DE202016006846U1 - Vorrichtung zum Messen der Konzentration und der Größe von Nanopartikeln in Flüssigkeiten im Streulichtmodus und im Fluoreszenzmodus - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Messen der Konzentration, der Größe und des Zetapotentials von Nanopartikeln in Flüssigkeiten im Streulichtmodus und im Fluoreszenzmodus, mit den folgenden Merkmalen: a) ein Laserstrahl (1) wird von oben über einen Strahlenteiler (14) durch eine Flüssigkeits-Linse (9) mit einstellbarem Fokus und ein optisches Schutzglas (23) in eine Messzelle (27) mit einer Partikel beinhaltenden Probe (28) gerichtet, wobei die Fokussierung des Laserstrahls (1) auf einen Punkt unterhalb der Phasengrenze (21) zwischen Luft und Proben-Flüssigkeit gerichtet ist, b) das von der Probe (28) und das Schutzglas (23) reflektierte Licht wird zum Teil durch den Strahlenteiler (14) umgelenkt und durch eine weitere Flüssigkeits-Linse (8) mit einstellbarem Fokus auf einen Detektor (5) geführt, wobei in den Strahlengang zwischen die Flüssigkeits-Linse und den Detektor (5) ein Fluoreszenz-Filter (10) mittels einer Schiebe-Einrichtung (24) geschaltet werden kann, c) einer Steuerung (3) mit einem Partikel-Tracking-Programm, bzw. einem DLS-Programm, (DLS = dynamischen Lichtsteuerung), einer Optik-Steuerung (15) und einem Display (2) mit einem Touchscreen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration, der Größe und des Zetapotentials von Nanopartikeln in Flüssigkeiten im Streulichtmodus und im Fluoreszenzmodus. Die Auswertung kann durch PTA (Partikel Tracking Analyse, kommende ISO TS19430) oder heterodyne DLS (Dynamische Lichtstreuung, ISO 22412) erfolgen.
• Suspensionen und Emulsionen als disperse Stoffsysteme sind häufig vorkommende Formen von Partikeln in Flüssigkeiten. Die Anwendungen reichen von der Druckertinte über kosmetische Emulsionen bis hin zu pharmazeutischen Verabreichungen. Disperse Systeme sind bekanntermaßen den thermodynamisch instabilen Systemen zuzuordnen. Die Zeitdauer, in der solche Dispersionen stabil bleiben, ist für die Anwendbarkeit von wesentlicher Bedeutung. Eine sehr oft zu beobachtende Instabilität entsteht durch Koagulation von Teilchen die zu irreversiblem Partikelgrößenwachstum bzw. zu völliger Trennung zwischen flüssiger Phase und Partikelphase führen kann. Zur Verhinderung der Koagulation dienen mehrere Vorkehrungen. Erne davon ist die elektrostatische Stabilisierung. Dabei macht man sich zunutze, dass die Annäherung gleichsinnig geladener Teilchen durch deren elektrostatische Abstoßung erschwert wird. Die Abstoßung ist umso effizienter, je höher die ionische Ladung der Teilchen auf ihrer Grenzfläche zum Medium ist. Maßgebend hierfür ist das elektrostatische Partikel-Grenzflächenpotential, meist Zetapotential genannt. Dieses Zetapotential wird als ein Maß angesehen, das den Grad der Abstoßung zwischen benachbarten Partikeln bestimmt. Es hat somit Bedeutung hinsichtlich der Stabilität disperser Systeme. Es gibt verschiedene physikalische Methoden, das Zetapotential zu messen. Ein bekanntes Verfahren ist die klassische Elektrophorese unter dem Mikroskop, insbesondere unter dem Streulichtmikroskop in 90° Anordnung von Laser- und Mikroskopachse in der Elektrophorese-Messanordnung. In der Elektrophorese-Messanordnung werden die Partikel in ein elektrisches Feld gebracht. Je stärker das Zetapotential der Partikel, umso schneller bewegen sie sich im angelegten