TEM과 DLS(동적광산란)로 측정한 입자 크기(입도)의 비교

Dynamic Light Scattering 동적광산란(DLS) 을 통한 라텍스 표준 측정

동적 광 산란(DLS)은 나노 입자 및 단백질 및 폴리머와 같은 저분자량 분자의 크기 특성화에 적합한 비침습적 기술입니다. 이 기술은 브라운 운동을 겪는 입자 또는 분자의 무작위 이동으로 인해 발생하는 산란광 강도의 시간에 따른 변동을 측정합니다. 이 브라운 운동의 속도가 측정되며 병진 확산 계수(D)라고 하며, 이는 스톡스-아인슈타인 방정식[1-3]을 사용하여 유체역학적 직경(D,_H)으로 변환할 수 있습니다.

DLS는 제1원칙을 사용하는 절대적인 기술이므로 보정이 필요하지 않습니다. 그러나 올바른 작동을 확인하기 위해 정기적으로 기기 검증을 수행해야 합니다.

구형 폴리머 라텍스는 올바른 기기 성능을 검증하는 데 매우 일반적으로 사용됩니다. 이는 거의 완벽한 구의 단조화된 분산으로 사용할 수 있기 때문입니다. 구는 크기를 단일 그림으로 명확하게 설명 할 수있는 유일한 3 차원 모양이며 단일 분산이므로 평균 크기 계산과 관련된 불확실성을 제거합니다.

폴리머 라텍스 샘플에는 다른 이점이 있습니다. 물과 밀도가 비슷하므로 1미크론 미만의 입자는 측정하는 동안 현탁액에 남아 있습니다. 분산액은 실온에서 보관할 수 있으며 보관 수명은 수개월 또는 수년입니다.

Nanosphere 3000 시리즈 크기 표준물질[3]에는 NIST[4]로 추적 가능한 투과전자현미경(TEM)으로 측정한 교정 인증서가 각각 제공됩니다. 표준 사양에는 동적 광 산란(DLS)으로 측정된 유체역학적 직경도 포함됩니다.

Nanosphere 3000 시리즈 크기 표준물질은 20nm에서 900nm까지 사용할 수 있습니다. 측정하기 가장 쉬운 크기는 20nm에서 300nm 사이입니다. 60nm보다 큰 입자는 DLS에 적합한 희석액에서 매우 재현성 있는 결과를 제공할 수 있을 만큼 충분히 큽니다. 300nm보다 큰 입자는 각도와 측정 표준이 이보다 작을수록 산란 강도에 뚜렷한 변화가 나타나기 시작하므로 각도를 고려할 필요가 없습니다.

Duke Standards 2000 및 4000 시리즈는 NIST 추적 가능한 크기의 표준물질로, DLS 검증 애플리케이션에도 사용할 수 있으며 1미크론 이상의 크기를 포함합니다.

인증된 유체역학적 크기

Nanosphere 병에 표시된 결과는 인증된 TEM 결과입니다.

DLS 결과(즉, 유체역학적 크기)는 제공된 사양 시트에 인용되어 있으며 인증된 값이 아닙니다.

모든 Nanosphere 3000 표준물질의 경우 DLS에 의한 크기 정확도는 10mM NaCl에서 준비된 시료의 경우 지정된 유체역학적 크기 범위±2%) 내에 있어야 합니다[2,3].

염화나트륨은 전기적 이중층을 억제하는 데 사용됩니다. 표준물질을 탈이온수로 희석하면 이중층이 확장되고 인위적으로 크기가 증가하여 사양을 벗어날 수 있습니다.

TEM과 DLS로 측정한 크기 비교

다양한 측정 기술은 입자의 다양한 특성을 측정하므로 측정된 특성에서 해석된 크기 측면에서 다른 결과를 제공할 수 있습니다. 따라서 자주 발생하는 질문은 어느 것이 올바른 결과입니까?

많은 사람들에게 ‘보는 것은 믿는 것’이므로 전자 현미경 결과는 ‘정확’합니다.

실제로, 전자 현미경 검사를 위해 준비된 샘플은 종종 가혹하게 처리되며 이러한 처리는 폴리머 격자와 같은 부드러운 재료를 왜곡하고 표면 구조를 변경하거나 마스킹할 수 있습니다.

계면활성제 미셀과 같은 일부 유형의 재료의 크기 측정을 불가능하게 만들 수 있습니다. 대조적으로, DLS는 네이티브 환경에서 분산된 입자의 유체역학적 직경을 측정합니다.

흡착된 고분자 층과 같은 모든 표면 구조 또는 입자의 브라운 운동에 영향을 미치는 전기 이중층의 변화는 유효 입자 크기를 변경합니다[5].

