Analiza nanocząstek o wysokiej rozdzielczości techniką FFF

Jedną z najczęściej wykorzystywanych technik służących do charakteryzacji nanocząstek jest dynamiczne rozpraszanie światła (DLS). Ta prosta w użyciu technika zjednała sobie tysiące Użytkowników na całym świecie. DLS pomimo szeregu zalet, posiada również pewne ograniczenia. Jednym z nich jest trudność w oznaczaniu układów polidyspersyjnych. W technice DLS mierzymy natężenie rozpraszanego światła, które rośnie wraz z szóstą potęgą wielkości cząstek. Sygnał od dużych cząstek jest zatem wielokrotnie silniejszy niż sygnał od cząstek mniejszych co może sprawiać, że w przypadku mniejszych cząstek nie wystąpi detekcja. DLS jest także techniką o niskiej rozdzielczości. Wymienione wyżej ograniczenia pozwala ominąć technika FFF, która znakomicie sprawdzi się w analizie nanocząstek.

FFF – opis techniki

FFF (Field Flow Fractionation) jest zyskującą coraz większą popularność techniką umożliwiającą analizę nanocząstek, polimerów i białek. FFF bazuje na fizycznej separacji poszczególnych cząstek, różniących się od siebie rozmiarem. Field Flow Fractionation jest szeroko stosowane do charakteryzacji układów w skali nanometrowej, znajdując zastosowanie w takich branżach jak: farmacja, nanotechnologia, chemia, ochrona środowiska czy technologia żywności.

FFF – zasada działania

W technice FFF próbka nanocząstek lub makrocząsteczek zdyspergowanych w cieczy nastrzykiwana jest do kanału, w którym występuje przepływ laminarny. W pierwszej fazie próbka pod wpływem działającej poprzecznie siły przemieszcza się i jest koncentrowana na jednej ze ścianek. W dalszym etapie ta siła zmniejsza się i cząstki zaczynają płynąć wzdłuż kanału. Jednocześnie następuje dyfuzja w jego poprzek. Małe cząstki jako bardziej ruchliwe szybciej docierają do środkowej części kanału przez co szybciej docierają do części strumienia o większej szybkości przepływu. Podczas eksperymentu próbka jest rozdzielana na różniące się rozmiarem frakcje tak, że mniejsze cząstki wypływają wcześniej a większe później. Schemat działania FFF przedstawiono na Rysunku 1.

Analiza nanocząstek - fff separacja

Rysunek 1. Schemat działania techniki FFF wykorzystywanej do analizy nanocząstek.

 

Warianty FFF

Istnieje kilka wariantów techniki FFF różniących się działającą na kanał siłą:

Asymmetric-Flow FFF – najpopularniejsza i najbardziej uniwersalna odmiana FFF. Siłą separującą jest przepływ krzyżowy. Znajduje zastosowanie zarówno w charakteryzacji białek i polimerów jak również nanocząstek.

Electric FFF – jest to odmiana techniki AF4, w której poza przepływem krzyżowym występuje również pole elektryczne. Dzięki temu separacja opiera się zarówno na różnicy rozmiaru jak i ładunku elektrycznego. W tej technice możliwe jest także wyznaczenie potencjału zeta poszczególnych frakcji.

Thermal FFF – czynnikiem separującym jest różnica temperatur między ściankami kanału. Jest to odmiana stosowania do separacji niektórych polimerów.

Centrifugal FFF – technika stosowania do analizy nanocząstek. Zastosowanie siły odśrodkowej jako czynnika separującego sprawia, że separacja zachodzi nie tylko na skutek różnicy w wielkości cząstek ale też na skutek różnicy gęstości. W tej technice możliwe jest na przykład rozseparowanie nanocząstek złota i srebra o tej samej wielkości.

 

Analiza nanocząstek. Separacja i co dalej? 

