Measurement of Particle Size Distribution in Turbid Solutions by Dynamic Light Scattering Microscopy

Takashi Hiroi; Mitsuhiro Shibayama

doi:10.3791/54885

JoVE Journal > Chemistry

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Chemistry

Meting van de deeltjesgrootteverdeling in Troebele Solutions van Dynamic Light Scattering Microscopy

Published: January 09, 2017

doi:

10.3791/54885

Takashi Hiroi¹, Mitsuhiro Shibayama²

¹Department of Chemistry, School of Science,University of Tokyo, ²Institute for Solid State Physics,University of Tokyo

Summary

Een protocol voor het direct meten van de deeltjesgrootteverdeling in geconcentreerde oplossingen met dynamische lichtverstrooiing microscopie wordt gepresenteerd.

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. Monstervoorbereiding Zuivering van temperatuur reagerende monomeren 20 g N -isopropylacrylamide (NIPA) in 100 ml tolueen. Filtreer de oplossing onder afzuiging te verwijderen stof. Meng het filtraat met 500 ml petroleumether. Plaats het reactievat in een ijs-waterbad. Roer de oplossing tot de monomeren worden neergeslagen (meestal 30 min). Filtreer de oplossing onder afzuiging neerslag te verkrijgen monomeren. Droog de monomeren onder verminderde druk (100 Pa) gedurende de nacht. Bereiding van de temperatuur reagerende polymeeroplossing Ontgas 20 ml gedeïoniseerd water gedurende 1,0 min onder toepassing van een membraanpomp. Los op 780,8 mg van het gezuiverde NIPA in 9,5 ml ontgast en gedeïoniseerd water. Plaats het reactievat in een ijs-waterbad. Scherm de reactie vanlicht door het bedekken van het apparaat met aluminiumfolie. Roer de oplossing zachtjes gedurende 10 min terwijl de invoering van een gematigde stroming van Ar gas voorzichtig via een pipet aan de gasfles met een buis. Voeg 11,9 ul N, N, N ', N'-tetramethylethyleendiamine om de oplossing via een micropipet. Roer de oplossing voor 1,0 min, terwijl de invoering Ar gas, zoals vermeld in stap 1.2.5. Onder roeren van het monster los 4,0 mg ammoniumpersulfaat in 0,5 ml ontgast en gedeïoniseerd water. Meng de monsteroplossing (uit stap 1.2.7) en ammoniumpersulfaat oplossing (uit stap 1.2.8). Roer de oplossing gedurende 30 seconden terwijl de invoering van Ar gas, zoals vermeld in stap 1.2.5. Bedek de oplossing met aluminiumfolie en bewaar het in de koelkast (4 ° C) gedurende de nacht. Voorbereiding van het monster mounts Plaats 60 pl van de monsteroplossing (vanstap 1.2.11) in een holte dia. Bedek de oplossing met een ronde deksel glas. Wees voorzichtig niet te vangen luchtbellen. Verwijder overtollige oplossing met behulp van een micropipet en laboratorium doekjes. Verzegelen van het monster met lijm. Laat de lijm droog bij kamertemperatuur (typisch 6 uur). Bereid een andere dia gevuld met 0,1 gew% polystyreen latex (deeltjes met een diameter van 100 nm) schorsing door de stappen 1.3.1-1.3.4. Deze dia wordt gebruikt als een standaard. 2. Particle Size Measurement met een Dynamic Light Scattering Microscoop Optimalisatie van het instrument Plaats de polystyreen latex suspensie schuif (uit stap 1.3.5) op het stadium van het omgekeerde microscoop. De dekking van glas kant moet naar beneden worden geconfronteerd. Plaats een balk klep voor de detector (een lawine fotodiode en een autocorrelator). Breng een laserstraal (halfgeleiderlaser, λ = 488 nm, 30 mW, ononderbrokenwave) om het monster door een objectief lens (10 ×). Een deel van het gereflecteerde licht gaat door een lancering spiegel van de microscoop wordt waargenomen door een CCD camera gemonteerd aan de zijpoort van de microscoop (figuur 