Charakterisierung von Nanopartikeln

Autoren Dr. Joerg Uhlig NTA-Produktspezialist, Malvern Instruments Renate Hessemann Marketingleiterin, Malvern Instruments

Während sich in der Nanopartikelanalyse für Standardfragen die dynamische Lichtstreuung als das Mittel der Wahl etabliert hat, stellen Proben mit sehr unterschiedlicher Größenverteilung der Partikel zusätzliche Herausforderungen. Größere Partikel „überstrahlen“ hier oft die kleineren und sind im Ergebnis häufig deutlich überrepräsentiert. Elektronenmikroskope geben exakte Bilder, machen jedoch eine aufwendige Präparation notwendig. Zudem ist die statistische Aussage eingeschränkt. Hier und auch, wenn es um die Konzentration von Nanopartikeln in Fertigprodukten geht, liefert das Nanopartikel-Tracking wertvolle Informationen.

Die auf der NTA basierenden Geräte der Produktlinie Nanosight von Malvern Instruments bieten hochauflösende Partikelgrößen-, Konzentrations- und Aggregationsmessungen. Ein Fluoreszenzmodus liefert spezifische Ergebnisse für markierte Partikel. Die Produktpalette ermöglicht die Überwachung von geringfügigen Änderungen der Eigenschaften von Partikelpopulationen in Echtzeit. Die Analysen werden durch visuelle Validierung bestätigt.

Zur Durchführung der Analyse wird eine Probe der zu untersuchenden Partikel in eine Zählkammer injiziert und von einem Laser angestrahlt. Eine Videokamera fängt das von den Partikeln gebrochene Licht und macht damit die Einzelpartikel sichtbar. Die Nanosight-Software verfolgt (tracking) die Bewegung der einzelnen Partikel und zeichnet sie auf. Unter Zuhilfenahme der Stokes-Einstein-Gleichung ist es nun möglich, aufgrund der Geschwindigkeit jedes Partikels dessen Größe zu bestimmen. Die simultane Vermessung der einzelnen Partikel gestattet es, eine genaue Größenverteilung innerhalb der Probe abzubilden. Aufgrund der definierten Probenmesskammer kann auch die Konzentration bestimmt werden. Die einzigen Parameter, die zur Verfügung stehen müssen, sind die Viskosität des Mediums und die Temperatur – die ihrerseits die Viskosität beeinflusst. Die Temperatur wird direkt an der Probe gemessen. Eine Kalibrierung ist nicht erforderlich. Alle Messungen laufen unter direkter optischer Kontrolle des Anwenders ab. Veränderungen innerhalb der Probe, beispielsweise Aggregatbildung bei Erhöhung der Probentemperatur oder sonstige Veränderung der Testbedingungen, werden in Echtzeit auf dem Bildschirm sicht- und messbar.

Der Messbereich ist materialabhängig. Dichtes Material wie Metallpartikel sind ab etwa 10 nm messbar, weniger stark lichtbrechende Partikel wie Proteine ab etwa 30 nm. Die obere Grenze ist durch die bei wachsender Größe der Partikel nachlassende Brown’sche Bewegung definiert, wobei die NTA-Software bis etwa 2000 nm verlässliche Daten liefert. Die Methode ermöglicht es auch, Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes zu unterscheiden. Schwieriger wird es, wenn es sich um Partikel sehr ähnlicher Größe handelt. Die Brechungsindizes lassen sich mittels 3D-Auswertung sichtbar machen. Durch weitere Ergänzungen der Instrumente ist es möglich, zusätzliche Daten der zu untersuchenden Partikel zu erlangen. Der Einbau von Lichtfiltern ermöglicht die Messung der Fluoreszenz von markierten und nicht markierten Nanopartikeln. NTA hat inzwischen auch Einzug in die internationaler ASTM-Standards gefunden (ASTM E2834 = Standard Guide for Measurement of Particle Size Distribution of Nanomaterials in Suspension by Nanoparticle Tracking Analysis (NTA).

Die Bestimmung von Endprodukten ist im Rahmen der Qualitätskontrolle von Bedeutung. Doch in der Materialforschung geben genauere Kenntnisse des vorliegenden Materials ebenso wichtige Einblicke in deren Funktionen, in Produktion und Anwendungsabläufe. Dazu kommen die immer strengeren gesetzlichen nationalen und europäischen Vorgaben, die eine immer genauere Charakterisierung des Materials erfordern. Die neue EU-Richtlinie für Nanomaterial mit ihren Auflagen zur Kennzeichnung von Produkten und Materialien wird es in Zukunft unerlässlich machen, eine prozentuale Aufschlüsselung der Größenverteilung der Partikel zu kennen. Hier kann die NTA weiterhelfen und zur Beantwortung der Frage, ob eine Kennzeichnungspflicht vorliegt, beitragen. Die Produkte kommen aus dem Bereich des Umwelt- und Arbeitsschutzes genauso wie aus der Arzneimittel-, Lebensmittel- oder Kosmetikproduktion, dem Bereich Haushaltschemikalien oder Farben und Lacke. Überall, wo der Begriff Nanopartikel auftaucht, werden die Verbraucher hellhörig und der Hersteller ist gefordert.

Im Rahmen der europäischen Verordnung zur Registrierung, Bewertung, Zulassung und Beschränkung chemischer Stoffe, Reach, sowie durch die Direktiven für die Bereiche Lebensmittel und Kosmetik stehen Nanopartikel im Mittelpunkt der öffentlichen Diskussion.

Aufgrund seines hohen Brechungsindexes ist Titandioxid das am meisten eingesetzte Weißpigment mit einer globalen Jahresproduktion von ca. 3,6 Mio. t. Etwa 35 % davon werden in Westeuropa hergestellt (VDMI). Bei TiO2, das in vielfältigen Anwendungen und Produkten Verwendung findet, wird sich die Frage nach der Kennzeichnungspflicht stellen. Erfahrungsgemäß ist die Partikelverteilung in TiO2-Pulver äußerst groß und das Einsatzgebiet der Partikel je nach Größe spezifisch und sehr breit. Es reicht von Farb-, Kunststoffen und Papierbeschichtungen über weiße Chemiefasern, Keramik und Email bis zu Lebensmittelverpackungen und Kosmetika wie Sonnencremes und Zahnpasta. Selbst Lebensmittel enthalten Titandioxid unter der Bezeichnung E171. Es dient zum Aufhellen von Süßwaren, Käse und Soßen. Somit fällt TiO2 nicht nur unter die Reach-Richtlinie sondern bei Verwendung in Sonnenschutzprodukten und Zahnpasten auch unter die Kosmetik- und im Falle von E171 sogar unter die Lebensmittelrichtlinie.

Partikelgrößenverteilungen werden bei Titandioxid zwar inzwischen ganz gleich in welchem Industriezweig schon routinemäßig mit Laserbeugung und dynamischer Lichtstreuung ermittelt. Schließlich fallen nicht alle Titandioxidanwendungen in den Nanobereich, doch werden unter den oben erwähnten Richtlinien allerdings zukünftig Konzentrationsbestimmungen von Titandioxid beim Vorliegen einer bestimmten Partikelgröße unerlässlich werden.

Halle 1, Stand 357

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