Pengukuran Emas Berukuran Nano Partikel Dengan Menggunakan Metode Hamburan Cahaya Dinamis

Pengukuran Emas Berukuran Nano Partikel Dengan Menggunakan Metode Hamburan Cahaya Dinamis

Abstrak

Penerapan dari metode hamburan cahaya dinamis (DLS) untuk menentukan ukuran distribusi nanopartikel emas koloid dalam rentang 1-100 nm dibahas. Hal ini menunjukkan bahwa rotasi difusi nonspherical hamburan partikel kuat pada ukuran lebih besar dari 30-40 nm hasilnya pada tampilan puncak palsu dalam rentang ukuran sekitar 5-10 nm. Dalam hal ini, penerapan yang tidak kritis dari metode DLS mungkin menghasilkan volume partikel atau angka distribusi ukuran yang berbeda dari yang diperoleh dengan transmisi elektron mikroskopis. Untuk hamburan partikel lemah dengan diameter lebih kecil yaitu 20 nm, metode DLS menunjukkan puncak tambahan intensitas distribusi di wilayah ukuran yang besar yang berhubungan dengan agregat partikel atau hasil sampingan daripada nanopartikel individu. Metode praktis untuk memecahkan masalah puncak palsu didiskusikan. Hal ini dibuktikan bahwa lebar distribusi DLS tidak sesuai dengan Data mikroskop elektron transmisi dan terlalu tinggi. Keuntungan dan kelemahan dari metode dibandingkan dan dicatat bahwa, saat ini, metode DLS adalah satu-satunya instrumen yang cocok untuk diagnosa nonperturbative dan sensitif dari proses agregasi yang relatif lambat dengan waktu karakteristik pada orde 1 menit. Secara khusus, metode ini dapat digunakan untuk mendiagnosa konjugasi emas nanopartikel agregasi dimulai oleh interaksi biospecific pada permukaannya.

I. PENDAHULUAN

Metode hamburan cahaya dinamis (DLS) didasarkan pada pengukuran fungsi autokorelasi untuk fluktuasi penyebaran intensitas cahaya g2(τ) yang menyajikan informasi mengenai ruang dinamika penghambur dan fluktuasi waktu dari sifat masing-masing optik. Oleh karena itu, informasi dari ukuran, bentuk, dan interaksi penghambur (dalam sistem encer atau pekat), serta struktur dan dinamika internal ditampilkan, pada prinsipnya, akan tersedia pada [3]. Potensi ini mendorong pengembangan bidang aplikasi berbagai metode DLS yang dijelaskan dalam [1, 4]. Saat ini, metode DLS secara luas digunakan dalam studi yang berhubungan dengan sintesis, fungsionalisasi, dan penggunaan

biomedis dari nanopartikel yang menunjukkan plasmon resonansi, terutama berkaitan dengan nanopartikel emas dan perak [5, 6]. Sebagai contoh, metode DLS digunakan untuk menyelidiki struktur dan interaksi biokonjugasi koloid emas (CG) dengan molekul target [7-9], untuk mengembangkan metode untuk mendeteksi biomarker homogen kanker [10], dan untuk menganalisis sendiri penyusunan gugus fungsi DNA nanopartikel emas [11].

Sejumlah instrumen yang diuraikan oleh Malvern Co (Inggris) untuk menganalisis nanopartikel [12] banyak digunakan (termasuk penggunaannya di Rusia) yang hampir rutin untuk penentuan laboratorium dengan ukuran yang rata-rata dan distribusi ukuran nanopartikel. Pengalaman kami dalam menggunakan salah satu instrumen yang baru dikembangkan, yaitu, Zetasizer Nano ZS, menunjukkan bahwa aplikasi tidak kritis dari metode DLS tanpa kontrol tambahan dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi (TEM) dapat menyebabkan artefak. Seperti ditunjukkan dalam [13] dan pekerjaan ini, dalam kasus partikel perak, artefak ini adalah karena kontribusi dari difusi rotasi untuk fungsi korelasi intensitas penyebaran partikel CG nonspherical dengan diameter lebih besar dari 40 nm. Dalam kasus partikel dengan diameter yang lebih kecil 20 nm, distribusi intensitas pada maksimum kedua di wilayah 200 nm, dimana menghilang untuk larutan koloid partikel dengan ukuran yang rata-rata lebih besar. Mengingat hal ini, dalam semua kasus, penyebaran distribusi jumlah partikel ukuran DLS terasa melebihi ukuran dispersi yang diperoleh dari gambar TEM. Pertanyaan-pertanyaan ini adalah objek yang dibahas dalam makalah ini. Bagian akhir dari komunikasi tersebut dikhususkan untuk analisis komparatif dari kelebihan dan kelemahan dari metode yang digunakan dalam pekerjaan ini.