매우 낮은 염 분산제를 사용하여 표면 구조를 증가시키거나 전기 이중층을 확장하면 브라운 운동이 감소하고 측정된 크기가 증가합니다. 이러한 이유로 매끄럽고 단단한 구체가 아닌 입자의 유체역학적 크기 또는 DLS 크기는 일반적으로 TEM 크기보다 큽니다.

표 : 라텍스 표준물질에 대해 수행된 DLS 측정 요약.

이 표에는 사용된 라텍스(괄호 안에 표시된 부품 번호), 인증된(#) 또는 유체역학적(*) 크기 범위, 라텍스가 측정된 농도, 준비에 사용된 희석제, 측정이 수행된 기기 및 각 라텍스에 대해 얻은 z-평균 직경에 대한 세부 정보가 포함되어 있습니다.

결과 및 논의

표 1은 DLS에 의해 측정된 다양한 라텍스 표준에 대해 얻은 결과를 요약한 것입니다. 모든 표준은 인증된 크기 범위를 가지고 있지만 일부는 유체역학적 크기 범위도 인용되어 있습니다. 인증된 크기 범위(#)는 투과 전자 현미경을 사용하여 얻은 것이며 NIST로 추적할 수 있습니다. 유체역학적 크기 범위(*)는 DLS에 의해 결정됩니다.

결과는 라텍스 표준물질을 측정할 수 있는 농도 범위가 넓다는 것을 보여줍니다. Zetasizer 에 사용된 후방 산란 감지를 통해 일부 라텍스 샘플을 깔끔한 농도(예: 1% w/v)로 측정할 수 있습니다.

라텍스 입자의 크기가 증가함에 따라 수 변동 및 침전 문제가 중요해지고 있습니다. DLS를 측정하는 동안 산란광의 강도는 입자의 브라운 운동으로 인해 변동합니다. 산란 강도는 샘플 농도에 비례하므로 산란 부피 내의 입자 수는 측정 과정에서 일정하게 유지되어야 합니다. 그러나 입자 크기가 증가함에 따라 산란 부피의 입자 수는 산란 부피의 순간적인 입자 수의 심한 변동이 발생할 때까지 감소합니다. 개수 변동은 DLS 측정 과정에서 산란 부피 내의 입자 수의 변화로 정의됩니다.

수 변동을 방지하려면 샘플의 농도를 높여야 합니다. 그러나 이것은 다중 산란 효과를 증가시켜 얻은 결과에 영향을 미칩니다. 후방 산란 감지를 가변 측정 위치와 함께 사용하면 더 높은 시료 농도를 측정할 수 있으므로 숫자 변동 문제를 방지할 수 있습니다. 숫자 변동은 일반적으로 상관 관계 함수에서 상승하고 변동하는 기준선에 의해 나타납니다.

DLS로 큰 크기의 입자를 측정할 때 두 번째 문제는 침전입니다. 모든 입자는 침전되고 속도는 입자 크기와 입자 및 현탁 매체의 상대 밀도에 따라 달라집니다. DLS의 경우 침강 속도가 확산 속도보다 훨씬 느려야 합니다. 큰 입자는 천천히 확산되므로 침전이 더 중요한 문제입니다.

침전의 존재 여부는 동일한 샘플의 반복 측정에서 계수 속도의 안정성을 확인하여 확인할 수 있습니다. 연속적인 측정으로 감소하는 계수율은 침전이 존재한다는 것을 나타내며 Zetasizer 소프트웨어는 이를 사용자에게 강조합니다.

점도가 현저하게 증가하지 않는 경우 유사한 밀도의 매질에서 입자를 현탁시키는 것이 유리할 수 있습니다. 이 애플리케이션 노트에서 3, 6 및 8.9mm 라텍스를 측정하기 위해 샘플은 라텍스와 동일한 밀도를 갖는 13% w/v 자당으로 준비되었습니다.

3, 6 및 8.9μm 라텍스 샘플에 대해 얻은 결과는 DLS 기술을 사용하여 예상되는 크기 범위에 있습니다. 그들은 0.15에서 0.24% w/v 사이의 농도에서 측정 되었습니다. 이러한 결과는 후방 산란 감지를 사용하여 다중 산란 효과가 최소화되었으며 숫자 변동 및 침전이 얻은 결과에 영향을 미치지 않았음을 확인합니다.

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참조

[1] R. Pecora (1985) 동적 광 산란: 광자 상관 분광법의 응용. 플레넘 프레스, 뉴욕.

[2] 국제 표준 ISO13321(1996) 입자 크기 분포 측정 방법 파트 8: 광자 상관 분광법. ISO(국제 표준화 기구).

[3] 국제 표준 ISO22412(2008) 입자 크기 분석: 동적 광 산란(DLS). ISO(국제 표준화 기구).

[4] 미국 국립표준기술연구소(www.nist.gov).

[5] R.S. 차우와 K. 타카무라 (1988) J. 콜로이드. 국제 과학, 125, 266.