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Probencharakterisierung Best Practice: Partikelgröße und Zetapotenzial bestimmen

Autor / Redakteur: Vanessa Fronk* / Christian Lüttmann

Die Charakterisierung von Partikeln gehört in vielen Laboren zur Routine. Dabei schleichen sich aber schnell Fehler ein, besonders bei der Probenvorbereitung. Im Folgenden erhalten Sie Tipps und Tricks für eine erfolgreiche Analyse von partikulären Proben mit hoher Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit.

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Abb.1: Für die Partikelgrößenbestimmung mittels dynamischer Lichtstreuung muss die Probe in geeingneter Verdünnung vorliegen.
Abb.1: Für die Partikelgrößenbestimmung mittels dynamischer Lichtstreuung muss die Probe in geeingneter Verdünnung vorliegen.
(Bild: Anton Paar)

Partikelgröße und Zetapotenzial sind typische Parameter, um die Qualität von partikulären Systemen zu bewerten. Etablierte Messmethoden für die Partikelgröße sind dabei Laserbeugung sowie dynamische Lichtstreuung. Die wohl bekannteste Methode zur Bestimmung des Zetapotenzials ist die elektrophoretische Lichtstreuung. Wir erklären, wie sich mit diesen Techniken die bestmöglichen Analysenergebnisse erzielen lassen.

Laserbeugung an Partikeln

Wo auch immer Pulver oder Dispersionen produziert oder weiterverarbeitet werden, ist die Partikelgröße ein entscheidender Parameter für die Produktqualität. Viele Unternehmen setzen bei der Korngrößenbestimmung auf die Laserbeugung als schnelle und robuste Methode. Dabei handelt es sich um eine etablierte Methode zur Bestimmung der Partikelgröße bis in den Millimeterbereich. Das Messprinzip beruht auf der winkelabhängigen Lichtbeugung eines Lasers an Partikeln.

Dispergieren: Die Messung der Partikelgröße kann entweder trocken (dispergiert in Luft) oder nass (dispergiert in einem flüssigen Medium) erfolgen. Welcher Modus besser geeignet ist, ist abhängig von der Aufgabenstellung und Probenart:

  • Standardlösung: Nassmodus;
  • Pulver, das schlecht rieselfähig, toxisch oder nur in geringer Menge vorhanden ist: Nassmodus ist meist die bessere Variante;
  • sehr dichte oder reaktive Pulver: Trockenmodus bevorzugt.

Allgemein ist es ratsam, die Probe so zu messen, wie sie auch später eingesetzt wird.

Repräsentative Probenahme: Wenn Messungen eine schlechte Wiederholbarkeit aufweisen, ist dies bei inhomogenen Proben häufig auf die Probennahme zurückzuführen. Gerade bei der Nassdispergierung, wo nur sehr geringe Mengen an Probe im Vergleich zum Trockenmodus nötig sind, muss erhöhte Sorgfalt gelten, um eine gute Wiederholbarkeit zu erreichen. Bei der Probennahme sind daher folgende Punkte zu beachten:

  • Entnahme großer Mengen über Probenteiler (automatisiert) oder Kegeln und Vierteln (manuell);
  • Probe homogenisieren (rühren, vorsichtig schütteln);
  • Entnahme mit der Pipette während des Rührens oder mit dem Spatel aus der Probenmitte.

Je inhomogener oder polydisperser eine Probe ist, desto mehr muss auf die repräsentative Probenahme geachtet werden.

Probenkonzentration: Die Probenkonzentration wird bei der Laserbeugung als optische Konzentration angegeben, also die Menge an Laserlicht, die von Partikeln geblockt oder gestreut wird. Eine Empfehlung für die „richtige“ Konzentration ist neben dem Gerätemodell von weiteren Faktoren abhängig. Für die PSA-Serie von Anton Paar empfiehlt sich allgemein:

  • Trockenmodus: 1-5%;
  • Nassmodus: 5-20%;
  • für grobe oder polydisperse Proben: im Trockenmodus ca. 6-8%, im Nassmodus ca. 10-20%;
  • für sehr feine Proben im Nass­modus: ca. 5%;
  • für transparente Proben im Trockenmodus gilt eine Konzentration unter 1% als ausreichend.

