Dinamik ışık saçılım mikroskobu kullanılarak konsantre çözeltiler içindeki parçacık büyüklüğü dağılımının doğrudan ölçümü için bir protokol verilmektedir.
Yöntem makalesi
Dinamik ışık saçılım mikroskobu kullanılarak konsantre çözeltiler içindeki parçacık büyüklüğü dağılımının doğrudan ölçümü için bir protokol verilmektedir.
Dinamik ışık saçılımı kullanarak konsantre polimer çözeltilerinin polidispersitesini ölçmek için bir protokol açıklanmıştır. Dinamik ışık saçılımı, polimer çözeltilerinin veya kolloidal parçacıkların boyut dağılımını ölçmek için kullanılan bir tekniktir. Bu teknik, polimer çözeltilerinin değerlendirilmesi için yaygın olarak kullanılmasına rağmen, çoklu saçılma etkisi veya güçlü ışık emilimi nedeniyle konsantre çözeltilerde partikül boyutunu ölçmek zordur. Bu nedenle, konsantre çözeltiler ölçümden önce seyreltilmelidir. Konfokal optik bileşenin dinamik bir ışık saçılma mikroskobu1'de uygulanması bu engelin üstesinden gelmeye yardımcı olur. Böyle bir mikroskobik sistem kullanılarak, hem şeffaf hem de bulanık sistemler, seyreltme olmadan aynı deney düzeneği altında analiz edilebilir. Temsili bir örnek olarak, sıcaklığa duyarlı bir polimer çözeltisinin boyut dağılımı ölçümü gerçekleştirildi. Sulu bir çözeltideki polimer zincirlerinin boyutları, düşük kritik çözelti sıcaklığının (LCST) altındaki bir sıcaklıkta birkaç on nanometre idi. Buna karşılık, boyutlar LCST'nin üzerindeyken 1.0 μm'nin üzerine çıktı. Bu sonuç, çözeltinin LCST'nin üzerinde bulanıklaştığı gözlemiyle tutarlıdır.
Partikül boyutu, kolloidal ve polimer çözeltilerinin en temel özelliklerinden biridir. Parçacık boyutunu ölçmek için çok sayıda teknik kullanılır. 1.0 μm veya daha büyük partikül boyutları doğrudan optik mikroskop kullanılarak ölçülebilir. Daha küçük parçacıklar için lazer kırınımı, elektron mikroskobu veya atomik kuvvet mikroskobu gibi alternatif teknikler kullanılır2,3. Dinamik ışık saçılımı, çözelti4'teki parçacık boyutu dağılımlarının ölçümü için yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Bu teknik kullanılarak elde edilen sonuçlar, parçacıkların görüntülerinden değil, saçılan ışık yoğunluğundaki dalgalanmaların karakteristik zamanından elde edilir. Bu dalgalanmalar, bir difüzyon sabiti ile karakterize edilen Brown hareketinden kaynaklanır. Boyut dağılımı, Einstein-Stokes denklemi kullanılarak difüzyon sabitlerinin dağılımından elde edilir. Basitliği nedeniyle, dinamik ışık saçılımı, boyalar ve gıda kolloidleri gibi çözeltilerin rutin değerlendirmesi için yaygın olarak kullanılmaktadır.
Çözelti numunelerinin partikül boyutu ölçümü için kullanılan tekniklerin çoğu için ön işlem gereklidir. Elektron mikroskobu ve atomik kuvvet mikroskobu durumunda, numune vakum koşulları altında analiz edilmelidir. Bu nedenle, örnekleri doğal formlarında gözlemlemek zordur. Ayrıca, lazer kırınımı ve dinamik ışık saçılımı için, yalnızca çoklu saçılma ve ışık absorpsiyonu içermeyen seyreltilmiş numuneler ölçülebilir. Bu zorluğun üstesinden gelmek için, seyreltilmemiş, konsantre çözeltilerden dinamik ışık saçılımının ölçümü için çapraz korelasyon spektroskopisi5,6, düşük tutarlılıklı dinamik ışık saçılımı7,8, difüzyon dalgası spektroskopisi9,10 ve diferansiyel dinamik mikroskopi11,12 gibi birkaç yeni teknik önerilmiştir.
