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Photonenkreuzkorrelations-spektroskopie (PCCS)
Partikelgrößen- & Stabilitätsanalyse von 1 nm bis 10 µm

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"Photon Cross-correlation Spectroscopy" (PCCS) ist eine neuartige Technik die es erlaubt gleichzeitig Messungen der Partikelgröße und der Stabilität im Bereich von ca. 1 nm bis hin zu einigen µm in opaken Suspensionen and Emulsionen zu machen. Es stellt eine leistungsfähige Erweiterung der bekannten traditionellen Photon Correlation Spectroscopy (PCS) dar, die auf höchstverdünnte Proben eingeschränkt ist .

Sympatec's Lösung ist PCCS mit NANOPHOX

Photonenkreuzkorrelationsspektroskopie erweitert die PCS-Methode. Das Schlüsselprinzip der PCCS ist eine 3D-Kreuzkorrelationstechnik. Mit Hilfe einer speziellen Streugeometrie ist die Kreuzkorrelation des gestreuten Lichts in der Lage, die Faktion des einfach gestreueten Lichts von der des mehrfach gestreuten Lichts präzise zu trennen.

PCCS set-upwith two incident laser beams PCCS measuring signals Cross correlation function for different amounts of single scattered light

PCCS nutzt zwei separate Srahlen für die Beleuchtung des selben Meßvolumens, wobei zwei separate Specklemuster entstehen.

Die Intensitätsfluktuationen werden von zwei Detektoren aufgenommen, die so angeordnet sind, das dabei identische Streuvektoren q benutzt werden.

Anschließend wird die Kreuzkorrelationsfunktion der beiden Signale genutzt um die Auflösung der Nahordnung darzustellen. Der Abfall der Kurve repräsentiert dabei wie in der PCS-Methode die Partikelgröße. Die Amplitude repräsentiert die Menge der einfach gestreuten Lichtintensität.

PCCS bietet mehrere Vorteile:

1. Mit PCCS wird die Mehrfachstreuung vollständig ausgeblendet. Dieses ermöglicht es mit PCCS die Auswertemethoden der PCS auf opake Suspensionen und Emulsionen auszudehnen.
2. Hohe Partikelkonzentrationen können genutzt werden, wobei hohe Zählraten und relativ kurze Meßzeiten möglich werden.
3. Zusätzlich repräsentiert die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion den Anteil des einfach gestreuten Lichts. Diese Information kann für die Analyse der Probenstabilität genutzt werden. Sie reagiert äußerst sensibel da ein Anstieg in der Partikelgröße um den Faktor 10 die Intensität des gestreuten Lichts um das 106 -fache steigert.
4. Da die Mehrfachstreuung eliminiert wird, sind die Ergebnisse gewöhnlich unabhängig von der Konzentration.
Mögliche dennoch auftretende Veränderungen bei steigender Konzentration werden durch Änderungen von Partikel-Partikel-Interaktionen bewirkt. Diese können jetzt direkt in Verdünnungsreihen untersucht werden, da jegliche Störungen auf Grund von Mehrfachstreuung vermieden sind.

Messungen können bei fast jeder Konzentration durchgeführt werden. Sollte die Konzentration zu hoch sein, tritt nur noch mehrfach gestreutes Licht auf und es würde kein einfach gestreutes Licht mehr detektiert. Unter solchen Bedingungen würde kein Ergebnis ausgegeben.

5. Die Ergebnisse sind unabhängig von der Position des Meßvolumens innerhalb der Probenküvette.
Die Position des Meßvolumens kann eingestellt werden um damit die höchsten Zählraten für das einfach gestreute Licht zu nutzen und damit möglichst kurze Meßdauern.
6. Hohe Partikelkonzentrationen reduzieren auch die Sensitivität dieser Meßmethode gegenüber Verunreinigungen. Deshalb können Standardflüssigkeiten und normale Laborumgebung genutzt werden, was die Anwendung deutlich vereinfacht.
7. Die PCCS-Betriebsart läßt sich über die Software leicht in den PCS-Modusumschalten, wobei lediglich ein Detektor und die Auswertung der Autokorrelationsfunktion genutzt wird. Dieses ermöglicht einen direkten Vergleich mit anderen Experimenten die mit PCS durchgeführt wurden.

