Stanovení distribuce velikosti částic – spolehlivě, in situ měření přímo v analyzovaném vzorku, v časově rozlišených experimentech pomocí DLS analyzátoru Vasco Kin od Cordouan Technologies

22. 9. 2020

Velikost nanočástic (hydrodynamický průměr) je důležitou vlastností, která souvisí se specifickým měrným povrchem, schopností procházet membránami a povrchovými interakcemi, agregací a stabilitou suspenzí, funkční kapacitou (self assembly), optickými, mechanickými a elektrickými vlastnostmi. Vhodnou metodou pro charakterizaci nanočástic v suspenzích je dynamický rozptyl světla (DLS, dynamic light scattering), který je vhodný pro částice od 1 nm do 10 μm. Přístroj Vasco KinTM je nejnovější generací DLS analyzátorů pro kinetickou analýzu distribuce velikosti nanočástic bezkontaktně ve vzorku (in situ) v časově rozlišených experimentech. Lze jej využít při monitorování syntézy nanočástic, posuzování stability suspenzí či jako součást fyzikálně chemické charakterizace suspenzí nanočástic.

Bezkontaktní měření
V kombinaci s měřící hlavou pro bezkontaktní měření (in situ remote optical head) umožňuje Vasco KinTM sledovat vzorek v reálném čase přímo v nádobě propustné pro laser bez nutnosti přenášení vzorku. Výhodou in situ stanovení je zamezení rizika kontaminace, snížení rizika pro operátora (např. při analýze radioaktivních vzorků), úspora spotřebního materiálu a času. Zajímavá je možnost propojit více experimentálních přístupů současně: například měřit v kapiláře s okénkem v kombinaci se SAXS [1] nebo SANS, sledovat nanočástice v reaktoru pro mikrovlnou syntézu nebo působit vlivem silného magnetického pole (in situ přístup měření neohrožuje elektroniku přístroje!) [2]. Možností je celá řada, stačí zajistit přístup laserového paprsku do reakční nádoby například jeho zaměřením do mikrofluidního kanálu nebo tlakové cely (použit 1 cm silný křemen).

Obr.%201%20%E2%80%93%20Sledov%C3%A1n%C3%
Obr. 1 – Sledování syntézy nanočástic v tlustostěnném reaktoru pomocí měřící hlavy pro bezkontaktní měření (in situ remote optical head)

Popis konfigurace, kinetická měření
Dle charakteru vzorků lze zvolit vhodnou vlnovou délku laseru (405, 488, 515, 638, 785 nm), flexibilně upravit měřící uspořádání (pracovní vzdálenost a úhel) či přidat fluorescenční filtry a polarizátory. Přístroj je přenosný, s použitím externího zdroje lze pracovat přímo v terénu. K přístroji lze připojit různé měřící hlavy, například speciální měřící hlavu pro velmi zředěné a tmavé/koncentrované vzorky (až 40 % hm. koncentrace) nebo temperační hlavu s Peltierovým článkem v teplotním rozsahu 5–90 °C. Přístroj umožňuje rychlá kinetická měření s rozlišením až 200 ms, která jsou vhodná pro sledování syntézy nanočástic nebo stability suspenzí v reálném čase.

Obr.%202%20%E2%80%93%20Kinetick%C3%A1%20
Obr. 2 – Kinetická analýza gelace vyhodnocená pomocí průměrné velikosti nanočástice (Z-average)

Vyhodnocení a analýza dat
Pokročilý software NanoKin obsahuje unikátní matematické algoritmy umožňující efektivní analýzu polydisperzních vzorků v časově rozlišených experimentech. Lze tedy sledovat vývoj suspenze v čase, ať už agregaci, disoluci nebo sedimentaci. Analýzy využívají mimo klasického modelu Cumulant (Gaussova distribuční funkce, pouze jedna průměrná populace nanočástic) dvou unikátních matematických algoritmů, a to Pade Laplace (diskrétní distribuční funkce, neomezený počet populací) a Sparse Baysian Learning (kontinuální distribuční funkce, neomezený počet populací).

Obr.%203%20%E2%80%93%20Porovn%C3%A1n%C3%
Obr. 3 – Porovnání matematických algoritmů využívaných při analýze dat

Součástí tohoto software je rozsáhlá databáze rozpouštědel a simulační mód umožňující predikci chování komplexních vzorků. Výsledky měření lze exportovat v různých formátech. Online kinetická analýza umožňuje komplexní analýzu vzorků – například analyzovat konformační dynamiku proteinů v reálném čase. Výsledky lze vizualizovat pomocí 2D map. Kromě distribuce velikosti nanočástic lze také stanovit počet a objem částic.

Obr.%204%20%E2%80%93%20Vyhodnocen%C3%AD%
Obr. 4 – Vyhodnocení kinetických dat pomocí SBL, porovnání časově rozlišeného experimentu a vizualizace pomocí 2D mapy

Možné aplikace
Kombinace kinetických měření, in situ analýzy a posouzení distribuce velikosti nanočástic pomocí pokročilých algoritmů lze využít pro celou řadu aplikací:
  • posouzení morfologie částic 
  • přesná kvantifikace účinné složky u vakcín na bázi nanočástic (HIV) [3]
  • kinetika koagulace (např. asfalteny)
  • gelace, sol-gel přechod
  • fytotoxicita a biologická aktivita
  • stabilita a dynamika chování micel 
  • analýza nanoplastů ve vodě [4]
  • analýza inkoustových pigmentů 
  • velikost a chování protilátek a proteinů 
  • polymerace

Obr.%205%20%E2%80%93%20Posouzen%C3%AD%20
Obr. 5 – Posouzení míry agregace protilátek ve vakcíně

Vasco KinTM patří mezi nejnovější generaci DLS analyzátorů tím, že umožňuje přesné kinetické analýzy v časově rozlišených experimentech. V kombinaci s možností bezkontaktního měření pomocí speciální optické hlavy (in situ) a analýzou pomocí pokročilých algoritmů je jedinečný a nabízí řešení mnoha komplexních problémů. Umožňuje monitorovat syntézu, sledovat aglomeraci a posuzovat stabilitu suspenzí v reálném čase. Během jednoho kontinuálního experimentu umožňuje Vasco KinTM přístup ke všem naměřeným veličinám (distribuce velikosti, intenzita rozptýleného světla, korelogramy atd.) a slouží uživateli jako sofistikovaný nástroj pro kontrolu dat. Přístroj je vysoce citlivý díky využití výkonného laseru a frekvenčně stabilizovaného bezartefaktového APD detektoru a umožňuje pracovat ve velice náročných podmínkách.

Pro náročné uživatele vyžadující současné stanovení zeta-potenciálu lze využít 2v1 analyzátor AmerigoTM (DLS + Laserová Dopplerovská elektroforéza) nebo WallisTM (LDE), které se chlubí nejlepším rozlišením zeta-potenciálu na trhu (0,1 mV).

Anna Pleskačová (pleskacova@pragolab.cz)