Методы светорассеяния для исследования растворов (био) полимеров и наночастиц

Июль 24, 2022

Главная
Химия
Методы светорассеяния для исследования растворов (био) полимеров и наночастиц

Содержание

2. Предмет лекции Коллоидные растворы – частый объект интереса ученых. В общем виде, в него включаются как
3. Предмет лекции В лекции пойдет речь о методах характеризации таких объектов, измерении: размеров частиц/макромолекул, молекулярной массы,
4. Зачем нужно характеризовать коллоидные растворы? Синтетические полимеры / биополимеры: Молекулярная масса Mw (что мы синтезировали?) Второй
5. Рассеяние света малыми частицами + - E B http://web.mit.edu/6.013_book/www/chapter12/12.4.html Индуцированный осциллирующий диполь
6. Рассеяние света малыми частицами d λ/20
7. Статическое светорассеяние Измерение усредненной по времени интенсивности рассеянного под углом θ излучения
8. Случай малых частиц ( Растворитель также рассеивает излучение благодаря наличию флуктуаций
9. Случай малых частиц ( Для идеального раствора полимера: Для не идеального раствора полимера (уравнение Дебая): A2
10. Статическое светорассеяние для частиц размером > λ/20, но Интерференция лучей, рассеянных на разных частях молекулы (проявляется
11. Статическое светорассеяние для частиц размером > λ/20, но График Зимма: углы концентрации
12. Статическое светорассеяние: резюме Чаще всего применяется для растворов полимеров Измеряем зависимости интенсивности рассеяния I от концентрации
13. Метод динамического светорассеяния Множественные названия одного и того же метода как в англоязычной, так и в
14. Метод динамического светорассеяния Измерения проводят, как правило, на одном фиксированном угле: 90°, 135°-145°, 173-178°
15. Метод динамического светорассеяния Флуктуации интенсивности рассеянного излучения при временах выборки десятки нс – миллисекунды:
16. Метод динамического светорассеяния Броуновское движение частиц в рассеивающем объеме Чем крупнее частица/молекула, тем медленнее она движется
17. Автокорреляционный подход Математическое определение коэффициента корреляции: В техническом определении корреляции часто не вычитают среднее и не
18. Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функции t = 0 Δt 0 1 мкс 2 мкс 3
19. Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функции t = 1 мкс Δt 0 1 мкс 2 мкс
20. Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функции t = 2 мкс Δt 0 1 мкс 2 мкс
21. Метод динамического светорассеяния: подготовка автокорреляционной функции
22. Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функции Если в растворе присутствуют частицы строго одного и того же
23. Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функции А) Метод кумулянтов: Разложение этой функции в ряд: Б) Алгоритм
24. Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функции Ограничения, накладываемые при интерпретации АКФ: Неотрицательность Z(D) Минимальное соотношение Г
25. Метод динамического светорассеяния: Тип данных Если в растворе присутствуют агрегаты, то мы измеряем размер агрегатов, а
26. Метод динамического светорассеяния: Недостатки метода Распределение взвешено по интенсивности рассеяния Возможен пересчет распределения в объемное или
27. Метод динамического светорассеяния: Ограничения метода Распределение взвешено по интенсивности рассеяния Возможен пересчет распределения в объемное или
28. Метод динамического светорассеяния: Измеряемые диапазоны Размер частиц – от 0.5 (реально 2-5) нм до 6 (реально
29. Ультрамикроскопия
30. Анализ траекторий наночастиц Nanoparticle Tracking Analysis (NTA) t – время наблюдения – средний квадрат пройденного расстояния
31. Анализ траекторий наночастиц: Схема прибора
32. Анализ траекторий наночастиц: Схема прибора
33. Анализ траекторий наночастиц: Принцип работы Выделение частиц, вычисление положения центров Составление траекторий Броуновкого движения частиц Шаг
34. Анализ траекторий наночастиц: Принцип работы Вычисление гидродинамического размера частицы Накопление статистики, построение гистограммы распределения по размерам
35. Анализ траекторий наночастиц: Допустимый диапазон концентраций Диапазон допустимых концентраций: 107 – 109 частиц/мл 1 частица на
36. Анализ траекторий наночастиц: Измеряемый диапазон размеров Диапазон измеряемых размеров зависит от образца: от 10 нм до
37. Анализ траекторий наночастиц: Достоинства Наглядность и достоверность. Как минимум, по концентрации. Счетный базис распределения. Метод NTA
39. Скачать презентацию