NANOPHOX

Dieses neue Instrument wurde für den industriellen Einsatz entwickelt und optimiert. In einem kleinen Tischgerätegehäuse enthält es die Lichtquelle, die Detektoren, den Korrelator sowie das Temperierbad mit der die Probe enthaltenden Küvette und ist damit bereit für Routinemessungen in jedem Labor.

Aufbau:

Set-up of the optical path of NANOPHOX

Bedingungen für die Streuvektoren:

Scattering geometry for PCCS

Technologische Herausforderung für PCCS:

  • die Streuvektoren q müssen identisch sein
    (in Richtung und Betrag)
  • das Streuvolumen muß identisch sein

Abb. 1: Aufbau von Sympatec's PCCS-Instrument, mit zwei Teilstrahlen, zwei Detektoren, zwei Photomultipliern und einem Korrelator.

Abb. 2: Die Streugeometrie muß in dieser speziellen Weise ausgerichtet sein. Nur dann wird Mehrfachstreuung vollständig ausgeblendet.

Scattering geometry for PCCS

Steuvolumen:

Das Streuvolumen wir durch den Schnitt der beiden fokussierten Laserstrahlen A und B definiert, wie in Abb. 3 gezeigt. Es lässt sich z.B durch zwei aneinanderliegende Kegel mit Radius r und Höhe h zu ca. 5.5E-4 µl oder 5.5E-13 m³ abschätzen.

Fig. 3: Definition des Streuvolumens (blau markiert)

 

Die Benutzung ist sehr viel einfacher als bei traditionellen PCS-Systemen, da die Proben nicht mehr extrem verdünnt werden müssen. Ferner wird kostenaufwendige Reinigung des Instruments und aufwendige Probenvorbereitung überflüssig.

symbol: wet dispersion for suspensions or emulsions

Dynamische Lichtstreuung (DLS)

wird heute routinemäßig zur Analyse der Partikelgröße im Submikronbereich eingesetzt. Sie liefert einen Hinweis auf die mittlere Partikelgröße und die Verteilungsbreite innehalb weniger Minuten.

Mit DLS wird die Bewegung der Partikel in einer Suspensions-flüssigkeit optisch überwacht. Diese Bewegung ist bekannt als Brownsche Molekularbewegung und wurde von W. Ramsay 1876 richtig beschrieben und von
A. Einstein und M. Smoluchowski 1905/06 bewiesen.

In der Stokes-Einstein-Theorie ist die Brownsche Molekularbewe-gung abhängig von der Viskosität der Suspensionsflüssigkeit, der Temperatur und der Größe der Partikel. Die Partikelgröße (d.h. der hydrodynamische Durch-messer) kann aus der Messung der Partikelbewegung bestimmt werden, wenn Viskosität und Temperatur bekannt sind.

Monodisperse particles illuminated by a laser beam

Die Beleuchtung der Partikel mit Laserlicht erzeugt ein Beugungs-muster, welches eine Ringstruktur zeigt, die durch Beugung an den Partikeln entsteht. Diese Information nutzt die Laserbeugung.

Diffraction pattern of the particle ensemble above

Es zeigt aber auch eine Fein-struktur auf Grund von Beugung zwischen den Partikeln, d.h. auf Grund der Nahordnung.

Initiiert durch Stöße der Moleküle des Dispergiermediums welche thermische Bewegung ausführen, gegen die Partikel, ändert sich die Partikelposition innerhalb der Zeit t.

Die Positionsänderung der Partikel bewirkt Veränderungen der Phasen und damit Veränderungen der Feinstruktur des Beugungsmusters. Dadurch schwankt die Intensität an einer definierten Stelle des Beugungs-musters über die Zeit (bei der Laserbeugung mitteln sich diese Schwankungen gewöhnlich über die Zeit heraus).

Die Schwankungen können innerhalb eines Zeitabschnitts per Korrelationsfunktionsanalyse ausgewertet werden oder innerhalb eines Frequenzbereichs mittels einer Frequenzanalyse. Beide Methoden sind über Fourier- Transformation verbunden.

Für weitere Details siehe bitte beim zukünftigen Standard
ISO 22412 (Dynamische Lichtstreuung).