II. METODE DLS YANG DIGUNAKAN UNTUK PENENTUAN DISTRIBUSI UKURAN UNTUK KOLOID EMAS NANOPARTIKEL

CG nanopartikel dengan ukuran partikel 8-100 nm yang dihasilkan oleh metode Frens (reduksi HAuCl4 dengan natrium sitrat pada suhu larutan sebesar 100 ° C [5]) digunakan dalam pekerjaan ini. Protokol lainnya dan agen pereduksi, misalnya, natrium borohidrida, harus digunakan untuk mendapatkan partikel yang lebih kecil [5]. Ukuran nanopartikel dikarakterisasi dengan Libra 120 mikroskop elektron (Carl Zeiss,

Jerman), Zetasizer Nano ZS hamburan cahaya dinamis instrumen beroperasi dari belakang (sudut hamburan dari 173 °) dan ke depan (13 °) hamburan mode, dan instrumen PhotoCor (Photocor Instruments, Inc, Rusia) beroperasi pada sudut 90 °.

Ketika menganalisis partikel dengan metode DLS, yang terpenting adalah untuk membedakan antara kasus partikel kecil dan besar, dengan perbatasan antara yang ditetapkan dari rasio diantara penampang hamburan dan pemadaman (hamburan + penyerapan) atau hamburan dan penyerapan.

Gambar 1 mencontohkan rasio antara penampang rata-rata hamburan dan pemadaman pada panjang gelombang dari laser He-Ne, yang digunakan pada kedua instrumen, untuk partikel emas polydisperse ditandai dengan distribusi ukuran normal (~exp[-(d/dav-1)2/2σ2]) dengan akar kuadrat setengah luas dari = 30% (Gambar 1, inset). Dimulai pada diameter rata-rata sekitar 40 nm, penampang rata-rata hamburan lebih besar dari 50% dari pemadaman, maka, ansambel dari partikel yang lebih besar dapat dianggap sangat hamburan. Perhatikan bahwa, untuk sistem monodisperse, batas dari bagian ini pada panjang gelombang resonansi terletak secara nyata jauh ke kanan, di wilayah 80 nm [14]. Untuk percobaan kami, kami memilih partikel dengan diameter rata-rata sekitar 16 dan 60 nm (Gambar 2) sebagai model yang menunjukkan hamburan lemah dan kuat pada panjang gelombang dari instrumen. Selanjutnya, sampel ini dilambangkan sebagai CG-16 Dan CG-60.

Gambar. 1. Hamburan rata-rata terhadap rasio penampang pemadaman sebagai fungsi dari diameter partikel untuk partikel emas polydisperse

dengan jumlah partikel distribusi ukuran normal ditandai dengan normalisasi akar kuadrat setengah luas σ = 30%. Perhitungan yang

dilakukan dalam hal teori Mie untuk dispersi dari partikel emas dalam air pada laser He-Ne dengan panjang gelombang 632,8 nm. Inset

menunjukkan kurva distribusi ukuran partikel.

Menurut data TEM, untuk partikel CG-16, diameter partikel rata-rata adalah dav = 15.8 ± 1.4 nm dan rasio aksial rata-rata rav = 1.05 ± 0.05. Untuk partikel CG-60, ukuran rata-rata dan rasio aksial adalah dav = 59.4 ± 5.3 nm dan rav = 1.33 ± 0.22 masing-masing. Rata-rata relative dari distribusi setengah luas adalah σ = σd/dav = 8,9% untuk kedua sampel (ini adalah kebetulan yang tidak disengaja, yang menunjukkan polidispersitas dekat ansambel). Dengan demikian, dalam kedua kasus, analisis TEM menunjukkan angka distribusi ukuran dari unimodal partikel agak terbatas dengan polidispersitas tidak lebih tinggi dari 10%. Perbedaan utama adalah penyimpangan nyata dari partikel CG-60 dari bentuk bulat. Peningkatan tingkat nonsphericity dengan ukuran partikel tercatat sebelumnya [15,16]. Secara khusus, dua kelompok data pada ketergantungan ukuran rasio aksial rata-rata dilaporkan untuk partikel CG [16], yang mungkin dapat dijelaskan oleh hubungan berikut:

r1 = 1.15 + (dav – 20)/350,

r2 = 1.18 + (dav – 20)/160. (1)

Rasio aksial partikel CG-16, seperti yang telah diperkirakan dari persamaan, adalah 1,14-1,16, lebih tinggi dari nilai yang didapatkan yaitu 1,05. Untuk partikel CG-60, Kisaran rasio aksial yang ditentukan oleh Pers. (1) adalah 1,25-1,43, menunjukkan kesesuaian dengan perkiraan eksperimental kami yaitu 1,33.

Sekarang, mari kita mempertimbangkan data DLS pada sampel CG 60?. Gambar 3 menunjukkan distribusi intensitas penyebaran bimodal dengan maksimal utama pada sekitar 59 nm hampir dan volume partikel unimodal dan angka distribusi ukuran dengan nilai maksimal pada 5-6 nm. Distribusi ini diukur dengan Nano Zetasizer

ZS instrumen operasi dalam modus (pada standar) hamburan mundur standar. Dalam hal ini, posisi puncak utama dari distribusi intensitas penyebaran (. ≈ 60nm, Gambar 3a) adalah sesuai yang sempurna dengan nomor diameter rata-rata, seperti yang ditentukan dengan metode TEM (59,4 ± 5,3),? Namun, lebar distribusi relatif pada tingkat 1/2 dari maksimum (53%) adalah sekitar enam kali lipat lebih besar dari lebar relatif histogram TEM (Gambar 2d).

