はじめに
DLSとELSは、粒子状物質のサイズとゼータ電位を特徴付けるために使用される多用途の技術です。これらは、溶液中または分散中のコロイド系、ナノ粒子、高分子に最も一般的に適用されます。もちろん、異なるメーカーのシステムを比較する場合、DLS/ELS機器の仕様は非常に重要です。しかし、システムを正しい方法で使用しなかったり、すべてのオプションを活用しなかったりすると、システムを最大限に活用することはできません。
そこで、ここでは機器を購入する際に考慮すべき仕様だけではなく、サンプルの種類やワークフローなどの他の重要な側面についても説明します。そうすれば、必要なことを正確に実行し、適切に実行するシステムが得られます。
DLSとELSの基本事項
DLSは、ブラウン運動する粒子や分子の光散乱を使用して、それらの拡散係数を測定します。その後、これらはサイズ分布に変換されます。
ELSは、光散乱粒子の運動から生じるドップラー効果を利用して、電場の存在下での速度を測定します。その後、これはゼータ電位値(または分布)に変換されます。
DLSとELSに含まれる技術の類似性と、結果の相補的な性質により、市場のほとんどのシステム(当社のZetasizer Advanceシリーズを含む)は、両方の技術を提供しています。
1.最も重要な用途を重視していますか？
業界内で明確に定義された用途に取り組んでいますか？もしそうなら、これは不必要な質問であると思われるかもしれません。
しかし、学術分野にいる場合は、状況が異なる可能性があります。
助成金保有者が、大学内の別の分野での用途を重視している人々のために、機器に必要な仕様の拡張を求められるのはよくあることです。
この状況があなたに当てはまるならば、今こそ、ご自身の要件をしっかりと把握しておく時期です。コストパフォーマンスに優れたものは、用途に最適化されたシステムから得られます(Malvern Panalyticalでは、複数のモデルからお選びいただけます)。
最も重要な用途については妥協しないでください。理想的には、特定のクラスのサンプルに合わせて調整されたシステムを目指す必要があります。
2.本当に重要な仕様が何であるのか混乱していませんか？
つまり、DLS/ELSシステムが必要であることを理解しています。さまざまなメーカーから提供されているものを比較すると、突然、それらの仕様に圧倒されてしまいます。しかし、材料科学においてよく見られるサンプルの優れた性能を確保するには、どの仕様が最も重要でしょうか？
物事はできるだけシンプルにしましょう。確認する必要がある7つの仕様は次のとおりです。
- 測定タイプ: DLSとELSに含まれる技術は類似しているため、市場のほとんどのシステム(当社のZetasizer Advanceシリーズを含む)は、両方の技術を提供しています。両方を備えていると、粒子の挙動をより広範囲に把握できるようになり、ラボでの将来の課題に確実に備えることができます。さらに、ELS測定に興味があるだけの場合でも、電圧の印加がサンプルのサイズ特性に影響を与えていないことを確認するために、前後でDLS測定を実行することをお勧めします。最後に、当社の「Ultra Red」モデルは、粒子濃度測定も実行できます(専用の小角X線散乱システムや単一粒子のICP-MSシステムとほぼ同等の性能です)。
- 測定角度：この指標は、多くのメーカーがこの指標について言及しているため、混乱を引き起こすことがよくあります。長年にわたり、標準的な測定角度は90°とされてきましたが、これには単純な光学設計だけで済むという利点があり、長年使用されている手法を使用することを好む(または予算が限られている)分析担当者の間で今でも人気があります。ただし、後方散乱測定(通常は170～175°)を使用することで、この基本的な機能を向上させることができます。これにより、90°測定と比較して測定体積が8倍に増加し(低濃度の感度が向上)、焦点がセル壁面の方向に戻ります(多重散乱の交絡効果を回避するために濁ったサンプルを希釈する必要がなくなります)。
- 複数の角度：上述の点に関連して、複数の角度で測定できる機能と、その結果得られるサイズ分解能の大幅な向上が挙げられます。たとえば、当社のZetasizer Ultraモデルで使用されているMADLS®法は3つの角度で測定しますが、生データを結合して、角度に依存しない単一の結果を生成し、それよりも高い信号対雑音比と精度を実現します。任意の単一角度で得られるものよりも優れています。