Dinamik ışık saçılma mikroskobu1 adı verilen yeni bir cihaz geliştirdik. Bu cihaz, bir iğne deliği kullanılarak çoklu saçılmanın ortadan kaldırıldığı konfokal bir optik sistem vasıtasıyla bulanık numuneleri seyreltmeden ölçmemizi sağlar. Bununla birlikte, ölçüm prosedürü ve veri analizi, piyasada bulunan cihazlardan biraz daha karmaşıktır. Bu video, örnek olarak sıcaklığa duyarlı polimer olan poli(N-izopropilaminakrilamid) analizini kullanarak ölçüm prosedürünü ve veri analizini ayrıntılı olarak açıklamaktadır.
1. Numune Hazırlama
Dinamik Işık Saçılma Mikroskop ile 2. Partikül Boyutu Ölçümü
. Burada, I (t) t zamanında ve (•••) T zaman ortalama olan en dağınık ışık şiddetidir. çürüme süresi yaklaşık 0.1 ms olacaktır. Bir polistiren lateks süspansiyon için saçılan ışık yoğunluğunun zaman korelasyon fonksiyonları (partikül çapı: 50 nm), Şekil 2 'de gösterildiği gibi, farklı odak noktalarında ölçülmüştür (a) dır. Bu korelasyon fonksiyonları Ters Laplace dönüşümü ile hidrodinamik yarıçapı dağılımı fonksiyonları dönüştürülmüştür (bakınız Şekil 2 (b) ve (c)). Aynı prosedür kullanılarak, PNIPA çözeltisi hidrodinamik yarıçapının zaman korelasyon fonksiyonları ve dağılım fonksiyonları sırasıyla 25 ° C'de elde edildi ve 35 ° C idi. Şekil 3 (a) ve (b) dağınık ışık yoğunluğunun zaman korelasyon fonksiyonlarını yukarıda PNIPA aşağıdaki çözeltisi (25 ° C) ve (35 ° C) LCST'nin karşılık gelen boyutu dağılımı fonksiyonları gösterir. boyut dağılım fonksiyonları takip Ters Laplace dönüşümü ile elde edilmiştirKısmi Heterodyne düzeltilmesi. LCST'nin altında ortalama hidrodinamik çapı polimer çözeltileri için tipik olan nanometre onlarca vardır. Bunun aksine, yukarıda belirtilen LCST'nin hidrodinamik çapı yaklaşık 1.0 mm. Bu sonuç, çözüm LCST'nin üzerinde bulanık olduğu gerçeği ile tutarlıdır. Şekil 3'te kırmızı ve mavi çizgiler hemen sonra elde edilen ve çözümden sonra 20 dk sırasıyla bulanık hale PNIPA çözümleri büyüklük dağılımını temsil etmektedir. Şekil 3 (b) açık bir şekilde toplanmasının büyüme gösterir.

Şekil dinamik ışık saçılımı mikroskobunun 1. Şemalar. İğne Deliği (PH), ışın ayırıcı (BS), polarize (Pol), ve çığ fotodiyot (AKB). Görmek için buraya tıklayınızBu rakamın daha büyük bir versiyonu.

