قياس توزيع حجم الجسيمات في عكر حلول كتبها الإنارة الديناميكي التشتت المجهر
Summary
ويرد بروتوكول للقياس المباشر لتوزيع حجم الجسيمات في الحلول المركزة باستخدام ديناميكية المجهر تشتت الضوء.
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 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.
Protocol
Representative Results
Discussion
السعة الأولية للدالة الارتباط الوقت يعتمد بشكل كبير على نقطة محورية، كما هو مبين في الشكل 2 (أ). هذا على ما يبدو يتناقض مع حقيقة أن الحل هو متجانس (باستثناء طبقة رقيقة على واجهة) 8. ويعزى هذا الاختلاف في السعة الأولية إلى التباين في كمية الضوء المنعكسة. جزئية نظرية مغايرة 16 تتنبأ بأن السعة الأولية، A، شدة الضوء المتناثرة، والصورة، وشدة الضوء المنعكس، وص، تلبية المعادلة التالية 1
وتظهر هذه المعادلة أن أكبر I ص يصبح، يصبح أصغر حجما. لذلك، ويتم تقليل من خلال تحديد موقف البؤري على مقربة من واجهة. نشر الواضح D المستمر وكاليفورنيان الحصول عليها عن طريق تركيب دالة الارتباط الوقت في حالة حلول monodisperse:
أين 
. هنا، n هو معامل الانكسار من المذيب (الماء، 1.33)، θ هي الزاوية متفرقة (180 درجة)، وλ هو الطول الموجي للضوء (514.5 نانومتر). منذ طبقنا الهندسة ارتداد مبعثر، ويحدد قيمة ف. ومع ذلك، يتم حل هذه النقطة باستخدام موجات مختلفة من الضوء. يرجى ملاحظة أن أي نوع من مصدر ليزر الموجة المستمرة متاح لبناء المجهر DLS. بفضل حجم المشع صغير، ويقدر عامل تماسك 17 أن يكون أكثر من 0.99 ولا يكاد يذكر. عن حلول polydisperse، يتم الحصول على وظيفة توزيع D A عن طريق معكوس تحويل لابلاس. عشر مغايرة جزئيةيتوقع eory أيضا أن D وليس هو نفسه كما نشر الفعلي D المستمر. هذه الثوابت نشر اثنين من تلبية المعادلة التالية:
يتم تحويل D ثابت نشر في الهيدروديناميكية دائرة نصف قطرها R ح باستخدام معادلة اينشتاين ستوكس 4. عندما أ = 1، تصبح هذه العلاقة D A = D. في هذه الحالة، فإن عملية تحويل البيانات هي نفسها التي لتشتت الضوء الديناميكي المشترك. الخط الأحمر هو مبين في الشكل 2 (ب) يتوافق مع هذه الحالة. في المقابل، تصبح هذه العلاقة D A = 0.5 D في الحد من A → 0. لذلك، ويقدر حجم ليكون ضعفي حجم الفعلي عندما وصغيرة (أي عمليا وأقل من 0.2)، كما هو موضح من قبل الخط الأزرق في الشكل 2 (ب) </sترونج>. إذا علمنا أن (أ) هو صغير إلى حد كبير، والمحور الأفقي يمكن تحويل، كما هو مبين في الشكل 2 (ج). من حيث المبدأ، يمكننا تحويل D وإلى D لأي قيمة A. في الممارسة العملية، ومع ذلك، فمن الأفضل لتعيين السعة الأولية أصغر من 0.2، منذ بسيط تقريب D A ~ 0.5 D يصدق.
وقد أظهرت السمات البارزة للتقنية نثر المجهر دينامية الخفيفة باستخدام محلول PNIPA. وقد تمت دراسة التشكل من PNIPA أسفل وأعلى LCST على نطاق واسع باستخدام النيوترونات زاوية صغيرة نثر 15،18. في المقابل، لم تستغل تشتت الضوء الحيوي لتحليل PNIPA فوق LCST بسبب تعكر 19 منه. يتم حل هذه المشكلة عن طريق الحيوي المجهر تشتت الضوء، كما هو مبين في الشكلين 3 (أ) و (ب). حجم هذه المجاميع هو عدة و# 181؛ م، والتي لا يمكن الحصول عليها إما صغيرة زاوية الأشعة السينية / تشتت النيوترونات أو تقنيات تشتت الضوء التقليدية. قياسات وقت حل باستخدام هذا النظام يعطي معلومات عن عملية التجميع خلال التغير في درجة الحرارة.
ويتضح العيب من الحيوي المجهر تشتت الضوء أيضا في الشكل (3). للنتيجة دون LCST، وظيفة ارتباط الوقت يتأثر بشدة كمية صغيرة جدا من الغبار الحاضر (الخطوط السوداء في الشكل 3). على سبيل المثال، فإن وظيفة ارتباط الوقت لا يتحلل تماما، حتى في زمن ارتباط في ترتيب 1.0 ثانية. وذلك لأن حجم المشع مع هذا الجهاز (ما يقرب من 1.0 ميكرون) هو أصغر بكثير من أن المشع مع جهاز تشتت الضوء الحيوي المعتاد (حوالي 100 ميكرون). في الحالات التي يكون فيها شدة الضوء المتناثرة ضعيفة، تحجب إشارة من الضوضاء، مثل تلك التي تسببها الصورةكميات مول الغبار في الحل. ولذلك، فإن القمم الثلاث هو مبين في الشكل (3) (ب) لا يجوز أن يكون الأهمية الكمية على الرغم من أن النظام العام للحجم هو مفيد. لاحظ أن هذا المشتت الضعيف يمكن أن يقاس جهاز تشتت الضوء الحيوي التقليدي.
