Công nghệ & sản phẩm mới, Khoa học và đời sống, Tin tức
Phép đo nồng độ hạt nano đáng tin cậy trong phòng Lab
Các hạt nano (Nano Particles – NP) là những viên gạch quan trọng trong việc đặt nền móng sản xuất các vật liệu mới với các tính chất được tăng cường, như cơ-nhiệt-điện-quang học. [1] Các thông số cơ bản như hình dạng, nồng độ và kích thước của hạt phải được quản lý cẩn thận để phù hợp với chi phí, an toàn và các yêu cầu về hiệu suất.
SAXS là một phương pháp đã được đánh giá cao để đo kích thước hạt nano có thể truy nguyên* (traceable size measurements). [2, 3, 4]
Gần đây, nồng độ hạt nano cũng đã được chứng minh là có thể được tính toán chính xác từ dữ liệu SAXS thu thập tại các trung tâm gia tốc hạt Synchrotron với khả năng truy nguyên* (metrological traceability) theo hệ thống đơn vị tiêu chuẩn (SI). [5] [12]
Bài báo này chứng minh rằng nồng độ hạt nano cũng có thể truy nguyên bằng cách sử dụng hệ thiết bị SAXS trong phòng thí nghiệm với thời gian thu thập là 10 phút.
Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) là một phương pháp không phá hủy cho phép xác định cấu trúc của vật liệu với việc chuẩn bị mẫu tối thiểu. Nó rất hiệu quả khi được sử dụng cùng với kính hiển vi, vì nó có thể được sử dụng cho các phép đo tại chỗ (In-Situ) và cung cấp dữ liệu định lượng có liên quan về mặt thống kê trên một thể tích lớn (thường là 1 mm3).
Kích thước hạt từ 1 đến hơn 250 nm có thể được phát hiện bằng SAXS. Và đối với các hạt có kích thước lớn hơn 100 nm, một hệ thẳng đứng như Nano-inXider sẽ làm giảm sự lắng cặn khi thực hiện các phép đo nồng độ.
Khung lý thuyết đáng tin cậy của tán xạ tia X đảm bảo khả năng truy nguyên* nồng độ hạt theo đơn vị tiêu chuẩn SI, một tính năng chỉ có thể chia sẻ độc quyền với khối phổ plasma cảm ứng đơn hạt (single-particle inductively coupled plasma mass spectrometry – spICPMS).
Đo lường
Một mẫu có nồng độ tiêu chuẩn được chứng nhận từ LGC (các hạt nano vàng được phân tán dạng keo, ổn định bằng xitrat, nồng độ số hạt 1,47E11 ± 2,8E10 / mL, đường kính đại diện 30,7 nm, mã sản phẩm LGCQC5050) [6] đã được đo lúc mới nhận mẫu và trong một loạt dung dịch pha loãng.
Thiết bị Nano-inXider được sử dụng để thực hiện các phép đo trong một flowcell có độ dày vừa đủ để đảm bảo độ truyền qua. Trước khi được đưa vào flowcell để đo, mỗi mẫu được lắc thủ công một cách nhẹ nhàng. Sau đó, chúng được đo trong 10 phút ở môi trường phân tán (nước với dung dịch đệm xitrat) để xác định tán xạ nền của nó.
Cân vi lượng được sử dụng để kiểm soát sai số pha loãng trong đó độ không đảm bảo đo lặp lại của cân được xem xét trong kết quả nồng độ cuối cùng. [7]
Phần mềm XSACT được sử dụng để phân tích dữ liệu tán xạ [8]. Cường độ tia X truyền qua được tự động phát hiện bởi thiết bị, hiển thị dữ liệu theo đơn vị tuyệt đối, đây là một yêu cầu bắt buộc khi tính toán định lượng nồng độ hạt.
Các dữ liệu tán xạ được fit dựa trên một hệ số hình dạng cầu có phân bố kích thước chuẩn (lognormal) sau khi suy biến dữ liệu [9], hiển thị nồng độ hạt của các hạt phân tán, kích thước hạt và độ đa phân tán. Ở đây, mật độ chiều dài tán xạ của vàng trong nước được xác định là 1,159E12 cm-2. Tổng số nồng độ thu được bằng cách tích phân diện tích dưới biểu đồ phân bố kích thước.
