Måling av partikkelstørrelsesfordelingen i Grumsete Solutions ved dynamisk lysspredning Mikros

Summary

En protokoll for direkte måling av partikkelstørrelsesfordelingen i konsentrerte løsninger ved hjelp av dynamisk lysspredning mikroskopi er presentert.

Abstract

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.

Introduction

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 used^2,3. 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 spectroscopy^5,6, low-coherence dynamic light scattering^7,8, diffusing-wave spectroscopy^9,10, and differential dynamic microscopy^11,12.

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.

Protocol

1. Prøvepreparering Rensing av temperatur responsive monomerer Oppløs 20 g N -isopropylacrylamide (NIPA) i 100 ml toluen. Filtrer oppløsningen under sug for å fjerne støv. Bland filtratet med 500 ml petroleter. Plasser reaksjonsbeholderen i et is-vann-bad. Rør løsningen inntil monomerene er utfelt (typisk 30 min). Filtrer oppløsningen under sug for å oppnå de utfelte monomerer. Tørk monomerene under redusert trykk (100 Pa) over natten. Fremstilling av den temperaturfølsomme polymerløsning Degas 20 ml avionisert vann i 1,0 minutter ved anvendelse av en membranpumpe. Oppløs 780.8 mg av renset NIPA i 9,5 ml avgasset og avionisert vann. Plasser reaksjonsbeholderen i et is-vann-bad. Skjerme reaksjon fralys ved å dekke apparaturen med aluminiumsfolie. Omrør løsningen forsiktig i 10 min under innføring av en moderat strøm av Ar-gass forsiktig via en pipettespiss som er knyttet til gassflasken med et rør. Legg 11,9 mL av N, N, N ', N' tetrametyletylendiamin til løsningen via en mikropipette. Omrør løsningen i 1,0 minutter mens innføring Ar gass, som nevnt i trinn 1.2.5. Under omrøring av prøven, oppløse 4,0 mg av ammonium persulfat i 0,5 ml avgasset og avionisert vann. Bland prøveløsningen (fra trinn 1.2.7) og ammoniumpersulfat oppløsning (fra trinn 1.2.8). Omrør løsningen i 30 sekunder mens innføring Ar gass, som nevnt i trinn 1.2.5. Dekk løsning med aluminiumsfolie, og oppbevar den i kjøleskap (4 ° C) over natten. Utarbeidelse av prøve mounts Plassere 60 ul av prøveløsningen (fratrinn 1.2.11) i et hulrom lysbilde. Dekk av løsningen med en sirkulær dekkglass. Vær forsiktig med å felle luftbobler. Fjern overflødig løsning ved hjelp av en mikropipette og laboratorie våtservietter. Tett prøven med lim. La limet tørke i romtemperatur (typisk 6 timer). Forbered et annet lysbilde fylt med 0,1 vekt% polystyren latex (100 nm partikkeldiameter) suspensjon ved å følge trinn 1.3.1-1.3.4. Dette bilde er brukt som en standard. 2. Particle Size Measurement med en dynamisk lysspredning Microscope Optimalisering av instrumentet Plasser polystyren latex suspensjon lysbilde (fra trinn 1.3.5) på scenen av invertert mikroskop. Dekkglasset side skal vende nedover. Plasser en bjelke spjeld foran detektoren (et skred fotodiode og en autokorrelator). Påfør en laserstråle (solid-state laser, λ = 488 nm, 30 mW, kontinuerligbølge) til prøven gjennom en objektivlinse (10 x). En del av det reflekterte lys går gjennom et speil lansering av mikroskopet og blir observert av et CCD-kamera montert ved sideporten av mikroskopet (figur 1). Juster høyden på objektiv for å sette fokus på prøven suspensjon av skiftende høyden av objektiv fra lav til høy