Sebagai distribusi intensitas penyebaran bukan merupakan karakteristik langsung dari dispersity, program yang digunakan untuk pengolahan data menunjukkan perhitungan ulang ke dalam karakteristik koloid yang lebih dikenal dengan volume partikel dan angka distribusi ukuran. Namun, perhitungan ulang (Gambar 3b) dan perbandingan dengan histogram TEM angka distribusi ukuran partikel (Gambar 2d) menunjukkan bahwa data DLS pada volume partikel dan angka distribusi ukuran ternyata keliru, yaitu, tidak adanya gambaran TEM dari sistem CG-60 yang menunjukkan adanya partikel dengan diameter lebih kecil dari 10 nm. Jelas bahwa dalam hal ini, kita menghadapi dengan penampilan puncak minor palsu dalam distribusi intensitas untuk CG-60 partikel, yang bentuknya sangat berbeda dari yang bulat.

Gambar. 2. gambar TEM nanopartikel dan histogram distribusi yang sesuai untuk (a, b) CG-16 dan (c, d) CG-60. Kurva putus-putus mengacu pada distribusi normal dengan parameter berikut: (b) dav = 15,8 nm, σd

= 1,4 nm dan (d) dav = 59,4 nm, σd = 5,3 nm. Inset (c) menggambarkan bentuk nonspherical khas partikel besar.

Gambar. 3. Ukuran distribusi (a) intensitas penyebaran dan (b, kurva 1, 2) volume partikel dan angka, masing-masing, yang diukur untuk CG-60

oleh DLS pada sudut hamburan 173 °.

Alasan dari munculnya puncak palsu di wilayah berukuran kecil menjadi lebih jelas dari Gambar. 2 (inset) dan 4a, di mana fungsi korelasi photocurrent diukur untuk dua sudut hamburan (mundur dan maju) ini digambarkan.

Dua mode relaksasi dalam kurva 2 sesuai dengan rotasi dan translasi diffusions Brownian dari partikel emas nonspherical, yang, berdasarkan pendekatan dari partikel monodisperse, dijelaskan oleh persamaan berikut [4]:

dimana konstanta tergantung pada derajat anisotropi bentuk partikel, dan merupakan kontribusi dari co- dan crosspolarization komponen cahaya yang tersebar, masing-masing, untuk fungsi korelasi total yang diukur untuk cahaya terpolarisasi normal pada bidang hamburan tanpa adanya analyzer (seperti yang dilakukan di instrumen Nano Zetasizer ZS), DT dan DR adalah koefisien difusi translasi dan rotasi, masing-masing, dan q = (4π/λ)sin(θ/2) adalah panjang dari vektor hamburan dalam media tertentu. Dalam rezim standar pengolahan data, mode frekuensi tinggi pertama di kurva 1 dan 2 diinterpretasikan sebagai kontribusi dari fraksi partikel kecil, diameter ditunjukkan dengan penetapan sebagai berikut:

di mana, untuk partikel kami, fungsi dari faktor bentuk f(r) hampir sama dengan kesatuan. Untuk hamburan mundur modulus adalah 0,026 nm-1

dan diameter TEM rata partikel 59,4 nm, maka, dmin = 8 nm, sehingga menjadi sesuai dengan data untuk puncak minor ((Gambar 3a).

Bagian dari belakang ke depan hamburan sesuai dengan penurunan q dari 2,6 × 10-2 sampai 3 × 10-3 nm-1. Oleh karena itu, modus relaksasi relevan dengan difusi translasi (Gambar 3, kurva 2) digeser ke wilayah frekuensi yang lebih rendah dan diselesaikan dengan baik oleh korelator tersebut. Selain itu, perhitungan ulang dari kontribusi dari difusi rotasi

menghasilkan pergeseran ukuran partikel yang sesuai untuk wilayah nonfisik di bawah 1 nm, yang diabaikan oleh instrumen. Oleh karena itu, solusi dari masalah inversi untuk fungsi korelasi 2 (hamburan depan) menghasilkan distribusi unimodal di atas intensitas penyebaran, volume, dan jumlah partikel (Gambar 4b) dengan diameter rata-rata masing-masing 73,4, 69,5, dan 66,2 nm, . Dalam kasus terakhir, nilai rata-rata cukup dekat dengan ukuran rata-rata yang diperoleh dari data TEM (59,4 nm), meskipun setengah luas (16,3%) hampir dua kali lipat lebih besar dari setengah luas histogram TEM (8,9%).

Dengan demikian, ada beberapa kemungkinan solusi dari masalah puncak palsu karena difusi partikel rotasi. Pertama, dalam modus hamburan mundur, yang lebih disukai dengan mengesampingkan hamburan parasit oleh kotoran, adalah wajar untuk mengatur penundaan pada urutan 10 mikrodetik dengan menghilangkan beberapa saluran awal beberapa korelator tersebut. Kedua, ketika memecahkan masalah inversi, kita mungkin hanya dipaksa menetapkan titik potong untuk ukuran minimum berdasarkan pada rentang yang diharapkan dari ukuran partikel. Sebagai contoh, dalam kasus sistem CG-60 (Gambar 2d, 3a), titik potong ini sesuai dengan 20 nm. Perhatikan bahwa prosedur sebelumnya sepertinya lebih disukai karena informasi yang diperoleh dari saluran awal korelator tersebut tetap mempengaruhi modus difusi terkait translasi dari fungsi korelasi melalui normalisasi.

Gambar 5 mencontohkan volume partikel dan angka distribusi ukuran yang dihasilkan dari perhitungan ulang dari distribusi intensitas (Gambar 3a, hamburan mundur) dengan titik potong untuk ukuran minimum 20 nm. Hasilnya terlihat tampak mendekati data TEM (dibandingkan dengan Gambar 3b.), Namun, baik ukuran rata-rata dan lebar distribusi 2 berada dalam kecocokan yang buruk dengan histogram TEM (3). Oleh karena itu, kami percaya bahwa, dalam hal ini, solusi optimal adalah pengukuran distribusi DLS dalam modus hamburan depan.

Gerakan rotasi partikel anisotropik kecil dapat diidentifikasi dengan membandingkan pengukuran dilakukan dalam mode hamburan belakang dan ke depan. Seperti berikut dari semua yang disebutkan di atas, distribusi yang dihasilkan dari kontribusi difusi translasi sendiri untuk fungsi korelasi tidak harus tergantung pada sudut hamburan, sedangkan puncak kecil dalam kasus hamburan depan bergeser ke

wilayah nonfisik (fraksi nanometer). Sebaliknya, distribusi waktu relaksasi karakteristik mode rotasi tidak harus tergantung pada sudut, sementara, untuk modus translasi, sesuai dengan variasi. Kemungkinan-kemungkinan yang ditunjukkan oleh contoh dari partikel koloid perak [13].

Seperti dapat dilihat dari Pers. (2) dan (3), pengukuran terpisah dari fungsi autokorelasi photocurrent untuk co? dan crosspolarization komponen penyebaran sinar tersebut pada berbagai sudut memungkinkan seseorang untuk menentukan lebih atau kurang akurat koefisien difusi rotasi dan translasi, yaitu, untuk menilai ukuran rata-rata dan bentuk partikel. Pendekatan ini dicontohkan dalam literatur untuk panjang [17] dan pendek [18] gold nanorods.

Sekarang, mari kita perhatikan pengukuran distribusi ukuran untuk hamburan lemah CG-16 partikel. Distribusi intensitas hamburan khas bimodal diilustrasikan pada Gambar. 6a untuk hamburan lemah CG nanopartikel dengan diameter lebih kecil dari 20-25 nm. Puncak mode pertama dengan lebar setengah relative dari 51% terletak di 25 nm. Perbandingan dengan histoogram (Gambar 2b) dan analisis mendalam dari sejumlah besar gambar TEM menunjukkan bahwa puncak kedua dalam distribusi bukan karena partikel CG individu. Dalam kasus pengukuran di sudut kecil, hamburan lemah oleh CG-16 partikel pada panjang gelombang 633 nm juga menyebabkan munculnya fungsi correelation bimodal. Pola dari fungsi tersebut (tidak ditampilkan di sini), analog dengan kurva pada Gambar 1. 4a, meskipun dengan kontribusi utama dalam daerah frekuensi menengah pertama dan kontribusi kecil dalam daerah frekuensi rendah kedua. Perlu ditekankan bahwa kehadiran puncak kedua dalam distribusi (Gambar 6a) tidak relevan dengan kekhasan dari instrumen. Data kami (tidak ditampilkan di sini) menandakan bahwa hampir hasil yang sama diperoleh dengan menggunakan instrumen lain, PhotoCor, yang digunakan secara luas di Rusia, alat ini dilengkapi dengan sistem penghitungan foton yang terdiri dari satu (PhotoCor PC-1, modus autokorelasi?) Atau dua (PhotoCor PC-2, crosscorrelation mode) photomultipliers. Fakta bahwa modus yang kedua adalah disebabkan oleh kontribusi dari sebagian kecil dari partikel hamburan kuat terbukti dari ketergantungan yang kuat dari fungsi korelasi pada kondisi pengukuran dan perhitungan ulang dari distribusi

intensitas volume partikel atau angka distribusi ukuran (Gambar 6b). Diameter rata-rata ditentukan dari distribusi ini dan setengah luas relatif masing-masing adalah sama dengan 16,4 nm (33%) dan 13,2 nm (23%), yang lebih dekat dengan diameter rata-rata 15,8 nm ditentukan dengan menggunakan metode TEM._ Jadi, dalam hal ini, Berbeda dengan sistem CG-60, kontribusi dari difusi rotasi tidak menciptakan masalah, namun, analisis data harus berhati-hati terhadap kemungkinan adanya sebagian kecil dari agregat. Dalam kasus apapun, dengan menggunakan metode ini, modus kedua dalam distribusi intensitas harus dianggap sebagai bukti yang berguna yang pengotor dapat hadir, sifat pengotor akan dijelaskan dalam penyelidikan tambahan. Secara optik yang diamati, bukan massa, berat modus yang kedua adalah mudah untuk menentukan volume partikel atau angka distribusi ukuran. Dalam hal ini, ukuran rata-rata di atas volume partikel dan jumlah cukup baik sesuai dengan data TEM dengan penyimpangan dari 5-15%. Satu-satunya masalah serius yang tersisa adalah lebar distribusi. Memang, setengah luas relatif dari ketiga distribusi di Gambar 6 (51, 33, dan 23%) tampaknya beberapa kali lebih besar dari yang diperoleh dari analisis gambar TEM partikel individu (8,9%).

Gambar. 5. Partikel (1) volume dan (2) angka distribusi ukuran yang diperoleh dari distribusi intensitas penyebaran untuk CG-60 (hamburan mundur) dengan titik potong untuk ukuran minimum 20 nm. Diameter rata-rata dan simpangan akar pangkat (dalam hal distribusi setengah

luas) adalah dav,V = 42 ± 15 dan dav,N = 32 ± 8 nm untuk volume partikel dan distribusi ukuran, masing-masing; (3) Histogram diperoleh dari data

TEM

Gambar. 6. Distribusi ukuran (a) intensitas penyebaran dan (b) partikel (1) volume dan (2) angka diplot dari hasil pengukuran fungsi korelasi

untuk CG 16 di belakang hamburan mode, Histogram (3) diperoleh dari data TEM.

III. HASIL DAN DISKUSI

Hasilnya yang dijelaskan di atas perlu dibahas supaya tidak memberikan kesan palsu kepada pembaca bahwa prinsip dari metode DLS memiliki kelemahan terlepas dari masalah-masalah khas dari metode lain. Untuk menghindari kesalahpahaman, harus ditekankan bahwa seluruh pembahasan lebih lanjut terutama relevan dengan partikel koloid emas yang dihasilkan dari metode standar pengurangan ion emas dalam larutan HAuCl4.

Hal ini tidak perlu dicatat bahwa, pada prinsipnya, metode TEM dan DLS hasilnya berbeda, meskipun sebanding, data tentang dispersities dari koloid. Gambar TEM merupakan sampel acak yang diterapkan pada sebuah grid, sehingga dua masalah selalu terjadi. Masalah pertama disebabkan oleh perubahan yang terjadi dalam sampel selama persiapan dan masalah kedua dikaitkan dengan kebutuhan untuk menyediakan statistik undistorting dari akses layar. Untungnya, untuk nanopartikel emas, masalah sebelumnya tidak hadir ketika kita tertarik dalam distribusi ukuran partikel individu, terlepas dari aggregationin yang mungkin dalam larutan koloid. Hal ini jelas bahwa, untuk analisis TEM, sampel harus disusun sesuai dengan protokol yang konvensional (dicuci, disuspensi ulang, dll) untuk menghindari munculnya artefak

yang relevan dengan persiapan saat pengeringan sampel pada grid TEM, misalnya, pertumbuhan lebih lanjut dan koalesensi partikel atau distorsi dalam bentuk dan ukuran. Masalah yang terakhir diselesaikan dengan cara statistik yang umum dan pemeriksaan menyeluruh dari semua daerah grid, yang dapat menjadi agak sulit. Pengalaman kami dan data komunikasi lainnya menandakan bahwa penghitungan 1000 partikel lebih dari satu wilayah sebuah grid biasanya bersamaan dengan penghitungan terhadap daerah lain yang dipilih secara acak. Metode TEM memberikan hasil sempurna dapat direproduksi, asalkan kondisi yang tercantum di atas terpenuhi, dan, pada saat ini, itu merupakan standar emas yang diterima di semua laboratorium dari dunia tanpa pengecualian (dilihat dari database kami, yang berisi lebih dari 2000 referensi selama periode tahun 1995 hingga 2010). Perlu ditekankan bahwa, untuk partikel biologi, metode TEM kehilangan keunggulan utamanya karena masalah diketahui mengenai persiapan sampel. Selain itu, para laboriousness TEM dan masalah yang relevan dengan aplikasi yang tepat sangat meningkat dalam kasus studi kinetik.

Keuntungan yang tak terbantahkan dari metode DLS, serta mayoritas metode optik lainnya, adalah kelayakan untuk menyelidiki insitu dispersity dengan data rata-rata lebih besar partikel ansambel yang terkandung dalam volume diperiksa. Misalnya, dalam volume koherensi pada urutan 10-3cm3, yang khas dari metode DLS, jumlah partikel dianalisis dalam suatu koloid emas biasa dengan densitas optik dari 1 ditempatkan dalam sel 1-Cm pada panjang gelombang resonansi dari sekitar 520 nm pada urutan 108-109. Sebuah ensemble besar seperti ini tidak dapat diperiksa dengan metode TEM. Kedua, metode DLS juga berlaku untuk mempelajari proses kinetik lambat dengan waktu karakteristik lebih pendek dari waktu auto photocurrent_ korelasi fungsi akumulasi (min 5-30). Untuk partikel biologi, karakter nonperturbative dari metode DLS mungkin menjadi faktor yang menentukan. Selain itu, dibandingkan dengan sebagian besar metode optik lainnya, DLS memungkinkan untuk menentukan fungsi distribusi ukuran partikel dengan tidak ada informasi sebelumnya tentang sifat optik dari partikel (lihat di bawah). Hanya transit indicatrix [19, 20] dan transparansi spektral [21] metode dapat dianggap yang alternatif.

Seperti terlihat di atas (Gambar 6a), untuk partikel CG-16, hasil dua metode DLS sangat berbeda dari distribusi intensitas, salah satunya adalah mendekati ukuran partikel CG ditentukan dengan metode TEM, sementara yang lain memiliki maksimum di wilayah 200 nm. Pertanyaan tentang penafsiran fraksi besar adalah nontrivial dan relevan dengan fitur dasar dari semua metode hamburan cahaya, termasuk DLS. Untuk partikel kecil, ukuran yang sesuai dengan kondisi hamburan Rayleigh, intensitas sebanding dengan modulus polarisabilitas kuadrat, yaitu, volume partikel kuadrat. Hal ini jelas bahwa, meskipun hadir dalam fraksi jumlah kecil diabaikan, penghambur dengan volume yang besar selalu memiliki berat proporsional optik yang mendominasi dan dapat mendistorsi informasi tentang nanopartikel yang bersangkutan. Hal ini terlihat dari perhitungan ulang dari distribusi intensitas dalam volume partikel dan angka distribusi ukuran (Gambar 6b). Sifat dari partikel 200 nm tidak dapat dinilai dari DLS saja, mereka mungkin hanya debu partikel, partikel emas yang besar yang tidak diinginkan, atau agregat emas nanopartikel yang tidak disengaja. Namun, seseorang dapat menduga (data tidak ditampilkan) bahwa, di bawah kondisi yang sama dari sintesis sitrat, bagian bertahap dari ukuran 15 sampai 20, 25, dan 30 nm disertai dengan penurunan tajam dalam maksimum kedua di intensitas distribusi dan transisi ke distribusi unimodal sepenuhnya. Dalam kasus lemah hamburan partikel CG 16, Ini adalah argumen yang kuat untuk asumsi bahwa hanya informasi parasit yang dipertanyakan, yang berhenti berpengaruh secepat hamburan partikel CG mulai meningkat (Gambar 1).

Sayangnya, dimulai dengan ukuran partikel CG di urutan 40-50 nm, pengukuran DLS mulai menunjukkan efek lain, yaitu, modus parasit di wilayah ukuran kecil, yang disebabkan oleh gerakan rotasi partikel nonspherical. Perlu ditekankan sekali lagi bahwa efek ini secara khusus relevan dengan bentuk dan tidak diamati, misalnya, nanospheres silika dalam rentang yang sangat luas dari ukurannya [22], serta dalam kasus ini, ketika nanoshells emas telah tumbuh di atasnya [23]. Seperti yang telah ditunjukkan di atas, efek parasit dari gerak rotasi dapat dikecualikan dengan melewatkan ke sudut hamburan kecil atau dengan penyesuaian sesuai correlator tersebut. Selain itu, beberapa kesimpulan pada bentuk partikel, tetapi hanya yang bersifat kualitatif, dapat ditarik dari pengukuran dependencefor sudut fungsi autokorelasi (lihat,

misalnya, perbandingan dari DLS dan data TEM pada bentuk partikel dalam [17, 18]). Sayangnya, sebagian besar instrumen komersial (termasuk Zetasizer Nano ZS) tidak memiliki fungsi yang bermanfaat.

Diameter rata-rata dan setengah luas distribusi untuk CG-16 dan CG 60 sampel sebagaimana ditentukan oleh metode TEM dan DLS

Pertanyaan lain yang harus dibahas masalah kesesuaian dari ukuran rata-rata dan penyebaran distribusi data TEM. Menurut tabel, ada kesepakatan tertentu antara diameter rata-rata sistem CG-60 diperoleh dengan metode yang berbeda, namun, data DLS dapat memiliki kontradiksi internal, yaitu, pengukuran pada sudut yang berbeda dapat menghasilkan ukuran yang berbeda, bahkan setelah rotasi modus gerak merupakan titik potong (tabel).

Seperti yang telah disebutkan di atas, metode DLS kadang-kadang dianggap sebagai satu-satunya pengukuran distribusi ukuran partikel in situ. Namun, pertanyaan tentang kelayakan ini didistribusikan kepada angka distribusi ukuran partikel dalam larutan koloid sering dihilangkan. Informasi langsung hanya diperoleh dengan metode DLS merupakan distribusi intensitas yang tersebar di atas koefisien difusi Brown [1, 4]. Perhitungan kembali distribusi ini menjadi, misalnya, distribusi agregat Nanosphere atas hydrodynamicradii merupakan masalah yang hampir tidak dapat dipecahkan, sehingga pengembang peralatan untuk DLS sering memberikan masalah serius pada pengguna terakhir dengan memberikan mereka file yang berisi fungsi autokorelasi atau distribusi atas intensitas penyebaran. Jika dan hanya jika obyek penelitian dapat digambarkan dalam bentuk model Stokes-Einstein (perhitungan ulang dari koefisien difusi menjadi ukuran hidrodinamik untuk satu sphere yang ideal terjadi pada cairan yang tak terbatas diam) dan model Mie (yang perhitungan ulang intensitas ke jumlah partikel dengan ukuran tertentu), solusi dari masalah inversi akan menjadi benar untuk model isotropik seragam non-berinteraksi bola hamburan sendiri-sendiri. Hal ini

jelas bahwa model ini bisa sangat berbeda dengan objek (Gambar 2c). Bahkan untuk partikel berbentuk bola, eksponen dalam formula yang digunakan untuk menghitung ulang intensitas penyebaran ukuran partikel tergantung pada sifat-sifat material, lebar distribusi, dll (lihat pembahasan masalah ini dalam [24]). Kita juga harus ingat bahwa, bahkan dalam kasus sederhana (bola dengan kulit polimer), informasi metode DLS menghasilkan pada ukuran hidrodinamik dari seluruh kompleks ketimbang ukuran geometris dari partikel itu sendiri.

Seperti terlihat di atas, penyebaran ukuran partikel yang diperoleh dengan metode DLS umumnya lebih dari yang diperkirakan, dibandingkan dengan data TEM (dalam kasus kami, sekitar dua sampai empat kali). Hal ini berguna untuk membandingkan dispersi koloid CG-16 dan CG-60 dengan hasil pengukuran TEM dengan parameter menyeluruh untuk nanopartikel diperoleh melalui protokol sintesis asli dijelaskan dalam [27, 21] (Gbr. 7).

Gambar. 7. distribusi ukuran partikel relatif setengah luas diukur dengan metode TEM sebagai fungsi dari ukuran partikel rata-rata: (1) data yang dilaporkan dalam [27], (2) data percobaan ini untuk koloid CG-16 dan CG-60, dan (3) data yang diperoleh dalam [28] untuk jenis koloid dari

CG-60

Hal ini jelas terlihat bahwa, untuk partikel CG-16, Hasilnya cukup mendekati dengan data yang dilaporkan dalam [27], sementara, untuk CG-60, dispersi (8,9%) muncul menjadi sekitar 2,5 kali lipat lebih tinggi dari rata-rata nilai yang disajikan dalam [27] untuk wilayah ukuran,

namun lebih rendah 14% dari nilai yang diperoleh untuk partikel dengan ukuran yang mendekati [28]. Dengan demikian, penyebaran ukuran sampel kami adalah khas partikel CG. Membandingkan data pada Gambar. 7 dan tabel dan mempertimbangkan data yang dipublikasikan lainnya [5, 15], kita sampai pada kesimpulan dari prinsip berikut ini: penyebaran distribusi nanopartikel ukuran CG ditentukan dengan metode DLS terlihat berbeda dari dispersi yang ditemukan oleh metode TEM dan umumnya terlalu tinggi. Nilai yang terlalu tinggi ini disebabkan oleh beberapa faktor. Pertama, metode DLS memperhitungkan kontribusi optik dari sebagian kecil partikel besar yang biasanya tidak tertarik dan diabaikan dalam analisis TEM. Kedua, prosedur untuk transformasi jenis Fredholm dari persamaan pertama yang digunakan dalam metode DLS memperkenalkan pelebaran yang tak terelakkan, yang tidak relevan dengan karakteristik solusi koloid [1]. Akhirnya, dalam larutan koloid nyata, agregat dapat terbentuk dan mengganggu yang mempengaruhi korelasi photocurrent, bagaimanapun, biasanya diabaikan dalam analisis TEM. Perhatikan bahwa pelebaran distribusi dalam metode DLS telah berulang kali dicatat dalam literatur [25, 26].

Ketika metode TEM dan DLS tidak dapat digunakan secara online, dan perlu dengan cepat memperkirakan setidaknya rata-rata ukuran partikel CG ketimbang distribusi ukuran partikel, seseorang dapat menerapkan spektroskopi penyerapan biasa, asalkan spektrofotometer dilengkapi dengan monokromator dengan resolusi pada urutan 0,5 nm [27-29]. Mengkaji ukuran rata-rata berdasarkan pergeseran dalam resonansi plasmon juga memiliki kelebihan dan kekurangan, yang sebagian besar tidak menyangkut fungsi distribusi ukuran. Selain itu, karena hampir 20 tahun pengalaman kami telah melakukan eksperimen [5], bahkan saat menentukan ukuran rata-rata, hasil yang dapat diandalkan hanya diperoleh dalam jenis protokol sintesis tunggal yang diuji dengan pengecualian wajib agregasi partikel. Kehadiran molekul ligan IgG atau thiolated poli (etilen glikol) pada permukaan partikel umumnya menghasilkan sedikit pergeseran (di urutan 3 nm) untuk kepunahan dan 4-5 nm untuk penghamburan [7]. Hal ini jelas bahwa, dalam hal ini, metode kedua pergeseran plasmon dan DLS tidak dapat digunakan untuk mengkarakterisasi partikel nonfunctionalized. Misalnya, eksperimen yang ditunjukkan [7] bahwa, untuk partikel CG-16, adsorpsi molekul IgG memperbesar diameter hidrodinamik dari 18 menjadi

hampir 28 nm, sedangkan, dalam kasus gelatin, naik 18-40 nm. Namun, seperti yang digunakan di sini, ini merupakan keuntungan yang penting dari metode DLS ketimbang kelemahan karena memungkinkan seseorang untuk memperkirakan ketebalan dari kulit biopolimer dari konjugat, seperti yang dilakukan dalam [7].

Adapun agregasi sedikit tidak terkendali, metode pergeseran plasmon adalah yang paling stabil terhadap efek ini dibandingkan dengan DLS atau metode diferensial hamburan [30]. Secara khusus, hal ini ditunjukkan eksperimen maupun teoretis pada [31] untuk campuran model koloid emas dan [32] untuk kasus agregasi yang disebabkan oleh interaksi biospecific konjugat partikel dengan molekul target. Alasan fisik untuk stabilitas ini cukup sederhana. Di bawah pendekatan dari interaksi lemah, penyerapan oleh partikel kecil yang ditentukan oleh komponen imajiner polarisabilitas dan sebanding dengan volume mereka. Peleburan partikel tidak mengubah total penyerapan hingga interaksi optik mulai mempengaruhi bagian penyerapan lintas partikel menyusun cluster. Cluster ini intensifikasi penyerapan diinduksi telah? diperkirakan pada [33] sebagai bergantung pada jarak interparticle dan jenis cluster.

Seperti yang sering terjadi, kelemahan dari metode bisa dalam kondisi tertentu, terlihat menjadi keuntungan yang tidak diragukan lagi. Misalnya, sensitivitas tinggi dari metode DLS untuk pembentukan sejumlah kecil agregat hamburan kuat memberikan itu dengan keunggulan kompetitif yang jelas atas metode optik lainnya untuk mempelajari agregasi biospecific, ketika metode TEM hampir tidak berguna. Secara khusus, dalam karya-karya yang disebutkan di atas [8-11], fitur dari metode DLS juga telah berhasil digunakan untuk menganalisis diri organisasi bioconjugates nanopartikel emas. Dalam [34], metode DLS diaplikasikan sebagai tes sensitif untuk hibridisasi oligonukleotida, yang menginduksi agregasi bermuatan positif partikel 15-nm CG difungsikan oleh bromida cetyltrimethylammonium.

IV. KESIMPULAN

Telah ditunjukkan bahwa, untuk nanopartikel CG, kasus penghamburan yang lemah dan yang kuat dibedakan, yang sangat penting untuk menginterpretasikan distribusi diukur dengan metode DLS. Dalam kasus partikel penghamburan kuat dengan diameter lebih besar dari 40 nm,

efek dari hasil difusi rotasi dalam penampilan puncak palsu dalam berbagai ukuran ditentukan oleh hubungan (4). Dalam hal ini, perhitungan kembali formal distribusi intensitas dalam volume partikel atau distribusi nomor ukuran dapat menghasilkan hasil yang dapat diterima. Masalahnya bisa dipecahkan dengan bersamaan mengukur fungsi korelasi di sudut penghamburan besar dan kecil dalam rangka untuk mengisolasi distribusi yang independen pada sudut pengukuran. Selengkapnya, prosedur ini memungkinkan untuk menentukan batas titik potong dari ukuran kecil pada inversi atas data eksperimental dan, yang lebih penting, untuk mendirikan sebuah penundaan yang benar dari saluran awal correlator dalam rangka untuk menyingkirkan kontribusi difusi rotasi ketika mengukur mundur penghamburan.

Dalam kasus partikel ditandai dengan penghamburan lemah pada panjang gelombang dari laser helium-neon (633 nm), untuk nanopartikel sitrat CG biasa, instrumen untuk pengujian penelitian ini (Zetasizer Nano ZS dan OhotoCor) menghasilkan puncak kedua intensitas distribusi di wilayah ukuran besar. Umumnya, puncak ini tidak relevan dengan fraksi utama nanopartikel dan harus diabaikan dalam interpretasi hasil pengukuran. Perhitungan kembali dari distribusi intensitas ke dalam volume partikel dan angka distribusi ukuran menghasilkan perbedaan besar antara nilai rata-rata, di antaranya yang paling dekat dengan data TEM adalah ukuran rata-rata ditentukan dari intensitas dan volume distribusi penyebaran. Dalam kedua kasus hamburan lemah dan kuat, lebar volume partikel DLS atau distribusi nomor ukuran selalu terlalu tinggi dibandingkan dengan histogram TEM.

Keuntungan penting dari metode DLS adalah sensitivitas tinggi dengan tingkat agregasi partikel, yang memungkinkan kita untuk merekomendasikan hal ini sebagai tes yang lebih handal, dibandingkan dengan spektroskopi serapan, untuk mendeteksi interaksi biospecific menggunakan nanopartikel CG.