Các kết quả
Hình 1 cho thấy các đường biểu diễn dữ liệu tán xạ của hạt vàng được phân tán. Kích thước trung bình 28,9 nm đại diện cho các hạt nano vàng, so với 30,7 nm trên giấy chứng nhận (kết quả từ kính hiển vi điện tử). Nồng độ hạt nano của hạt vàng phân tán khi mới nhận được là 1,39E11 ± 0,7E10 hạt trên mỗi mL. Điều này rất phù hợp với chứng chỉ mẫu (1,47E11 ± 2,8E10 hạt trên mL). [6]
Để đánh giá giới hạn phát hiện và độ tuyến tính của phương pháp SAXS, hạt vàng phân tán khi nhận được đã được pha loãng lên 5, 10, 100 và 1000 lần.
Chiều cao của các đường cong biểu diễn dữ liệu liên quan trực tiếp đến nồng độ mẫu, do Nano-inXider có khả năng biểu diễn dữ liệu tán xạ chuẩn hóa theo đơn vị tuyệt đối. Mẫu được pha loãng nhất (pha loãng 1000 lần, khoảng 1,5E10 ± E7 hạt trên mỗi mL) không thể hiện đủ tín hiệu để đưa vào biểu đồ.
Hệ số pha loãng thực nghiệm (thể tích của chất phân tán ban đầu chia cho tổng thể tích sau khi pha loãng) đã được tính toán trọng lượng và so sánh với hệ số pha loãng thu được bởi SAXS (số nồng độ của chất phân tán đã pha loãng chia cho số nồng độ của chất phân tán ban đầu) . Trong Hình 2, nồng độ mà SAXS đo được tương đồng cao với nồng độ theo trọng lượng. Giới hạn phát hiện được ước tính là 2,5E8 hạt trên mL từ đường fit tuyến tính của các điểm dữ liệu, có thể so sánh với hệ số pha loãng 200 đối với mẫu cụ thể này. Giới hạn phát hiện này bị ảnh hưởng bởi hiệu suất của thiết bị, độ tương phản điện tử và kích thước hạt trung bình.
Kết luận
SAXS là một kỹ thuật truy nguyên* theo đơn vị đo lường quốc tế – SI (traceable technique) [12] để định lượng cả nồng độ hạt và phân bố kích thước của hạt nano. Bài báo này đã chứng minh rằng giá trị nồng độ hạt chính xác có thể xác định bằng một cách đơn giản trên một thiết bị phòng thí nghiệm với thời gian đo chỉ khoảng 10 phút.
Gần đây, một nghiên cứu liên phòng thí nghiệm lớn (54 phòng thí nghiệm quốc tế) so sánh 5 kỹ thuật đo mật độ hạt nano đã được công bố vào đầu tháng 3 năm 2022. Và SAXS được xếp hạng cao nhất trong số các kỹ thuật có thể “truy nguyên” về độ lặp lại và khả năng tái lập của phép đo. [10]
Công trình này cũng là cơ sở của tiêu chuẩn ISO 24672 “ Guidance on the measurement of nanoparticle number concentration”[11].
Lời tri ân:
Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia đã cung cấp mẫu keo vàng phân tán đã được chứng nhận, cùng với các hướng dẫn và quy trình đo lường được tạo ra cho dự án 14IND12 InNanoPart của Chương trình European Metrology Programme for Innovation and Research (EMPIR).
*Truy Nguyên ( Traceability): là tập hợp các kết quả đo lường hoặc giá trị của thiết bị chuẩn có liên quan tới tài liệu tham chiếu. thường các chuẩn quốc gia hoặc quốc tế phải nằm trong 1 chuỗi so sánh mắt xích không gián đoạn và tất cả phải có độ không đảm bảo đo.
Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp và dịch
Download application note này tại đây!
Nguồn: Azonano.com, Xenocs
Tìm hiểu thêm thiết bị sử dụng cho ứng dụng trên!
Tài liệu tham khảo trong bài viết:
[1] S. Logothetidis, Nanostructured Materials and Their Applications, Springer, 2012.
[2] G. Gleber, L. Cibik, S. Haas, A. Hoell, P. Müller and M. Krumrey, “Traceable size determination of PMMA nanoparticles based on Small Angle X-ray Scattering (SAXS),” Journal of Physics: Conference Series, vol. 247, p. 012027, 2010.
