Anwendungshinweis | TURBIDI.T™
Partikelgröße in flüssigen Proben durch Trübung messen?
von Dimitria Camasão, Assala Larbes und Gloria Pinilla,
Anwendung Wissenschaftler, Rheolution Inc.
Zusammenfassung
- Die Bestimmung der Partikelgröße ist in vielen Bereichen von Bedeutung, beispielsweise in den Lebenswissenschaften (Nanomedizin, Arzneimittelverabreichung, Gewebezüchtung, Bioanalytik), der Chemie, den Umweltwissenschaften und der Industrie.
- Die Trübungsmessung ist ein schnelles und zerstörungsfreies Verfahren zur Bestimmung der Partikelgröße, das nach einem leicht nachvollziehbaren Ablauf durchgeführt wird.
- Mit dem TURBIDI.T™ wurden hochpräzise Kurven zur Abhängigkeit der Trübung von der Konzentration von Siliziumdioxidpartikeln unterschiedlicher Größe in destilliertem Wasser ermittelt. Diese Kurven können zur Erstellung einer Referenzkurve für die Bestimmung der Partikelgröße herangezogen werden.
Grundlagen der Partikelgrößenmessung in Forschung und Industrie
Einleitung
Die Bestimmung der Partikelgröße ist in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungsbereichen von großer Bedeutung. In der Pharmazie spielt die Partikelgröße von Arzneimitteln oder Wirkstofffreisetzungssystemen eine wesentliche Rolle für deren Bioverfügbarkeit, Auflösungsgeschwindigkeit und Resorption im Körper. In der Forschung und Diagnostik der Lebenswissenschaften ist die genaue Messung der Partikelgröße entscheidend für die Entwicklung und Validierung analytischer Methoden, beispielsweise bei Immunoassays oder Polymerase-Kettenreaktionsverfahren (PCR). Diese Charakterisierung ist zudem unter anderem in Bereichen wie den Umweltwissenschaften und der Umweltüberwachung, der Geologie und Bodenkunde sowie der Materialwissenschaft und Nanotechnologie von Bedeutung.
Die Größe der Partikel in einer Suspension lässt sich durch turbidimetrische Messungen abschätzen, die einen einfachen, schnellen und zerstörungsfreien Ansatz bieten [1,2]. Die Trübung ist ein Parameter, der die Abnahme der Intensität eines Lichtstrahls beim Durchgang durch eine Suspension quantifiziert, die auf die Streuung und Absorption des Lichts durch die in der Suspension enthaltenen Partikel zurückzuführen ist. Das Ausmaß der Streuung und Absorption wird sowohl von der Größe der Partikel als auch von deren Konzentration in der Suspension beeinflusst. Größere Partikel streuen und absorbieren tendenziell mehr Licht, was zu einer steileren Steigung der Trübungskurve führt. Kleinere Partikel hingegen streuen und absorbieren weniger Licht, was eine flachere Steigung zur Folge hat. Durch die Analyse der Trübungskurve lässt sich die Partikelgröße anhand des Zusammenhangs zwischen Trübung und Konzentration ableiten.
In diesem Anwendungshinweis wurden Siliziumdioxid-Nanopartikel unterschiedlicher Größe in destilliertem Wasser mit dem TURBIDI.T™ gemessen, um dessen Eignung für die Partikelgrößenbestimmung zu veranschaulichen. Für jede Partikelgröße wurden Konzentrations-Trübungs-Beziehungen ermittelt, anhand derer eine Referenzkurve zur Bestimmung der Partikelgröße einer unbekannten Lösung erstellt wurde.
Trübungsanalyse zur präzisen Partikelgrößenbestimmung
Materialien und Methoden
Das TURBIDI.T™ (Rheolution Inc., QC, Kanada) ist ein vielseitiges Gerät zur Messung der Trübung von Lösungen in verschiedenen Messbereichen. Zu den Hauptmerkmalen gehören die Möglichkeit, (1) die optischen Emitterkartuschen an unterschiedliche Wellenlängen anzupassen, (2) Probenhalter auszuwählen, die auf bestimmte Versuchsaufbauten abgestimmt sind, und (3) ein drahtloses Tablet zur Datenerfassung, individuellen Anpassung, Analyse und zum Datenexport zu nutzen. Darüber hinaus ermöglicht das Gerät eine erweiterte Messkapazität, da mehrere Messgeräte mit demselben Tablet gekoppelt werden können.
Zur Kalibrierung des TURBIDI.T™ vor der Untersuchung wurden Formazin-Standards (FTU) verwendet. Als Kartuschen für die Lichtemission und den Lichtempfang wurden jeweils die Emitt.635 (Wellenlänge 635 nm) und die Receiv.ViS (Wellenlänge von 400 nm bis 1000 nm) verwendet.