Messzeit nach ISO 13320: Um die Reproduzierbarkeit zu verbessern, lohnt sich oft ein Blick auf die Messzeit. In der Praxis wird sie von 10 bis 60 Sekunden variiert. Beim Trockenmodus sind aber aufgrund der großen Probenmenge 10 bis 20 Sekunden ausreichend. Im Nassmodus kann die Messzeit 20 bis 60 Sekunden betragen. Um jede Partikelfraktion repräsentativ darzustellen gilt: je polydisperser die Probe, desto länger die Messzeit. Dies verdeutlichen die folgenden zwei Beispiele: Ein polydisperses Harz mit einem mittlerem Partikeldurchmesser (D50) von 474 µm wurde 60 Sekunden lang gemessen. Bei fünf Messungen ergab sich ein Variationskoeffizient von 0,61%. Für ein Aluminiumhydroxid (D50 = 18 µm, eng verteilt) ergab sich bei 20 Sekunden ein Variationskoeffizient von 0,04%.

Fraunhofer oder Mie? Für die Berechnung einer Partikelgrößenverteilung stehen zwei Modelle zur Verfügung: Die Lichtbeugung nach Fraunhofer und die Mie-Theorie, bzw. Lorenz-Mie-Streuung. Während Fraunhofer nur die Randbeugung beschreibt, berücksichtigt die Mie-Theorie die optischen Eigenschaften (Brechung und Absorption) der Partikel. Im Allgemeinen gilt: Fraunhofer-Theorie für Stoffgemische, grobe Partikel oder (opake) Partikel ohne bekannten Brechungsindex nutzen und Mie-Theorie für transparente oder feine Partikel (vor allem unter 10 µm). Wichtig: Messungen sollten untereinander nur verglichen werden, wenn diese mit derselben Auswertung berechnet wurden.

Partikelgrößen via Dynamische Lichtstreuung (DLS)

Die dynamische Lichtstreuung (DLS) dient zur Bestimmung von Partikelgrößen im Nanometerbereich. Hierbei wird die zeitabhängige Intensität eines an Partikeln gestreuten Laserstrahls gemessen. Durch die Brownsche Bewegung der Partikel in einem flüssigen Medium unterliegt die Streulichtintensität zeitlichen Fluktuationen. Je nach Größe der Partikel gibt es innerhalb eines definierten Zeitintervalls mehr oder weniger stark ausgeprägten Fluktuationen der Streulichtintensität. Aus diesen Informationen kann der hydrodynamische Durchmesser als Partikelgröße ermittelt werden.

Bei der DLS kommt es in besonderem Maße auf die Probenvorbereitung und die Vermeidung von Kontaminationen an. Deshalb sollte man:

  • möglichst staubfrei arbeiten,
  • auf hohe Reinheit der Dispergiermittel achten (ggf. filtrieren),
  • saubere Küvetten verwenden (ggf. vorkonditionieren).

Richtig verdünnen: Da die einfache Theorie der DLS optisch möglichst transparente Proben ohne Partikel-Partikel-Wechselwirkungen voraussetzt, lassen sich unverdünnte Proben mit dieser Methode nicht immer messen. Woran ist der richtige Konzentrationsbereich zu erkennen? Dies lässt sich entweder über die Transmission oder über Verdünnungsreihen feststellen: Ist die Transmission zu gering, sollte verdünnt werden (≤ 5%; probenabhängig); bleibt die mittlere Partikelgröße trotz weiterer Verdünnung kon­stant, ist der ideale Konzentrationsbereich erreicht.

Bildergalerie

Eine zu geringe Partikelkonzen­tration lässt sich recht einfach an den Messergebnissen ablesen. Sie zeigt sich durch ein hohes Rausch-Verhalten der Korrelationsfunktion und eine geringe mittlere Streuintensität (s. Abb. 2 in der Bildergalerie). Eine zu hohe Partikelkonzentration kann nur durch Verdünnungsreihen ermittelt werden (s. Abb. 3 in der Bildergalerie) und ist erkennbar an der Abnahme der mittleren Partikelgröße (Viskositätseffekt) sowie am Anstieg des Achsenabschnitts der Korrelationsfunktion (Mehrfachstreuung) bei Verdünnung der Probe.

