Analiza distribuţiei dimensionale si mărimii nano- si micro-particulelor prin tehnici de difracţie si difuzie laser. Metode şi aplicaţii

Loredana Elena Niţă

Mastersizer 2000 efectuează analize de determinarea dimensiunii particulelor folosind tehnica de difracţie laser. Se analizează cu acurateţe şi nedistructiv particule în dispersie apoasă într-un domeniu larg de dimensiuni de la 0,02 µm la 2000 µm.

Zetasizer Nano ZS estimează, utilizând tehnica difuziei laser, o combinare de trei parametri importanţi: dimensiunea particulei (0,6 nm – 6 µm), potenţialul zeta (pentru particule în domeniul de dimensiuni între 3 nm – 10 µm) şi masa moleculară (1000 – 2 x 107 Da).

Laborator LAMINAST ACREDITAT CONFORM  SR EN ISO/CEI 17025: 2005 CERTIFICAT   LI 708/06.10.2008

MASTERSIZER 2000Unitate optica

Unitate de dispersie

Calculator

Principiu de masură Difracţia laser: se

măsoară intensitatea luminii difractată de particule sub diverse unghiuri.

Legităţi descrise cu teoria Lorenz-Mie.

Principiu de bază...

O singură formă geometrică poate fi descrisă printr-un singur număr şi aceasta este forma sferică.

Sfera echivalentă

Teoria Mie permite: calculul riguros al distribuţiei mărimii particulelor din date de difracţie laser; predicţia mărimii tuturor particulelor, mici sau mari, transparente sau opace cu următoarele aproximări:

- Particulele ce urmează a fi măsurate sunt sferice.- Suspensia de particule este diluată.- Proprietăţile optice ale particulelor şi ale mediului

înconjurător sunt cunoscute.- Particulele sunt omogene

Distribuţia fundamentală derivată prin această tehnică este una bazată pe volum.Dacă de ex. din rezultate reiese că 11% din distribuţie este în banda 6,97 – 7,75 microni, aceasta înseamnă că volumul particulelor având diametrele în această bandă reprezintă 11% din volumul total al particulelor acoperite de distribuţia respectivă.

D[v,0.5] – diametrul median (MDM) pentru care 50% din proba este dedesupt şi 50% este deasupra acestei valori. Alţi parametrii utili: D[v,0.1] şi D[v,0.9].

% Volum

 Aplicaţii

- măsurarea dimensiunii particulelor în suspensie, emulsie

sau uscate.- de la 0,02µm la 2000µm.

 

Pentru o diversitate de produse: Minerale Chimice Alimentare Agrare Sedimente Farmaceutice Cosmetice

Reproductibilitatea şi corectitudinea unei măsurători:

- Probe: emulsii, suspensii concentrate, pulberi, paste.Proba adusă: Este reprezentativă? Segregă în timpul transportului şi depozitării? Necesită utilizarea de metode speciale de pregătire

(agitare la turaţie mare, ultrasonare)?

Eşantionarea probei: eşantionul prelevat să fie reprezentativ. Dacă acesta se prelevează dintr-o sticlă sau un recipient trebuie asigurată omogenizarea conţinutului. In cazul pulberilor, particulele mari au tendinţa de a se separa în partea de sus, iar particulele mici se aglomerează la fundul containerului. In marea majoritate a probelor există o cantitate de particule mari şi alta de particule mici. Dar majoritatea particulelor se situează între aceste limite. Dacă se prelevează o probă din partea superioară a containerului, vor fi măsurate mai ales particule de dimensiuni mari. Dacă se va compara rezultatul cu acela al unei măsurări pe un eşantion prelevat din partea mediană a containerului, vor apare diferenţe importante.

Beneficiarul este cel care trebuie să facă pre-eşantionarea probei, urmând ca operatorul să realizeze numai alegerea eşantionului reprezentativ din proba prezentată de beneficiar.