[3] F. Meli, T. Klain, E. Buhr, C. G. Frase, G. Gleber, M. Krumrey, A. Duta, S. Duta, V. Korpelainen and R. Bellotti, “Traceable size determination of nanoparticles, a comparison among European metrology institutes,” Measurement Science and Technology, vol. 23, p. 125005, 2012.
[4] B. Pauw, C. Kästner and A. Thünemann, “Nanoparticle size distribution quantification: results of a small-angle X-ray scattering inter-laboratory comparison.,” Journal of Applied Crystallography, vol. 50, pp. 1280-1288, 2017.
[5] A. Schavkan, C. Gollwitzer, R. Garcia-Diez, M. Krumrey, C. Minelli, D. Bartczak, S. Cuello-Nuñez, H. Goenaga-Infante, J. Rissler, E. Sjöström, G. B. Baur, K. Vasilatou and A. Shard, “Number Concentration of Gold Nanoparticles in Suspension: SAXS and spICPMS as Traceable Methods Compared to Laboratory Methods,” Nanomaterials, vol. 9, no. 4, p. 502, 2019.
[2] G. Gleber, L. Cibik, S. Haas, A. Hoell, P. Müller and M. Krumrey, “Traceable size determination of PMMA nanoparticles based on Small Angle X-ray Scattering (SAXS),” Journal of Physics: Conference Series, vol. 247, p. 012027, 2010.
[3] F. Meli, T. Klain, E. Buhr, C. G. Frase, G. Gleber, M. Krumrey, A. Duta, S. Duta, V. Korpelainen and R. Bellotti, “Traceable size determination of nanoparticles, a comparison among European metrology institutes,” Measurement Science and Technology, vol. 23, p. 125005, 2012.
[4] B. Pauw, C. Kästner and A. Thünemann, “Nanoparticle size distribution quantification: results of a small-angle X-ray scattering inter-laboratory comparison.,” Journal of Applied Crystallography, vol. 50, pp. 1280-1288, 2017.
[5] A. Schavkan, C. Gollwitzer, R. Garcia-Diez, M. Krumrey, C. Minelli, D. Bartczak, S. Cuello-Nuñez, H. Goenaga-Infante, J. Rissler, E. Sjöström, G. B. Baur, K. Vasilatou and A. Shard, “Number Concentration of Gold Nanoparticles in Suspension: SAXS and spICPMS as Traceable Methods Compared to Laboratory Methods,” Nanomaterials, vol. 9, no. 4, p. 502, 2019.
[6] “Colloidal gold nanoparticles,” LGC Standards, [Online]. Available: https://www.lgcstandards.com/GB/en/Colloidal-gold-nanoparticles/p/LGCQC5050. [Accessed 16 06 2020].
[7] EURAMET, “EURAMET Calibration Guide n°18,” 2015. [Online]. Available: https://www.euramet.org/publications-media-centre/calibration-guidelines/.
[8] “XSACT software: X-ray Scattering Analysis and Calculation Tool,” Xenocs, [Online]. Available: https://www.xenocs.com/products/software/.
[9] J. Pedersen, “Analysis of small-angle scattering data from colloids and polymer so-,” Advances in Colloid and Interface Science, vol. 70, pp. 171-210, 1997.
[7] EURAMET, “EURAMET Calibration Guide n°18,” 2015. [Online]. Available: https://www.euramet.org/publications-media-centre/calibration-guidelines/.
[8] “XSACT software: X-ray Scattering Analysis and Calculation Tool,” Xenocs, [Online]. Available: https://www.xenocs.com/products/software/.
[9] J. Pedersen, “Analysis of small-angle scattering data from colloids and polymer so-,” Advances in Colloid and Interface Science, vol. 70, pp. 171-210, 1997.
[10] Versailles project on advanced materials and standards (VAMAS) interlaboratory study on measuring the number concentration of colloidal gold nanoparticles. Nanoscale, 2022,14, 4690-4704
[11] ISO 24672 “ Guidance on the measurement of nanoparticle number concentration”
[12] ISO/DIS 23484 Determination of particle concentration by small angle X-ray scattering (SAXS)
