Jaki największy rozmiar cząstek można wyznaczyć przy pomocy techniki DLS?

 

duze czy male czastki pomiar DLS

Jest to częste pytanie, gdy zamierzamy doposażyć nasze laboratorium w nowy analizator wielkości cząstek lub, gdy planujemy wypróbować nową aplikację na posiadanym już instrumencie. Szukając odpowiedzi najczęściej sprawdzamy specyfikację techniczną urządzenia naszego dostawcy. Zastanówmy się jednak co oznacza wartość dolnego oraz górnego zakresu pomiarowego naszego urządzenia.

To zależy…

W niemalże każdym przypadku będzie to najbardziej precyzyjna, choć niejasna odpowiedź. Dolna granica wielkości dla większości technik pomiarowych zależy od czułości naszego aparatu. Mówiąc o analizatorze wykorzystującym technikę dynamicznego rozpraszania światła (DLS – ang. Dinamic Light Scattering), ważnymi czynnikami będą przede wszystkim wielkość cząstek i właściwości optyczne badanego materiału.

Co w takim razie z górnym limitem pomiarowym? Co w tym przypadku nas ogranicza?

Musimy wprowadzić pewne założenia…

Istnieje kilka warunków, które powinniśmy spełnić, aby w wiarygodny sposób przekształcić sygnał z rozpraszania światła na informację o wielkości mierzonych cząstek. W celu ich omówienia posłużmy się przykładem w postaci analizatora Zetasizer z serii Advance oraz techniką dynamicznego rozpraszania światła.

Podczas pomiaru DLS rejestrowane jest światło, które zostało rozproszone tylko raz przez każdą cząstkę zawartą w próbce. Średnia intensywność światła rozpraszanego powinna być spójna w czasie. Analizując uzyskany sygnał jesteśmy w stanie obliczyć współczynnik dyfuzji dla badanych cząstek, który dzięki wykorzystaniu równaniu Stokesa – Einsteina przekształcony zostaje na informację o  ich wielkości. Ponadto, do precyzyjnego pomiaru wielkości cząstek musimy znać lepkość medium dyspergującego w temperaturze pomiaru.

Wymieniliśmy kilka założeń, które musimy spełnić, aby otrzymać rzetelny wynik. Jaki jest ich wpływ na pomiar dużych cząstek?  Okazuje się, że wraz ze wzrostem wielkości cząstek częściej występuje zjawisko wielokrotnego rozpraszania. Rozwiązaniem tego problemu może być rozcieńczenie naszej próbki, ale i przy tym podejściu musimy być ostrożni. Zbyt duże rozcieńczenie układu powoduje, że uzyskana średnia intensywność sygnału będzie się wahać w trakcie pomiaru ze względu na zmienną liczbę cząstek w objętości pomiarowej (tzw. fluktuacje ilościowe). Tym samym możemy doprowadzić do sytuacji, gdzie powstałe zaburzenia spowodują uzyskanie wyniku odbiegającego od stanu faktycznego.

Innym znanym problemem jest to, że większe cząstki mogą poruszać się nie tylko na zasadzie swobodnych ruchów dyfuzyjnych ale również w wyniku sedymentacji lub konwekcji, czyli tak zwanych wtórnych ruchów cząstek.

Firma Malvern Panalytical wyszła naprzeciw tego typu problemom i w swojej ofercie ma do zaoferowania kapilarną celę do mikroobjętości, dzięki której jesteśmy w stanie zniwelować wpływ powyższych problemów aplikacyjnych dodatkowo zmniejszając wymaganą objętość próbki do 3 μl.

Definiowanie specyfikacji

Zadając pytanie: jaki jest największy rozmiar cząstek, jaki mogę wyznaczyć na moim analizatorze?, tak naprawdę pytamy o to, przy jakiej wielkości cząstek jestem w stanie spełnić wszystkie warunki, które wymagane są do poprawnego wykonania pomiaru?

Kolejny raz odpowiedź brzmi: „to zależy”, ale jest to coś, nad czym dział R&D firmy Malvern Panalytical pochylił się z dużą starannością.

W specyfikacji urządzenia Zetasizer, górna granica pomiarowa wielkości cząstek wynosi 10 μm – wartość ta zdefiniowana jest dla lateksu polistyrenowego. W aparatach Zetasizer serii Nano, aby osiągnąć graniczą wartość zakresu pomiarowego, należałoby dostosować lepkość oraz gęstość dyspergenta tak, aby zapobiec wcześniej wspomnianym wtórnym ruchom cząstek. W nowych urządzeniach z serii Advance naprzeciw trudnościom przychodzi nam kapilarna cela do mikroobjętości (ZSU1002). Geometria celi pomiarowej w naturalny sposób kontroluje wymuszone ruchy cząstek, co oznacza, że lateks polistyrenowy o wielkości 10 μm możemy zmierzyć w wodzie, bez konieczności modyfikowania gęstości czy lepkości roztworu. Dzięki możliwości zapobiegania ruchom wtórnym aparaty Zetasizer z serii Advance charakteryzują się zwiększonym zakresem pomiarowym 0,3 nm – 15 μm.

 

Rozkład wielkości cząstek dla lateksu polistyrenowego 10 µm przy użyciu modelu General purpose z rozszerzeniem zakresu.

Rys. 1. Rozkład wielkości cząstek dla lateksu polistyrenowego 10 µm przy użyciu modelu General purpose z rozszerzeniem zakresu.

 Jaki model aparatu Zetasizer będzie odpowiedni?

Po przeczytaniu tej krótkiej notatki możliwe, że pojawiło się więcej pytań niż odpowiedzi m.in. Który model aparatu Zetasizer poradzi sobie z moimi próbkami? Do wyboru mamy 6 różnych konfiguracji, które różnią się funkcjonalnością oraz oferowanymi parametrami analitycznymi. Na pewno już wiesz jaki zakres pomiarowy wielkości cząstek oferują analizatory Zetasizer z serii Advance. Jeśli pokrywa się on z oczekiwanymi wielkościami cząstek pozostaje jedno – skontaktować się naszymi doświadczonymi specjalistami ds. handlowych i aplikacyjnych. Ich wiedza i doświadczenie na pewno pozwolą na dobranie odpowiedniej konfiguracji aparatu oraz rozwianie wszystkich wątpliwości. Jeśli zakres pomiarowy przekracza możliwości techniki DLS to i na to mamy rozwiązanie – odsyłamy do zapoznania się z analizatorem wielkości cząstek metodą dyfrakcji laserowej – Mastersier 3000.

Zetasizer Advance

Rys. 2. Analizatory wielkości oraz potencjału zeta cząstek i molekuł zdyspergowanych w roztworze z serii Zetasizer Advance.

Żródła:

[1]materials-talks.com/blog/2021/06/16/whats-the-biggest-thing-i-can-measure/