Polistiren lateks süspansiyon için 2. Temsilcisi sonuçları Şekil. (A) polistiren lateks süspansiyon için dağınık ışık yoğunluğu Zaman korelasyon fonksiyonları. Nominal çapı 50 nm, yoğunluğu 0.1 ila% 'dir. Iki gerçekleştirmede farklı saçılma noktaları elde edilmiştir. (B) ters Laplace dönüşümlerinin elde edilen polistiren lateks süspansiyon (c) 'e uygun boyut dağılımı işlevleri (a) dır. kırmızı çizgi olan ilk genliği yaklaşık 1.0 kez korelasyon fonksiyonuna karşılık gelir ve mavi çizgi, yaklaşık 0.2 olan bir ilk genlikli karşılık gelir. Yatay eksen kısmi heterodin (PHD) etkisini göz önünde bulundurarak, (b) olmadan ve (c) hesaplandı BIR << ; 1. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil, bir PNIPA çözeltisi 3. Örnek sonuçlanır. (A) PNIPA çözümü için dağınık ışık yoğunluğu Zaman korelasyon fonksiyonları. (B) (a) ters Laplace dönüşümlerinin elde PNIPA çözümü için uygun büyüklükte dağılım fonksiyonları. Yatay eksen her veri seti için kısmi heterodyning etkisi dikkate alınarak hesaplandı. siyah çizgi 25 ° C'de elde edilen verileri temsil eder. Kırmızı çizgi çözüm bulanık döndü hemen sonra elde edilen verileri (35 ° C) temsil etmektedir. mavi çizgi kırmızı çizgi bir 20 dk ölçümden sonra elde edilen verileri temsil eder./54885/54885fig3large.jpg "Target =" _ blank "> bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Zaman bağıntı fonksiyonunun başlangıç büyüklüğü büyük ölçüde Şekil 2'de gösterildiği gibi, bir odak noktasına bağlıdır: (a). Bu görünüşte çözeltisi (arabiriminde ince bir tabaka hariç) homojen olduğu gerçeğini 8 çelişmektedir. Başlangıç genlik Bu değişim yansıtılan ışığın miktarı bir varyasyon ilişkilendirilir. Kısmi heterodyne teorisi 16 ilk genlik, A, dağınık ışık şiddeti, ben s ve yansıyan ışık yoğunluğu, ben r, aşağıdaki denklemi tatmin tahmin 1

Bu denklem ı r büyür olduğunu gösterir, daha küçük bir hale gelir. Bu nedenle, A arayüzü yakın fokal konumunun ayarlanması ile azaltılır. Görünür difüzyon sabiti D A can, tek dağılımlı çözeltiler durumunda bu zaman bağıntı fonksiyonunu oturtulması ile elde edilebilir:

nerede
. Burada, n çözücü (su, 1.33) kırılma indeksi olduğu, θ dağınık açısı (180 °), ve λ hafif (514.5 nm) dalga boyudur. Biz geri saçılma geometri uygulanan bu yana, q değeri sabittir. Bununla birlikte, bu nokta farklı dalga boylarında ışık kullanılarak çözülmüştür. Sürekli dalga lazer kaynağının her türlü DLS mikroskop inşa etmek mevcut olduğunu lütfen unutmayınız. Küçük ışınlanmış hacmi sayesinde, tutarlılık faktörü 17 den fazla 0.99 olacağı tahmin ve göz ardı edilebilir olduğunu. Polidispers çözeltiler, D, A, dağılım fonksiyonu Ters Laplace transformasyonu ile elde edilir. Kısmi heterodyne incieory ayrıca D Bir gerçek difüzyon sabiti D aynı değildir öngörür. Bu iki difüzyon sabitleri aşağıdaki denklemi karşılar:

-Sındaki geçiş sabiti D Einstein Stokes denklemi kullanarak 4 hidrodinamik çapı R, H dönüştürülür. A = 1, bu ilişki D A = D olduğunda. Bu durumda, veri dönüştürme işlemi ortak dinamik ışık saçılımı için aynıdır. Şekil 2 (b) 'de gösterildiği kırmızı çizgi, bu durumda karşılık gelir. Bunun aksine, bu ilişki sınırında D A = 0.5 D olur → 0 küçük (pratik, daha az 0.2) olduğu zaman ile gösterildiği gibi nedenle, boyut, gerçek boyut olarak iki kat daha büyük olduğu tahmin edilmektedir Şekil 2 (b) 'nin mavi çizgi bir ölçüde küçük olduğunu biliyorsanız, Şekil 2 (c) 'de gösterildiği gibi, yatay eksen, itilebilir. Prensip olarak, biz A'nın herhangi bir değer için D içine D A dönüştürebilirsiniz. Basit yaklaşım D A ~ 0.5 D geçerlidir çünkü Uygulamada, ancak, 0.2 den ilk genlik küçük ayarlamak için daha iyidir.
dinamik ışık saçılımı mikroskop tekniği belirgin özellikleri PNIPA çözeltisi kullanılarak gösterildi. Aşağıda ve LCST'nin üstünde PNIPA konformasyon yoğun 15,18 saçılma küçük açı nötron kullanılarak incelenmiştir. Bunun aksine, dinamik ışık saçılımı nedeniyle bulanıklık 19 LCST'nin üzerinde PNIPA analizi için kullanılan edilmemiştir. Şekil 3 'de gösterildiği gibi, bu sorun, dinamik ışık saçılımı mikroskobu ile çözülmüştür, (a) ve (b). Bu agrega büyüklüğü birkaç olup &181. m, küçük açı X-ışını / nötron saçılımı veya geleneksel ışık saçılma teknikleriyle ya ile elde edilemeyen. Bu sistemi kullanarak zamana bağımlı ölçümler sıcaklık değişimi sırasında toplama süreci hakkında bilgi vermek.
