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

Takashi Hiroi; Mitsuhiro Shibayama

doi:10.3791/54885

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Chemistry

Die Messung der Partikelgrößenverteilung in trüber Lösungen durch Dynamic Light Scattering Mikroskopie

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

Ein Protokoll für die direkte Messung der Partikelgrößenverteilung in konzentrierten Lösungen dynamische Lichtstreuung Mikroskopie dargestellt.

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. Probenvorbereitung Reinigung von temperaturempfindlichen Monomeren Man löst 20 g N Isopropylacrylamid (NIPA) in 100 ml Toluol. Filtern Sie die Lösung unter Staubabsaugung zu beseitigen. Mischen Sie das Filtrat mit 500 ml Petrolether. Legen Sie das Reaktionsgefäß in einem Eis-Wasser-Bad. Rühren Sie die Lösung bis die Monomere gefällt werden (in der Regel 30 min). Filtern Sie die Lösung unter Absaugen der ausgefällten Monomere zu erhalten. Trocknen Sie die Monomere unter vermindertem Druck (100 Pa) über Nacht. Vorbereitung des temperaturempfindlichen Polymerlösung Entgasen 20 ml deionisiertem Wasser für 1,0 min eine Membranpumpe verwendet wird. Man löst 780,8 mg des gereinigten NIPA in 9,5 ml entgastem und entionisiertem Wasser. Legen Sie das Reaktionsgefäß in einem Eis-Wasser-Bad. Schirmen Sie die Reaktion vonLicht, das durch die Vorrichtung mit Aluminiumfolie abdecken. Rühren Sie die Lösung vorsichtig für 10 min, während eine moderate Fluss von Ar-Gas sanft über einer Pipettenspitze mit einem Rohr an der Gasflasche angebracht einzuführen. Hinzufügen 11,9 ul N, N, N ', N' N' – Tetramethylethylendiamin zu der Lösung über eine Mikropipette. Rühren Sie die Lösung für 1,0 min unter Einleiten von Ar-Gas, wie es in Schritt 1.2.5 erwähnt. Während die Probe gerührt wurde, in 0,5 ml entgastem und entionisiertem Wasser 4,0 mg Ammoniumpersulfat aufzulösen. Mischen Sie die Probenlösung (aus Schritt 1.2.7) und Ammoniumpersulfatlösung (aus Schritt 1.2.8). Rühren Sie die Lösung für 30 s, während Ar-Gas-Einführung, wie es in Schritt 1.2.5 erwähnt. Decken Sie die Lösung mit Aluminiumfolie und halten es in einem Kühlschrank (4 ° C) über Nacht. Vorbereitung der Probe Halterungen Platzieren 60 & mgr; l der Probenlösung (vonSchritt 1.2.11) in einem Hohlraum Folie. Decken Sie die Lösung mit einem kreisförmigen Deckglas. Achten Sie darauf, keine Luftblasen zu stoppen. Entfernen Sie überschüssige Lösung mit einer Mikro und Labortücher verwenden. Verschließen Sie die Probe mit Klebstoff. Lassen Sie den Kleber trocken bei Raumtemperatur (typischerweise 6 h). Bereiten Sie eine andere Folie mit 0,1 Gew% Polystyrol-Latex gefüllt (100-nm Partikeldurchmesser) Suspension durch folgende Schritte an 1.3.1-1.3.4. Diese Folie wird als Standard verwendet. 2. Die Partikelgrößenmessung mit einem Dynamic Light Scattering Mikroskop Optimierung des Instruments Legen Sie die Polystyrol-Latex-Suspension Schieber (aus Schritt 1.3.5) auf der Bühne des inversen Mikroskops. Das Deckglas Seite sollte nach unten zeigen. Platzieren Sie einen Strahl Dämpfer vor dem Detektor (eine Lawinenphotodiode und einen Autokorrelator). Tragen Sie einen Laserstrahl (Festkörperlaser, λ = 488 nm, 30 mW, kontinuierlichewave) zu der Probe durch eine Objektivlinse (10 ×). Ein Teil des reflektierten Lichts geht durch einen Startspiegel des Mikroskops und wird durch eine CCD – Kamera angebracht an der Seitenöffnung des Mikroskops (1) beobachtet. Stellen Sie die Höhe der Objektivlinse, um den Brennpunkt in der Probensuspension zu setzen, indem die Höhe der Objektivlinse von der niedrigen bis