1). Stel de hoogte van de objectieve lens tot het brandpunt op het monster schorsing ingesteld door het verschuiven van de hoogte van de lens tegen de laag naar hoge positie. Tijdens deze procedure wordt het gereflecteerde beeld zich driemaal aan het oppervlak van het dekglas op het grensvlak tussen het dekglaasje en het monster, en op het raakvlak tussen het monster en de gat-schuifglas. Stel het brandpunt tussen de tweede en derde punt. Verzwakken de verstrooide lichtintensiteit door het veranderen van het laservermogen. Introduceren het verstrooide licht in de detector door het verwijderen van de bundel klep voor de detector. Dit apparaat meet de tijd correlatie van de lichtintensiteit. Stel een pinhole (φ = 50 pm) betwEen de microscoop en de detector het confocale effect. Pas de positie van de pinhole om de lichtintensiteit te maximaliseren bij de detector. Meet de tijd correlatiefunctie verstrooide lichtintensiteit gedurende 30 s door het initiëren van de werking van de correlator via een computer. De gemeten correlatiefunctie wordt vaak uitgedrukt in g (2) (t) – 1, waarbij t de correlatietijd 4 en . Hier, I (t) de verstrooide lichtintensiteit en de tijd t (•••) t de tijd gemiddeld. De vervaltijd zal ongeveer 0,1 ms. Stel het brandpunt uiteenlopende krijgen voor de eerste amplitude van de tijd correlatiefunctie (g (2) (t = 0) – 1). OPMERKING: De initiële amplitude wordt sterk beïnvloed door de hoeveelheid gereflecteerd licht. Door het verplaatsen van het brandpunt sleeptouward het grensvlak tussen het dekglaasje en het monster, de hoeveelheid gereflecteerd licht toeneemt. Voor sterk licht verspreiders, zoals polystyreen latex, kan de initiële amplitude worden veranderd van 0 tot 1. Het is evenwel moeilijk om de oorspronkelijke amplitude nabij 1 voor vaker polymeeroplossingen stellen, omdat de intensiteit van het gereflecteerde licht is veel hoger dan die van het verstrooide licht. Breng de inverse Laplace transformatie (de beperkte regularisatieprogramma CONTIN 13,14) aan de verkregen tijd correlatiefunctie om de grootteverdeling functie krijgen. Wanneer de initiële amplitude wordt ingesteld op minder dan 0,2, zal de verdelingsfunctie van de hydrodynamische straal een scherpe piek rond 100 nm, die tweemaal de werkelijke straal (zie bespreking voor details) tonen. steekproef meting De weg geëffend temperatuur tot 25 ° C. Plaats een dia bereid met poly-NIPA (PNIPA) solution (stap 1.3.4) op het podium van de microscoop. Meet de tijd correlatie functie van de verstrooide lichtintensiteit door de stappen 2.1.4-2.1.8. Als de eerste amplitude groter is dan 0,2, past het brandpunt van de oorspronkelijke amplitude van de tijd correlatiefunctie maken minder dan 0,2 door stap 2.1.9. Een kleine initiële amplitude vereenvoudigt de analyse. De weg geëffend temperatuur tot 35 ° C en wacht tot de oplossing wordt troebel. De lagere kritische oplossing temperatuur (LCST) van PNIPA oplossing is 32 ° C 15. Meet de tijd correlatiefunctie door de stappen 2.1.4-2.1.8. Indien mogelijk, stel de positie van het brandpunt van de oorspronkelijke amplitude van de tijd correlatiefunctie minder dan 0,2 te maken. Voor troebele oplossingen, hun oorspronkelijke amplitudes de neiging toe te nemen, omdat de intensiteit van het verstrooide licht toeneemt terwijl die van het gereflecteerde licht constant blijft. Breng de inverse Laplace transformatiaan de verkregen tijdcorrelatie functies om de grootteverdeling functies te verkrijgen. Merk op dat de werkelijke grootte halve waarde verkregen wanneer de oorspronkelijke amplitude kleiner is dan 0,2.