- 試料量：多くの材料用途では、サンプルが不足することはなく、
通常のキュベット容量(通常は1 mLより多い)を使用できます。ただし、サンプル量が制限されている可能性がある場合は、使用しても良好な結果が得られる最低サンプル量を確認する必要があります(Zetasizerでは、サイズ測定の場合は3 μL、ゼータ電位測定の場合は20 μLまで対応可能です)。 - 粒子径範囲: DLSで測定できる粒子サイズは、サイズが1 nm未満のナノ粒子から、直径10 μmまでの粒子のコロイド懸濁液まで、非常に多岐にわたります。ELSの場合、値は若干異なります。ただし、機器で測定可能な最大サイズと最小サイズにとらわれずに検討してください。本当に重要なのは、必要なサイズの範囲と、機器がそのサイズに最適化されているかどうかです。その範囲でのみ、最も再現性の高い結果が得られます。
- 濃度範囲：材料用途では、濃度の限度と範囲はサンプルに大きく依存しますが、一般的に、インクや顔料など、より高濃度のものを測定する必要性が高くなります。したがって、Zetasizer Advanceシステムは、0.1 mg/mLのラテックス溶液から最大40 wt%の固体懸濁液まで、あらゆるものに対処できることを知っておくとよいでしょう。
- レーザーパワー：これは、このリストの中でも奇妙なものです。低濃度サンプルにはわずかに高い出力が役立ちますが、一般的に、レーザーパワー性能の良いガイドではありません。当社のシステムは4 mWまたは10 mWのレーザーを使用し、効率的な光学設計とNIBSなどの他の感度向上機能と組み合わせて(セクション3の「非常に低濃度または非常に高濃度のサンプル」を参照)、最も困難なサンプルでも優れた結果が得られるようにしています。ただし、一部のメーカーは、このような性能に匹敵するよう、レーザーパワーを40 mW、さらには100 mWに高めています。しかし、これにはサンプルの加熱とノイズの増加のリスクが伴い、その結果生じる粘度の変化により、結果が大きく損なわれる可能性があります。したがって、パワーではなく性能を重視してください。
このセクションの結論として、技術仕様は明らかに意思決定プロセスの重要な部分であり、Zetasizer Advanceシリーズが提供するものについての詳細はこちらからご覧いただけます。ただし、仕様については、機器の他の機能や、特定のサンプルに対して提供される性能と組み合わせて検討する必要があります。
レーザーからサンプルを通過して、検出器、相関器にいたるまで、DLS測定はハードウェアコンポーネントの完全性と、分析ソフトウェアのアルゴリズムの高度化に依存します。
3.新しい種類のサンプルを分析できるかどうか、毎回確認する必要があることにうんざりしていませんか？
DLS/ELSシステムを購入する際に直面する不満の1つは、この技術での成功が、サンプルの実際の性質によって大きく左右されるということがあります。そのため、少し異常な点を分析する前に、技術専門家と詳細に話し合うことが必要になることがよくあります。私たちは、お客さまの用途についていつでも喜んで相談させていただきますが、お客さまが毎日それを行うことを望まないことを理解しているため、当社はZetasizerシステムを可能な限り多用途なものにするよう努めてきました。
したがって、DLS/ELSシステムの購入を検討する場合は、次に示すタイプのサンプルを処理できるかどうかを確認してください。
- 非球形粒子：従来のDLSでは粒子が球状であると想定しているため、球状でない場合、標準的なデータ処理では実際の粒子サイズを反映しない結果が得られます。解決策は、非球状粒子の回転拡散が散乱光の偏光解消を引き起こすという事実を利用することです。私たちが考案した「偏光解消DLS」技術では、垂直偏波と水平偏波の度合いが
球形の粒子から予想されるものと比較され、粒子が球形から逸脱している可能性について結論を導き出すことができます。これにより、データ処理中に余裕を持たせることができます。 - 蛍光粒子：蛍光はDLS測定に干渉します。これは、光の相関性がないため、データにさらに多くの「ノイズ」が発生するためです。Zetasizer装置では、サンプルが蛍光を発していることがわかっている(または装置が蛍光を発していることを検出している）場合、狭帯域幅フィルタを光路に導入することができます。これにより、蛍光が除去され、データ品質への影響が軽減されます。
