„Nano“ ist spannend, denn Stoffe, die in kleinsten Größen vorliegen, besitzen oftmals andere Eigenschaften als der gleiche Stoff in größeren Abmessungen. Und so unterschiedlich ihre Eigenschaften sind, so vielfältig sind ihre Einsatzgebiete. Aber wie kann man diese Einsatzstoffe analytisch kontrollieren? Mit einem System, das speziell für die Nanotechnologie und Biowissenschaften entwickelt wurde ...

Als Nanopartikel bezeichnet man Materialien, deren Größe an einer Kantenlänge 100 nm unterschreitet (das ist 700 mal dünner als ein menschliches Haar). In diesem Größenbereich 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 beispielsweise andere optische oder elektrische Eigenschaften betreffen; sie liegen zumeist in dem unterschiedlichen Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen der Materialien begründet. Dieses Verhältnis wird umso größer, je kleiner die Partikel sind.

Statische Laserbeugung als etabliertes Partikel-Messverfahren
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.

Shimadzu bietet nun mit seinem SALD-7500nano ein Analysensystem an, das speziell für die Partikelgrößenanalyse von Nano-Partikeln entwickelt wurde. Es arbeitet mit der statischen Laserbeugung und hat einen Messbereich von 7 nm bis 800 µm. 78 einzelne Detektorelemente erfassen das gesamte Beugungsmuster.

Bild 1: Schematischer Aufbau des SALD-7500nano.

Der optische Aufbau entspricht der sogenannten Fourier-Optik. 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 größerer Schichtdicke.

Für verschieden große Probenvolumina und Konzentrationsbereiche
Für die Messung am SALD-7500nano stehen drei verschiedene Messzellen zur Verfügung. Eine kleine statische Messküvette (Füllvolumen: 5 ml) ermöglicht eine Analyse, selbst wenn nur wenig Probenmaterial vorhanden ist. Eine integrierte Rührplatte hält die Partikel in der Dispersion und schützt vor Sedimentation. Das geringe Volumen spart Probenmaterial und eventuell teures Dispergiermittel. Das gilt im gleichen Maße für die Entsorgung der gemessenen Dispersion.

Für größere Probenvolumina oder schweres Probenmaterial kann eine Nassdispergierstation verwendet werden, und zwar in Verbindung mit einer Flusszelle mit vorwählbarem Volumen von 100 ml, 200 ml oder 300 ml. Die eingepasste Ultraschallsonde zerstört unerwünschte Agglomerate.

Bild 2: Das Messsignal der statischen Laserbeugung ist eine Lichtverteilung auf den einzelnen Detektorelementen. Die grünen Balken entsprechen einer gemessenen Intensität auf den einzelnen Sensoren.

Damit keine multiplen Beugungs- und Streuphänomene auftauchen, werden bei der statischen Laserbeugung hochverdünnte Partikelsuspensionen im unteren ppm-Bereich verwendet. Eine spezielle Zelle ermöglicht jedoch die Messung von hohen Partikelsuspensionen, wie Pasten oder ähnlichem. Eine extrem dünne Schichtdicke der Zelle gestattet Partikelmessungen in Konzentrationsbereichen bis zu 20 %.

Schnelle und kontinuierliche Messung
Der einfache Messaufbau des SALD-7500nano mit nur einem Laser ermöglicht das sehr schnelle Auslesen der Detektorsignale. Denn ohne Umschalten zwischen den einzelnen Detektoren oder unterschiedlichen Lasern werden die Beugungsmuster quasi online erfasst (alle 0,145 s). Dadurch lassen sich sehr schnelle Messungen von einer Sekunde realisieren.

Zudem ermöglicht die Software eine kontinuierliche Messung der Probe. Das bedeutet, dass die Software in unterschiedlichen Zeitintervallen automatisch die Partikelgrößenverteilung erfasst und speichert. Das kleinste Intervall ist ebenfalls 1 s. Auf diese Weise lässt sich beispielsweise das Agglomerationsverhalten von Partikeln beobachten und sichtbar machen.

Bild 3: Nanopartikel werden zur Beschichtung von Materialien eingesetzt. Etwa bei der Herstellung von Bildschirmen (aufgrund optischer Eigenschaften) oder zur Versiegelung von Materialien (Verhinderung von Diffusion). Zur Qualitätssicherung gehört es, die eingesetzten Materialien vor der Verwendung zu überprüfen. Das SALD-7500nano kann für solche Messungen eingesetzt werden. In dem Beispiel wurden Nanopartikel aus Zinnoxid untersucht. Die Größenverteilung geht von 11…40 nm. Der modale Partikeldurchmesser liegt bei 18 nm.

Durch die verwendete Optik und den einfachen Aufbau (nur ein Laser, kein Umschalten der Detektoren) werden die Messungen in höchstem Maße reproduzierbar. Mehrfachmessungen lassen sich in der Software darstellen. Zudem kann eine „Mittelwert-Verteilung“ aus den einzelnen Messungen errechnet werden.

Tool für Diagnostik und Therapie
Eine weitere wichtige Anwendung findet das SALD-7500nano in der biopharmazeutischen Industrie, wo es gezielt in der Entwicklung und der Qualitätssicherung eingesetzt werden kann.

Bild 4: Die Grafik zeigt drei Verteilungskurven der Zinnoxid-Partikel im Vergleich.

In der der biopharmazeutischen Industrie werden Medikamente nicht mehr chemisch synthetisiert, sondern sind so komplex geworden, dass sie aufwendig durch lebende Organismen wie Bakterien, Pilze oder Säugetierzellen hergestellt werden müssen. Das Produkt ist kein kleineres Molekül, sondern häufig ein komplexes Protein. Auch hier ist es wichtig, Kenntnisse über die Größe und die Stabilität der Aggregate zu erlangen und die Agglomeration der Proteine zu untersuchen. Eine spezielle Software ermöglicht nicht nur die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung, sondern auch der Konzentration von Protein-Aggregaten.

Fazit
Das neue SALD-7500nano bietet durch seinen optischen Aufbau und den großen Detektor die Möglichkeit, schnell, exakt und reproduzierbar Nanopartikel im Bereich bis zu 7 nm zu bestimmen. Die zusätzliche Kombination mit der modernen Wing-Software erlaubt Messungen in Zeit-intervallen automatisch durchzuführen. So kann man das Agglomerationsverhalten von kleinsten Partikeln untersuchen.

Autor:
Sascha Hupach
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