Układ FFF poza samym systemem separacji obejmuje też szereg detektorów. W zależności od konfiguracji w różny sposób uzyskiwane są wyniki. W najprostszym układzie system obejmuje jeden detektor stężeniowy (w przypadku nanocząstek najczęściej UV), którego sygnał jest zależny od stężenia poszczególnych frakcji. Tego typu konfiguracja pozwala fizycznie rozseparować cząstki i określić stężenie poszczególnych frakcji. Niemniej, aby uzyskać informacje na temat wielkości cząstek konieczne jest stworzenie krzywej kalibracyjnej w oparciu o określone wzorce pomiarowe.

System FFF po rozbudowaniu o detektor DLS lub MALS pozwala bezpośrednio wyznaczyć rozmiar nanocząstek. Takie rozwiązanie eliminuje ograniczenia techniki DLS. Kanał FFF separuje próbkę na wąskie, jednorodne frakcje i takie też trafiają do analizatora DLS. W tym układzie DLS pracuje w przepływie. Zaletą zastosowania DLS jest bardzo duży zakres pomiarowy – od pojedynczych nanometrów do mikrometrów. Niemniej, w pewnych aplikacjach wadą takiego układu może być jego czułość.

Detektor wielokątowego rozpraszania światła (MALS), mimo tego że jest zaprojektowany głównie jako analizator masy cząsteczkowej, może być także zastosowany do pomiaru wielkości cząstek – w przypadku większych cząstek możliwe jest wyznaczenie promienia żyracji. W porównaniu z DLS, MALS ma znacznie większą czułość co jest szczególnie istotnie w przypadku próbek o niskim stężeniu. MALS nie jest jednak w stanie zmierzyć najmniejszych nanocząstek – jego zakres pomiarowy zaczyna się od kilkunastu nanometrów.

Układ FFF może być także połączony z kolektorem frakcji, który pozwala zebrać próbki i scharakteryzować je przy użyciu dowolnej innej techniki a także z ICP-MS do określania zawartości metali ciężkich w poszczególnych frakcjach wielkości cząstek.

 

FFF w badaniach próbek polidyspersyjnych

W poniższym przykładzie wykonano pomiary nanocząstek srebra o nominalnych rozmiarach 20, 40 i 60 nm. O ile DLS świetnie radzi sobie z poszczególnymi frakcjami mierząc je oddzielnie, to wynik uzyskany dla ich mieszaniny w stosunku 1:1:1 jasno pokazuje ograniczenia metody. Widać wyraźnie, że wynik dla mieszaniny jest bardzo mocno przesunięty w stronę cząstek największych co przedstawiono na rysunku 3.

rozkład wielkości nanocząstek srebra

Rysunek 3. Rozkład wielkości cząstek po natężeniu dla poszczególnych frakcji nanocząstek srebra oraz dla ich mieszaniny.

 

Przedstawiony na rysunku 4 fraktogram pokazuje, że technika FFF doskonale sprawdza się w separacji poszczególnych frakcji. Na wykresie widać sygnał z detektora UV (czerwona linia) oraz sygnał DLS (niebieskie kropki). Wyniki zestawione w tabeli 1 potwierdzają, że technika FFF daje bardzo zbliżone wyniki do kuwetowego DLS  – zarówno dla poszczególnych frakcji nastrzykiwanych oddzielnie jak też w przypadku ich mieszaniny.

Fraktogram dla mieszaniny nanocząstek srebra

Rysunek 4. Fraktogram dla mieszaniny nanocząstek srebra.

 

Tabela 1. Analiza nanocząstek. Porównanie wyników kuwetowego DLS i połączenia FFF-DLS

tabela fff-dls

Analiza nanocząstek – podsumowanie

Powyższa analiza potwierdza, że technika FFF zdecydowanie poszerza możliwości charakteryzacji nanocząstek eliminując ograniczenia powszechnie stosowanych technik. System FFF może z powodzeniem być stosowany jako rozszerzenie możliwości już posiadanego systemu DLS lub całkowicie niezależne urządzenie do charakteryzacji układów w świecie nanometrowym dostarczając znacznie więcej informacji o próbce niż dotychczas stosowane techniki.

 

Literatura:

  • Sizing of Polydisperse Silver Nanoparticle Suspensions – Comparison of Asymmetrical Flow FFF Coupled to Online DLS with Batch Mode DLS, nota aplikacyjna Postnova Analytics
  • www.postnova.com