Aplicaţii practice

Analiza distribuţiei mărimii particulelor unor latexuri polimerice

Analiza distribuţiei mărimii unor compozite magnetice

Analiza distribuţiei mărimii particulelor unor latexuri polimere

Proba MMD (µm) SSA ( m2/g)

PS 0.098 59.5

P(97%S-co-3%GMA) 0.098 58.5

P(85%S-co-15%GMA) 0.115 49.2

P(75%S-co-25%GMA) 0.096 60.4

Analiza distribuţiei mărimii unor compozite

magnetice :

Mostră analizată: compozit magnetic cu procente diferite de ferită şi matrice o structură polimerică biodegradabilă:

____ - ferita;

____ - matricea polimerică;

____ - compozit magnetic cu 5 % ferita;

____ - compozit magnetic cu 10 % ferita;

____ - compozit magnetic cu 25 % ferita;

Analiza evidenţiază dimensiunile reduse ale feritei sintetizate in situ comparativ cu structura polimerică.

Diminuarea dimensiunii compozitului magnetic faţă de matricea polimerică demonstrează capacitatea de complexare a matricii polimerice.

Interconversia rezultatelor din distribuţie în volum în distribuţie de număr şi lungime

Posibilitatea de inter-conversie matema-tică a rezultatelor permite alegerea variantei optime de prezentare şi care este şi cea mai reprezentativă pentru sistemul analizat dar aduce în acelaşi timp erori generate de calculul efectuat .

ZETASIZER Nano ZSUnitatea optica

Calculator

Ce se poate măsura?

Mărimea particulelor

(Difuzia dinamică a luminii)

Potenţialul zeta

(Electroforeză Doppler)

Masă moleculară

(Difuzia statică a luminii)

Principiu pentru măsurarea mărimii particulelor cu Zetasizer Determinarea are la bază o tehnologie neinvazivă bazată pe difuzia dinamică a

luminii (DLS) emisă de un laser. Particula asimilată cu o sferă se află în deplasare constantă datorită mişcării browniene ca urmare a ciocnirilor statistice cu moleculele de lichid. In această mişcare, particulele mici se vor mişca mai rapid decât particulele mari.

Distribuţia mărimii particulelor obţinute prin DLS este funcţie de intensitatea relativă a luminii împrăstiată de particule de diferite clase dimensionale. Se măsoară dependenţa de timp a fluctuaţiilor intensităţilor pentru determinarea coeficientului de difuzie translaţional (D), respectiv diametrul hidrodinamic (DH).

Rezultatul constituie o distribuţie a INTENSITATII care poate fi convertită intr-o distribuţie de VOLUM sau MASĂ dacă proprietăţile optice ale particulelor sunt cunoscute (Teoria Mie).

Distribuţia NUMERICĂ este puţin utilizată deoarece mici erori în datele de achiziţie pot determina apariţia de erori uriaşe in distribuţia după număr.

POTENTIALUL ZETA (PZ) Incărcarea de la suprafaţa particulei aflată într-un anumit

mediu. Dependent atăt de chimia suprafeţei particulei cât şi a

dispersantului.

Factori care Influenţează PZ Schimbări in pH Conductivitate (concentratie sau tipul sării) Schimbări in concentratia componenţilor

PZ este calculat din mobilitatea electroforetică (μ) utilizând relaţia Smoluchowski :

cu

unde η – viscositatea, ε – constanta dielectrică a mediului, k - parametii Debye-Hűckel şi α – raza particulei.

/ 1k

Măsurarea stabilităţii electrostatice

Mărimea interacţiunilor electrostatice dintre particule poate fi determinată prin măsurarea potentialului zeta a dispersiei.

Potentialul zeta măsurat poate fi utilizat pentru prezicerea stabilităţii dispersiei si a timpului de viaţă al produsului.

In general, se considera ca valori crescute ale PZ arată o stabilitate crescută a dispersiei.

