Die PIDS-Rohdatenanalyse
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03 P A R T I C L E S T O R Y – tomorrow’s technology today Die PIDS-Rohdatenanalyse Beurteilung von Submikron-Anteilen ohne optische Modelle Einleitung Die Bestimmung von Partikelgrößenverteilungen mit Hilfe der Streulichtmessung ist heutzutage von der Forschung bis hin zur Produktionskontrolle als ein fester Standard etabliert. Speziell die Anforderungen nach immer exakteren Messungen im Submikronbereich führten in den letzten Jahren zu einer sehr schnellen Entwicklung der Laserbeugung. In einigen Fällen kam es sogar zu unteren Messbereichsgrenzen von bis zu 20 nm, was teilweise im Widerspruch zur allgemeinen Streulichttheorie steht. Insbesondere die Verwendung der notwendigen optischen Parameter stellt in vielen Fällen eine relativ kritische Größe dar, da diese für viele stoffliche Mehrkomponentensysteme nur empirisch bestimmt werden können. Mit der PIDS-Rohdatenanalyse bekommt der Anwender hier ein Hilfsmittel an die Hand, welches ihm die Möglichkeit gibt, ohne Kenntnis der optischen Parameter, eine eindeutige Aussage zu Partikeln im Submikronbereich zu treffen. Streulichttheorie Die von G.Mie 1908 entwickelte Streulichttheorie[1] basiert auf der Aussage, dass das von einem Partikel erzeugte Streulichtmuster charakteristische Merkmale aufweist, die bei Kenntnis der optischen Parameter eine eindeutige Größenzuordnung ermöglichen. Für Partikel, die deutlich größer als 10 –20 µm sind, wird als Vereinfachung die sogenannte Fraunhofer-Auswertung angeboten, die nur die Lichtbeugung auswertet und damit ohne die korrekten optischen Parameter auskommt. Diese Annahme wird auch durch die in Abbildung 1 und 2 gezeigten Beugungsmuster bestätigt. Beide Muster weisen für den Bereich über 20 µm kaum Unterschiede auf. Im Gegensatz dazu sind zwischen beiden Beugungsspektren für den Bereich kleiner 10 µm extreme Unterschiede erkenntlich. Dies bestätigt den theore- Abb. 1 Abb. 2 3 dimensionales Streulichtmuster Fraunhofer-Auswertung Quelle: [2] 3 dimensionales Streulichtmuster Mie-Auswertung, RI=1.60 + 0i Quelle: [2] Abb. 4 Abb. 3 Messaufbau LS 13320 Abb. 7 Darstellung der prozentualen Differenz der Streulichtintensität aus vertikaler und horizontaler Polarisation (V-H )% Duke Scientific Corp. Certified Nanosphere Size Standard (MM 10) Mixture of 83nm,204 nm and 503 nm Abb. 5 Abb. 6 Homogenisierungsschritte eines Emulsionsgemisches Fraunhofer -Auswertung Homogenisierungsschritte eines Emulsionsgemisches Mie -Auswertung f(θi) = gemessene Intensität bei Winkel q a(θ,d) = optische Modell p(θ,l) = gemessene PIDS-Intensitäten b(θ, l,d) = optisches Modell mit PIDS tischen Ansatz, dass die Fraunhofer Näherung nur für Bereiche gilt, wo die Partikelgröße deutlich größer (gemäß ISO 13320-1 mindestens 40fach) ist, als die Wellenlänge des verwendeten Lichtes. (z.B. He-Laser mit 630 nm Wellenlänge) [2] Eine Alternative dazu stellt die Verwendung von polarisiertem Streulicht verschiedenster Wellenlängen dar, da Sub- mikronpartikel in Abhängigkeit von der Polarisation des Lichtes unterschiedlich starke Intensitäten aufweisen. [3] Dieses wird im LS 13320 Laserbeugungsanalysator (Beckman Coulter, USA) mit der PIDS (Polarisation Intensity Differentiell Scattering)-Technik umgesetzt. [4] Somit werden im LS 13320 in der Streulichtmatrix neben den klassischen Streulichtdaten auch die Intensitäten von Abb. 8 unterschiedlich polarisiertem Streulicht bei 3 Wellenlängen ausgewertet. Diese Analyse erfolgt in einem Winkelbereich von 0–146°. Mit dieser zusätzlichen Methodik ist das LS 13320 derzeit als weltweit einziges komerzielles Laserbeugungssystem in der Lage, ein Gemisch aus Polymerstandards von 83 nm, 204 nm und 503 nm (Abb. 4 ) nebeneinander nachzuweisen. Sonderdruck aus GIT Labor-Fachzeitschrift 05/2003, S. 524-525, GIT VERLAG GmbH & Co. KG, Darmstadt, www.gitverlag.com tomorrow’s technology today – P A R T I C L E S T O R Y 03 Die LS-Serie LS™ 13 320 Series Particle Size Analyzer Multisizer™ 4 COULTER COUNTER� • Particle size from 0.04 µm to 2000 µm in a single analysis • One of the highest submicron resolutions, using the patented PIDS technology Delsa™ Nano Series Particle Analyzers • Industrial and Life Science applications • Dynamic size change measurement • Consistency and reliability for QC Particle Characterization Applications Laboratory • Zeta potential and particle size analysis of nanoparticles on the same sample up to 40% solids • Designed to measure zeta potential of solid, flat surfaces Particle Characterization • Particle size