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1) LaborChemie Wien, A-1230, Kanitzgasse 21,

Sedimentationszentrifuge zur Grenanalyse von Nanopartikeln aus: Fortschrittsberichte der DKG; Bd. 20 (2006) Heft 1; Erlangen, November 2006

M. Missbach 1)

Summary: Various measuring techniques for particle size in the low micron and nanometer range exist. Most of them are based on light scattering principles. The only method to get absolute size results that do not involve any assumptions in the interpretation of the raw data are microscopy (yielding dry particle diameters) and sedimentation methods using X-ray detection sources but that like most others give the hydrodynamic diameter. Whilst standard sedimentation equipment due to the long time involved in the settling of small particles is limited to larger diameters, the centrifuges due to high reachable G-forces allow to use this principle for particles down to around 10nm. Many operating parameters including choice of different spin fluids. Thus an enourmous size range for the same sample may be covered (e.g. from a few tens of nm to a few tens of microns) as runs on the same sample with different speeds can be merged into one result.

Vorerst ein berblick ber die verschiedenen Techniken, um mit den Unterschieden auch die Vor- und Nachteile der einzelnen Verfahren herausarbeiten zu knnen:

1 Mglichkeiten zur Partikelgrenmessung (nm und unterer m Bereich)

Prinzipiell ist anzumerken, dass alle Methoden eine gewisse Probenvorbereitung bentigen; Suspendierung, Stabilisierung mit Netzmittel,

2 Eigenschaften, Vorteile, Limitierungen der Methoden

Einerseits Bestimmung des Trockendurchmessers (Mikroskop, Elektronenmikroskop); geben Auskunft ber die Form der Partikel; Werte nicht unbedingt mit anderen Verfahren vergleichbar. Wenn eine reprsentative Aussage erforderlich ist, muss eine grere Population vermessen werden, was zeitaufwendig ist. Andererseits: Systeme, die den hydrodynamischer Durchmesser erfassen: Einzelpartikel (Zhler) z.B. Coulter Counter oder "ensemble averaging techniques", groe Populationen werden statistisch vermessen

Laserlichtstreuung, Fraunhofersysteme Messbereich eigentlich nach unten durch Laserlichtwellenlnge begrenzt; Daher Extrapolation nach unten in den Bereich der Mie-Streuung mit begleitenden Schwierigkeiten (Stichwort: Imaginranteil der Brechung). Bei multimodalen Verteilungen daher sehr viel Mathematik involviert (Annahmen zur Auswahl der Modelle mssen getroffen werden, was Werte unsicher macht).

Ultraschall-Elektrokinetik Vorteil: auch hhere Konzentrationen, wie sie in der Produktion anfallen, knnen gemessen werden. Allerdings mssen auch hier Modellannahmen getroffen werden, um richtige Ergebnisse zu erhalten.

Feld-Fluss-Fraktionierung (FFF) Chromatographisches System, eher fr Molmassen geeignet, hoher Instrumenteller Aufwand wegen des Zustzlichen Detektors

Sterische Exklusions-Chromatographie (SEC/GPC) Es gilt hnliches wie fr die FFF Methode.

Dynamische Lichtstreuung, Photokorrelationsspektroskopie Messung nur in sehr hohen Verdnnungen mglich. Resultate rasch Verfgbar; ber die Interpretation der Korrelationskurve in Partikelgren mssen Annahmen getroffen werden (z.B. ob monomodal oder multimodales Ergebnis erwartet wird) Bei Rckstreugerten, die eine hhere Konzentration erlauben, sind grere Partikel (> 1 schwer erfassbar)

Statische Lichtstreuung (MALLS oder Goniometer) Rasch arbeitend, Informationen ber Partikel (Mie-Streuung) erforderlich bzw. mssen kalibriert werden.

Sedimentation/Zentrifugalsedimentation Absolutmessung des hydrodynamischen Durchmessers mglich, Messzeiten knnen etwas lnger dauern (Minuten bis Stunden); Reine

Sedimentationsgerte teuer und nur fr Partikel >1 praktikabel (abhngig von den Partikeleigenschaften). Aber es gibt Kombigerte.

3 Zentrifugen: Prinzip - Typen - Vor- und Nachteile

Hauptvorteil: "Sedimentationsmessung ist eine Absolutmessung". Dabei bedeutet der Begriff "Absolutmessung", dass zur Berechnung der Partikelgre aus dem Messresultat nur eindeutig bestimmbare oder bekannte physikalische Werte herangezogen werden. Keinerlei Annahmen oder Berechnungsmodelle sind anzuwenden, das Messsystem muss nicht kalibriert oder einjustiert werden. Grundstzlich werden Zentrifugen eingesetzt, bei denen sich die Probe im inneren einer Hohlscheibe absetzt, mit einem Detektorsystem wird das Signal durch die Scheibe hindurch erfasst.