Feld. Die Messgröße ist die elektrophoretische Beweglichkeit μe, die nichts anderes ist als die gemessene Geschwindigkeit v dividiert durch das angelegte elektrische Feld E. Diese μe wird umgerechnet in ein Zetapotential. Diese Elektrophorese-Anordnung ist beliebt, wenn man die Partikel-Ellektrophoresebewegung direkt im Video beobachten und dadurch auch mögliche Störeffekt wie Konvektion erkennen kann. Die Filme werden automatisch nach der Geschwindigkeitsverteilung der Partikel auswertet. Durch den Einsatz schart fokussierbarer Laser wurde die untere Messgrenze von 1 μm Partikelgröße bis auf 0,02 μm herabgesetzt. Dies gilt gleichermaßen für die Brown'sche Bewegung der Teilchen die mit derselben Vorrichtung beobachtet wird und aus der die Partikelgröße abgeleitet werden kann.
• Zum Stand der Technik wird auf die DE 10 2014 007 355 B3 verwiese. Hierbei handelt es sich um ein Verfahren der Partikel Tracking Analyse mit Hilfe von Streulicht (PTA) und eine Vorrichtung zur Erfassung und Charakterisierung von Partikeln in Flüssigkeiten aller Art in der Größenordnung von Nanometern. Die optische Streulichtanalyse ist im Gegensatz zur optischen Mikroskopie und der Elektronenmikroskopie ein indirektes Messverfahren zur Charakterisierung der Partikelgröße. Sie wird verwendet weil Partikel von weniger als 1 μm (1000 nm) wegen der Beugungsbegrenzung der direkten Beobachtung entgehen.
• Im Anspruch 1 wird in dieser Druckschrift eine Vorrichtung zur Erfassung und Charakterisierung von Partikeln in Flüssigkeiten in der Größenordnung von Nanometern einer Suspension in einer Zellwandung mit den folgenden Merkmalen, beansprucht:
• a) eine Zellwandung rechteckigen Querschnitts aus schwarzem Glas mit eingesinterten optischen Fenstern ist auf einer Längsfläche und einer angrenzenden Querfläche mit einem L-förmigen Heiz- und Kühlelement belegt, wobei die Zellwandung auf der Querfläche auf einem Standsockel aufliegt der über Schwingungsdämpfer definiert gelagert ist,
• b) die Zellwandung wird auf der Querfläche, die der Querfläche die das Auflager der Zellwandung bildet, gegenüber liegt, in der Mitte von einer Bestrahlungseinrichtung durch ein optisches Glasfenster bestrahlt und im rechten Winkel zur optischen Achse der Bestrahlungseinrichtung durch ein weiteres optisches Glasfenster von einer Beobachtungseinrichtung beoachtet,
• c) der gemeinsame Fokus der Bestrahlungseinrichtung und der Fokus der Beobachtungseinrichtung sind motorisch über über den räumlichen Innenbereich der Zellwandung in einen beliebigen Punkt durch eine Steuerungsvorrichtung verfahrbar,
• d) die Fläche der Zellwandung die dem optischen Glasfenster, durch das die Bestrahlungseinrichtung einstrahlt, gegenüber liegt, weist in der Mitte ein weiteres optisches Glasfenster auf, wobei diese Fläche des Zellgehäuses von außen von einer flächengleichen Nano-Carbon-Schicht bedeckt wird,
• e) die Fläche der Zellwandung in der sich das optische Glasfenster durch das die optische Achse der Beobachtungseinrichtung verläuft, befindet, wird von zwei Thermistoren hinsichtlich ihrer Temperatur überwacht.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen der Konzentration der Größe und des Zetapotentials von Nanopartikeln in Flüssigkeiten im Streulichtmodus und im Fluoreszenzmodus anzugeben.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird im Folgenden näher beschrieben.
• Es zeigen im Einzelnen:
• 1 eine Darstellung einer herkömmlichen NTA Nanopartikeltracking-Methode
• 2 eine Darstellung einer verbesserten Version der in der 1 gezeigten Methode
• 3: Eine Darstellung einer Vorrichtung zur Messung der Konzentrationsbestimmung und der Größenordnung von Nanopartikeln im Streulichtmodus und im Fluoreszenzmodus.
• 1 zeigt eine Darstellung der Particle Metrix eigenen PTA Nanopartikeltracking-Messanordnung,
• In der PTA besteht die abbildende Optik aus dem Objektiv 6, das auf die partikuläre Probe 28 in der Messzelle 29 gerichtet ist und einer Video-Kamera, welche die Bewegung der Partikel aufnimmt. Der Laser 1 als anregende Lichtquelle für Streulicht und Fluoreszenzlicht strahlt meist m Winkel von 90 Grad dazu ein. An der Kamera 5, bzw. einem Detektor, werden dabei gleichzeitig Streulicht von der Streulicht-Ebene 31 und Licht von der Fluoreszenz-Ebene 30 über den Strahlengang 11 durch eine Flüssigkeits-Linse 8, bzw. einer motorisch verstellbaren Linse 8, mit einstellbarem Fokus nach dem Durchgang durch ein Fluoreszenz-Filter 10 über einen Strahlengang 4 registriert. Sowohl Streulicht als auch Fluoreszenzlicht werden von denselben Partikeln gleichzeitig ausgesendet, wobei das Streulicht immer eine hohe Intensität aufweist. Hierbei ergibt sich das Problem, dass das um Größenordnungen schwächere Fluoreszenzlicht durch ein optisches Kantenfilter vom viel stärkeren Streulichtsignal getrennt werden muss. Wegen der notwendigen Auflösung und der hohen Empfindlichkeiten werden hierbei Schwarz-Weiß-Kameras, bzw. Grauwert messende Detektoren verwendet, welche die Farbe der Fluoreszenz nicht von der Farbe des Streulichts unterscheiden können. Das Filter hat die Aufgabe Streulicht, das von den Partikeln herrührt und parasitäres Streulicht, das durch eine unbeabsichtigte Wechselwirkung des Lasers mit der Apparatur auf dem Detektor landen kann, eindeutig abzublocken. Die abblockende Wirkung eines solchen Filters (LWP = (long wave pass) zu erhöhen geling mit einer Vorrichtung nach der 2.
• Die 2 zeigt eine Darstellung einer verbesserten Version der in der 1 gezeigten Aordnung. Diese Darstellung entspricht in vielen Teilen der Abbildung in der 1. So besteht auch in diesem Fall die abbildende Optik aus dem Objektiv 6 das auf die partikuläre Probe 28 in der Messzelle 29 gerichtet ist und einer Video-Kamera, bzw. einem Detektor, der die Partikel aufnimmt. Der Laser 1 ist auch hier die anregende Lichtquelle für Fluoreszenzlicht und Streulicht. An der Kamera 5 werden dabei gleichzeitig Streulicht von der Streulicht-Ebene 31 und Licht von der Fluoreszenz-Ebene 30 durch eine Flüssigkeits-Linse 8, bzw. einer motorisch verstellbaren Linse 8, über einen, nicht näher bezeichneten, Strahlengang registriert. Der Unterschied zwischen den beiden Darstellungen liegt jedoch darin, dass das Fluoreszenz-Filter 7 im konvergenten Strahlengang zwischen der Flüssigkeits-Linse 8, bzw. einer motorisch verstellbaren Lind 8, und der Probe 28 liegt und nicht im parallelen Strahlengang direkt vor der Video-Kamera 5 Denn in vielen Fällen reicht die Abschwächung des Filters nicht aus um das Streulicht vollständig zu unterdrücken. Durch die beschriebene Maßnahme verbessert sich die Situation um Größenordnungen. Liegt das Fluoreszenzfilter im konvergenten Strahlengang zwischen dem Objektiv und der Probe, liegt der Fokus des gestreuten Lichts (beispielsweise 488 nm Wellenlänge) hinter dem Fokus des Fluoreszenzlichts (beispielsweise 510 nm bis 560 nm Wellenlänge.
