How To Calculate Polydispersity Index Of Nanoparticles

De polydispersiteitsindex (PDI) is een cruciale maatstaf bij de karakterisering van nanomaterialen. Het geeft een indicatie van de uniformiteit van de grootteverdeling van een populatie nanodeeltjes. Een lage PDI duidt op een monodisperse oplossing (deeltjes hebben een zeer uniforme grootte), terwijl een hoge PDI wijst op een polydisperse oplossing (deeltjes hebben een breed scala aan groottes). Het correct berekenen en interpreteren van de PDI is essentieel voor diverse toepassingen, variërend van medicijnafgifte tot geavanceerde materialen.

Het Belang van de Polydispersiteitsindex (PDI)

De PDI is meer dan slechts een nummer; het is een sleutelindicator voor de kwaliteit en prestaties van nanodeeltjes. Het beïnvloedt direct eigenschappen zoals stabiliteit, optische eigenschappen, en bio-distributie. Begrijpen hoe je de PDI berekent en interpreteert, is daarom cruciaal voor onderzoekers en ingenieurs.

Waarom is de PDI Zo Belangrijk?

Stabiliteit: Monodisperse systemen zijn doorgaans stabieler omdat er minder neiging is tot aggregatie, aangezien alle deeltjes een vergelijkbare grootte hebben.
Reproduceerbaarheid: Bij het repliceren van experimenten is een lage PDI van essentieel belang voor reproduceerbare resultaten.
Toepassingsspecifieke eisen: In bepaalde toepassingen, zoals medicijnafgifte, is een monodisperse verdeling cruciaal voor een gecontroleerde afgifte van het medicijn.
Kwaliteitscontrole: De PDI is een belangrijk kwaliteitscontroleparameter bij de productie van nanomaterialen.

Methoden voor het Bepalen van de PDI

Er zijn verschillende methoden om de PDI van nanodeeltjes te bepalen, maar de meest gebruikelijke is Dynamic Light Scattering (DLS), ook wel bekend als Photon Correlation Spectroscopy (PCS).

Dynamic Light Scattering (DLS)

DLS meet de Brownse beweging van de deeltjes in een suspensie. Kleinere deeltjes bewegen sneller dan grotere deeltjes. Door de fluctuaties in het verstrooide licht te analyseren, kan de grootteverdeling worden bepaald.

De PDI in DLS wordt berekend uit de cumulantenanalyse van de correlatiefunctie. De correlatiefunctie beschrijft hoe de intensiteit van het verstrooide licht verandert in de tijd. De cumulant methode berekent de gemiddelde deeltjesgrootte (Z-gemiddelde) en de polydispersiteitsindex uit de eerste en tweede cumulant van de correlatiefunctie.

Formule (benadering):

PDI ≈ (Standaarddeviatie / Z-gemiddelde)²

Let op: De exacte formule kan variëren afhankelijk van de software en implementatie van de DLS-machine. De hierboven genoemde formule is een algemene benadering om het concept te begrijpen. De software die bij de DLS-machine wordt geleverd, berekent de PDI automatisch op basis van de gemeten correlatiefunctie.

Andere Methoden

Hoewel DLS de meest voorkomende is, zijn er andere methoden, waaronder:

Transmission Electron Microscopy (TEM): Hiermee kunnen de deeltjes direct worden gevisualiseerd, maar het is arbeidsintensiever en kan alleen een beperkt aantal deeltjes beoordelen. De PDI kan worden geschat door handmatig de deeltjesgrootte op de TEM-beelden te meten en een histogram van de grootteverdeling te maken.
Atomic Force Microscopy (AFM): Vergelijkbaar met TEM, maar kan ook de oppervlakte-eigenschappen van de deeltjes meten. Net als bij TEM, is de PDI-schatting gebaseerd op het meten van een groot aantal deeltjes en het maken van een histogram.
Nanoparticle Tracking Analysis (NTA): Volgt individuele deeltjes om hun grootte en concentratie te bepalen.
Size Exclusion Chromatography (SEC): Scheidt deeltjes op basis van hun grootte, wat informatie geeft over de grootteverdeling.

Stappen voor het Berekenen van de PDI (met DLS data)

Hoewel de PDI meestal automatisch door de DLS-software wordt berekend, is het nuttig om de stappen te begrijpen die erbij betrokken zijn:

Monster Voorbereiding: Bereid het monster voor in een geschikt dispergeermiddel. De concentratie moet geschikt zijn voor DLS-metingen (meestal aanbevolen door de fabrikant van de DLS-machine).
DLS Meting: Plaats het monster in de DLS-machine en voer de meting uit. Zorg ervoor dat de meetparameters (temperatuur, viscositeit van het dispergeermiddel, etc.) correct zijn ingesteld.
Data Analyse: De DLS-software analyseert de correlatiefunctie. Het Z-gemiddelde (gemiddelde hydrodynamische diameter) en de PDI worden berekend.
Rapportage: De software genereert een rapport met de resultaten, inclusief de PDI waarde.