analysis by Laser Diffraction – Wet and dry analyses • Photon correlation spectroscopy – for submicron applications • Particle size analysis and counts by the Coulter Principle (electrical sensing zone) – ultra-high resolution, direct measure of volume, particle concentration • Surface area and pore size distributions – BET technique for gas adsorption and pore size distribution • Zeta Potential – electrophoretic mobility and zeta potential • Methods development • Training – customized to your particular needs from Beckman Coulter With a heritage in Particle Characterization, Beckman Coulter is dedicated to providing researchers, scientists and engineers in numerous industries with innovative solutions, applications and support. For more information, please visit: www.beckmancoulter.de Genomics Proteomics CellAnalysis Rohdatenanalyse Immer wieder kommt es gerade im Submikronbereich zu Fragen nach der Zuverlässigkeit der Aussage der Messergebnisse. Mit der Verwendung verschiedener optischer Modelle können deutlich unterschiedliche Ergebnisse errechnet werden. So zeigt z.B. die Fraunhofer Auswertung verschiedener Emulsionsproben (Abb.5) einen deutlichen Trend von Probe 1 zu Probe 3. Doch ist diese Aussage auch wirklich korrekt ? Da die genauen optischen Parameter nicht bekannt sind, muss das entsprechende optische Modell empirisch entwickelt werden. Dabei stellt die PIDS-Rohdatenanalyse ein sehr wichtiges Hilfsmittel dar, denn hiermit ist der Anwender unabhängig von optischen Parametern. Was wird dabei ausgewertet ? Die „PIDS“ geben dem Anwender einen Rohdatensatz von 36 Parametern (3 Wellenlängen x 2 Polarisationsrichtungen x 6 Winkel ) an die Hand. Diese Daten können durch die Software entsprechend einfach sofort dargestellt werden. Centrifugation Lab Tools Particle Characterization Abbildung 7 zeigt die Intensitätsdifferenzen aus beiden Polarisationsebenen bei den entsprechenden Wellenlängen und Detektionswinkeln. Mit diesen Rohdaten kann noch deutlicher aufgezeigt werden, ob die gemessene Probe Submikron-Anteile enthält oder nicht. Im gezeigten Beispiel weisen z.B. alle 3 Proben deutliche Submikron-Anteile auf. Desweiteren kann eindeutig abgelesen werden, dass die Probe 1 (rot) deutlich feiner sein muss als die Probe 3 (blau), da sich die Intensitätsverteilungen von 450 nm und 900 nm genau entgegengesetzt verhalten. Die Grundlage für diese Einschätzung liegt in der allgemeinen Streulichttheorie begründet, welche besagt, dass die Intensitäten von kleinen Partikeln bei zunehmenden Streulichtwinkel und abnehmender Wellenlänge des verwendeten Lichtes deutlich zunehmen. Somit hat der Anwender in diesem Fall eine Aussage erhalten, die im Widerspruch zu den oben abgebildeten Fraunhofer Daten (Abb. 5) steht, da dort die Probe 2 (grün) als kleinste dargestellt wird. Nach der PIDS-Rohdatenanalyse muss eindeutig die Probe 1 (rot) feiner als die Probe 2 (grün) sein. Bioseparation Lab Automation Unter Verwendung des optischen Modells für dieses Material wird dann auch in der Größenverteilung diese Aussage bestätigt. (Abb.6) Es zeigt sich deutlich der Trend, der stärkeren Beanspruchung des Materials, was dann zu der gewünschten homogenen Endverteilung führt. Fazit Mit den „PIDS“ bekommt der interessierte Anwender eine Option an die Hand, die die Datenbasis der Auswertematrix für die klassische Vorwärtsstreuung mit zusätzlichen 36 Parametern (PIDS) deutlich erhöht [5], Damit ist eine exaktere Auswertung der Gesamtmatrix (Abb.8) zur Bestimmung der Größenverteilung möglich, womit sich in der Praxis hochauflösendere und präzisere Ergebnisse, wie in Abbildung 4 gezeigt, erzielen lassen. Desweiteren erhält der Anwender mit der Rohdatenanalyse zusätzlich bei komplexeren Systemen eine sehr exakte Abschätzung der Submikronanteile, was zu einer deutlichen Verbesserung der Qualität der Messung im Bereich kleiner 1 µm führt. Literatur [1] G. Mie Ann.Phys. 25(1908) 377/445 [2] ISO 13320-1: 1999: Particle size analysis – Laser diffraction methods [3] K.Bauckhage, Nutzung unterschiedlicher Streulichtanteile zur Partikelgrößenbestimmung in dispersen Systemen, Chemie Ingenieur Technik 65(1993)Nr.10 [4] US-Patent 5.104.221 [5] I. Zimmermann, Möglichkeiten und Grenzen von Streulichtmeßverfahren, Chemie IngenieurTechnik 68(1996) Nr.4 04 In der nächsten Ausgabe Teil 4: Unterschiedliche Zählverfahren im Methodenvergleich Der Autor Dipl.-Chem. Uwe König Produktmanager Particle Characterization Beckman Coulter GmbH Particle Characterization Europark Fichtenhain B13 47807 Krefeld Fax: 02151/333-639 [email protected]