- 非常に大きな粒子：熱対流による粒子の動きが、散乱の原因となるブラウン運動を覆い隠すため、標準的なサンプルキュベット内の大きな粒子の測定は困難になる場合があります。低容量ディスポーザブルキャピラリーセルは、この熱対流を回避することで、より大きな粒子(1～10 μm)の粒子サイズの測定を容易にします。
- 電場に敏感な粒子：一部の粒子(特にタンパク質ですが、潜在的には特定のポリマー、有機フレームワーク材料、コロイドゲルも含む)は、ELSに使用される電場の印加によって分解される可能性があります。当社のシステムでは、「size–zeta–size」プロトコルを使用してテストできます(これは、同じ機器上にDLSとELSがあることの利点の1つです)。しかし、電気的に敏感なサンプルを定期的に実行している場合は、当社のU折りたたみキャピラリーセルの1つを使用し、当社の「拡散障壁手法」でサンプルローディングするのも良い手段です。これにより、サンプルが溶解しているのと同じ緩衝液によって電極から分離されたサンプルの小さなプラグ(例：20 μL)が導入され、サンプルが電極(ほとんどの損傷が発生する場所)から確実に遠ざけられます。
また、機器を比較する場合、劣化の決定要因となるのは、電圧や電流そのものではなく、電界強度(V/cm)であることにも注意してください。 - 高伝導度サンプル：イオン強度が高い(したがって導電率が高い)サンプルは、ELS測定中に電極上にイオンが蓄積し、電流の減少を引き起こす可能性があります。リアルタイム補償回路(「定電流ゼータ」技術など)は、電流を変更させずに維持し、結果のエラーを回避します。このようなサンプルのゼータ電位は、電気浸透として知られる荷電粒子の正味の流れによっても歪む可能性がありますが、これは高周波(いわゆる電気浸透が発生しない)で測定を行い、これを低周波で補完することで解決でき、分布情報を取り戻すことができます。これは混合モード測定(「M3」)として知られており、M3-PALS法で実装されています。
- 非常に低濃度または高濃度のサンプル：当社の非接触後方散乱測定技術(NIBS)は、2つの方法でダイナミックレンジを拡大します。まず、90°システムと比較して、低濃度での分解能と感度が向上するため、検出量を増加させることができます。また、後方散乱光を使用するため、散乱量がキュベットの前面近くに保たれ、高濃度サンプルからの多重散乱によって引き起こされる問題が軽減されます。
- 不透明サンプル：NIBSが、高濃度サンプルに有用であるのと同じ理由で(上記参照)、こちらの動画に示されているように、不透明なサンプルにも役立ちます。
Zetasizer AdvanceのNIBS技術は、非常に不透明なサンプルであっても、最適な測定位置を自動的に検出します。ZS XPLORERのデータガイダンスを使用すると、(青色のトレース)受け取ったままのサンプルを使用するか、希釈したサンプルを使用するかを決定でき、希釈するかどうか、およびどの程度希釈するかを十分な情報に基づいて選択できます。
4.サンプル調製が期待どおりではないかも、と心配していますか？
サンプル調製の問題は、単にその重要性が過小評価されているために発生する可能性がありますが、多くの場合、それは単純に学習曲線が原因で発生します。最良の結果を得るためにサンプルの調製方法を習得するには、数か月、場合によっては数年の経験が必要です。
しかし、それほど長く待つことができない場合は、日常的なサンプル調製の問題を回避するのに役立つ(当社のような)システムを購入することで、作業が大幅に楽になります。考慮すべき点は次のとおりです。
- 使い捨てのポリスチレンキュベットは、洗浄に関する問題を排除し、サンプルを保管したい場合に、新しい容器に移す必要がありません。
- ソフトウェアプロトコル(当社の「Adaptive Correlation」アルゴリズム)は、データの一時的な変動を検出し、計算から粉塵の影響を取り除くことができます(セクション5の「分析では塵の影響を把握していますか？」を参照)。過渡現象を識別するソフトウェアにより、測定前にサンプルや分散剤をフィルタリングする必要がなくなります。