Representative Results

Tijdcorrelatie functies van verstrooide lichtintensiteit een polystyreen latex suspensie (radius korrelgrootte: 50 nm) gemeten op verschillende knooppunten, zoals getoond in figuur 2 (a). Deze correlatiefuncties omgezet in de verdelingsfuncties van de hydrodynamische straal van het inverse Laplace transformatie (zie figuur 2 (b) en (c)). Met dezelfde procedure tijd correlatiefuncties en verdelingsfuncties van de hydrodynamische straal van het PNIPA oplossing werd verkregen bij 25 ° C en 35 ° C. Figuren 3 (a) en (b) tonen de tijdcorrelatie functies van de verstrooide lichtintensiteit en de bijbehorende grootte verdelingsfuncties van de PNIPA oplossing hieronder (25 ° C) en hoger (35 ° C) de LCST. De grootteverdeling functies werden verkregen door de inverse Laplace transformatie, gevolgd door decorrectie van de gedeeltelijke heterodyne. De gemiddelde hydrodynamische straal onder de LCST is enkele tientallen nanometers, die typisch is voor polymeeroplossingen. In tegenstelling, de hydrodynamische straal boven de LCST is ongeveer 1,0 urn. Dit resultaat is consistent met het feit dat de oplossing troebel boven de LCST. De rode en blauwe lijnen in Figuur 3 vertegenwoordigen de grootteverdeling van PNIPA oplossingen verkregen onmiddellijk na en 20 minuten na de oplossing troebel, respectievelijk. Figuur 3 (b) duidelijk de groei van de aggregatie. Figuur 1. Schema van de dynamische lichtverstrooiing microscoop. Pinhole (PH), bundelsplitser (BS), polarisator (Pol), en lawine-fotodiode (APD). Klik hier om te bekijkeneen grotere versie van deze figuur. Figuur 2. Representatieve resultaten voor een polystyreen latex schorsing. (A) Tijd correlatie functies van de verstrooide lichtintensiteit voor de polystyreen latex schorsing. De nominale straal is 50 nm en de concentratie 0,1 gew%. Twee datasets werden verkregen uit verschillende verstrooiing punten. (B), (c) bijbehorende grootte verdelingsfuncties voor de polystyreen latex suspensie verkregen door de inverse Laplace transformatie van (a). De rode lijn komt overeen met de tijd correlatie functie waarvan de initiële amplitude is ongeveer 1,0, en de blauwe lijn komt overeen met die met een initiële amplitude dat is ongeveer 0,2. De horizontale as is berekend zonder (b) en (c) na het effect van partiële heterodyning (PHD) als A << ; 1. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3. Representatieve resultaten voor een PNIPA oplossing. (A) Tijd correlatie functies van de verstrooide lichtintensiteit voor de PNIPA oplossing. (B) bijbehorende grootte verdelingsfuncties voor de PNIPA, verkregen door de inverse Laplace transformatie van (a). De horizontale as werd berekend op basis van het effect van de gedeeltelijke heterodyning voor elke dataset. De zwarte lijn geeft de verkregen bij 25 ° C data. De rode lijn geeft het verkregen net na de oplossing werd troebel data (35 ° C). De blauwe lijn geeft de verkregen na 20 min meten van de rode lijn van gegevens./54885/54885fig3large.jpg "Target =" _ blank "> Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

De initiële amplitude van de tijd correlatiefunctie sterk afhankelijk van het brandpunt, zoals getoond in figuur 2 (a). Dit is in tegenspraak schijnbaar dat de oplossing homogeen is (met uitzondering van de dunne laag op het grensvlak) ^8. Deze variatie van de oorspronkelijke amplitude wordt toegeschreven aan een verandering in de hoeveelheid gereflecteerd licht. Gedeeltelijke heterodyne ¹⁶ theorie voorspelt dat de eerste amplitude A, de verstrooide lichtintensiteit, I _s, en de intensiteit van gereflecteerd licht, _Ir, voldoen aan de volgende vergelijking ¹

Deze vergelijking toont aan dat hoe groter _Ir wordt, hoe kleiner A wordt. Daarom A gereduceerd door de focale positie nabij het grensvlak. De schijnbare diffusie constante D _A can worden verkregen door het aanbrengen van de tijd correlatiefunctie bij monodisperse oplossingen:

waar . Hier is n de brekingsindex van het oplosmiddel (water, 1,33), θ is de verstrooide hoek (180 °) en λ de golflengte van het licht (514,5 nm). Aangezien we terugverstrooiing geometrie toegepast, is de waarde van q vast. Echter, dit punt opgelost door verschillende golflengten van licht. Let op elk type continue golf laserbron is beschikbaar om de DLS microscoop construeren. Dankzij de kleine bestraalde volume, wordt de coherentie factor ¹⁷ meer dan ongeveer 0,99 te zijn en te verwaarlozen. Voor polydisperse oplossingen, is de distributiefunctie van D _A verkregen door de inverse Laplace transformatie. Gedeeltelijke heterodyne thEory voorspelt ook dat D _A is niet hetzelfde als de werkelijke diffusieconstante D. Beide diffusieconstanten aan de volgende vergelijking:

De diffusieconstante D omgezet in de hydrodynamische straal _Rh met de Einstein-Stokes vergelijking ^4. Wanneer A = 1, deze relatie wordt D _A = D. In dit geval, de data conversie proces is hetzelfde als dat voor de gemeenschappelijke dynamische lichtverstrooiing. De rode lijn in figuur 2 (b) correspondeert met de zaak. Daarentegen wordt deze relatie D _A = 0,5 D op de grens van A → 0. Daarom wordt de grootte geschat tweemaal zo groot als de werkelijke grootte te zijn wanneer A is klein (bijna minder dan 0,2), zoals blijkt uit de blauwe lijn van figuur 2 (b) </strong>. Als we weten dat een significant klein, kan de horizontale as worden verschoven, zoals in figuur 2 (c). In principe kunnen we D _A omzetten in D bij elke waarde van A. In de praktijk, is het beter om de eerste amplitude kleiner ingesteld dan 0,2, omdat de eenvoudige onderlinge D _A D ~ 0,5 geldt.

De opvallende kenmerken van de dynamische lichtverstrooiing microscoop techniek werden aangetoond met behulp van een PNIPA oplossing. De conformatie van PNIPA onder en boven de LCST is uitgebreid bestudeerd met behulp van kleine-hoek neutronenverstrooiing ^15,18. Daarentegen is dynamische lichtverstrooiing niet gebruikt voor de analyse van PNIPA boven de LCST vanwege de troebelheid ^19. Dit probleem wordt opgelost door de dynamische lichtverstrooiing microscoop, zoals getoond in figuren 3 (a) en (b). De grootte van deze aggregaten meerdere &# 181, m, die niet kan worden verkregen met één kleine hoek X-ray / neutronenverstrooiing of conventionele lichtverstrooiingstechnieken. Tijdsopgeloste metingen met behulp van dit systeem geven informatie over de aggregatie proces tijdens de temperatuurverandering.

Het nadeel van de dynamische lichtverstrooiing microscoop wordt ook geïllustreerd in figuur 3. Het resultaat onder de LCST, wordt de tijd correlatiefunctie sterk beïnvloed door de zeer kleine hoeveelheid stof aanwezig is (de zwarte lijnen in figuur 3). Zo blijft de tijd correlatiefunctie niet volledig verval, zelfs met correlatie in de orde van 1,0 s. Dit komt doordat het volume bestraald met dit apparaat (ongeveer 1,0 urn) aanzienlijk kleiner is dan die bestraald met de gebruikelijke dynamische lichtverstrooiing inrichting (ongeveer 100 urn). Wanneer de intensiteit van het verstrooide licht zwak is, wordt het signaal onzichtbaar door het lawaai, vaak veroorzaakt door small hoeveelheden stof in de oplossing. Derhalve kunnen de drie pieken weergegeven in figuur 3 (b) geen kwantitatieve belang hoewel de algemene volgorde van de grootte zinvol. Overigens zou een dergelijke zwakke verstrooier kan worden gemeten met een conventionele dynamische lichtverstrooiing inrichting.

We hebben aangetoond dat de dynamische lichtverstrooiing microscoop kunnen wij zowel transparant als troebele monsters gemeten met de zelfde opstelling. Aangezien de optische weglengte in de monsters kort is, kan deze techniek worden toegepast op sterke lichtabsorberende monsters, zoals koolstof nanobuis ²⁰ suspensies. Bovendien, vanwege de hoge ruimtelijke resolutie, kan deze techniek worden toegepast op biologische cellen. Voor de toepassing biologie, kan deze werkwijze ook worden gecombineerd met andere beeldvormende technieken, zoals fluorescentie en Raman imaging. Zo zijn wij van mening dat de dynamische lichtverstrooiing microscoop is een krachtig hulpmiddel voor een breed scala aan onderzoeksgebieden.

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Hiroi, T., Shibayama, M. Measurement of Particle Size Distribution in Turbid Solutions by Dynamic Light Scattering Microscopy. J. Vis. Exp. (119), e54885, doi:10.3791/54885 (2017).

Automatically Generated