Interpretatie van de PDI Waarde

De PDI waarde varieert typisch van 0 tot 1. Hoe dichter de PDI bij 0 ligt, hoe monodisperser het monster is.

Algemene Richtlijnen:

PDI < 0.1: Zeer monodispers
0.1 < PDI < 0.25: Monodispers
0.25 < PDI < 0.5: Matige polydispersiteit
PDI > 0.5: Hoge polydispersiteit

Let op: Deze richtlijnen zijn algemeen en kunnen variëren afhankelijk van de specifieke toepassing. Voor kritische toepassingen, zoals medicijnafgifte, kan een PDI < 0.1 vereist zijn.

Real-World Voorbeelden en Data

Laten we kijken naar enkele voorbeelden om de PDI in context te plaatsen:

Voorbeeld 1: Liposomen voor Medicijnafgifte

Een onderzoeksteam synthetiseert liposomen (bolvormige blaasjes gemaakt van lipiden) voor de afgifte van een geneesmiddel tegen kanker. Ze meten de grootte en PDI met DLS:

Z-gemiddelde: 100 nm
PDI: 0.08

Interpretatie: De liposomen zijn zeer monodispers (PDI < 0.1), wat wijst op een uniforme grootteverdeling. Dit is gunstig voor een gecontroleerde en voorspelbare afgifte van het medicijn in de tumor.

Voorbeeld 2: Goudnanodeeltjes voor Diagnostiek

Een ander team gebruikt goudnanodeeltjes als contrastmiddel in medische beeldvorming. Na synthese meten ze de volgende waarden:

Z-gemiddelde: 20 nm
PDI: 0.35

Interpretatie: De goudnanodeeltjes vertonen een matige polydispersiteit (0.25 < PDI < 0.5). Hoewel dit acceptabel kan zijn voor sommige diagnostische toepassingen, kan het de optische eigenschappen en de bio-distributie van de nanodeeltjes beïnvloeden. Het team zou mogelijk de synthese moeten optimaliseren om een lagere PDI te verkrijgen.

Voorbeeld 3: Polymeren voor Coatings

Een bedrijf produceert polymeren voor het maken van coatings. De PDI van een bepaalde batch is:

Z-gemiddelde: 500 nm
PDI: 0.65

Interpretatie: De polymeren zijn sterk polydispers (PDI > 0.5). Dit kan leiden tot inconsistenties in de eigenschappen van de coating, zoals de dikte en de hechting. Er is waarschijnlijk een strengere controle van het polymerisatieproces nodig.

Factoren die de PDI Beïnvloeden

Verschillende factoren kunnen de PDI van nanodeeltjes beïnvloeden:

Synthesemethode: Verschillende synthesemethoden produceren nanodeeltjes met verschillende grootteverdelingen.
Reactieparameters: Factoren zoals temperatuur, reactietijd, concentratie van reactanten en de aanwezigheid van stabilisatoren kunnen de PDI beïnvloeden.
Monsterbereiding: Onjuiste monsterbereiding (bijv. aggregatie) kan leiden tot een kunstmatig hoge PDI.
Opslagcondities: Lange opslagperioden of onjuiste opslagcondities kunnen de stabiliteit van de nanodeeltjes beïnvloeden en leiden tot een verandering in de PDI.

Conclusie

De polydispersiteitsindex (PDI) is een essentiële parameter voor het karakteriseren van nanomaterialen. Het biedt waardevolle informatie over de uniformiteit van de deeltjesgrootte, wat cruciaal is voor de stabiliteit, reproduceerbaarheid en prestaties van nanodeeltjes in verschillende toepassingen. Hoewel DLS de meest gebruikelijke methode is, zijn er andere technieken beschikbaar. Het is belangrijk om de juiste methode te kiezen, de data correct te interpreteren en rekening te houden met factoren die de PDI kunnen beïnvloeden.

Actie oproep: Begrijp je PDI! Of je nu een ervaren onderzoeker bent of net begint met nanotechnologie, investeer tijd in het leren begrijpen en optimaliseren van de PDI van jouw nanomaterialen. Dit zal leiden tot betere resultaten, betrouwbaardere data en succesvollere toepassingen.