- この機器は高濃度サンプルを処理できるため、希釈の必要性やそれに起因するエラーが減少します。
- 当社の低容量で簡単にセットできるキャピラリーセルは、便利な留め方式を採用しており、はるかに少ない量の材料の取り扱いが容易になります。
要約すると、時間をかけてサンプルの調製手順の微調整し、サンプル調製エラーの可能性を排除する装置の機能を認識することは価値があります。
(A) 当社の低容量キャピラリーセルホルダーを使用すると、3 μLのサンプルから測定を行うことができます。特許取得済みのスナップ留めにより、ガラスキャピラリーの破損リスクが軽減されます。
(B) 当社のELS測定用の完全使い捨て型キャピラリーセル – 拡散障壁技術をすぐに使用できます。
(C) 当社のディップセルを使用すると、水性分散剤と非水性分散剤の両方のゼータ電位を測定できます。
(D) 当社の簡単に充填できる光学品質のキュベットは、幅広い種類のサンプルに適した定番品です。
5.取得するデータの信頼性について考えたことはありますか？
DLSとELSの性質は、結果がサンプルの変動、機器の不完全性、環境条件の変動に非常に敏感であることを意味します。したがって、単に結果を生み出すシステムを持つだけでは十分ではなく、その結果に自身を持つ必要があります。
どうすればそれを達成できますか？それは、データ品質に寄与する小さい点に小さな点に大きく焦点を当ててください。そうした細かなことのすべてに注意を払うことで、本当に優れた機器と単に適切な機器を区別するのに役立ちます。
したがって、材料用途向けのDLS/ELSシステムを購入する場合は、結果に対する信頼性を高めるために何が用意されているかを自問してください。以下に挙げる一連の質問が、出発点として適していることがわかります。
- 分析では粉塵の影響が考慮されていますか？最適なサンプル調製を行ったとしても、場合によってはサンプル中に凝集物、粉塵、その他の不要な粒子が混入することがあります。これらの粒子は、短期間または「一過性」の散乱を引き起こし、結果をゆがめる可能性があります。当社の「Adaptive Correlation」法は、DLSデータを定常状態または過渡状態のいずれかに分類し、前者のみがサイズの計算に使用されます。(念のために言っておきますが、私たちはデータを破棄しません。統計的な関連性に基づいてサブランにラベルをつけるだけなので、確認したい場合には、すべてがそこに残されています。)
- システムは温度を正確に測定し、温度変動のリスクを最小限に抑えていますか？測定中の予期せぬ温度変動は、粘度の変化を意味し、その結果粒子の移動度が変化し、サイズやゼータ電位の結果に誤差が生じます。このような懸念を克服するには、機器内のレーザーの品質、検出器の感度、光学部品の堅牢性について満足する必要があります。たとえば、すべての主要コンポーネントがモノリシック光学ベンチに固定されていますか、測定器は測定前に温度が安定していることを確認しているでしょうか？
- このシステムはどのような種類のキュベットに対応していますか？最高の光学品質を備えたキュベットにより、最も信頼性の高い結果が得られます。このブログ投稿で説明されているように、当社はすべての用途をカバーするさまざまな製品を提供しています。
- システムは、複数の粒子サイズにどの程度うまく対応できますか？これは、サイズ分解能(つまり、同じサンプル内のさまざまなサイズの粒子を区別する装置の能力)に依存します。幸いなことに、さまざまな角度での光の散乱方法の違いにより、粒子サイズに関する追加情報が得られるため、複数の角度で測定することで、分解能を向上させることができます。ただし、一部のメーカーの機器は、単にすべての結果を提供するだけで、どの結果が最適であるかを判断するのはユーザーです。MADLS法では、お客さまに代わって計算を行い、1つの結果を提示します。アルゴリズムは複雑ですが、詳細はこちらで確認することができます。
- システムは、ゼータ電位測定における電荷遮蔽を考慮していますか？導電率が高い溶液では、イオンが電極上に蓄積し、最終的に電流が減少を引き起こす可能性があります。当社の「定電流ゼータ」法では、リアルタイム補償回路を使用して元の電流を維持するため、ゼータ電位が正確に維持されます。