Siliziumdioxidpartikel unterschiedlicher Größe (160 nm, 500 nm und 1000 nm; Alpha Nanotech Inc., BC, Kanada) wurden in destilliertem Wasser in fünf Konzentrationen verdünnt: 150, 200, 300, 400 und 500 mg/l. Die Lösungen wurden bei 25 °C stabilisiert, und von jeder Konzentration wurden drei Proben in 10-ml-Fläschchen zur Untersuchung überführt (n = 3). Jedes Fläschchen wurde vor der Einbringung in das TURBIDI.T™-Gerät zur Messung gründlich gemischt. Die durchschnittlichen Ergebnisse werden als Mittelwert ± Standardabweichung angegeben. Auf die Daten jeder Partikelgröße wurde eine einfache lineare Regression angewendet.
Bestimmung der Partikelgröße: Die Rolle von Trübungs-Konzentrations-Kurven
Ergebnisse und Diskussion
Die Trübungswerte für die verschiedenen Konzentrationen und Größen der Siliziumdioxidpartikel sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Datenpunkte stellen den Mittelwert aus Dreifachbestimmungen dar, wobei die geringen Fehlerbalken die hohe Präzision der Messungen verdeutlichen. Einfache lineare Regressionen passten gut zu den experimentellen Daten (R²>0,94). Die Ergebnisse zeigen, dass die Korrelationen zwischen Konzentration und Trübung von der Partikelgröße abhängen, was sich in der Zunahme der Steigungen der Kurven von 160 nm auf 500 nm bzw. 1000 nm widerspiegelt.
Abbildung 1: Zusammenhang zwischen Trübung und Konzentration von Siliziumdioxidpartikeln in destilliertem Wasser bei unterschiedlichen Partikelgrößen. Die Kurven wurden mit dem TURBIDI.T™ bei einer Wellenlänge von 635 nm ermittelt.
Eine Referenzkurve zur Abschätzung der Partikelgröße einer unbekannten Lösung lässt sich erstellen, indem die oben genannten Partikelgrößen gegen ihre jeweiligen Steigungen aus den Trübungs-Konzentrations-Kurven aufgetragen werden. Eine unbekannte Lösung sollte anschließend bei verschiedenen Konzentrationen untersucht werden, um ihre eigene Steigung (aus der Trübungs-Konzentrations-Kurve) zu ermitteln, die in Abbildung 2 zur Abschätzung der Größe der Partikel in der Suspension herangezogen werden kann.
Abbildung 2: Abschätzung der Partikelgröße von Siliziumdioxid anhand einer Referenzkurve, die das Verhältnis von Partikelgröße zu Steigung darstellt (abgeleitet aus Trübungs-Konzentrations-Kurven).
Schlussfolgerungen
Mit dem TURBIDI.T™ -Messgerät lässt sich die Größe von in Lösung befindlichen Schwebeteilchen anhand einer Referenzkurve (Partikelgröße im Verhältnis zu den Steigungen der Trübungs-Konzentrations-Kurve) abschätzen, die anhand von mindestens drei Messpunkten ermittelt wurde.
Perspektiven
- Die Größe der Schwebeteilchen lässt sich mit dem benutzerfreundlichen TURBIDI.T™ -Gerät problemlos abschätzen.
- Daten zur Trübung im Vergleich zur Konzentration können über die Soft Matter Analytics™-App auf dem Tablet gespeichert und bei Bedarf ausgewertet sowie exportiert werden.
- Durch die Verfügbarkeit verschiedener Kartuschen können Anwender die Wellenlänge der Lichtemission anpassen, was die Genauigkeit und Präzision bei der Bestimmung der Partikelgröße verbessern kann.
- Die Möglichkeit, mit Fläschchen unterschiedlicher Größe zu arbeiten, ermöglicht es den Anwendern, Messungen mit minimalem Probenvolumen durchzuführen, und macht aufwendige Probenvorbereitungen überflüssig, was zu einem optimierten und benutzerfreundlichen Arbeitsablauf beiträgt.
- Die flexible Testplattform, die durch die Verbindung mehrerer Geräte entsteht, unterstützt die spezifischen Anforderungen von Forschungs-, Entwicklungs- und Qualitätskontrolllabors, in denen häufig große Probenmengen verarbeitet werden müssen. Sie bietet eine praktische Lösung, um den hohen Durchsatzanforderungen dieser Umgebungen gerecht zu werden.
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Literaturverzeichnis
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