Zetapotenzial – den Partikeln auf der Spur

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Particle Metrix GmbH

Gerätebeschreibung

Im neuen Laser-Streulicht-Mikroskop ZetaView wird die Geschwindigkeit der geladenen Partikel im elektrischen Feld mittels Videoanalyse ermittelt. Die direkte Darstellung der elektrophoretischen Mobilität im Laser-Streulicht-Video-Mikroskop hat ihren Reiz: Man kann alle im Bild erscheinenden Partikel – das sind bis zu 1000 – auf einmal analysieren. Die Teilchen unterscheiden sich dabei nach Form, Größe und Geschwindigkeit. Zusätzlich wird die Beurteilung der Plausibilität und Qualität eines Messergebnisses erleichtert. Konventionelle Geräte nutzen zwar diese Vorteile, sind jedoch durch die manuell und wiederholt durchzuführende optische Justierung umständlich. Somit verlieren sie einen beträchtlichen Anteil ihres Nutzens. Beim ZetaView erübrigt die patentierte [3] Autofokus-Einrichtung als aktives Element jeden manuellen Justieraufwand. Eine Nullmessung mit sauberem Wasser und eine Autojustage am Beginn eines Messtages genügen jeweils, um das ZetaView für die folgenden Messaufgaben zu rüsten. Die Einstellung bleibt lange erhalten und muss nur nach einem Zellwechsel überprüft werden.

Zur Beleuchtung der Partikel durchstrahlt ein enges Laserbündel den Messkanal. Die Teilchen leuchten wie Sterne, auch wenn ihre Größe unterhalb der Beugungsgrenze liegt. Die Methode erlaubt eine untere Messgrenze von 80 nm. Die obere Messgrenze ist durch Migration bestimmt. 50 µm Papierfasern beispielsweise bleiben in Schwebe und können noch gemessen werden. Senkrecht zum Laserstrahl ist ein Mikroskopobjektiv mit Abbildung auf eine Digitalkamera angebracht. Das von den Partikeln ausgehende Streulicht wird durch das Mikroskop auf die Kamera abgebildet. Dazu müssen Laserstrahl und Mikroskopfokus zusammenfallen, was die Autofokus-Einrichtung bewerkstelligt.

Ohne elektrisches Feld sieht man nur die Brown´sche Bewegung der Partikel. Nach dem Anlegen des Feldes setzen sich die Partikel aber auch die flüssige Umgebung in Bewegung. Der wegen der positiven Überschussionen an der Glaswand auftretende Volumenstrom ist je nach Polarität zur Anode oder Kathode gerichtet, dreht sich schließlich am Ende des Messkanals um und fließt in der Kanalmitte wieder zurück. Diese sogenannte Elektroosmosebewegung hat zwei Umkehrbereiche, wo die Geschwindigkeit der Flüssigkeit gleich Null ist. An diesen „stationären Schichten“, die aus der Zellgeometrie ableitbar sind, zeigt sich ausschließlich die Elektrophorese der Teilchen. Im ZetaView durchfahren Laser und Kamera synchron im Autofokus die gesamte Strecke zwischen den inneren Messkanalwänden. Damit sind Elektrophorese und Elektroosmose quantitativ erfasst.

Am Ende des mit 30 Bildern pro Sekunde ablaufenden Videofilms werden die Trajektorien der Partikel aufgezeichnet, als Geschwindigkeitshistogramm ausgewertet und in elektrophoretische Mobilitäts- und Zetapotenzialverteilung umgerechnet. Die Dauer der Erfassung – maximal 2 Sekunden – hängt von der gewünschten Auflösung ab. Je länger die Beobachtung dauert, umso weniger Einfluss hat die Brown´sche Bewegung auf die Verteilungsbreite des Messergebnisses. Verschwinden Partikel auf ihrem Weg aus dem Überwachungsfenster der Kamera oder überkreuzen sich ihre Bahnen mit anderen, wird deren Bahn verworfen. Dies gewährleistet eine hohe Auswertesicherheit. Je nach gewünschter Statistik werden bis zu 10 000 solcher Trajektorien erfasst. Neben der vollautomatischen Verfolgung der Trajektorien steht dem Anwender auch die Möglichkeit zur Verfügung, einzelne Partikel separat auszuwerten.

Alle für die Messung benötigten Messgrößen können durch zertifizierte Messgeräte nachgemessen werden. Um das ZetaView als Absolutgerät einsetzen zu können, wurde von Particle Metrix ein Kalibrierobjekt entwickelt, bei dem Präzisionsgitter von 10 µm Strichabstand auf einen Glasträger aufgebracht ist. Damit ist die optische Abbildung auf die CCD Kamera direkt auf das SI-System rückführbar. Es besteht auch die Möglichkeit das Gerät mit dem einzigen zur Zeit käuflich erhältlichen Standardmaterial Goethit von NIST mit der Nummer 1980 zu überprüfen. Da die Prozedur, das Material in den geeigneten Messzustand zu bringen, etwas umständlich ist, werden eigene Transfer-Standard-Suspensionen angeboten, Al2O3 für kationische und SiO2 für anionische Proben.

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