- システムは、ゼータ電位測定に対する電気浸透の影響を排除しますか？電気浸透とは、高導電率の溶液全体に電場を適用すると、荷電粒子の正味の流れが生じ、得られるゼータ電位が歪んでしまう現象です。当社のM3-PALS法は、高周波(電気浸透が発生しない)でサンプルの移動度を測定し、その結果を使用して低周波測定を補正することでこの問題を解決します。
- ソフトウェアは、結果の信頼性を判断するのに役立つものですか？分析を続ける前に、結果がほぼ正しいことを確認できたら良いと思いませんか？それがまさに当社の「Data Quality Guidance」ソフトウェアの機能です。自動化ニューラルネットワークを使用して、knoAdaptive Correlationのデータベースに照らし合わせて生データを評価し、粉塵、凝集体、または汚染物質に起因するまれな事象を分類することで、DLS粒子径測定の再現性を向上させます。
6.業務を困難にするのではなく、楽にするソフトウェアが必要ですか？
市場に出回っている多くの機器には、習得が難しい複雑なソフトウェアインターフェースが備わっています。しかし、Zetasizer AdvanceシリーズのZS XPLORERソフトウェアでは、すべての使いやすさを維持しながら処理パフォーマンスを最大化しています。
• 当社では、測定設定を最適化し、サンプル、測定条件、必要な変数に関する入力に基づいてアドバイスを提供する、サンプル中心のワークフローを採用しています。したがって、サンプル情報を追加し、測定タイプを選択して「実行」を押すだけで済みます。
• シーケンス設定の自動化が容易になり、より効率的に作業できるようになりました。
• できる限り多くの結果情報を図表で伝え、重要な事実を一目で簡単に確認できるようにし、長く複雑なリストを回避します。
• 当社の「Data Quality Guidance」ソフトウェアは、10万以上のデータセットでトレーニングされた自動化ニューラルネットワークを使用して、粒子サイズの結果で特定された問題を修正する方法に関するアドバイスを提供します。
これらすべてにより、初心者でも経験豊富なユーザーでも、サンプルを使用して結果を迅速かつ簡単に分析できるようになります。その結果、サンプルスループットが速くなり、より多くの作業を完了できるようになります(または、早い帰宅が実現します)。しかし、ソフトウェアがどのような機能を発揮するかを確認する最善の方法は、実際にソフトウェアが動作しているのを見ることです。リモートデモを予約してみてはいかがでしょうか。ソフトウェアが特定した問題を修正する方法についてのアドバイスも提供されます。 - 装置は、どのような「舞台裏」データを提供できますか？結果の信頼性がわからない場合は、データを詳しく調べて潜在的な問題がないかどうかを確認すると非常に役立ちます。すべてのシステムがこれを行うわけではありませんが、Zetasizer装置では、測定において、カウントの望ましくない変化、不十分なベースライン、または不十分な相関関数が測定に影響しているかどうかをソフトウェアが通知します。
Adaptive Correlationは、粉塵、凝集体、汚染物質に起因するまれな事象を分類することにより、DLS粒子径測定の再現性が向上します。
6.業務を困難にするのではなく、楽にするソフトウェアが必要ですか？
市場に出回っている多くの機器には、習得が難しい複雑なソフトウェアインターフェースが備わっています。しかし、Zetasizer AdvanceシリーズのZS XPLORERソフトウェアでは、すべての使いやすさを維持しながら処理パフォーマンスを最大化しています。
- 測定設定を最適化し、サンプル、測定条件、必要な変数に関する入力に基づいてアドバイスを提供する、サンプル中心のワークフローを採用しています。したがって、サンプル情報を追加し、測定タイプを選択して「実行」を押すだけで済みます。
- シーケンス設定の自動化が簡単になり、より効率的に作業できるようになりました。
- できる限り多くの結果情報を図表で伝え、重要な事実が一目でわかるようにし、長く複雑なリストを避けます。
- 当社の「Data Quality Guidance」ソフトウェアは、10万以上のデータセットでトレーニングされた自動化ニューラルネットワークを使用し、粒子サイズの結果で特定された問題を修正する方法に関するアドバイスを提示します。