Слайд 2

Предмет лекции
Коллоидные растворы – частый объект интереса ученых.
В общем виде, в

него включаются как свободнодисперсные системы (лиофобные), состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы, так и истинные растворы полимеров, в том числе биологических (белки, белковые комплексы)

Лиофобная дисперсная система Две фазы, одна из которых – в высокодисперсном состоянии

Истинный раствор ВМС Молекулы полимера свободно двигаются в растворителе

Слайд 3

Предмет лекции
В лекции пойдет речь о методах характеризации таких объектов, измерении:
размеров

частиц/макромолекул, молекулярной массы, концентрации и т.д.

Классические методы светорассеяния: статическое и динамическое
Анализ траекторий наночастиц

Слайд 4

Зачем нужно характеризовать коллоидные растворы?
Синтетические полимеры / биополимеры:
Молекулярная масса Mw (что мы

синтезировали?)
Второй вириальный коэффициент A2 (взаимодействие макромолекул с растворителем)
Радиус инерции Rg (состояние макромолекулы в растворе)
Полимеры, биомакромолекулы, ассоциаты макромолекул
Гидродинамический радиус (гомогенность, агрегация)
Наночастицы
Гидродинамический радиус (вся область нанотехнологий – область размерных эффектов, модификация наночастиц, агрегация наночастиц)

Слайд 5

Рассеяние света малыми частицами
+
-
E
B
http://web.mit.edu/6.013_book/www/chapter12/12.4.html
Индуцированный осциллирующий
диполь

Слайд 6

Рассеяние света малыми частицами
d < λ/20 Релеевское рассеяние
λ/20 < d <

λ/2

Слайд 7

Статическое светорассеяние
Измерение усредненной по времени интенсивности
рассеянного под углом θ
излучения

Слайд 8

Случай малых частиц (<λ/20)

Растворитель также рассеивает излучение благодаря наличию флуктуаций

Слайд 9

Случай малых частиц (<λ/20)

Для идеального раствора полимера:
Для не идеального раствора полимера

(уравнение Дебая):

A2 – т.н. второй вириальный коэффициент Характеризует взаимодействие полимерных звеньев с растворителем

График Дебая

с (полимера), г/л

Слайд 10

Статическое светорассеяние для частиц размером > λ/20, но < λ/2
Интерференция лучей, рассеянных

на разных частях молекулы (проявляется на всех углах, кроме 0°)

размер < λ/20

Слайд 11

Статическое светорассеяние для частиц размером > λ/20, но < λ/2
График Зимма:

углы
концентрации

Слайд 12

Статическое светорассеяние: резюме
Чаще всего применяется для растворов полимеров
Измеряем зависимости интенсивности рассеяния

I от концентрации полимера и угла рассеяния
Получаем:
Для малых частиц – средневесовую молекулярную массу, второй вириальный коэффициент
Для более крупных частиц + радиус инерции

Слайд 13

Метод динамического светорассеяния
Множественные названия одного и того же метода как в

англоязычной,
так и в русскоязычной литературе:
Dynamic light scattering (DLS)
Photon Correlation Spectroscopy (PCS)
Quasielastic light scattering (QELS)
Динамическое светорассеяние (ДРС)
Лазерная корреляционная спектроскопия (ЛКС)
Динамическая спектроскопия рассеяния света

Слайд 14

Метод динамического светорассеяния
Измерения проводят, как правило, на одном фиксированном угле:
90°, 135°-145°,

173-178°

Слайд 15

Метод динамического светорассеяния
Флуктуации интенсивности рассеянного излучения при временах выборки десятки нс

– миллисекунды:

Слайд 16

Метод динамического светорассеяния
Броуновское движение частиц в рассеивающем объеме

Чем крупнее частица/молекула, тем медленнее

она движется

Крупные частицы – медленные флуктуации интенсивности,
Мелкие частицы – частые флуктуации

Слайд 17

Автокорреляционный подход
Математическое определение коэффициента корреляции:

В техническом определении корреляции часто не вычитают среднее

и не проводят нормировку на SD

Слайд 18

Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функции
t = 0
Δt
0 1 мкс 2 мкс

3 мкс

Слайд 19

Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функции
t = 1 мкс
Δt
0 1 мкс 2

мкс 3 мкс

Слайд 20

Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функции
t = 2 мкс
Δt
0 1 мкс 2

мкс 3 мкс

Слайд 21

Метод динамического светорассеяния: подготовка автокорреляционной функции

Слайд 22

Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функции
Если в растворе присутствуют частицы строго одного

и того же размера, то:

где Dt – коэффициент диффузии, q – волновой вектор

Если в растворе присутствуют разные частицы, то автокорреляционная функция представляет собой сумму (вернее, интеграл) экспонент от каждой фракции:

Слайд 23

Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функции
А) Метод кумулянтов:
Разложение этой функции в ряд:

Б)

Алгоритм CONTIN:
Регуляризация, затем решение обратной задачи:

Слайд 24

Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функции
Ограничения, накладываемые при интерпретации АКФ:
Неотрицательность Z(D)
Минимальное соотношение Г соседних

фракций

Слайд 25

Метод динамического светорассеяния: Тип данных
Если в растворе присутствуют агрегаты, то мы измеряем размер агрегатов,

а не первичных частиц
Мы измеряем гидродинамический/ размер:
При использовании пересчета D в размер мы использовали формулу для сферы. Размер является эффективным сферическим эквивалентом. Для полимеров – проблема протекаемости глобулы
Распределение взвешено по интенсивности рассеяния, а не по объему или числу частиц

Слайд 26

Метод динамического светорассеяния: Недостатки метода
Распределение взвешено по интенсивности рассеяния
Возможен пересчет распределения в

объемное или числовое по теории
Ми, зная оптические свойства материала частиц и жидкости
(коэффициент преломления и поглощения)

I ~ d6-d4

V ~ d3

Слайд 27

Метод динамического светорассеяния: Ограничения метода
Распределение взвешено по интенсивности рассеяния
Возможен пересчет распределения в

объемное или числовое по теории
Ми, зная оптические свойства материала частиц и жидкости
(коэффициент преломления и поглощения)
Высокая чувствительность к крупным частицам (пыли, крупным агрегатам)
А) Фильтрование растворов перед измерением через фильтр с диаметром пор 0.45 мкм
Б) Выполнение серии коротких измерений ACF с удалением выбросов и последующим усреднением
Низкое разрешение по размерам
Теоретическое 1:2, практическое 1:2.5-3

Слайд 28

Метод динамического светорассеяния: Измеряемые диапазоны
Размер частиц – от 0.5 (реально 2-5) нм

до 6 (реально 2-3) мкм
«Маскирование» мелких частиц крупными
Только диффузионное движение частиц (не должно быть
седиментации или конвекции)
Чем меньше размер частиц, тем выше должна быть концентрация
(ppm для частиц 200-500 нм, проценты – десятки процентов для
частиц 1-5 нм)
Концентрации частиц
Подбирается индивидуально под образец
Низкая концентрация – долгое измерение
Высокая концентрация – многократное рассеяние, занижение размера.

Слайд 29

Ультрамикроскопия

Слайд 30

Анализ траекторий наночастиц Nanoparticle Tracking Analysis (NTA)
t – время наблюдения
– средний

квадрат пройденного расстояния за время t
T – температура
η – вязкость растворителя
k – постоянная Больцмана

Частицы в растворе постоянно движутся
(Броуновское движение)
Уравнение Стокса-Эйнштейна (двумерный случай):

Слайд 31

Анализ траекторий наночастиц: Схема прибора

Слайд 32

Анализ траекторий наночастиц: Схема прибора

Слайд 33

Анализ траекторий наночастиц: Принцип работы
Выделение частиц, вычисление положения центров
Составление траекторий Броуновкого движения частиц
Шаг 1
Шаг

Слайд 34

Анализ траекторий наночастиц: Принцип работы
Вычисление гидродинамического размера частицы
Накопление статистики,
построение гистограммы распределения по размерам
и концентрации