stilling. I løpet av denne prosedyren, er det reflekterte bildet fokusert tre ganger: på overflaten av dekkglasset, ved grenseflaten mellom glasset og prøven, og i grenseflaten mellom prøven og hullet sklie glass. Sett fokuspunkt mellom den andre og tredje poeng. Svekke den spredte lysintensiteten ved å endre lasereffekt. Innføre den spredte lyset inn i detektoren ved å fjerne bjelken spjeld foran detektoren. Denne enheten måler tiden korrelasjonen av lysintensiteten. Still et pinhole (φ = 50 mikrometer) between mikroskopet og detektoren for å oppnå den konfokal virkning. Justere plasseringen av hullet for å maksimere lysintensiteten ved detektoren. Mål tiden korrelasjonsfunksjon av spredt lys intensitet i 30 sekunder ved å initiere driften av korrelatoren via en datamaskin. Den målte korrelasjonsfunksjon er ofte uttrykt som g (2) (t) – 1, hvor t er den korrelasjonstiden og 4 . Her er I (t) den spredte lysintensiteten på tiden t, og (•••) T er tidsmidling. Desintegrasjonstids vil være ca. 0,1 ms. Juster navet for å oppnå et bredt område for den innledende amplitude av tiden korrelasjonsfunksjonen (g (2) (t = 0) – 1). MERK: Den opprinnelige amplitude er sterkt påvirket av mengden av reflektert lys. Ved å flytte fokus slepard grenseflaten mellom dekkglass og prøven, er mengden av reflektert lys øker. For sterke lys-spredningsobjekter, for eksempel polystyren-lateks, kan den innledende amplitude endres fra 0 til 1. Imidlertid er det vanskelig å sette den innledende amplitude i nærheten av en for mer vanlige polymeroppløsninger på grunn av intensiteten av det reflekterte lyset er mye høyere enn at av de spredte lyset. Påfør den inverse Laplace transformasjon (med begrenset regularisering program CONTIN 13,14) til den oppnådde tiden korrelasjonsfunksjonen til å tilegne seg den størrelsen fordelingsfunksjonen. I de tilfeller hvor den opprinnelige amplitude er innstilt til mindre enn 0,2, blir fordelingsfunksjonen til den hydrodynamiske radius viser en skarp topp rundt 100 nm, noe som er to ganger den faktiske radius (se diskusjonen for detaljer). Sample måling Satt scenen temperaturen til 25 ° C. Plasser et lysbilde forberedt med poly-NIPA (PNIPA) solution (trinn 1.3.4) på ​​scenen av mikroskopet. Mål tiden korrelasjonsfunksjonen av den spredte lysintensiteten ved å følge fremgangsmåten 2.1.4-2.1.8. Hvis det første amplitude er større enn 0,2, justere fokuspunkt for å gjøre den innledende amplitude av tiden korrelasjonsfunksjonen mindre enn 0,2, ved å følge trinn 2.1.9. En liten innledende amplitude forenkler analysen. Satt scenen temperaturen til 35 ° C og vente til løsningen blir uklar. Den lavere kritiske oppløsningstemperatur (LCST) av PNIPA oppløsning er 32 ° C 15. Mål tiden korrelasjonsfunksjonen ved følgende trinn 2.1.4-2.1.8. Hvis mulig, justere plasseringen av navet for å gjøre den innledende amplitude av tiden korrelasjonsfunksjonen mindre enn 0,2. For turbide løsninger sine opprinnelige amplituder tendens til å øke, siden intensiteten av spredt lys øker, mens det av det reflekterte lyset forblir konstant. Påfør den inverse Laplace transformatividere til de oppnådde tidskorrelasjonsfunksjoner for å oppnå størrelsesfordelingsfunksjonene. Vær oppmerksom på at den aktuelle størrelsen er halve erholdt verdien i tilfeller hvor innledende amplituden er mindre enn 0,2.