لقد أثبتنا أن دينامية المجهر تشتت الضوء تمكننا من قياس العينات سواء شفافة وعكر مع نفس الإعداد. ومنذ مدة مسار بصري في العينات غير قصيرة، ويمكن تطبيق هذه التقنية لعينات امتصاص الضوء القوية، مثل تعليق أنابيب الكربون 20. وبالإضافة إلى ذلك، نظرا لدقة مكانية عالية، ويمكن تطبيق هذه التقنية على الخلايا البيولوجية. لتطبيقه على الأحياء، ويمكن أيضا هذه الطريقة تكون جنبا إلى جنب مع تقنيات التصوير الأخرى، مثل مضان والتصوير رامان. وبالتالي، فإننا نعتقد أن دينامية المجهر تشتت الضوء هو أداة قوية لمجموعة واسعة من المجالات البحثية.
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.).
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 |
References
- Hiroi, T., Shibayama, M. Dynamic Light Scattering Microscope: Accessing Opaque Samples with High Spatial Resolution. Opt. Express. 21, 20260-20267 (2013).
- Barth, H. G., Flippen, R. B. Particle Size Analysis. Anal. Chem. 67, 257-272 (1995).
- Liu, Y., Wang, Z., Zhang, X. Characterization of supramolecular polymers. Chem. Soc. Rev. 41, 5922-5932 (2012).
- Berne, B. J., Pecora, R. . Dynamic Light Scattering with Applications to Chemistry, Biology and Physics. , (2000).
- Phillies, G. D. J. Experimental demonstration of ruultiple-scattering suppression in quasielastic-light-scattering spectroscopy by homodyne coincidence techniques. Phys. Rev. A. 24, 1939-1943 (1981).
- Phillies, G. D. J. Suppression of multiple scattering effects in quasielastic light scattering by homodyne crosscorrelation techniques. J. Chem. Phys. 74, 260-262 (1981).
- Ishii, K., Yoshida, R., Iwai, T. Single-scattering spectroscopy for extremely dense colloidal suspensions by use of a low-coherence interferometer. Opt. Lett. 30, 555-557 (2005).
- Xia, H., Ishi, K., Iwai, T. Hydrodynamic Radius Sizing of Nanoparticles in Dense Polydisperse Media by Low-Coherence Dynamic Light Scattering. Jpn. J. Appl. Phys. 44, 6261-6264 (2005).
- Maret, G., Wolf, P. E. Multiple light scattering from disordered media. The effect of brownian motion of scatterers. Z. Phys. B. 65, 409-413 (1987).
- Pine, D. J., Weitz, D. A., Chaikin, P. M., Herbolzheimer, E. Diffusing wave spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 60, 1134-1137 (1988).
- Cerbino, R., Trappe, V. Differential Dynamic Microscopy: ProbingWave Vector Dependent Dynamics with a Microscope. Phys. Rev. Lett. 108, 188102 (2012).
- Lu, P. J., et al. Characterizing Concentrated, Multiply Scattering, and Actively Driven Fluorescent Systems with Confocal Differential Dynamic Microscopy. Phys. Rev. Lett. 108, 218103 (2012).
- Provencher, S. W. A constrained regularization method for investing data represented by linear algebraic or integral equations. Comp. Phys. Comm. 27, 213-227 (1982).
- Provencher, S. W., Stepanek, P. Global analysis of dynamic light scattering autocorrelation functions. Part. Part. Syst. Charact. 13, 291 (1996).
- Takata, S., Norisuye, T., Shibayama, M. Small-angle Neutron Scattering Study on Preparation Temperature Dependence of Thermosensitive Gels. Macromolecules. 35, 4779-4784 (2002).
- Pusey, P. N., van Megen, W. Dynamic Light Scattering by Non-Ergodic Media. Physica A. 157, 705-741 (1989).
- Chu, B. . Laser Light Scattering. 2nd Ed. , (1991).
- Shibayama, M., Tanaka, T., Han, C. C. Small-Angle Neutron-Scattering Study on Poly(N-Isopropyl Acrylamide) Gels near Their Volume-Phase Transition-Temperature. J. Chem. Phys. 97, 6829-6841 (1992).
- Tanaka, T., Sato, E., Hirokawa, Y., Hirotsu, S., Peetermans, J. Critical Kinetics of Volume Phase Transition of Gels. Phys. Rev. Lett. 55, 2455-2458 (1985).
- Hiroi, T., Ata, S., Shibayama, M. Transitions of Aggregation States for Concentrated Carbon Nanotube Dispersion. J. Phys. Chem. C. 120, 5776-5782 (2016).