• Wegen der Dispersion der Brechungseigenschaften des Filters gibt es zwei weit voneinander entfernte Brennpunkte, wobei der eine dem Streulicht zugeordnet ist und der andere dem Referenzlicht. Somit „schaut” die Optik des Objektivs entweder in den Streulichtfokus oder in den Fluoreszenzfokus. Dies führt zu einer Unterdrückung des Streulichts um mehrere Größenordnungen wenn die Optik auf Fluoreszenz eingestellt ist. Dies ist umso wichtiger, je schwächer die Fluoeszenzsignale sind.
• Die 3: zeigt eine Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration, Größenordnung und der Zetapotentialverteilunng von Nanopartikeln im Streulichtmodus und im Fluoreszenzmodus. Wie in den vorherigen Darstellungen wird auch hier ein Laserstrahl 1 von oben in die Richtung einer Flüssigkeitsoberfläche gerichtet wird, die sich in einem Behälter, hier einem Probengefäß 27, befindet. Diese Flüssigkeit wird vor einer Messung durch eine leichte Bewegung homogenisiert. Nachdem sich die Flüssigkeit beruhigt hat und der Behälter 27 in Richtung des Laserstrahls 1 geöffnet ist, kann eine Messung beginnen. Der von oben gerichtete Laserstrahl 1 wird über einen Strahlenteil 14 durch eine Flüssigkeits-Linse, oder eine motorisch bewegte Linse, 9 mit einstellbarem Fokus und ein optisches Schutzglas 23 auf die Flüssigkeit gerichtet. Das Schutzglas 23 ist aus kratzfestem Material, wie Saphir oder Diamant, gefertigt. Die Flüssigkeits-Linse 9, bzw. eine motorisch verstellbare Lins 9, dient der optimalen Fokussierung auf einen Punkt knapp unterhalb der Phasengrenze zwischen Luft und Flüssigkeit. Der Fokus muss hierbei ca. 0,1 mm bis 1 mm in der Flüssigkeit liegen. Die Brennweite der Flüssigkeits-Linse 9, bzw. einer motorisch verstellbaren Lins 9, ist mittels einer Optik-Steuerung 15 definiert verfahrbar. Das durch die Flüssigkeitsoberfläche 22 und durch das optische Schutzglas 23 zurück reflektierte Licht wird zum Teil durch den Strahlungsteiler 14 auf einen Detektor 5 gelenkt, wobei eine weitere Flüssigkeits-Linse 8, bzw. eine motorisch verstellbare Linse 8, der Fokussierung auf den Detektor 5 dient.
• Der Strahlenteiler 14 ist nicht genau im 45 – Winkel angebracht, sodass teilreflektiertes Laserlicht, vom Schutzfenster 23 stammend, nicht in den emittierenden Laser 1 einstrahlt, um unerwünschte Rückkoppplungseffekte am Laser zu vermeiden. Die in der Probe 28 befindlichen Nano-Partikel streuen entsprechend der Brown'schen Bewegung in alle Richtungen. Diese Bewegung überträgt sich als zeitliche Fluktuation auf das Streulicht-Signal. Ein dem Raumwinkel um 180 Grad entsprechender Anteil des gestreuten Lichts gelangt über die Flüssigkeits-Linse 9 und den Strahlenteiler 14 auf den Detektor 5. An dem Detektor 5 sammelt sich also das an der Flüssigkeitsoberfläche 22, an der Flüssigkeits-Linse 9 und am optischen Schutz-Glas 23 teil-reflektierte Licht und das aus dem Inneren der Probe kommende Streulicht von den Partikeln. Die Mischung des fluktuierenden Streulichts und des teil-reflektierten Laserlichts am selben Detektor 5 nennt man eine dynamische Lichtstreuung DLS der heterodynen Art. Diese Mischung wird bewirkt durch die 180 Grad Streulicht-Anordnung und kann als optische Verstärkung des schwachen Streulichtsignals durch den teilreflektierten Laser angesehen werden. Durch eine so genannte Nullmessung, also mit einer Messung mit reiner Flüssigkeit ohne partikulären