Stokes Gesetz (gltig fr laminare Strmung whrend der Sedimentation)

18f ln ( ri / S ) f Viskositt der Flssigkeit Dm

2 = ----------------------------------------- ri radiale Position des Messstrahles 2 ( p f ) * ti S radiale Position der Oberflche ti Messzeit Winkelgeschwindigkeit d. Scheibe p Dichte der Partikel f Dichte des flssigen Mediums

Dieses Gesetz ursprnglich aufgestellt fr die Sedimentation unter Gravitationskraft - kann fr Partikelsedimentation in einer Zentrifuge erweitert werden: es ergibt sich damit die Zeit t, die ein Partikel mit dem Durchmesser D und der Dichte bentigt, um die radiale Distanz S zur Position r des Detektors zu wandern.

In dieser Formel sind im Gltigkeitsbereich des Stokes` Gesetzes alle Parameter eindeutig messbar, es mssen keine Annahmen getroffen werden wie gesagt: eine Absolutmessung! Dies natrlich nur, solange alle diese Parameter whrend der kompletten Messung konstant gehalten werden. Es ist keine Eichung des Messvorganges erforderlich bzw. mglich. Werden aber Parameter whrend der Messung verndert (wie z.B. die Drehzahl) oder sind sie nicht konstant (wie bei Einsatz eines deutlichen, mehrstufigen Gradienten), dann ist dieser Vorteil verloren auch wenn die Verteilungen enger erscheinen. Es muss geeicht werden oft mit Substanzen, die nicht dieselben Eigenschaften haben, wie die Proben was einen zustzlichen Unsicherheitsfaktor ergibt. Da aufgrund der vorerst unbekannten Gre nicht vorausberechnet werden kann, wo sich ein Partikel befindet, sind auch die wirkenden Krfte nicht berechenbar.

Enorm groer Messbereich (von unter 10nm bis zu ber 100m, je nach

Probentype), wobei der Bereich nach unten durch mgliche Rckdiffusion und nach oben durch die Bedingung der laminaren Sedimentation limitiert ist.

Proben mit groem Unterschied in der Partikelgre durch Kombination (Merging) von zwei Messlufen erfassbar.

Nachteile: lngere Messzeit, Mie-Korrektur (nur bei Lichtzentrifuge) Etwas greres Probenvolumen erforderlich (10 bis 20ml)

4 Die zwei Zentrifugentypen nach der Art der Detektion:

Lichtzentrifugen (z.B. Brookhaven DCP) Die Detektion erfolgt mittels eines Lichtstrahles

Rntgenzentrifugen (Brookhaven XDC) Die Erfassung der Partikel erfolgt mittels eines niedrigenergetischen Rntgenstrahles durch Detektion in einem Szintillationsdetektor

5 Prinzipieller Ablauf einer Messung:

Die Probenbezeichnung wird eingegeben, es werden die Betriebsparameter des Laufes gewhlt, eventuell unter Einsatz der Modeling Utility.

Mit einer Injektionsspritze werden 10 bis 15ml der Probe in die Hohlscheibe gefllt.

Die optische Dichte der Ausgangssuspension erfasst und gespeichert

Das Programm durch "Start" begonnen,

Suspension in der Hohlscheibe zu Beginn und beginnendes Absetzen der Partikel whrend der Messung

Nach Ablauf werden die Resultate automatisch gespeichert und angezeigt.

Die Probe wird durch "MIX" wieder aufgeschttelt und aus der Scheibe abgesaugt. 6 Zwei Messmethoden bei Scheibenzentrifugen:

Homogenstart (HOST) Dabei wird eine homogene Partikelsuspension eingesetzt.

Die Position des Lichtstrahles befindet sich etwas ber dem Scheibenboden (um nicht durch das angehufte Sedimentationsgut beeinflusst zu werden). Whrend sich die Partikel von den groen zu den kleinen hin immer weiter absetzen, wird die Transparenz der Probe und damit das Signal am Detektor hher.

Bei Start Phase 1 Phase 2 Phase 3 vor Ende

Typischer Signalverlauf einer HOST Messung

Linienstart (LIST) Dabei wird auf die Oberflche des laufenden Trennmediums

eine geringe Menge konzentrierter Probe aufgebracht, die sich in Streifen trennt. Nach durchlaufen der Trgerflssigkeit kann ohne Stop des Zentrifugenlaufes die nchste Probe aufgegeben werden.

Bei Start Phase 1 Phase 3 Phase 5 Ende mit Restart Typischer Signalverlauf einer LIST Messung mit drei Partikelgren

7 Mglichkeiten zur Optimierung / Variierung Erstellen der Applikation

a. Laufzeit: Die Zeitspanne fr einen Lauf betrgt zwischen drei Minuten und acht Stunden.

b. Drehzahl Die Drehzahl ist zwischen 600 und 6000rpm (bei Spezialscheiben bis 10000rpm) whlbar

c. Volumen Das einsetzbare Volumen fr eine Probe betrgt etwa 7ml bis 25ml

d. Konzentration Wenn auch bei der Zentrifugalsedimentation keine Annahmen getroffen werden mssen, so muss dennoch darauf geachtet werden, dass die Vorbedingungen einge-halten werden. Abgesehen von der Unabhngigkeit der Einzelpartikel voneinander (bei 80% Volumsanteil sedimentieren Partikel sicherlich nicht ungestrt im Medium), ist auch auf richtiges Strmumgsverhalten zu achten.