hohen Position verschieben. Während dieses Vorgangs wird das reflektierte Bild dreimal konzentriert: an der Oberfläche des Deckglases an der Grenzfläche zwischen dem Deckglas und der Probe, und an der Grenzfläche zwischen der Probe und dem Lochglasobjektträger. Stellen Sie den Brennpunkt zwischen dem zweiten und dem dritten Punkt. Dämpft die Streulichtintensität von der Laserleistung ändert. Einzuführen, um die Streulicht in den Detektor durch den Strahldämpfer vor dem Detektor zu entfernen. Dieses Gerät misst die zeitliche Korrelation der Lichtintensität. Legen Sie ein Pinhole (φ = 50 & mgr; m) between das Mikroskop und der Detektor die konfokale Wirkung zu erzielen. Stellen Sie die Position des Pinholes, die Lichtintensität am Detektor zu maximieren. Messen der Zeitkorrelationsfunktion der Streulichtintensität für 30 s durch den Betrieb des Korrelators über einen Computer zu initiieren. Die gemessene Korrelationsfunktion wird oft als g (2) (t) ausgedrückt – 1, wobei t die Korrelationszeit 4 und . Hier I (t) ist die Streulichtintensität zur Zeit t und (•••) T ist Zeitmittelung. Die Abklingzeit wird etwa 0,1 ms betragen. Stellen Sie den Brennpunkt ein breites Spektrum für die anfängliche Amplitude der Zeitkorrelationsfunktion zu erhalten (g (2) (t = 0) – 1). HINWEIS: Die anfängliche Amplitude stark von der Menge des reflektierten Lichts beeinflusst wird. Durch den Brennpunkt Schlepptau bewegenard die Schnittstelle zwischen dem Deckglas und der Probe, die Menge des reflektierten Lichts zunimmt. Für starke Licht streuenden Teilchen, wie Polystyrollatex, kann die Anfangsamplitude von 0 bis 1 verändert werden, jedoch ist es schwierig, die Anfangsamplitude nahe 1 für üblichere Polymerlösungen zu setzen, weil die Intensität des reflektierten Lichts wesentlich höher ist als die des gestreuten Lichts. Tragen Sie die inverse Laplace – Transformation (mit dem eingeschränkten Regularisierungsprogramm CONTIN 13,14) auf die Funktion erhalten zeitliche Korrelation der Größenverteilungsfunktion zu erwerben. In Fällen, in denen die anfängliche Amplitude auf weniger als 0,2 eingestellt ist, zeigt die Verteilungsfunktion des hydrodynamischen Radius eine scharfe Spitze um 100 nm, die zweimal der tatsächliche Radius ist (siehe die Diskussion für weitere Details). Probenmessung Stellen Sie die Stufe Temperatur auf 25 ° C. Legen Sie eine Folie, hergestellt mit Poly-NIPA (PNIPA) solution (Schritt 1.3.4) auf dem Tisch des Mikroskops. Messen Sie die Zeitkorrelationsfunktion der Intensität des gestreuten Lichts durch folgende Schritte an 2.1.4-2.1.8. Wenn die anfängliche Amplitude größer als 0,2 ist, stellen Sie den Brennpunkt der anfänglichen Amplitude der Zeitkorrelationsfunktion zu machen weniger als 0,2 für Schritt 2.1.9 folgen. Eine kleine Anfangsamplitude vereinfacht die Analyse. Stellen Sie die Stufe Temperatur auf 35 ° C und warten, bis die Lösung trüb macht. Die untere kritische Lösungstemperatur (LCST) von PNIPA Lösung beträgt 32 ° C 15. Messen Sie die Zeitkorrelationsfunktion durch folgende Schritte 2.1.4-2.1.8. Wenn möglich, justieren die Position des Brennpunkts der Anfangsamplitude der Zeitkorrelationsfunktion weniger als 0,2 zu machen. Für trübe Lösungen, ihre anfänglichen Amplituden neigen, da die Intensität des gestreuten Lichtes zunimmt, während der des reflektierten Lichts konstant bleibt. Tragen Sie die inverse Laplace transformatian die Zeitkorrelation erhaltenen Funktionen die Größenverteilungsfunktionen zu erhalten. Beachten Sie, dass die tatsächliche Größe, wobei die Ausgangsamplitude kleiner als 0,2 ist die Hälfte der erhaltene Wert in Fällen.