Inhalt, kann der Laseranteil 17 am Gesamtsignal 16 bestimmt werden. Im Streulichtanteil stecken die Informationen über die Konzentration und die Größenverteilung der Partikel. Aus der Brown'schen Molekularbewegung wird über die bekannte DLS-Methode die Partikel-Größenverteilung berechnet. Hierzu muss die Viskosität der Probe der die Partikel umgebenden Flüssigkeit bekannt sein Diese Viskosität existiert für zwei Temperaturwerte für die verschiedensten Flüssigkeiten in Tabellenform. Zur Berechnung der über diese Temperaturwerte hinausgehenden Werte ist die Viskosität jeweils für den Fachmann mit einer einfachen Formel berechenbar. Mit Hilfe eines Thermistors, den Temperatur-Sensor 26, über dem Gefäß 27 wird die jeweilige Temperatur der elektronischen Steuerung 3 zur Berechnung der Viskosität übermittelt. Zur Ergänzung der Bestimmung der Viskose besteht mittels einer Zugabe-Einrichtung 33 die Möglichkeit dosiert Referenz-Partikel in die Probe 28 zuzugeben. Hierbei handelt es sich um Standard-Partiikel einer bestimmten Größe, beispielsweise 100 nm. Diese Partikel schrumpfen oder quellen nicht. Ergibt sich bei der Messung eine Größenänderung kann man daraus Rückschlüsse auf die Viskosität ziehen. Um die genaue Eindringtiefe des Laserstrahls in die Flüssigkeit zu bestimmen, wird die Flüssigkeits-Linse 9 so eingestellt, dass erst durch einen hellen Reflex des Laserstrahls an der Flüssigkeitsoberfläche 22 die Lage der Flüssigkeitsoberfläche genau bestimmt ist. Ausgehend von dieser Position der Flüssigkeits-Linse 9 wird diese so eingestellt, dass der Fokus auf einen genau bestimmten Abstand d zur Flüssigkeitsoberfläche in der Flüssigkeit zu liegen kommt. Für unterschiedliche Proben kann, falls notwendig, der Abstand d optimiert werden.
• Der Abstand d ergibt sich aus der Differenz von 22 und 21.
• Die Abbildungslinse, die Flüssigkeits-Linse 8 im Strahlengang 32, wird im Streulicht-Modus mit ihrem Brennpunkt auf den Detektor 5 abgebildet, wobei sich das Fluoreszenz-Filter 10 nicht im Strahlengang befindet. Zur Messung der fluoreszierenden Partikel wird das Fluoreszenz-Filter in den Strahlengang vor dem Detektor 5 geschoben. Hierdurch verschiebt sich der Fluoreszenz-Fokus, bzw. die Fluoreszenzebene 30 entsprechend und wird mittels der Flüssigkeits-Linse 8 nachjustiert. Durch die unterschiedliche Lage des Fluoreszenz-Fokus und des Streulicht-Fokus, bzw. der Streulicht-Ebene 31 verstärkt sich die Filterwirkung jeweils nach der optischen Auslegung der Abbildungsoptik um Größenordnungen. Das Fluoreszenz-Filter 10 wird mittels einer Schiebe-Einrichtung 24 und deren Antrieb 25 aus dem Strahlengang entfernt oder in den Strahlengang eingebracht. Der Unterschied der Intensitäten der jeweiligen Detektor-Signale 20 zwischen dem Streulichtanteil 16 am Signal und dem Floreszenz-Signal 18 ist in den Diagrammen auf der rechten Seite der 3 über der Zeitachse 19 aufgetragen. Die Vorrichtung wird mittels eines Touchscreen 2 und einem Display bedient Bei den im Probengefäß 27 installierten Elektroden handelt es sich um Elektroporese-Elektroden 12 für ein gepulstes oder ein moduliertes Feld und um Feldabgriff-Elektroden 13 die der Messung des effektiven Feldes im Probenraum 28 dienen um daraus das Zeta-Potential zuverlässig berechnen zu können. Störende Effekte an den Elektroden 12 wie zum Beispiel Blasenbildung tragen damit nicht zur Bestimmung des elektrischen Feldes bei.
• Bezugszeichenliste

