Fingerprint der Stabilität von Kolloiden

Das Stabilitätsverhalten von kolloidalen Stoffsystemen und Dispersionen ist häufig von der elektrostatischen Ladung an der Partikelgrenzfläche und der Partikelgrößenverteilung abhängig. Im Folgenden wird das Duo Stabino® / NANO-flex vorgestellt. Zwei bestens aufeinander abgestimmte Methoden sind hier zusammengeführt.

Partikelgrenzfläche / Zetapotential /Partikelgröße

Die kurzreichweitige, jedoch starke Van-der-Waals – Anziehung zwischen den Teilchen zu verhindern ist die Kunst der Formulierung von stabilen kolloidalen Stoffsystemen und Dispersionen. Eine mit räumlich (sterisch) hindernden Makromolekülen oder elektrostatisch wirkenden Ionen besetzte Partikelgrenzfläche wirkt dieser Anziehung entgegen. Die ionischen Grenzflächeneigenschaften sind zum Beispiel als „Zetapotential“ messbar. Die Ionen der Grenzfläche reagieren jedoch mit Ionen des sie umgebenden Fluids. Deshalb macht die reine Aussage über das  Zetapotential selten Sinn ohne über pH – Wert, Polyelektrolyt- oder Salzumgebung Angaben zu machen. Am aussagekräftigsten ist deshalb ein Titrationsverlauf, aufgetragen gegen einen oder mehrere der genannten Parameter.

Die meisten Zetapotential bestimmenden Methoden, darunter insbesondere die optischen,  eignen sich nicht für schnelle Titrationsarbeiten. Das Analysesystem Stabino® ist dafür konzipiert diese Aufgabenstellung mittels elektrischer Messung auf einfache Weise zu bewältigen.

Der NANO-flex Partikelanalysator ist eine sinnvolle Ergänzung zur Ladungsbestimmung, da die Partikelgrößenverteilung sowie die Konzentration einzelner Fraktionen zu erkennen eine wesentliche Rolle in der Kolloidanalytik spielen. Mit der hier angewendeten 180° DLS dynamischen Lichtstreuung erreicht man eine hohe Empfindlichkeit im unteren Größenbereich von breiten Größenverteilungen. Die externe Messsonde passt in die Messzelle des Stabino® Partikelladungstitrators zur simultanen Partikelgrößenmessung.

Die elektrische Doppelschicht und das Zetapotential

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Abb. 1: links: Partikelgrenzfläche mit umgebenden abschirmenden Gegenionen. An der Scherebene sind die äußeren und lose gebundenen Überschussionen vom Rest abtrennbar. Für die Praxis ist nur das nach der Abscherung messbare Potential an der Scherebene wichtig; das sog. Zetapotential ζ.
rechts: Potentialverläufe der abstoßenden elektrostatischen Energie und der anziehend wirkenden Van-der-Waals Energie. Zusammen addiert ergeben sie die rote Kurve.

Eine geladene Oberfläche zieht aus der flüssigen Umgebung gegenpolige Überschuss - Ionen an, welche die Ladung nach außen hin abschirmen. Diese elektrische Ladungswolke wird „Doppelschicht“ genannt. Von den angelagerten Ionen sind die inneren fest, die weiter außen befindlichen lose gebunden. Die Ladungsverteilung lässt sich als abklingende Potentialfunktion darstellen, wobei das Potential für die abstoßende Wirkung steht. In Abb.1 sind die abstoßende elektrische und die anziehende Van-der-Waals Kraft als idealisierte Potentialverläufe gegenübergestellt. Zur Messung des PGP Partikelgrenzflächenpotentials werden die lose gebundenen Ionen durch mechanische oder elektrische Kräfte abgeschert.

Im Nachfolgenden wird auf das Messprinzip, in welcher eine Strömung als Scherkraft eingesetzt wird, eingegangen. Im Stabino® ist dies  praxisnah umgesetzt.

Das Strömungspotential – Prinzip im Stabino®

Wird eine Flüssigkeit in Bewegung gesetzt, erfährt die Überschuss - Ladungswolke eine Verschiebung in Richtung der Strömung. Mit Hilfe von 2 Elektroden längs der Strömung wird eine elektrische Spannungsdifferenz, das „Strömungspotential“ SP abgegriffen. Das Signal ist proportional zur Geschwindigkeit Dv der Flüssigkeit und dem Zetapotential z der Oberfläche. Auf diese Weise lässt sich das Zetapotential von „glatten“ Oberflächen und auch von Oberflächen, die mit Partikeln voll belegt sind, bestimmen. Polarität, Ionenstärke des Mediums und Geometrie des Messkanals werden in einer einzigen Gerätekonstante k vereinigt (1).

SP = k.Δv.ζ                               (1)

Um Partikel an der Oberfläche zu immobilisieren, bedient man sich der natürlichen Anhaftung von Makromolekülen und feinen Teilchen an Oberflächen. Um den Einfluss der Ladungen an der Zellwand selbst klein zu halten, wird PTFE bzw. ein anderes Material mit sehr niedriger Oberflächenbeladung gewählt.

Messanordnung des Stabino® mit vorzüglichen Anwendungseigenschaften

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Abb.2: Messeinheit mit Zylinder (10 ml Probenvolumen), Pistill und 2 Elektroden, an denen das oszillierende Strömungspotential SP abgenommen wird. Die entsprechende Titrandenlösung (pH-, Salz-, bzw. Polyelektrolyt-) wird von oben zugetropft. 10 μl sind der Minimalschritt. Hier finden Messung und Durchmischung GLEICHZEITIG in Sekundenschnelle statt.

Durch die Auf- und Abbewegung eines Teflon - Pistills in einem Messzylinder aus Teflon entsteht im engen Spalt zwischen Stempel und Zylinder ein oszillierendes Strömungspotential SP (Abb.2).

Durch die Pistillbewegung wird das Messsignal in 1 Sekunde erzeugt, die Probe homogen gehalten und sofort durchmischt. Es gibt keine Konvektions- bzw. Sedimentations-probleme. Die Methode ist im Vergleich zu optischen Methoden etwa 30mal schneller in der Titration. Das elektrische Signal wird weder durch Form noch durch Farbe oder andere optische Eigenschaften beeinflusst. Das Messprinzip ist anwendbar von 0,3 nm bis 300 μm. Es eignet sich also für Makromoleküle (Polyelektrolyte) genauso wie für Pulversuspensionen und Emulsionen.

Die optimale Probenkonzentration liegt bei 0,1 bis 5% Vol. Ohne Titration durch den Nullpunkt liefert das System bis 40% Vol. zuverlässige Werte.

Abgeleitet von den oben genannten Qualitäten ist das Gesamtsystem maßgeschneidert für effiziente Ladungstitrationen. Um die Titrandengefäße nicht zu oft wechseln zu müssen, sind zwei Titratoren im System eingebaut. Für zusätzliche Kompaktheit sorgt ein Tablet PC. Alles in allem: Der Stabino® eignet sich für Formulierungsarbeiten wie kein anderes Gerät als „charge mapping master”.

In der Vergangenheit führte die stundenlange Prozedur von Titrationen mit optischen Geräten dazu, dass Titrationen eher vermieden wurden. Dadurch wurde auf wertvolle Information verzichtet. Mit dem Stabino® kann dieser Nachholbedarf aufgeholt werden.

Kalibration

Das Messsignal wird wahlweise auf eine Suspension bekannten Zetapotentials oder auf eine Polyelektrolytlösung („Strömungspotential“) bekannter Ladungskonzentration kalibriert. Damit ist eine Anpassung an die Messproblematik gegeben. Wegen des sehr breiten Anwendungsspektrums (Makromolekulare Lösungen, Pulversuspensionen,  Bioorganismen, Emulsionen) wird empfohlen, die Kalibrierung mit einem Stoff ähnlicher Größe bzw. Art vorzunehmen.

Anwendungen Ladungstitration

Generell

Neben vergleichenden Potentialmessungen sind die häufigsten Anwendungsbereiche:

• Polyelektrolyttitrationen
• pH – Titrationen
• Ladungsnullpunkt - Bestimmung
• Quantitative Bestimmung von funktionellen ionischen Endgruppen
• Kinetik des Grenzflächenpotentials
• Festlegen von stabilen und instabilen Zonen

Die Anwendungsgebiete sind vielfältig und reichen von Chitosan, Proteinen, Getränken,

Nano- und Mikrocoating, Keramikschlickern, Kohlenstoff-Nanopartikeln bis hin zu Algen und geologischen Proben.

Die Ladungsmengen – Titration bzw. Polyelektrolyt-Titration

Diese Art von Titrationen ist zwar weniger bekannt, dafür umso nützlicher für Formulierungen und Stabilitätsvorhersagen.

Getränkestabilität

Es ist interessant festzustellen, dass Stabilitätsprobleme in Getränken vielfach auf  Eigenschaften und Menge von Makromolekülen beruhen. Hier zeigt sich die Stärke des Stabino® – Prinzips. Es reagiert hervorragend auf Makromoleküle, was von optischen Analysegeräten nicht behauptet werden kann und seien sie in anderer Beziehung noch so gut.

Dispergierbarkeit von CNTs Carbon Nanotubes optimieren

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Abb. 3: CNT - P r o b e n mit ladungskalibrierter kationischer Poly-DADMAC - Lösung bis 0 mV titriert, um aus dem Verbrauch die Belegung der CNTs mit ionischen funktionellen Endgruppen bestimmen zu können. Der Verbrauch in ml wurde in meq umgerechnet.

Die Grenzfläche von CNTs sind „von Natur aus“ elektrostatisch neutral. Deshalb neigen sie zur Nesterbildung. CNTs in Kompositmaterialien homogen einzumischen hängt jedoch entscheidend von der Dispergierbarkeit ab. Die Oberfläche der CNTs wird also elektrostatisch abstoßend gemacht. Wie gut dies gelingt, kann mit einer Ladungstitration nachgewiesen werden. Es werden jeweils 0,1 mg einer Probe eingewogen, die gemessene Ladung [meq] pro Einwaage gerechnet. Falls die spezifische Oberfläche bekannt ist, kann die spezifische Oberflächenladung [Cm^-2] angegeben werden.  

Isoelektrischen Punkt bzw. stabile Systemparameter bestimmen

In pH abhängigen Stoffsystemen den Strömungspotentialverlauf zu bestimmen ist eine weitere typische Anwendung schneller Titrationen. Bei Proteinen gibt der isoelektrische Punkt über die Löslichkeit der Proteine Auskunft. In technischen Anwendungen sollen Stoffsysteme über weite pH – Bereiche stabil bleiben. Stabino® ist auch hier ein schneller Helfer bei Formulierungsarbeiten.

Einfluss von Salzen in der umgebenden Lösung

Wie erwähnt, nimmt das Zetapotential mit der Salzkonzentration ab. Dieselbe Messvorrichtung im Stabino dient dazu, die Leitfähigkeit zu bestimmen bzw. nach der Leitfähigkeit oder Salzkonzentration zu titrieren. Das Strömungspotential wurde bis zu 100 mMol KCl-Gehalt gemessen.

Größenbestimmung 0,8 nm bis 6,5 μm optional im Duo

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Abb. 4: 180° DLS heterodyn Anordnung für die Größenmessung im Stabino®. Der Messkopf ist flexibel am Ende einer Faser angebracht.

Die Messanordnung des NANO-flex ist als Eintauchsonde gestaltet und passt auch in das Messgefäß des Stabino®.

Ein Laserstrahl wird über eine Lichtleiterfaser durch das Eintrittsfenster in die Probe geleitet. Nur das von den Partikeln in den Winkel 180° rückgestreute Licht wird über dieselbe Faser und eine Y-Weiche auf den Detektor geleitet. Ein Teil des durch das Saphirfenster in die Probe fokussierten Laserlichts gelangt über dieselbe Faser auf den Empfänger und verstärkt damit das Streulichtsignal der Partikeln optisch. Im Vergleich zu nicht 180° Anordnungen weist die Auslegung bei 180° eine besonders gute Empfindlichkeit unter 100 nm auf.

180° DLS bedeutet:

• kürzeste Lichtwege in der Probe und damit keine verfälschende Mehrfachstreuung  Das bedeutet auch: über Größenordnungen der Stoffkonzentration gleich bleibende Größenwerte.
• Größenbestimmung bis zu 40% Stoffkonzentration, von 0,8 nm bis 6,5 µm.
• Besondere Empfindlichkeit für Partikeln unterhalb von 100 nm.

Messungen mit dem Duo Stabino® / NANO-flex

pH-Titrationen an OVE- und BOVE Albuminen mit 1 und 5 nm Partikelgröße dauern 5 Minuten. Die Titrationskurven sind quasikontinuierlich. Eine Titration dauert 5 Minuten.

In vielen Systemen ist nicht nur der isoelektrische Punkt als ultimativer Endpunkt einer Destabilisation interessant, sondern der sogenannte kritische Koagulationspunkt, an dem ein System beginnt instabil zu werden. Dies zeigt sich häufig als Knickpunkt in der Ladungstitration und in der Größenverteilung als der Beginn einer Agglomeration. Im Beispiel der Abb. 5 wird dies an Al₂O₃ - Suspensionen deutlich.

pH – Titration und kritischer Koagulationspunkt

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Abb. 5: pH-Titrationen an Al2O3-Suspensionen von Evonik Degussa (links). In der Auftragung rechts beginnt die Änderung von D50 und D90 der W630-Probe der Größenverteilung entsprechend des Knicks in der Ladungsverteilung bei pH=7.

Fazit

Der weite Größenbereich des Stabino® von Makromolekülen bis Mikrometer großen Partikeln ermöglicht neuartige Anwendungen. Die Schnelligkeit der Ladungstitration lädt dazu ein, eher eine Titration durchzuführen als mit der klassischen optischen Zetapotential – Methode. Damit eignet sich der Stabino® hervorragend als Fingerprint – Methode bei Formulierungs- und Kategorisierungsarbeiten. Die komplementäre Aussage der Größenverteilung bei weitgehender Überlappung des Größen- und Konzentrationsbereichs ist von großem Nutzen, weil die Messungen meist bei der gleichen Stoffkonzentration durchgeführt werden können.