Departajare: o dispersie cu stabilitate joasă are PZ cuprins intre +30mV si -30mV

Facilităţi suplimentare oferite de ZETASIZER Posibilitatea urmăririi evoluţiei dimensiunii particulelor

şi/sau potenţialului zeta în timp.Determinările oferă informaţii privind cinetica proceselor de

agregare şi/sau sedimentare a particulelor respectiv solubilizarea sau emulsionarea structurilor analizate.

Posibilitatea urmăririi evoluţiei dimensiunii particulelor şi/sau potenţialului zeta cu temperatura (şi pH).

Determinările oferă informaţii privind:- tranziţiile de fază ale sistemelor polimerice;- temperaturile de denaturare a proteinelor, respectiv determinarea temperaturii de topire a acestora;- apariţia fenomenelor de histerezis.

Dispersii apoase stabile in timp (să nu sedimenteze). Transparente. Cu proprietăţi optice cunoscute (când se doreşte măsurarea dimensiunii). Cu pH cunoscut (când se doreşte determinarea PZ).

Efectul concentraţiei probei Fiecare tip de probă are un domeniu ideal de concentraţie pentru o măsurătoare optimă. În

cazul în care concentraţia este prea mică, e posibil să nu fie suficientă lumină difuzată pentru realizarea unei măsurători; pentru concentraţie prea mare este posibil să apară fenomenul de difuzare multiplă.

In mod normal astfel de efecte nu apar la concentraţii sub 1 % volumetric. La concentraţii mai mari de 1 % volumetric interacţiunile care apar între particule vor influenţa rezultatul.

Filtrarea Solvenţii şi dispersanţii trebuie filtraţi înainte de a fi utilizaţi la diluare, pentru a evita

contaminarea probei. Dimensiunea porului filtrului este corelată cu aceea a probei. Ex. Pentru o probă de 10 nm, praf de 50 nm este contaminant în dispersant.

Apa ca dispersant se filtrează mai jos de 0.2µm, în timp ce dispersanţii nepolari se filtrează mai jos de 10 sau 20 nm.

Probele nu se filtrează. Se filtrează numai când este necesar să se îndepărteze aglomerările care nu sunt de interes în determinare şi produc variaţii de rezultate.

Pregătirea probei

Aplicaţii practice

Distribuţia dimensiunii particulelor Dependenţa diametrului hidrodinamic

de pH Corelarea evoluţiei parametrilor

viscoelastici cu evoluţia potenţialului zeta

Dependenţa PZ şi a conductivităţii electrice de pH şi temperatură

Distribuţia dimensiunii particulelor unui amestec.

- Se observă pentru amestec apariţia a două peak-uri la 780 nm (plasat intre peak-ul PAs de la 980 nm si peak-ul PVA de la 590 nm) şi respectiv la 54 nm (sub peak-ul PVA de la ~ 60 nm), fapt ce confirmă apariţia interacţiunilor care se stabilesc între grupele funcţionale ale PAs şi PVA cu apariţia complexărilor interpolimerice şi care constituie suportul obţinerii de structuri mai compacte cu dimensiuni sub cea a homo-polimerilor .

Dependenţa diametrului hidrodinamic de pH a unui amestec.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 120

4000

8000

12000

16000

20000

PVA/Diclofenac

PAS/PVA/Diclofenac

PAS/Diclofenac

Diclofenac

Dia

met

rul h

idro

din

amic

, nm

pH

Creşterea considerabilă a Creşterea considerabilă a diametrului particulei de diametrului particulei de diclofenac, la pH acid, acolo diclofenac, la pH acid, acolo unde stabilitatea este mai unde stabilitatea este mai scăzută şi forţele repulsive scăzută şi forţele repulsive dintre particule sunt mai dintre particule sunt mai reduse. reduse.

IPC, ca şi PVA prezintă o IPC, ca şi PVA prezintă o stabilitate dimensională pe stabilitate dimensională pe întreaga plajă de pH întreaga plajă de pH cu cu excepexcepţia intervalului 6.5-7.5.ţia intervalului 6.5-7.5.

