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 Kin ^{T M} 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 Kin ^TM 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. 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. 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. 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. 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. 5 – Posouzení míry agregace protilátek ve vakcíně

Vasco Kin ^TM 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 Kin ^TM 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 Amerigo ^TM (DLS + Laserová Dopplerovská elektroforéza) nebo Wallis ^TM (LDE), které se chlubí nejlepším rozlišením zeta-potenciálu na trhu (0,1 mV).

Anna Pleskačová (pleskacova@pragolab.cz)