частиц

Шаг 3

Шаг 4

Слайд 35

Анализ траекторий наночастиц: Допустимый диапазон концентраций
Диапазон допустимых концентраций: 107 – 109 частиц/мл
1

частица на кадре

> 200 частиц на кадре

Слайд 36

Анализ траекторий наночастиц: Измеряемый диапазон размеров
Диапазон измеряемых размеров зависит от образца:
от 10

нм до 2 мкм

Закон Рэлея:

Золото: Ri = 2.78, нижняя граница ~ 10 нм
Полистирольный латекс: Ri = 0.0157, нижняя граница ~ 25 нм

Слайд 37

Анализ траекторий наночастиц: Достоинства
Наглядность и достоверность. Как минимум, по концентрации. Счетный базис

распределения.
Метод NTA дает более близкое к реальному распределение частиц по размеру, а не эффективное, как в DLS Возможен анализ как мономодальных систем с узкими пиками, так и сложных полидисперсные систем с близкими по размеру фракциями.
Не требуется знание коэффициента преломления частиц
Значительно меньше, чем в DLS, мешающее влияние частиц пыли
Одновременное измерение как размера, так и концентрации частиц
• Возможность расширенной интерпретации данных

Методы светорассеяния для исследования растворов (био) полимеров и наночастиц

Содержание

Предмет лекцииКоллоидные растворы – частый объект интереса ученых.В общем виде, в

Предмет лекцииВ лекции пойдет речь о методах характеризации таких объектов, измерении:размеров

Зачем нужно характеризовать коллоидные растворы?Синтетические полимеры / биополимеры:Молекулярная масса Mw (что мы

Рассеяние света малыми частицами+-EBhttp://web.mit.edu/6.013_book/www/chapter12/12.4.htmlИндуцированный осциллирующийдиполь

Рассеяние света малыми частицамиd < λ/20 Релеевское рассеяние λ/20 < d <

Статическое светорассеяниеИзмерение усредненной по времени интенсивностирассеянного под углом θизлучения

Случай малых частиц (<λ/20) Растворитель также рассеивает излучение благодаря наличию флуктуаций

Случай малых частиц (<λ/20) Для идеального раствора полимера:Для не идеального раствора полимера

Статическое светорассеяние для частиц размером > λ/20, но < λ/2Интерференция лучей, рассеянных

Статическое светорассеяние для частиц размером > λ/20, но < λ/2График Зимма: углыконцентрации

Статическое светорассеяние: резюмеЧаще всего применяется для растворов полимеровИзмеряем зависимости интенсивности рассеяния

Метод динамического светорассеянияМножественные названия одного и того же метода как в

Метод динамического светорассеянияИзмерения проводят, как правило, на одном фиксированном угле:90°, 135°-145°,

Метод динамического светорассеянияФлуктуации интенсивности рассеянного излучения при временах выборки десятки нс

Метод динамического светорассеянияБроуновское движение частиц в рассеивающем объеме Чем крупнее частица/молекула, тем медленнее

Автокорреляционный подходМатематическое определение коэффициента корреляции: В техническом определении корреляции часто не вычитают среднее

Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функцииt = 0Δt0 1 мкс 2 мкс

Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функцииt = 1 мксΔt0 1 мкс 2

Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функцииt = 2 мксΔt0 1 мкс 2

Метод динамического светорассеяния: подготовка автокорреляционной функции

Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функцииЕсли в растворе присутствуют частицы строго одного

Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функцииА) Метод кумулянтов:Разложение этой функции в ряд: Б)

Метод динамического светорассеяния: Тип данныхЕсли в растворе присутствуют агрегаты, то мы измеряем размер агрегатов,

Метод динамического светорассеяния: Недостатки методаРаспределение взвешено по интенсивности рассеянияВозможен пересчет распределения в

Метод динамического светорассеяния: Ограничения методаРаспределение взвешено по интенсивности рассеянияВозможен пересчет распределения в

Метод динамического светорассеяния: Измеряемые диапазоныРазмер частиц – от 0.5 (реально 2-5) нм

Ультрамикроскопия

Анализ траекторий наночастиц Nanoparticle Tracking Analysis (NTA)t – время наблюдения – средний