これらすべてにより、初心者でも経験豊富なユーザーでも、サンプルを使用して結果を迅速かつ簡単に分析できるようになります。その結果、サンプルスループットが速くなり、より多くの作業を完了できるようになります(または、早い帰宅が実現します)。
ただし、ソフトウェアがどのような機能を発揮するかを確認する最善の方法は、実際に動作するのを確認することです。リモートデモをご予約ください。
7.粒子濃度測定用の新しいキャリブレーション曲線を継続的に設定することにうんざりしていませんか？
粒子濃度(サイズとゼータ電位に加えて)を測定する機能は、市販されているいくつかのシステムの便利な機能です。ただし、光透過に基づくシステムでは、サンプルの種類を変更するたびに多点キャリブレーションを実行する必要があることに注意してください。それだけでなく、結果は総濃度のパーセンテージとしてしか表すことができません(どの定義によるものなのかがわかりません)。
当社は、前述のMADLS法の拡張に基づく、別のアプローチを採用しています(セクション2の「複数の角度」を参照)。仕組みの詳細については、こちらをご覧ください。最終結果は、サイズ分布の各ピークの、1 mL当たりの粒子数です。MADLS法はサンプルの種類に依存しないため、キャリブレーションを必要とせずに、多くの種類のサンプルの粒子濃度データを迅速に取得できます。このソフトウェアは、収集された粒子サイズのデータが濃度の決定にも適切であることを確認するためのガイダンスも提供します。
MADLS法では、異なる散乱角で収集された 3 つの独立したデータセットを組み合わせて、キャリブレーションを必要とせずに、二峰性または三峰性のサンプルから濃度と粒子サイズを取得できます。
8.ラボ内で「自力で行っている」と感じていますか？
DLS/ELSで良好な結果が得られるかどうかは多くの要因に依存するため、システムベンダーがどの程度のサポートを提供してくれるかを検討してください。Malvern Panalyticalでは、これがお客さまにとって重要であると認識しており、お客さまの側に立っています。
ソフトウェアには、測定データが間違っていると思われる場合にそれを知らせる「ヘルプ」が組み込まれているだけでなく、つねにお客さまの用途について話し合い、サンプルに関するアドバイスを提供し、
問題の解決を支援します。また、当社は、遠隔地や制限区域向けに「スマートインストール」オプションも提供しており、ビデオやガイダンスの豊富なライブラリと、対面、教室、またはリモートでのトレーニングのオプションを提供しています。
ですから、当社をチームの一員としてお考えください。お客さまが文字どおり離れた場所にいる場合でも、DLSやELS分析を実行している人がいないラボにいる場合でも、当社はつねにお客さまの業務の遂行を支援します。
40年以上の光散乱の経験を持つ当社は、サイズやゼータ測定から良好な結果を得るための複雑な作業を支援するのに適任です。当社にお問い合わせください。
結論
DLS/ELS機器は高感度の光学ベンチであり、光散乱の分析が複雑であることは、もうおわかりいただけるでしょう。用途はさまざまな場合が多く、サンプル調製と分析の両方に専門知識が必要です。
さらに、用途が時間とともに進化するにつれて、より高い性能、より高度な機能、および専門的なアドバイスを求めることになるでしょう。
そのため、「皆同じように見える」という理由で安価な機器の購入を検討している場合は、少し時間を取って、お客さまにとってどの程度の安心が価値あるものかをお考えください。24時間体制のサポート、無料のソフトウェアアップデート、保証、トレーニングの機会、迅速なアップグレードが付属している機器は、率直に言うと少し費用がかかる場合があります。しかしその代わりに、性能や使いやすさが向上し、日常の分析の稼働時間が最大化され、あらゆる課題に取り組む準備ができているという自信が得られます。
本書では、DLS/ELSシステムのどの機能が最も重要であるかについていくつかのアイデアを提供し、Malvern Panalyticalの装置を検討すべき十分な理由についてもご紹介しました。
当社の専門家にお問い合わせいただく場合は、いつでも気軽に使えるチャットをご利用ください。
