 99%Wako Pure Chemical Industries, Ltd.201-01876
Петролейный эфир, температура перегонки 30 ~ 60 °° CWako Pure Chemical Industries, Ltd.169-22565
N,N,N',N'-тетраметилэтилендиамин, 99%SigmaT9281
персульфат аммония, 98%Sigma248614
полистирольная латексная суспензия, 1 вес%Duke Scientific Corporation3500A
аргонKoike Sanso Kogyo Co., Ltd.чистота > 99.999 об.%
полостное горное стеклоMatsunami Glass Ind.,Ltd.83-0336
Инвертированный микроскопNikon Instech Co., Ltd.ECLIPSE Ti-U
Thermo PlateTokai Hit CO.,LtdTP-108R-C
Твердотельный лазерКогерентныйOBIS 488LX
лавинный фотодиодALV-GmbH ALV-High Q.E. Лавинный фотодиодный
корреляторALV-GmbHALV-5000/EPP

Ссылки

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Hiroi, T., Shibayama, M. Dynamic Light Scattering Microscope: Accessing Opaque Samples with High Spatial Resolution. Opt. Express. 21, 20260-20267 (2013).
  2. Barth, H. G., Flippen, R. B. Particle Size Analysis. Anal. Chem. 67, 257-272 (1995).
  3. Liu, Y., Wang, Z., Zhang, X. Characterization of supramolecular polymers. Chem. Soc. Rev. 41, 5922-5932 (2012).
  4. Berne, B. J., Pecora, R. Dynamic Light Scattering with Applications to Chemistry, Biology and Physics. , Dover Publications, Inc. (2000).
  5. Phillies, G. D. J. Experimental demonstration of ruultiple-scattering suppression in quasielastic-light-scattering spectroscopy by homodyne coincidence techniques. Phys. Rev. A. 24, 1939-1943 (1981).
  6. Phillies, G. D. J. Suppression of multiple scattering effects in quasielastic light scattering by homodyne crosscorrelation techniques. J. Chem. Phys. 74, 260-262 (1981).
  7. Ishii, K., Yoshida, R., Iwai, T. Single-scattering spectroscopy for extremely dense colloidal suspensions by use of a low-coherence interferometer. Opt. Lett. 30, 555-557 (2005).
  8. Xia, H., Ishi, K., Iwai, T. Hydrodynamic Radius Sizing of Nanoparticles in Dense Polydisperse Media by Low-Coherence Dynamic Light Scattering. Jpn. J. Appl. Phys. 44, 6261-6264 (2005).
  9. Maret, G., Wolf, P. E. Multiple light scattering from disordered media. The effect of brownian motion of scatterers. Z. Phys. B. 65, 409-413 (1987).
  10. Pine, D. J., Weitz, D. A., Chaikin, P. M., Herbolzheimer, E. Diffusing wave spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 60, 1134-1137 (1988).
  11. Cerbino, R., Trappe, V. Differential Dynamic Microscopy: ProbingWave Vector Dependent Dynamics with a Microscope. Phys. Rev. Lett. 108, 188102(2012).
  12. Lu, P. J., et al. Characterizing Concentrated, Multiply Scattering, and Actively Driven Fluorescent Systems with Confocal Differential Dynamic Microscopy. Phys. Rev. Lett. 108, 218103(2012).
  13. Provencher, S. W. A constrained regularization method for investing data represented by linear algebraic or integral equations. Comp. Phys. Comm. 27, 213-227 (1982).
  14. Provencher, S. W., Stepanek, P. Global analysis of dynamic light scattering autocorrelation functions. Part. Part. Syst. Charact. 13, 291(1996).
  15. Takata, S., Norisuye, T., Shibayama, M. Small-angle Neutron Scattering Study on Preparation Temperature Dependence of Thermosensitive Gels. Macromolecules. 35, 4779-4784 (2002).
  16. Pusey, P. N., van Megen, W. Dynamic Light Scattering by Non-Ergodic Media. Physica A. 157, 705-741 (1989).
  17. Chu, B. Laser Light Scattering. 2nd Ed. , Academic Press. (1991).
  18. Shibayama, M., Tanaka, T., Han, C. C. Small-Angle Neutron-Scattering Study on Poly(N-Isopropyl Acrylamide) Gels near Their Volume-Phase Transition-Temperature. J. Chem. Phys. 97, 6829-6841 (1992).
  19. Tanaka, T., Sato, E., Hirokawa, Y., Hirotsu, S., Peetermans, J. Critical Kinetics of Volume Phase Transition of Gels. Phys. Rev. Lett. 55, 2455-2458 (1985).
  20. Hiroi, T., Ata, S., Shibayama, M. Transitions of Aggregation States for Concentrated Carbon Nanotube Dispersion. J. Phys. Chem. C. 120, 5776-5782 (2016).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи