Stanovení koncentrace částic

Ke stanovení koncentrace, tvaru a velikosti částic se typicky využívají mikroskopy ať již optické či elektronové: (a) transmisní – TEM, (b) skenovací, řádkovací či rastrovací – SEM (en) či REM (čj). Volba typu mikroskopu závisí na velikosti zkoumaných částic. U optických mikroskopů lze stanovovat částice od přibližně 500 nanometrů po několik milimetrů (přístroje Morphologi), u elektronových lze dosáhnout na spodním limitu až na stovky či desítky nanometrů (stolní SEMy Phenom). Pro správné stanovení velikosti částic je vyžadováno alespoň 100 pixelů na částici, pro tvar alespoň 1000 pixelů (ISO 9276-6:2008, dále ISO 13320:2009), což vede na výše uvedené limity.

Mezi další metody patří analýza trajektorií částic v roztoku (Particle tracking analysis, PTA, ISO 19430:2016), kde je ukládán videozáznam světla rozptýleného na Brownovsky se pohybujících částicích. Výhodou této metody je rychlost stanovení koncentrace a velikosti nanočástic od 10 nm v řádu minut. Jedná se o řádově rychlejší stanovení oproti ostatním mikroskopovým metodám díky možnosti využití kontrolovaného toku vzorku k zaznamenání velkého množství částic v krátkém čase. Na tomto principu pracují přístroje NanoSight.

Novinkou je pak patentované stanovení velikosti a koncentrace částic bez potřeby kalibrační řady metodou více-úhlového dynamického rozptylu světla (Multi-Angle Dynamic Light Scattering, MADLS®). Tato technologie je dostupná pouze v přístroji Zetasizer Ultra Red.

Kde využijete stanovení koncentrace částic?

Zejména ve vývoji vakcín, léčiv včetně cílené dopravy a uvolňování léčiva při studiu patogenů obsahujících viry, virům podobné částice (VLP), fágy, mimobuněčné vesikly, proteiny, liposomy aj.

Dále při stanovení technické čistoty produktů podle norem ISO 16232, VDA 19 a v čistých prostorech ISO 14644-1.

V neposlední řadě při sledování toxicity (nano)částic ať již se jedná o azbestová vlákna (ISO 14966) způsobující rakovinu plic či obecně libovolné nanočástice ISO/TR 13014:2012. Důležitost takových nanotoxikologických analýz spočívá například v tom, že částice < 40 nm mají schopnost vstupovat do jádra buněk. Legislativní definice nanomateriálů v EU vyžaduje stanovení početní distribuce a dá se očekávat budoucí regulace.

Přehled technik

(A) Optické

Morphologi 4 a 4-ID: jedná se o automatizované mikroskopy s ovládacím-vyhodnocovacím SW zcela zaměřeným na stanovení distribucí velikosti, tvaru a složení částic podle Ramanova spektrometru (v modelu 4-ID). Lze měřit jak suspenze, tak suché prášky, pro něž má přístroj zabudovanou speciální dispergační jednotku. Tu lze zcela automaticky ovládat ze SW. Díky automatizaci jinak zcela se opakující činnosti lze dosáhnout významného urychlení sběru dat o částicích a to až řádově na desítky tisíc částic za hodinu. Velmi pokročilý SW nejen vyhodnocuje 9 parametrů velikosti částic, 8 parametrů tvaru částic a střední intenzitu a odchylku částic ve stupních šedi, ale také poskytuje možnosti jednoduchého filtrování (vyloučení), klasifikace na různé typy částic s vyhodnocením parametrů všech vybraných typů částic. Tím nejdůležitějším je ale nástroj pro porovnávání různých měření (šarží) a to z hlediska největší a nejmenší podobnosti ve všech parametrech. SW sám navrhuje, která měření jsou si nejvíce podobná a spadají například mezi šarže s vlastnostmi podle specifikace či mimo specifikaci.

NanoSight – Přístroje z této řady sledují pohyb světla rozptýleného na částicích, proto nelze stanovit tvar těchto částic, ale pouze koncentraci částic a to v rozsahu 106-109 částic v mililitru. Koncentrační rozsah je omezený zdola velmi malou statistickou reprodukovatelností, kterou lze zlepšit o řád na 106 částic/ml s využitím lineárního dávkovače. Horní omezení koncentrace souvisí s přeplněním videozáznamu překrývajícími se částicemi, jejich trasování je s narůstajícím počtem částic stále kratší a méně přesné. Výhodou této techniky je možnost využít fluorescenční značení částic a filtry maskující vlnovou délku laseru pro získání informace o fluoreskujících částicích ať již se jedná o částice sledované či balast. To ve výsledku umožňuje rozlišování původu částic. Uvedené vlastnosti předurčují NanoSight pro použití v biochemii, virologii, cíleném doručování a uvolňování léčiv a dalších podobných oborech.

Zetasizer Ultra Red – Jedná se o zcela novou generaci přístrojů pracujících na principu dynamického rozptylu světla, která ke stanovení koncentrace částic využívá nově patentovanou metodu MADLS. Ta ve spojení s naměřenou hodnotou rozptylu světla použitého rozpouštědla umí s využitím Mieho teorie spočítat koncentraci částic v jednotlivých velikostních frakcích. Přesností je toto stanovení srovnatelné se skenovacími či transmisními elektronovými mikroskopy, ovšem oproti nim nabízí výsledky do 5ti minut. Při srovnání s přístroji řady NanoSight zaujme větší statistická robustnost (větší koncentrační rozsah) a menší subjektivnost výsledků a zejména unikátní schopnost stanovení částic pod hranicí detekce NanoSightů, tj. pod 10 nm pro anorganické a pod cca 40 nm pro organické částice (s malým rozdílem indexů lomu oproti rozpouštědlu). Tvar částic tento přístroj stanovit neumí, ale pro některé typy částic lze pomocí polarizačních filtrů a technologie depolarizovaného DLS měření odhalit, zdali se jedná o čistě kulové či též nekulové částice.

(B) Elektronové

Řada stolních rastrovacích elektronových mikroskopů Phenom od Thermo Scientific s využitím softwaru ParticleMetric umožňuje automatizované stanovení distribuce velikosti a tvaru částic od 100 nm do 100 µm; podobně jako u optického mikroskopu Morphologi. Pro chemickou analýzu je zde místo ramanovského spektrometru použita lokální prvková energiově disperzní analýza (EDS či EDX) charakteristické rentgenové emise prvků. Díky vysoce přesnému motorizovanému posunu stolečku můžete vybranou částici po úvodní analýze znovu nalézt použitím funkce „revisit“ a pokračovat v podrobnějším zkoumání či určit lokální prvkové složení pomocí EDS. I k tomuto přístroji lze dokoupit příslušenství pro reprezentativní rozptýlení sypkých materiálů – zařízení Nebula. Nad rámec částic jsou též dostupné obdobné softwarové moduly pro stanovení distribuce průměrů vláken, pórů a další (podrobněji zde).