En protokol til direkte måling af partikelstørrelsesfordelingen i koncentrerede løsninger ved hjælp af dynamisk lysspredning mikroskopi præsenteres.
A protocol for measuring polydispersity of concentrated polymer solutions using dynamic light scattering is described. Dynamic light scattering is a technique used to measure the size distribution of polymer solutions or colloidal particles. Although this technique is widely used for the assessment of polymer solutions, it is difficult to measure the particle size in concentrated solutions due to the multiple scattering effect or strong light absorption. Therefore, the concentrated solutions should be diluted before measurement. Implementation of the confocal optical component in a dynamic light scattering microscope1 helps to overcome this barrier. Using such a microscopic system, both transparent and turbid systems can be analyzed under the same experimental setup without a dilution. As a representative example, a size distribution measurement of a temperature-responsive polymer solution was performed. The sizes of the polymer chains in an aqueous solution were several tens of nanometers at a temperature below the lower critical solution temperature (LCST). In contrast, the sizes increased to more than 1.0 µm when above the LCST. This result is consistent with the observation that the solution turned turbid above the LCST.
Particle size is one of the most fundamental properties of colloidal and polymer solutions. Numerous techniques are used to measure the particle size. Particle sizes of 1.0 µm or larger can be measured directly using an optical microscope. For smaller particles, alternative techniques, such as laser diffraction, electron microscopy, or atomic force microscopy, are used2,3. Dynamic light scattering is a commonly-used technique for the measurement of particle size distributions in solutions4. The results obtained using this technique are not derived from images of the particles but from the characteristic time of the fluctuations in scattered light intensity. These fluctuations originate from Brownian motion, which is characterized by a diffusion constant. The size distribution is obtained from the distribution of diffusion constants using the Einstein-Stokes equation. Due to its simplicity, dynamic light scattering is widely used for the routine assessment of solutions, such as paints and food colloids.
Pretreatment is required for most of the techniques used for the particle size measurement of solution samples. In the case of electron microscopy and atomic force microscopy, the sample must be analyzed under vacuum conditions. Therefore, it is difficult to observe the samples in their native forms. Furthermore, for laser diffraction and dynamic light scattering, only diluted samples that are free from multiple scattering and light absorption can be measured. To overcome this difficulty, several new techniques have been proposed for the measurement of dynamic light scattering from undiluted, concentrated solutions, such as cross-correlation spectroscopy5,6, low-coherence dynamic light scattering7,8, diffusing-wave spectroscopy9,10, and differential dynamic microscopy11,12.
We have developed a new apparatus called a dynamic light scattering microscope1. This apparatus enables us to measure turbid samples without dilution by means of a confocal optical system in which multiple scattering is eliminated using a pinhole. However, the measurement procedure and data analysis are slightly more complicated than those of commercially-available instruments. This video explains the measurement procedure and data analysis in detail using the analysis of the temperature-responsive polymer, poly(N-isopropylacrylamide), as an example.
Den indledende amplitude af tiden korrelationsfunktionen stærkt afhænger omdrejningspunktet som vist i figur 2 (a). Dette strider tilsyneladende det faktum, at opløsningen er homogen (bortset fra den tynde lag ved grænsefladen) 8. Denne variation i den oprindelige amplitude tilskrives en variation i mængden af reflekteret lys. Delvis heterodyne teori 16 forudsiger, at den oprindelige amplitude, A, den spredte lys Intensitet, jeg s, og det reflekterede lys intensitet, jeg r, tilfredsstille følgende ligning 1
Denne ligning viser, at den større jeg r bliver, bliver den mindre A. Derfor er pt reduceret ved at indstille omdrejningspunkt position tæt på grænsefladen. Den tilsyneladende diffusionskonstant D A CAn opnås ved at montere den tid korrelationsfunktionen i tilfælde af monodisperse løsninger:
hvor . Her, n er brydningsindekset for opløsningsmidlet (vand, 1,33), θ er det spredte vinkel (180 °), og λ er bølgelængden af lys (514,5 nm). Da vi anvendte tilbagespredning geometri, er værdien af q fast. Imidlertid er dette punkt løses ved anvendelse af forskellige bølgelængder af lys. Bemærk, at enhver form for kontinuerlig bølge laserkilde er tilgængelig til at konstruere DLS mikroskop. Takket være den lille bestrålet rumfang, er sammenhængen faktor 17 estimeret til at være mere end 0,99 og er ubetydelig. For polydisperse løsninger, er fordelingsfunktionen for D A opnås ved den inverse Laplace transformation. Delvis heterodyne theory forudsiger også, at D A er ikke det samme som den faktiske diffusionskonstant D. Disse to diffusionskonstanter opfylder følgende ligning:
Diffusionskonstanten D omdannes til den hydrodynamiske radius R h under anvendelse af Einstein-Stokes ligning 4. Når A = 1, dette forhold bliver D A = D. I dette tilfælde er datakonvertering processen er den samme som for den fælles dynamisk lysspredning. Den røde linje vist i figur 2 (b), svarer til denne sag. Derimod dette forhold bliver D A = 0,5 D på grænsen af A → 0. Derfor er størrelsen anslås at være dobbelt så stor som den faktiske størrelse, når A er lille (praktisk, mindre end 0,2), som vist ved blå linie i figur 2 (b) </sTrong>. Hvis vi ved, at A er signifikant lille, kan den vandrette akse forskydes, som vist i figur 2 (c). I princippet kan vi konvertere D A til D som helst værdi af A. I praksis er det imidlertid bedre at sætte det oprindelige amplitude mindre end 0,2, da den simple tilnærmelse D A ~ 0,5 D gælder.
