Nanophox CS: una nuova prospettiva sull’analisi di campioni torbidi

Conservazione delle nanoparticelle in sospensione

Le nanoparticelle sono spesso conservate in liquidi. Uno dei motivi è sicuramente la sicurezza, in quanto i nanomateriali conservati sotto forma di polvere possono facilmente fuoriuscire nell’ambiente o raggiungere le vie respiratorie. Il rischio che i nanomateriali possano penetrare ed interagire con i sistemi biologici è molto elevato e viene decisamente ridotto quando il mezzo di conservazione è un liquido.

Un altro aspetto, che rende la conservazione nei liquidi più sinergica al contesto, è che le nanoparticelle possono essere combinate meglio con altri liquidi o con materiali solidi/porosi ed inoltre possono essere depositati su superfici in modo più semplice.

Importanza della stabilità delle sospensioni

La conoscenza di come le nanoparticelle di agglomerano o si sedimentano, e quindi come è la loro stabilità in sistemi liquidi, è di fondamentale importanza in quanto questi processi influenzano sia la dimensione delle particelle stesse sia l’omogeneità di una sospensione.

La stabilità dipende in gran parte dall’ambiente chimico delle particelle, come il pH o la forza ionica. La diluizione di un campione può alterare notevolmente la stabilità perché le caratteristiche chimico/fisiche del campione (ad esempio modificando il pH) possono avere un effetto significativo sul comportamento delle nanoparticelle. È molto importante quindi poter monitorare il tasso di aggregazione, cioè la misura del cambiamento delle dimensioni delle particelle nel tempo stabilendo il tempo necessario per raggiungere la stabilità del sistema.

Processo di aggregazione: torbidità e diffusione multipla

Cosa avviene durante il processo di aggregazione di una sospensione? La sospensione diventa sempre più torbida con conseguente aumento della diffusione multipla fino a quando la sospensione non inizia a flocculare e poi a depositarsi sul fondo. La torbidità, e quindi la diffusione multipla, è una misura della velocità di agglomerazione e sedimentazione in sospensioni ed emulsioni opache.

Durante un processo di agglomerazione la massa o il volume di tutte le particelle sono costanti, pertanto l’aumento della torbidità e il livello di dispersione multipla non possono essere spiegati con una variazione della concentrazione delle particelle. Il motivo è la dipendenza dell’intensità di dispersione da dimensione delle particelle. L’intensità dello scattering dipende dalla sesta potenza del raggio delle particelle (I_S ~ R⁶). Ciò significa che una leggera crescita di una particella si traduce in un aumento molto maggiore dell’intensità di diffusione. In altre parole, un aggregato o un agglomerato rifrange la luce con maggiore forza rispetto alle singole particelle (particelle singole) insieme, quindi il contributo allo scattering multiplo è maggiore.

Analisi differenziata con un analizzatore granulometrico

L’analizzatore granulometrico NANOPHOX CS consente l’analisi differenziata dell’agglomerazione e della sedimentazione delle sospensioni torbide. Si tratta di uno strumento che sfrutta la tecnica PCCS (Photon Cross Correlation Spectroscopy) permettendo di determinare il diametro medio di particelle disperse in soluzione, in un range compreso tra 0.5nm e 10.000nm. L’ampiezza (intercetta) della funzione di correlazione incrociata dipende dal grado di dispersione multipla. Ciò significa che i cambiamenti nella torbidità, e quindi le variazioni nella concentrazione delle particelle o nella dimensione delle particelle attraverso l’agglomerazione, modificano l’ampiezza della correlazione incrociata.

L’agglomerazione delle particelle porta ad un aumento della torbidità e quindi ad un aumento della diffusione multipla, che porta a sua volta alla riduzione dell’ampiezza della correlazione incrociata. In altre parole, il segnale proveniente da una singola luce diffusa diminuisce all’aumentare della diffusione multipla.

Al contrario, la sedimentazione si traduce in una diminuzione della concentrazione di particelle e quindi in un aumento dell’intercetta di correlazione incrociata. Aumenta così il contributo della singola luce diffusa nel segnale, mentre diminuisce la dispersione multipla.

In conclusione, l’agglomerazione e la sedimentazione delle sospensioni torbide mostrano tendenze contrarie nella funzione di correlazione incrociata misurabile con NANOPHOX.

Vantaggi di Nanophox CS rispetto a strumentazioni alternative

NANOPHOX CS di Sympatec è adatto per misure dipendenti da tempo, velocità di sedimentazione e agglomerazione.

Oltre a misurare l’agglomerazione delle particelle, l’analizzatore granulometrico è in grado di monitorare anche processi lenti come la cristallizzazione nel tempo, permettendo ad esempio di osservare la crescita dei cristalli.

Altri strumenti che si basano solo sulla PCS (Photon Correlation Spectroscopy) non riescono invece a rilevare bene i cambiamenti dovuti ad agglomerazione e sedimentazione, perché non tengono conto della diffusione multipla della luce.

In queste strumentazioni alternative, la stabilità delle sospensioni viene valutata misurando il cosiddetto potenziale zeta. Se le particelle hanno un potenziale zeta molto alto (positivo o negativo), tendono a respingersi e quindi restano ben disperse. Ma se il potenziale zeta è basso, le particelle non si respingono abbastanza e finiscono per aggregarsi.

In questo tipo di misure, un raggio laser attraversa il campione, mentre un campo elettrico alternato fa muovere le particelle cariche: più una particella è carica, più si muove velocemente. Tuttavia, questo metodo funziona solo su campioni molto diluiti e trasparenti. Per la maggior parte delle sospensioni o emulsioni, è necessaria una diluizione significativa, che modifica il pH, la forza ionica, la concentrazione dei tensioattivi e altre caratteristiche chimiche del campione. Questo può portare a risultati poco affidabili sulla reale stabilità della sospensione.

Sensibilità e applicabilità della PCCS

Le misure effettuate con Nanophox CS si basano su un altro principio e dimostrano che esiste una forte correlazione tra i risultati del PCCS e la stabilità di una sospensione. La diminuzione del valore dell’intercetta di correlazione (CCF) può essere spiegata da una riduzione della lunghezza media del cammino libero per la luce diffusa, dovuta all’inizio della formazione di una microstruttura. Questo corrisponde al leggero aumento della dimensione delle particelle misurata, che è correlata alla diffusione ostacolata delle particelle. È possibile rilevare cambiamenti nella struttura delle sospensioni anche se gli aggregati risultanti non sono abbastanza grandi o densi da sedimentare.

La PCCS può essere utilizzata per l’analisi della dimensione delle particelle o per la determinazione della stabilità di sospensioni di dimensioni nanometriche ed emulsioni. L’analisi della stabilità consente un accesso più diretto alla struttura di una sospensione destabilizzata rispetto al potenziale zeta; inoltre, l’analisi di stabilità non è limitata ai sistemi stabilizzati di carica ma vale per tutti i tipi di meccanismi di stabilizzazione. Per i sistemi che gelificano lentamente al confine di stabilità, il PCCS prevede misurazioni risolte del tempo, che hanno consentito l’accesso anche alla cinetica di tali processi.