Dinamik ışık saçılım mikroskobu dezavantajı, Şekil 3 'de gösterilmiştir. LCST'nin altında sonuç için, zaman korelasyon fonksiyonu kuvvetle toz mevcut çok az miktarda (Şekil 3'te siyah çizgiler) tarafından etkilenir. Örneğin, zaman korelasyon fonksiyonu bile 1.0 sn sırasına göre korelasyon süreleri ile tamamen çürümez. Bu cihaz (yaklaşık 1.0 um) ışınlandı hacmi her zaman, dinamik ışık saçılımı cihazının (yaklaşık 100 um) olan bu ışınlanmış daha küçük olmasıdır. saçılan ışığın yoğunluğu zayıftır durumlarda, sinyal, s neden olduğu gibi, gürültü ile örtülü olduğuçözelti içinde toz merkezi miktarları. Boyutu genel sırası anlamlıdır sonucu, bu Şekil 3 (b) 'de gösterilen üç adet tepe noktası niceliksel bir öneme sahip olmayabilir. Bu zayıf saçıcı geleneksel bir dinamik ışık saçma cihazı ile ölçülebilir unutmayın.
Biz dinamik ışık saçılımı mikroskobu bize aynı kurulum ile şeffaf ve bulanık hem örnekleri ölçmek için olanak olduğunu göstermiştir. Örneklerde optik yol uzunluğu kısa olduğu için, bu yöntem, C-nanotüp süspansiyonlar 20 kadar güçlü ışık emici örnekleri uygulanabilir. Buna ek olarak, yüksek uzaysal çözünürlüğü, bu teknik, biyolojik hücrelere uygulanabilir. biyoloji uygulanması için bu yöntem aynı zamanda, floresans ve Raman görüntüleme gibi görüntüleme teknikleri ile birleştirilebilir. Böylece, dinamik ışık saçılımı mikroskop araştırma alanları geniş bir yelpazede için güçlü bir araç olduğunu düşünüyoruz.
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.
Bu çalışma, Milli Eğitim, Kültür, Spor, Bilim ve Teknoloji Bakanlığı'nın (M.S.'ye 25248027 No'lu Bilimsel Araştırma Hibeleri) tarafından mali olarak desteklenmiştir.
| Ad | Şirket | Katalog numarası | Yorumlar |
|---|---|---|---|
| N-izopropilakrilamid, %98Tokyo | Chemical Industry Co., Ltd. | I0401 | |
| toluen, %99 | Wako Saf Kimya Endüstrileri, Ltd. | 201-01876 | |
| petrol eteri, damıtma sıcaklığı 30 ~ 60 derece; C | Wako Saf Kimya Endüstrileri, Ltd. | 169-22565 | |
| N, N, N', N'< / em>-tetrametiletilendiamin,% 99 | Sigma | T9281 | |
| amonyum persülfat,% 98 | Sigma | 248614 | |
| polistiren lateks süspansiyon, 1 ağırlıkça% | Duke Scientific Corporation | 3500A | |
| argon | Koike Sanso Kogyo Co., Ltd. | saflık > 99.999 hacim% | |
| boşluk slaytı | Matsunami Cam Sanayi San. | 83-0336 | |
| ters mikroskop | Nikon Instech Co., Ltd. | ECLIPSE Ti-U | |
| Termo Plaka | Tokai Hit CO.,Ltd | TP-108R-C | |
| Katı hal lazeri | Tutarlı | OBIS 488LX | |
| çığ fotodiyot | ALV-GmbH | ALV-Yüksek QE Çığ Foto Diyot | |
| korelatörü | ALV-GmbH | ALV-5000/EPP |
Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste
İzin iste