Анализ траекторий наночастиц: Схема прибора

Анализ траекторий наночастиц: Схема прибора

Анализ траекторий наночастиц: Принцип работыВыделение частиц, вычисление положения центровСоставление траекторий Броуновкого движения частицШаг 1Шаг

Анализ траекторий наночастиц: Допустимый диапазон концентрацийДиапазон допустимых концентраций: 107 – 109 частиц/мл1

Анализ траекторий наночастиц: Измеряемый диапазон размеровДиапазон измеряемых размеров зависит от образца:от 10

Анализ траекторий наночастиц: Достоинства Наглядность и достоверность. Как минимум, по концентрации. Счетный базис

Похожие презентации

Предмет лекции
Коллоидные растворы – частый объект интереса ученых.
В общем виде, в

Предмет лекции
В лекции пойдет речь о методах характеризации таких объектов, измерении:
размеров

Зачем нужно характеризовать коллоидные растворы?
Синтетические полимеры / биополимеры:
Молекулярная масса Mw (что мы

Рассеяние света малыми частицами
+
-
E
B
http://web.mit.edu/6.013_book/www/chapter12/12.4.html
Индуцированный осциллирующий
диполь

Рассеяние света малыми частицами
d < λ/20 Релеевское рассеяние
λ/20 < d <

Статическое светорассеяние
Измерение усредненной по времени интенсивности
рассеянного под углом θ
излучения

Случай малых частиц (<λ/20)

Растворитель также рассеивает излучение благодаря наличию флуктуаций

Случай малых частиц (<λ/20)

Для идеального раствора полимера:
Для не идеального раствора полимера

Статическое светорассеяние для частиц размером > λ/20, но < λ/2
Интерференция лучей, рассеянных

Статическое светорассеяние для частиц размером > λ/20, но < λ/2
График Зимма:

углы
концентрации

Статическое светорассеяние: резюме
Чаще всего применяется для растворов полимеров
Измеряем зависимости интенсивности рассеяния

Метод динамического светорассеяния
Множественные названия одного и того же метода как в

Метод динамического светорассеяния
Измерения проводят, как правило, на одном фиксированном угле:
90°, 135°-145°,

Метод динамического светорассеяния
Флуктуации интенсивности рассеянного излучения при временах выборки десятки нс

Метод динамического светорассеяния
Броуновское движение частиц в рассеивающем объеме

Чем крупнее частица/молекула, тем медленнее

Автокорреляционный подход
Математическое определение коэффициента корреляции:

В техническом определении корреляции часто не вычитают среднее

Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функции
t = 0
Δt
0 1 мкс 2 мкс

Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функции
t = 1 мкс
Δt
0 1 мкс 2

Метод динамического светорассеяния: вычисление автокорреляционной функции
t = 2 мкс
Δt
0 1 мкс 2

Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функции
Если в растворе присутствуют частицы строго одного

Метод динамического светорассеяния: интерпретация автокорреляционной функции
А) Метод кумулянтов:
Разложение этой функции в ряд:

Б)

Метод динамического светорассеяния: Тип данных
Если в растворе присутствуют агрегаты, то мы измеряем размер агрегатов,

Метод динамического светорассеяния: Недостатки метода
Распределение взвешено по интенсивности рассеяния
Возможен пересчет распределения в

Метод динамического светорассеяния: Ограничения метода
Распределение взвешено по интенсивности рассеяния
Возможен пересчет распределения в

Метод динамического светорассеяния: Измеряемые диапазоны
Размер частиц – от 0.5 (реально 2-5) нм

Анализ траекторий наночастиц Nanoparticle Tracking Analysis (NTA)
t – время наблюдения
– средний

Анализ траекторий наночастиц: Принцип работы
Выделение частиц, вычисление положения центров
Составление траекторий Броуновкого движения частиц
Шаг 1
Шаг

Анализ траекторий наночастиц: Допустимый диапазон концентраций
Диапазон допустимых концентраций: 107 – 109 частиц/мл
1

Анализ траекторий наночастиц: Измеряемый диапазон размеров
Диапазон измеряемых размеров зависит от образца:
от 10

Анализ траекторий наночастиц: Достоинства
Наглядность и достоверность. Как минимум, по концентрации. Счетный базис