De fremtrædende træk ved den dynamisk lysspredning mikroskop teknik blev påvist under anvendelse af en PNIPA opløsning. Konformationen af PNIPA under og over LCST er blevet grundigt undersøgt ved anvendelse små-vinkel neutronspredning 15,18. I modsætning hertil har dynamisk lysspredning ikke udnyttet til analyse af PNIPA over LCST grund af dens turbiditet 19. Dette problem løses ved den dynamisk lysspredning mikroskop, som vist i figurerne 3 (a) og (b). Størrelsen af disse aggregater er flere &# 181; m, hvilket ikke kan opnås ved enten små-vinkel røntgen / neutronspredning eller konventionelle lysspredningsteknikker. Time-løst målinger ved hjælp af dette system giver oplysninger om sammenlægning proces i løbet af temperaturændring.
Ulempen ved dynamisk lysspredning mikroskop er også illustreret i figur 3. For resultatet under LCST, tiden korrelationsfunktionen stærkt påvirket af den meget lille mængde støv til stede (de sorte linjer i figur 3). For eksempel giver det tid korrelationsfunktionen ikke henfalder fuldstændigt, selv med korrelation gange i størrelsesordenen 1,0 s. Dette skyldes, at volumen bestrålet med dette apparat (ca. 1,0 um) er betydeligt mindre end den bestrålede med den sædvanlige dynamisk lysspredning apparat (ca. 100 um). I tilfælde, hvor intensiteten af spredt lys er svag, bliver signalet sløres af støj, som den, der forårsages af small mængder støv i opløsningen. Derfor kan de tre toppe, der er vist i figur 3 (b) ikke har kvantitativ betydning selv om den generelle rækkefølge af størrelsen er meningsfuldt. Bemærk, at sådan en svag spreder kan måles ved en konventionel dynamisk lysspredning apparat.
Vi har vist, at den dynamisk lysspredning mikroskop gør os i stand til at måle både gennemsigtige og uklare prøver med samme opsætning. Da den optiske vejlængde i prøverne er kort, kan denne teknik anvendes på stærke lys-absorberende prøver, såsom kulstof nanorør suspensioner 20. Som følge af sin høje rumlige opløsning, denne teknik kan anvendes på biologiske celler. For deres anvendelse til biologi, kan denne metode også kombineres med andre billeddannende teknikker, såsom fluorescens og Raman billedbehandling. Derfor mener vi, at den dynamisk lysspredning mikroskop er et stærkt værktøj til en lang række forskningsområder.
The authors have nothing to disclose.
This work has been financially supported by Grants-in-Aid for Scientific Research from the Ministry of Education, Culture, Sports, Science, and Technology (No. 25248027 to M.S.).
N-isopropylacrylamide, 98% | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. | I0401 | |
toluene, 99% | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 201-01876 | |
petroleum ether, distillation temperature 30 ~ 60 °C | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | 169-22565 | |
N,N,N',N'-tetramethylethylenediamine, 99% | Sigma | T9281 | |
ammonium persulfate, 98% | Sigma | 248614 | |
polystyrene latex suspension, 1 wt% | Duke Scientific Corporation | 3500A | |
argon | Koike Sanso Kogyo Co., Ltd. | purity > 99.999 vol.% | |
cavity slide | Matsunami Glass Ind.,Ltd. | 83-0336 | |
inverted microscope | Nikon Instech Co., Ltd. | ECLIPSE Ti-U | |
Thermo Plate | Tokai Hit CO.,Ltd | TP-108R-C | |
Ar-Kr ion laser | Spectra-Physics | Stabilite 2018 | |
avalanche photodiode | ALV-GmbH | ALV-High Q.E. Avalanche Photo Diode | |
correlator | ALV-GmbH | ALV-5000/EPP |