e. Kopfsteuerung (Betriebsmodus) Neben dem Gravitationsmodus (G-mode), bei dem eine Messung bei ruhender Scheibe und ruhendem Detektorkopf abluft, gibt es den F-Mode bei rotierender Scheibe und in der "Home Position" ruhendem Kopf und zwei Moden, bei denen der Detektorkopf gegen die Sedimentationsrichtung bewegt wird, um die Messdauer zu verringern.

f. Laufmittel (Glycerin statt Wasser) Neben dem Standard Laufmittel ("spin fluid") Wasser knnen auch andere, hochviskose Flssigkeiten eingesetzt werden, um den Messbereich zu erweitern. Ist eine Messung in organischen Lsungsmitteln erforderlich, so wird dazu eine lsungsmittelresistente Scheibe aus Polycarbonat eingesetzt.

Beispiel: eine Probe, die in Wasser mit einem Bereich von 3,7m bis 0,09m erfassbar ist, htte in Glyzerin einen Messbereich von 29,6m bis 0,7m.

Warum ist eine Optimierung der Messmethodik erforderlich, warum knnen leicht unterschiedliche Resultate auftreten, obwohl es sich um eine Absolutmethode handelt? Auch wenn alle Parameter direkt zugnglich sind, mssen doch di Rahmenbedingungen eingehalten werden, unter denen das Stokes Gesetz gilt. Dies ist nach obenhin die Bedingung, dass es sich um eine laminaren Sedimentationsstrom handelt, also bei Reynoldszahlen bis etwa 0,2 und dass nach unten hin die Sedimentation noch rasch genug stattfindet, um nicht durch Rckdiffusion zu stark beeinflusst zu werden. Beispiel: Eine bimodale Silikatprobe, die bei feststehendem Messkopf (F-mode, links) und einer Laufzeit von zwei Stunden noch nicht alle kleinen Partikel erfasst hat (Cumulative erst bei 80%), zeigt eine schlechte Auflsung der beiden Gren. Der Partikelanteil um 0,10m ist nur als Schulter zu erkennen, der Anteil um 0,05m noch kaum erfasst. Wird jedoch der Kopf gegen die Sedimentationsrichtung bewegt (X-mode, rechts), sind nach 50min bereits alle Partikel vermesse, die Population bei 0,10m ist klar getrennt. Beide Lufe zeigen in der summarischen Auflistung den korrekten d50-Wert von ca. 0,12m, der Mittelwert ist aber wegen der fehlenden Feinanteile noch stark unterschiedlich.

8 Modeling Utility

Das Resultat kann also von den Messbedingungen als auch von der erforderlichen Arbeitszeit her optimiert werden. Zur raschen Ermittlung der besten Bedingungen bietet das Programm eine Modellierfunktion, in der rasch der Einfluss der nderung eines Parameters ermittelt werden kann. Auf Knopfdruck wird der Messbereich errechnet.

Durch Reduktion der Drehzahl auf 700rpm Durch Verdreifachung der Laufzeit auf 75min erhht sich der Durchmesser der grten wird der Durchmesser der kleinsten Partikel auf das Doppelte (3,85m) messbaren Partikel auf 0,07m gebracht.

Durch Wechsel zum X-Mode mit bewegtem Detek- Einsatz reiner Gravitation (G-Mode) erweitert den tor wird das Verhltnis von grtem zu kleinstem Grenbereich auf bis zu 47m, wobei dieser Lauf Durchmesser auf etwa 1:40 gebracht, der Bereich .. dann mit einem zweiten fr kleine Partikel zu einer wesentlich erweitert. Gesamtmessung vereinigt werden kann (merging).

8 Resultate Das Tabellarische Endresultat enthlt neben den Betriebsparametern der Messung alle statistischen Auswertungen aus Partikelgre und verteilung, wahlweise mit 2%, 5% oder 10%-Schritten. Ausdruck erfolgt in whlbaren Protokollen

9 Zusammenfassende Bemerkungen:

Einer der groen Vorteile der Zentrifugen liegt im groen Messbereich und der Tatsache, dass es sich bei der Grenmessung um eine Absolutmessung handelt. Bei Lichtzentrifugen mit der Einschrnkung, dass die Richtigkeit der Verteilung von der richtigen Wahl der Mie-Korrektur-Parameter abhngt. Als Schlusswort vielleicht die Aussage eines langjhrigen Nutzers einer XDC, die den Einsatzschwerpunkt der Systeme auf den Kern bringt: "Wir haben die unterschiedlichsten Messsysteme im Einsatz. Wenn wir auf den einzelnen Gerten verschiedene Werte bekommen, aber einen richtigen bentigen, dann greifen wir auf die Rntgenzentrifuge zurck"