Representative Results

Zeitkorrelationsfunktion der Streulichtintensität für eine Polystyrol – Latexsuspension (Partikelradius: 50 nm) wurden bei verschiedenen Brennpunkten gemessen, wie in 2 (a) gezeigt. Diese Korrelationsfunktionen wurden in die Verteilungs umgewandelt Funktionen des hydrodynamischen Radius durch die inverse Laplace – Transformation (siehe Figur 2 (b) und (c)). Nach dem gleichen Verfahren werden die Zeitkorrelationsfunktionen und Verteilungsfunktionen des hydrodynamischen Radius der PNIPA Lösung wurden bei 25 ° C und 35 ° C erhalten wurden. Figuren 3 (a) und (b) zeigen die Zeitkorrelationsfunktion der Streulichtintensität und die entsprechenden Funktionen Verteilungs Größe der PNIPA Lösung unterhalb (25 ° C) und höher (35 ° C) der LCST. Die Größenverteilungsfunktionen wurden durch die inverse Laplace-Transformation durch die gefolgt erhaltenKorrektur des Teil heterodyne. Die durchschnittliche hydrodynamischen Radius unterhalb der LCST ist mehrere zehn Nanometer, die für die Polymerlösungen typisch ist. Im Gegensatz dazu ist der hydrodynamische Radius oberhalb der LCST etwa 1,0 & mgr; m. Dieses Ergebnis ist konsistent mit der Tatsache, dass die Lösung über die LCST trüb wird. Die roten und blauen Linien in Abbildung 3 für die Größenverteilung der PNIPA Lösungen erhalten sofort nach und 20 Minuten nach der Lösung wurde trübe sind. Figur 3 (b) zeigt deutlich das Wachstum der Aggregation. Abbildung 1. Schema der dynamischen Lichtstreuung Mikroskop. Pinhole (PH), Strahlteiler (BS), einen Polarisator (Pol) und Avalanche-Photodiode (APD). Bitte klicken Sie hier , umeine größere Version dieser Figur. Abbildung 2. Repräsentative Ergebnisse für einen Polystyrol – Latex – Suspension. (A) Zeitkorrelationsfunktion der Streulichtintensität für die Polystyrol – Latex – Suspension. Der Nennradius beträgt 50 nm und die Konzentration von 0,1 Gew%. Zwei Datensätze wurden aus verschiedenen Streupunkte erhalten. (B), (c) entsprechende Größe Verteilungsfunktionen für die Polystyrol – Latex – Suspension , erhalten durch die inverse Laplace – Transformation von (a). Die rote Linie entspricht der Zeitkorrelationsfunktion, dessen Anfangsamplitude beträgt etwa 1,0, und die blaue Linie entspricht, die mit einer Anfangsamplitude, die etwa 0,2 ist. Die horizontale Achse berechnet wurde ohne (b) und (c) unter Berücksichtigung der Wirkung des partiellen Überlagerung (PHD), wenn A << ; 1. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 3. Repräsentative Ergebnisse für eine PNIPA Lösung. (A) Zeitkorrelationsfunktionen von Streulichtintensität für die PNIPA Lösung. (B) Entsprechende Größenverteilungsfunktionen für die PNIPA Lösung durch die inverse Laplace – Transformation von (a) erhalten. Die horizontale Achse wurde berechnet, um die Wirkung von Teillagerung für jeden Datensatz unter Berücksichtigung. Die schwarze Linie stellt die bei 25 ° C erhaltenen Daten. Die rote Linie gibt die erhaltenen Daten nur nachdem die Lösung trübe gedreht (35 ° C). Die blaue Linie stellt die erhaltenen Daten nach einer 20-minütigen Messung der roten Linie./54885/54885fig3large.jpg "Target =" _ blank "> Bitte hier klicken, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Die anfängliche Amplitude der Zeitkorrelationsfunktion hängt stark von der Brennpunkt, wie in Abbildung 2 (a) gezeigt. Dies widerspricht scheinbar die Tatsache , dass die Lösung homogen ist ( mit Ausnahme der dünnen Schicht an der Grenzfläche) ^8. Diese Variation in der Ausgangsamplitude wird in der Menge des reflektierten Lichts auf eine Veränderung zurückzuführen. Teil heterodyne Theorie ¹⁶ sagt voraus , daß die Anfangsamplitude, A, die Streulichtintensität, I _s, und die reflektierte Lichtintensität I _r, die folgende Gleichung erfüllen ¹

Diese Gleichung zeigt , daß , je größer I _r wird, wird die kleinere A. Daher wird eine reduziert , indem die Fokusposition auf die Schnittstelle Schliessstellung. Die scheinbare Diffusionskonstante D _A caim Falle von monodispersen Lösungen n durch Anpassung der Funktionszeitkorrelation erhalten werden:

woher . Hierbei ist n der Brechungsindex des Lösungsmittels (Wasser, 1,33), ist θ der Streuwinkel (180 °) und λ die Wellenlänge von Licht (514,5 nm). Da wir Rückstreugeometrie angewendet wird , wird der Wert von q fixiert. Jedoch ist dieser Punkt durch die Verwendung verschiedener Wellenlängen des Lichts gelöst. Bitte beachten Sie, dass jede Art von Dauerstrichlaserquelle vorhanden ist, das DLS Mikroskop zu bauen. Dank der geringen bestrahlten Volumens, der Kohärenzfaktor ¹⁷ wird auf mehr als 0,99 sein und ist zu vernachlässigen. Für polydisperse Lösungen wird die Verteilungsfunktion von D _A durch die inverse Laplace – Transformation erhalten. Teilüberlagerungs thEory sagt auch voraus , dass D _A nicht die gleiche wie die tatsächliche Diffusionskonstante D ist. Diese beiden Diffusionskonstanten die folgende Gleichung erfüllen:

Die konstante Diffusion D wird in den hydrodynamischen Radius R _h umgewandelt , um die Einstein-Stokes – Gleichung ^4. Wenn A = 1, wird diese Beziehung D _A = D. In diesem Fall ist das Datenumwandlungsverfahren das gleiche wie das für die gemeinsame dynamische Lichtstreuung. Die rote Linie in Figur 2 (b) gezeigt , entspricht diesem Fall. Im Gegensatz dazu wird diese Beziehung D _A = 0,5 D an der Grenze der A → 0. Daher wird die Größe geschätzt doppelt so groß wie die tatsächliche Größe zu sein , wenn A klein ist (praktisch weniger als 0,2), wie durch die gezeigte blaue Linie von 2 (b) </strong>. Wenn wir wissen , dass eine signifikant klein ist, kann die horizontale Achse verschoben werden, wie in 2 (c) gezeigt. Im Prinzip können wir D _A in D für jeden Wert von A zu konvertieren. In der Praxis ist es jedoch besser , die Anfangsamplitude kleiner als 0,2 eingestellt, da die einfache Näherung D _A ~ 0,5 D gilt.

Die herausragenden Merkmale der dynamischen Lichtstreuung Technik Mikroskop wurden unter Verwendung einer PNIPA Lösung unter Beweis gestellt. Die Konformation von PNIPA unterhalb und oberhalb der LCST wurde ^15,18 Neutronenkleinwinkel mit intensiv untersucht Streuung. Im Gegensatz dazu dynamischer Lichtstreuung wurde für die Analyse von PNIPA oberhalb der LCST verwendet wegen seiner Trübung ¹⁹ nicht. Dieses Problem wird durch das dynamische Lichtstreuungsmikroskop gelöst, wie in den 3 (a) und (b) gezeigt. Die Größe dieser Aggregate ist mehrere &# 181; m, die durch entweder Kleinwinkelröntgen / Neutronenstreuung oder herkömmlichen Lichtstreuungsverfahren nicht erhalten werden kann. Zeitaufgelöste Messungen mit diesem System geben Informationen über den Aggregationsprozess während der Temperaturänderung.

Der Nachteil der dynamischen Streuung Mikroskoplicht wird auch in Figur 3 veranschaulicht. Für das Ergebnis unterhalb der LCST wird die Zeitkorrelationsfunktion durch die sehr kleine Menge an Staub vorhanden ist (die schwarzen Linien in 3) stark beeinflusst. Beispielsweise zerfallen die Zeitkorrelationsfunktion nicht vollständig, auch bei Korrelationszeiten in der Größenordnung von 1,0 s. Dies ist, weil das Volumen mit dieser Vorrichtung bestrahlt (ungefähr 1,0 & mgr; m) deutlich kleiner als die bestrahlt mit der üblichen dynamischen Lichtstreuungsvorrichtung (ca. 100 um). In Fällen, in denen die Intensität des gestreuten Lichtes zu schwach ist, wird das Signal durch das Rauschen verdeckt, wie die durch s verursachtMall Mengen an Staub in der Lösung. Daher sind die drei Spitzen in Abbildung 3 (b) gezeigt haben , kann nicht quantitative Bedeutung , obwohl die allgemeine Ordnung der Größe von Bedeutung ist. Man beachte, dass solch eine schwache Streuer kann durch ein herkömmliches dynamisches Lichtstreuungsvorrichtung gemessen werden.

Wir haben gezeigt, dass die dynamische Lichtstreuung Mikroskop ermöglicht es uns, sowohl transparente als auch trübe Proben mit dem gleichen Setup zu messen. Da die optische Weglänge in den Proben kurz ist, kann diese Technik zu stark lichtabsorbierenden Proben angewendet werden, wie beispielsweise Kohlenstoff – Nanoröhrchen – Suspensionen ^20. Darüber hinaus aufgrund der hohen räumlichen Auflösung kann diese Technik auf biologische Zellen aufgebracht werden. Für ihre Anwendung in der Biologie kann dieses Verfahren auch mit anderen bildgebenden Verfahren, wie Fluoreszenz und Raman-Bildgebung kombiniert werden. So glauben wir, dass die dynamische Lichtstreuung Mikroskop ein leistungsfähiges Werkzeug für ein breites Spektrum von Forschungsfeldern ist.

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

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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).

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