1

Laser

2

Display mit Touchscreen

3

Steuerung mit Partikel-Tracking-Programm

4

Strahlengang zwischen der Flüssigkeitslinse 8 und dem Detektor 5

5

Detektor, bzw. Videokamera

6

Objektiv

7

Fluoreszenz-Filter zwischen der Flüssigkeitslinse 8 und der Probe 28

8

Flüssigkeits-Linse mit einstellbarem Fokus

9

Flüssigkeits-Linse mit einstellbarem Fokus (Laser)

10

Fluoreszenz-Filter zwischen dem Detektor 5 und der Linse 8

11

Strahlengang zwischen der Linse 8 und einer Probe 28

12

Elektrophorese-Elektroden für gepulstes oder moduliertes Feld

13

Feldabgrif-Elektroden

14

Strahlenteiler (Beamsplitter)

15

Optik-Steuerung

16

Streulichtanteil am Signal (SS)

17

Laseranteil am Signal (LS)

18

Fluoreszenz-Signal

19

Zeit-Linie

20

Detektor-Signal

21

Luft-Phasen-Grenze zwischen Luft und Flüssigkeit (LF)

22

Oberfläche der Probe (Flüssigkeits-Oberfläche)

23

Optisches Schutzgas

24

Schiebe-Einrichtung für das Fluoreszenz-Filter 10

25

Antrieb für die Schiebe-Einrichtung 24

26

Temperatur-Sensor

27

Probengefäß (Eppendorf-Röhrchen)

28

Probe

29

Mess-Zelle

30

Fluoreszenz-Ebene (FL)

31

Streulicht-Ebene

32

Strahlengang zwischen dem Strahlenteiler 14 und der Linse 8

33

Zugabe-Einrichtung für Reagenz-Partikel bei Viskose-Messung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102014007355 B3 [0003]
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• ISO TS19430 [0001]
• ISO 22412 [0001]

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Messen der Konzentration, der Größe und des Zetapotentials von Nanopartikeln in Flüssigkeiten im Streulichtmodus und im Fluoreszenzmodus, mit den folgenden Merkmalen: a) ein Laserstrahl (1) wird von oben über einen Strahlenteiler (14) durch eine Flüssigkeits-Linse (9) mit einstellbarem Fokus und ein optisches Schutzglas (23) in eine Messzelle (27) mit einer Partikel beinhaltenden Probe (28) gerichtet, wobei die Fokussierung des Laserstrahls (1) auf einen Punkt unterhalb der Phasengrenze (21) zwischen Luft und Proben-Flüssigkeit gerichtet ist, b) das von der Probe (28) und das Schutzglas (23) reflektierte Licht wird zum Teil durch den Strahlenteiler (14) umgelenkt und durch eine weitere Flüssigkeits-Linse (8) mit einstellbarem Fokus auf einen Detektor (5) geführt, wobei in den Strahlengang zwischen die Flüssigkeits-Linse und den Detektor (5) ein Fluoreszenz-Filter (10) mittels einer Schiebe-Einrichtung (24) geschaltet werden kann, c) einer Steuerung (3) mit einem Partikel-Tracking-Programm, bzw. einem DLS-Programm, (DLS = dynamischen Lichtsteuerung), einer Optik-Steuerung (15) und einem Display (2) mit einem Touchscreen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeits-Linse (9) der Fokussierung auf den Detektor (5) dient.
3. Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Viskosität der Probe (28) mit Hilfe eines Temperatur-Sensors (26) ermittelt wird.
4. Vorrichtung nach einem der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Probengefäß (27) Elektroden (12) zur Erzeugung der Elektrophorese und Elektroden (13) zur Messung des Zetapotentials enthält.

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