Zetapotenzial via Elektrophoretische Lichtstreuung (ELS)

Abb.4: Beispielhaftes Phasendiagramm für die Bewertung einer Zetapotenzialmessung. links: gute Messdatenqualität; rechts: schlechte Messdatenqualität.
Abb.4: Beispielhaftes Phasendiagramm für die Bewertung einer Zetapotenzialmessung. links: gute Messdatenqualität; rechts: schlechte Messdatenqualität.
(Bild: Anton Paar)

Unabhängig von der Anwendung sollte ein disperses System unter bestimmten Bedingungen und über einen definierten Zeitraum stabil sein. Stabil bedeutet dabei, dass Prozesse wie Sedimentation oder Agglomeration verhindert werden. Dies kann durch sterische oder elektrostatische Stabilisierung erfolgen. Das Zetapotenzial ist definiert als ein elektrisches Potenzial an der Grenzfläche zwischen Partikel und Flüssigkeit. Je größer der Betrag des Potenzials, desto stärker sind die Partikel-Partikel-Abstoßungskräfte und somit auch die elektrostatische Stabilität.

Durch die elektrophoretische Lichtstreuung (ELS) lässt sich das Zetapotenzial binnen Sekunden bestimmen. Die Messung erfolgt dabei über die Bewegung der Partikel innerhalb eines elektrischen Feldes. Moderne Geräte werten die Daten mit der cmPALS-Technologie (Continuously Monitored Phase-Analysis Light Scattering) aus.

Reale Systeme: Um das Zetapotenzial zu messen, ist es meist nötig, die Probe zu verdünnen. Wichtige Punkte sind:

  • Mikroemulsionen dürfen nicht verdünnt werden.
  • Mit speziellen Omega-Küvetten ist es möglich, Konzentrationen mit bis zu 70% (m/V) (probenabhängig) zu messen.
  • Bei Suspensionen ist eine Verdünnung meist unkritisch.
  • Das Verdünnungsmedium sollte dem der Probe entsprechen: Liegt ein Protein gepuffert in einer isotonischen Lösung vor, sollte im Idealfall mit der Pufferlösung verdünnt werden.
  • Konzentrationseffekte beachten.

Die Qualität der Messdaten lässt sich anhand des Phasendiagramms erkennen. Die Linien sollten möglichst zickzackförmig verlaufen, mit einer linearen Steigung. Die Steigung verhält sich proportional zur Geschwindigkeit der Partikel im elektrischen Feld und damit zum Zetapotenzial.

Tabelle 1: Anwendung der cmPALS-Technik und des Protein-Modus mit einer E-Feld-Spannung von 5 Volt. Es wurden vier Messungen pro Probe in der Univette mit dem Litesizer 500 von Anton Paar durchgeführt. Die Abweichungen liegen unterhalb der 10% nach ISO 13099-2.
Tabelle 1: Anwendung der cmPALS-Technik und des Protein-Modus mit einer E-Feld-Spannung von 5 Volt. Es wurden vier Messungen pro Probe in der Univette mit dem Litesizer 500 von Anton Paar durchgeführt. Die Abweichungen liegen unterhalb der 10% nach ISO 13099-2.
(Bild: LABORPRAXIS)

Parameter Leitfähigkeit: Um gute Ergebnisse zu erhalten, ist die Leitfähigkeit der Probe ein entscheidender Parameter. Zu hohe Leitfähigkeiten können zur Aufheizung der Probe führen und sowohl die Elek­troden der Küvette beschädigen, als auch die Probe selbst verändern. Zudem führt dies meist zu einer schlechten Statistik. Je höher die Leitfähigkeit ist, desto niedriger sollte man das elektrische Feld einstellen. Auch die Messzeit ist dann zu minimieren. Beides kann allerdings zu schlechter Reproduzierbarkeit führen: Abhilfe schafft die moderne cmPALS-Technologie sowie die Verwendung von robusten Küvetten. Als Beispiel sind in Tabelle 1 Messungen von biologischen Proben in isotonischer bzw. gepufferter Umgebung gezeigt. Dank der cmPALS-Technologie und des Protein-Modus – einer Softwarefunktion, die kurze Mess-Pausen zum Abkühlen der Probe einführt – können Zetapotenzialmessungen mit hoher Wiederholbarkeit bei sehr kleinen elektrischen Feldern durchgeführt werden. So sinkt die Gefahr, die Probe während der Messungen zu schädigen.

Fazit: Vorbereitung zählt

Wichtig ist es, Messergebnisse stets zu hinterfragen und die gegebene ISO-Norm anzuwenden. Häufig liegen Messfehler der Probenvorbereitung zugrunde, weswegen man Augenmerk auf die Probenahme und den Verdünnungsprozess legen sollte – unabhängig von der Messmethode. Auf Nachfrage bietet Anton Paar weitere Informationen, z.B. den Leitfaden dynamische und elektrophoretische Lichtstreuung.

* V. Fronk, Anton Paar Germany, 73760 Ostfildern

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