Corelarea evoluţiei parametrilor viscoelastici cu evoluţia potenţialului zeta în funcţie de compoziţie a

unor amestecuri

Amestecuri PAS/PEG (Mw PEG=2000Amestecuri PAS/PEG (Mw PEG=2000 Da Da))

0.0046

0.0048

0.005

0.0052

0.0054

0.0056

0 20 40 60 80 100

% PAs

s = 1 Paw = 0.1 rad/s

22oC

*(Pa.s)

IPC PAs-PEG 2000

-50

-40

-30

-20

0 20 40 60 80 100% PAs

z

(mV)

IPC PAs-PEG2000

22oC

IIncompatibilitatencompatibilitate pe un domeniu mare pe un domeniu mare

Compatibilitate PEG-PAS la un conţinut ridicat de PAS

Amestecuri PAS/PEG (Mw PEG=4000Amestecuri PAS/PEG (Mw PEG=4000 DaDa))

0.0045

0.005

0.0055

0.006

0.0065

0 20 40 60 80 100

% PAs

s = 1 Paw = 0.1 rad/s

220C

*

(Pa.s) IPC PAs-PEG4000

-50

-40

-30

0 20 40 60 80 100% PAs

z

(mV)

IPC PAs-PEG4000

Amestecuri PAS/PEG (Mw PEG=10000Amestecuri PAS/PEG (Mw PEG=10000 DaDa))

0.005

0.006

0.007

0 20 40 60 80 100

% PAs

s = 1 Paw = 0.1 rad/s

22oC

*

(Pa.s)IPC PAs-PEG10000

-70

-60

-50

-40

-30

0 20 40 60 80 100% PAs

z

(mV)

IPC PAs-PEG10000

22oC

Compatibilitate PEG-PASFormare de complecşi interpolimerici

În funcţie de compoziţie, la o temperatură dată, evoluţia parametrilor viscoelastici se corelează foarte bine cu evoluţia potenţialului zeta

Potenţialul zeta poate furniza informaţii referitoare la interacţiunile care se stabilesc în amestecurile de polimeri în soluţie compatibilitatea polimerilor condiţiile în care se formează complecşi interpolimerici

Variaţia PZ funcţie de pH

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

PAS/PVA/DiclofenacPVA/Diclofenac

PAS/DiclofenacDiclofenac

pHiz=2.8

pHiz=2.7

Po

ten

tial

zet

a, m

V

pH

Valoare absolută a lui Valoare absolută a lui PZ mai mare pentru PZ mai mare pentru compusul bioactiv compusul bioactiv PAS/PVA/ diclofenac.PAS/PVA/ diclofenac.

Menţinerea relativ constantă a lui PZ la pH alcalin.

Dependenţa PZ şi a conductivităţii electrice de temperatură.

20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

-66-64-62-60-58-56-54-52-50-48-46-44-42-40-38-36-34-32

PAS PAS/PEG=8/2 PAS/PEG=1/1 PAS/PEG=2/8 PEG

PZ

, m

V

Temperatura, 0C

20 25 30 35 40 45

0

1

2

3

4

5

PAS PAS/PEG=8/2 PAS/PEG=1/1 PAS/PEG=2/8 PEG

Con

duct

ivita

te,

mS

/cm

Temperatura, 0C

ZP a blendurilor este mai mare decât a polimerilor constitutivi ceea ce s-a atribuit unei noi morfologii pentru produs. La 37°C complecşii PAS/PEG prezintă PZ mai negativ decât -30 mV. Deci aceste amestecuri prezintă o stabilitate bună ceea ce permite utilizarea lor in domeniul biomedical. Conductivitatea amestecurilor creşte cu temperatura fiind intre cea a polimerilor constitutivi.

Mulţumiri

C.S.I. Dr. Aurica P. Chiriac

C.S. III Neamtu Iordana C.S.II Dr.Tudorachi Nita

C.S. I Maria Bercea