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Partikelgrößenverteilung von Nanopartikeln Sicherheit von Nanopartikeln: Partikelanalyse liefert Erkenntnisse

| Autor / Redakteur: Sascha Hupach* / Dr. Ilka Ottleben

Ob in der Halbleiterindustrie, Medizintechnik oder Kosmetik – die Zahl verwendeter Nanopartikel steigt stetig. Die Wirkung dieser „Zwerge“ (griech. nanos = Zwerg) auf Mensch und Umwelt ist hingegen weitestgehend unbekannt, ihre Sicherheit ein viel diskutiertes Thema und geeignete Analytik daher gefragt.

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Abb. 1: Nanopartikel haben zahlreiche einzigartige Eigenschaften, die sich immer mehr Anwendungsfelder zunutze machen wollen.
Abb. 1: Nanopartikel haben zahlreiche einzigartige Eigenschaften, die sich immer mehr Anwendungsfelder zunutze machen wollen.
(Bild: ©MG - stock.adobe.com)

Kleine Partikel ganz groß: Ob für neue Halbleiter, als UV-Schutz oder zur Desinfektion – die Zahl eingesetzter Nanopartikel und -materialien steigt ständig. Die Europäische Kommission definiert ein Nanomaterial als ein natürliches, zufällig entstandenes oder bewusst hergestelltes Material, das Partikel in ungebundenem Zustand, als Aggregat oder als Agglomerat enthält, und bei dem mindestens 50% der Partikel in der Anzahlgrößenverteilung ein oder mehrere Außenmaße im Bereich von Nanopartikeln also von 1 nm bis 100 nm haben. Jährlich werden laut Dechema etwa 60 000 t „klassische" Nanomaterialien produziert.

Als Nanopartikel bezeichnet man üblicherweise disperse Materialien. Im Größenbereich von Nanopartikeln bestehen die Partikel meist aus Einheiten von wenigen bis einigen Tausend Atomen oder Molekülen. Daher besitzen sie oft andere Materialeigenschaften als in ihrem gewohnten Erscheinungsbild. Dies können z.B. andere optische oder elektrische Merkmale sein. Sie beruhen zumeist auf dem unterschiedlichen Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen. Es wird umso größer, je kleiner die Partikel werden. Da ihre Wirkung auf Mensch und Umwelt weitgehend unbekannt ist, ist ihr Einsatz oft umstritten.

Um Partikel zu messen, gibt es verschiedene etablierte Verfahren. Die statische Laserbeugung ist eine der verbreitetsten Methoden. Bei diesem Verfahren passiert ein Laserstrahl eine Partikelsuspension. Dabei wird das Licht des Lasers gebeugt und gestreut. Die entstehenden Beugungsmuster sind charakteristisch für die Größe der Partikel. Der deutsche Physiker Gustav Mie hat hierzu die grundlegenden Berechnungen der Streuung von elektromagnetischen Wellen an einer Kugel vorgenommen. Aufgrund seiner mathematischen Lösung wird aus einer Lichtverteilung eine Partikelgrößenverteilung berechnet.

Partikelgrößenanalyse: Schärfere Auflösung durch Fourier-Optik

Die SALD-Systeme von Shimadzu sind Partikelgrößenanalysatoren, die große Detektoren mit insgesamt 78 einzelnen Detektorelementen enthalten, um die Lichtverteilung bzw. Beugungsmuster zu erfassen. Sie werden in der Software durch unterschiedliche große Balken, je nach Lichtintensität, auf durchnummerierten Lichtsensoren dargestellt.

Der optische Aufbau der Systeme entspricht der so genannten Fourier-Optik (s. Abb. 2). Hierbei wird die Probe im parallelen Lichtstrahl gemessen, bevor eine weitere Linse das Licht der Beugungsmuster auf den Detektor fokussiert. Der Vorteil dieser Optik liegt in einer wesentlich besseren und schärferen Auflösung als bei der ebenso verwendeten Reverse-Fourier-Optik, bei der die Probe im konvergenten Lichtstrahl gemessen wird. Die Fourier-Optik ermöglicht zudem den Einsatz von Zellen größer Schichtdicke.

Schnellste Messungen durch nur einen Laser

Das SALD-7500nano ist ein spezielles System, das für die Messung von Nanopartikeln in Forschung und Entwicklung, aber auch in der Qualitätskontrolle entwickelt wurde. Es hat einen Messbereich von 7 nm bis 800 µm. Der einfache Messaufbau mit nur einem Laser ermöglicht sehr schnelle Messungen: Denn ohne Umschalten zwischen den einzelnen Detektoren oder unterschiedlicher Laser werden die Beugungsmuster quasi online erfasst – der Detektor wird im Takt von 0,145 Sekunden ausgelesen. Die schnellste mögliche Messung dauert 1 Sekunde.

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