Representative Results

Tidskorrelasjonsfunksjoner av spredt lysintensitet for en polystyren-lateks-suspensjon (partikkel radius: 50 nm) ble målt ved forskjellige brennpunkter, som vist i figur 2 (a). Disse korrelasjonsfunksjoner ble omdannet til fordelingsfunksjoner av den hydrodynamiske radius av den inverse Laplace-transformasjonen (se Figur 2 (b) og (c)). Ved anvendelse av samme fremgangsmåte, ble de tidskorrelasjonsfunksjoner og fordelingsfunksjoner av den hydrodynamiske radius av PNIPA erholdte løsning ved 25 ° C og 35 ° C, respektivt. Figurene 3 (a) og (b) viser tidskorrelasjonsfunksjoner av den spredte lysintensiteten og de tilsvarende størrelsesfordelingsfunksjonene til PNIPA oppløsning under (25 ° C) og over (35 ° C) LCST. Størrelsesfordelingen funksjonene ble oppnådd ved den inverse Laplace-transformasjonen fulgt avkorreksjon av den partielle heterodyne. Den gjennomsnittlige hydrodynamiske radius under LCST er flere titalls nanometer, som er typisk for polymeroppløsninger. I motsetning til dette, den hydrodynamiske radius ovenfor LCST er omtrent 1,0 um. Dette resultatet er i overensstemmelse med det faktum at løsningen er uklar over LCST. De røde og blå linjer i figur 3 representerer størrelsesfordelingen av PNIPA oppløsninger som oppnås umiddelbart etter og 20 minutter etter at løsningen ble uklar, respektivt. Figur 3 (b) viser tydelig vekst av aggregeringen. Figur 1. Skjematisk av dynamisk lysspredning mikroskop. Pinhole (PH), stråledeler (BS), polarisator (Pol), og skredfotodiode (APD). Klikk her for å seen større versjon av dette tallet. Figur 2. Representative resultater for en polystyren latex suspensjon. (A) Tid korrelasjonsfunksjoner av den spredte lysintensiteten for den polystyrenlateks suspensjon. Den nominelle radius er 50 nm, og konsentrasjonen er 0,1 vekt%. To datasett ble oppnådd fra forskjellige spredningspunkter. (B), (c) Tilsvarende størrelsesfordelingsfunksjoner for polystyrenlateks suspensjonen som oppnås ved den inverse Laplace-transformasjonen av (a). Den røde linje tilsvarer tidskorrelasjonsfunksjonen hvis opprinnelige amplitude er omtrent 1,0, og den blå linje tilsvarer det med en første amplitude som er omtrent 0,2. Den horisontale aksen ble beregnet uten (b) og med (c) å vurdere effekten av delvis heterodyning (PHD) når A << ; 1. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet. Figur 3. Representative resultater for en PNIPA løsning. (A) Tid korrelasjonsfunksjoner av spredt lysintensitet for PNIPA løsning. (B) Tilsvarende størrelsesfordelingsfunksjoner for PNIPA løsning erholdt ved den inverse Laplace-transformasjonen av (a). Den horisontale aksen ble beregnet å vurdere effekten av delvis heterodyning for hvert datasett. Den svarte linjen representerer de data som oppnås ved 25 ° C. Den røde linje representerer de data som oppnås like etter Løsningen ble turbid (35 ° C). Den blå linjen representerer dataene oppnådd etter en 20 minutters måling av den røde linje./54885/54885fig3large.jpg "Target =" _ blank "> Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Den innledende amplitude av tiden korrelasjonsfunksjonen er svært avhengig av navet, som vist i figur 2 (a). Dette motsier tilsynelatende det faktum at løsningen er homogen (med unntak av det tynne lag ved grenseflaten) ^8. Denne variasjon i den innledende amplitude skyldes en variasjon i mengden av reflektert lys. Delvis heterodyne teori ¹⁶ forutsier at den innledende amplitude, A, den spredte lysintensiteten, jeg _s, og den reflekterte lysintensitet, I _r, tilfredsstiller den følgende ligning ¹

Denne ligning viser at den større I _r blir, blir mindre A. Derfor er en redusert ved å sette fokus posisjon nær grensesnittet. Den tilsynelatende diffusjon konstant D _A can oppnås ved å montere den tid korrelasjonsfunksjonen i tilfelle av monodisperse løsninger:

hvor . Her, n er brytningsindeksen for det oppløsningsmiddel (vann, 1,33), er θ det spredte vinkel (180 °), og λ er bølgelengden for lys (514,5 nm). Siden vi brukt backscattering geometri, er verdien av q fast. Imidlertid er dette punktet løses ved å bruke forskjellige bølgelengder av lys. Legg merke til at enhver form for kontinuerlig-bølge laser kilde er tilgjengelig for å konstruere DLS mikroskop. Takket være den lille bestrålte volum, blir koherensen faktor ¹⁷ anslått til å være mer enn 0,99 og er neglisjerbar. For polydisperse løsninger, er fordelingsfunksjonen av D _A erholdt ved den inverse Laplace-transformasjonen. Delvis heterodyne theory forutsier også at D _A er ikke den samme som den faktiske diffusjonskonstant D. Disse to konstanter diffusjon tilfredsstiller følgende ligning:

Diffusjonskonstanten D omdannes til den hydrodynamiske radius R _h ved bruk av Einsteins-Stokes ligning ^4. Når A = 1, blir dette forholdet D _A = D. I dette tilfelle er datakonverteringsprosessen den samme som for den felles dynamisk lysspredning. Den røde linje vist i figur 2 (b) tilsvarer dette tilfellet. I motsetning til dette, blir dette forholdet D _A = 0,5 D på grensen av A → 0. Derfor er størrelsen anslått til å være dobbelt så stor som den faktiske størrelsen når A er liten (i praksis, mindre enn 0,2), som vist ved blå linje på figur 2 (b) </strong>. Hvis vi vet at A er vesentlig liten, kan den horisontale aksen forskyves, slik som vist i figur 2 (c). I prinsippet kan vi konvertere D _A til D for enhver verdi av A. I praksis er det imidlertid bedre å sette den innledende amplitude som er mindre enn 0,2, fordi den enkle tilnærming D _A ~ 0,5 D gjelder.

Den fremtredende trekk ved dynamisk lysspredning mikroskop teknikken ble demonstrert ved hjelp av en PNIPA løsning. Den konformasjon av PNIPA under og over LCST har blitt grundig studert ved hjelp av små-vinkel nøytron spredning ^15,18. I motsetning til dette, har dynamisk lysspredning ikke blitt benyttet for analyse av PNIPA ovenfor LCST på grunn av dens turbiditet ^19. Dette problem løses ved dynamisk lysspredning mikroskop, som vist i figur 3 (a) og (b). Størrelsen på disse aggregater er flere &# 181; m, noe som ikke kan oppnås ved enten liten vinkel røntgen / nøytronspredning eller konvensjonelle lysspredningsteknikker. Tids løst målinger ved hjelp av dette systemet gi informasjon om aggregering prosessen i løpet av temperaturendringer.

Ulempen med dynamisk lysspredning mikroskop er også illustrert i figur 3. For resultatet under LCST er tidskorrelasjonsfunksjonen sterkt preget av svært liten mengde støv tilstede (de svarte linjene i figur 3). For eksempel, ikke tidskorrelasjonsfunksjonen ikke råtner helt, selv med korrelasjonstider i størrelsesorden 1,0 sek. Dette er fordi volumet bestråles med dette apparat (ca. 1,0 mm) er betydelig mindre enn det bestrålt med vanlig dynamisk lysspredning apparat (ca. 100 pm). I de tilfeller hvor intensiteten av spredt lys er svak, blir signalet skjules av støy, slik som den som forårsakes av small mengder støv i løsningen. Derfor kan de tre toppene er vist i figur 3 (b) ikke har kvantitativ betydning, selv om den generelle rekkefølgen av størrelsen er meningsfylt. Legg merke til at en slik svak spredningsobjekt kan måles ved en konvensjonell dynamisk lysspredning apparat.

Vi har vist at dynamisk lysspredning mikroskop gjør oss i stand til å måle både gjennomsiktige og grumsete prøver med samme oppsett. Siden den optiske veilengde i prøvene er kort, kan denne teknikken bli anvendt for sterkt lys-absorberende prøver, slik som karbon nanorør suspensjoner ^20. I tillegg, på grunn av høy romlig oppløsning, denne teknikken kan anvendes på biologiske celler. For sin anvendelse til biologi, kan denne metoden også kan kombineres med andre avbildningsteknikker, slik som fluorescens og Raman avbildning. Følgelig tror vi at den dynamisk lysspredning mikroskop er et kraftig verktøy for et omfattende forskningsfelt.

Materials

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