Development of multidimensional analysis of particulate systems using analytical centrifugation
Final Report Abstract
Im ersten Teil des Projekts wurde die Hardware der analytischen Zentrifuge LUMiSizer® durch den Anwendungspartner LUM GmbH erheblich verbessert. Diese Arbeiten beinhalten eine Überarbeitung des Motors und der Rotorkammer, um eine Erhöhung der Rotorgeschwindigkeit um 25 % auf von 4000 rpm auf 5300 rpm zu ermöglichen, dies entspricht und Verbesserungen in der Zentrifugalbeschleunigung von ca. einem Faktor 1,75. Zusätzlich wurden die Rotorküvettenaufnahmen umkonstruiert und eine Rotorabdeckung für eine deutlich verbesserte Temperaturkontrolle entwickelt. Prototypen wurden hergestellt, getestet und optimiert. Sehr wichtig war auch die Entwicklung, Prototypenoptimierung und der Einsatz sektorförmiger Messzellen, welche dichteinduzierte Strömungen weitgehend minimieren und damit vor allem eine numerische Auswertung der grundlegenden Lammgleichung als Überlagerung von Sedimentations- und Diffusion ermöglicht. Parallel dazu wurden theoretische Überlegungen an FAU zur Evaluierung des Messbereichs durchgeführt. Auf Basis der dimensionslosen Peclet-Zahl (Pe) als dem Verhältnis von Sedimentationsfluss und Diffusionsfluss wurden Simulationen der Sedimentation mittels Brown’scher Dynamik für verschiedene Partikelgrößen und Dichten sowie Rotorgeschwindigkeiten in einem weiten Bereich von Pe durchgeführt. Die Auswertung der simulierten Daten ermöglicht die Bestimmung der Sedimentationskoeffizienten und Diffusionskoeffizienten als Funktion der Pe-Zahl. So konnte ein Bereich von Pe-Zahlen festgelegt werden, in dem eine zweidimensionale Analyse von Sedimentation und Diffusion möglich ist. Bei hohen Pe-Zahlen ist nur die Bestimmung der Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikeln möglich. Die elektronischen und konstruktiven Entwicklungen der kommerziellen analytischen Zentrifuge LUMiSizer® zeigen eine stark optimierte Temperaturkontrolle. Die verbesserte Hardware der AZ wurde mit Polystyrol sowie Silica-Partikeln validiert. Es wurden u.a. Messungen bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt, um die Verhinderung bzw. Verminderung von Instabilitäten in den Sedimentationsdaten zu belegen. Vergleichsmessungen in dem verbesserten Setup mit SiO2 Partikelstandards mit unterschiedlichen Partikelgrößen zeigten eine genaue Bestimmung der Größenverteilungen. Über Vergleichsmessungen mittels AUZ wurde diese Ergebnis zusätzlich validiert. Zweidimensionale Analysen erfolgten mit CTAB-stabilisierten Goldpartikeln mit einer mittleren Partikelgröße von 20 nm. Die Datenauswertung von einem einzigen AZ Experiment ermöglichte die Bestimmung der Sedimentationseigenschaften sowie der Diffusionseigenschaften der Partikeln. So war es möglich die Kerndurchmesser Verteilung mit einem mittleren Kerndurchmesser von 14 nm und eine CTAB Hüllendicke von 3 nm eindeutig mittels AZ zu bestimmen. Bemerkenswert ist die Erfassung von Messgrößen im unteren nm-Bereich. Untersuchungen mittels Rasterkraft- und Elektronenmikroskopie konnten diese Ergebnisse bestätigen. Weiterführende Untersuchungen wurden zur Analyse von Partikelwechselwirkungen während der Sedimentation und zur Heteroaggregation durchgeführt. Für den Anwender steht nun ein leicht handhabbares Tischgerät zur Verfügung, mit dem genaue Analysen der dispersen Eigenschaften, der Wechselwirkungen interagierender Partikelsysteme, der Aggregation während der Sedimentation und sogar zweidimensionale Analysen durchgeführt werden können.
Publications
- A Comprehensive Brownian Dynamics Approach for the Determination of Non-ideality Parameters from Analytical Ultracentrifugation, Langmuir the ACS journal of surfaces and colloids 2019, 35, 11491–11502
M.J. Uttinger, S.E. Wawra, T. Guckeisen, J. Walter, A. Bear, T. Thajudeen, P.J. Sherwood, A. Smith, A.M. Wagemans, W.F. Stafford, W. Peukert
(See online at https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b01916) - Hydrodynamic simulations of sedimenting dilute particle suspensions under repulsive DLVO interactions. 2020
D. Jung, M.J. Uttinger, W. Peukert, J. Walter, J. Harting
(See online at https://doi.org/10.1039/D1SM01294K) - New prospects for particle characterization using analytical centrifugation with sector‐shaped centerpieces, Part. Part. Syst. Charact. 2020, 37, 2000108
M.J. Uttinger, S. Boldt, S.E. Wawra, T.D. Freiwald, C. Damm, J. Walter, D. Lerche, W. Peukert
(See online at https://doi.org/10.1002/ppsc.202000108) - Probing particle heteroaggregation using analytical centrifugation, Soft Matter 2020, 16, 3407–3415
M. Rey, M.J. Uttinger, W. Peukert, J. Walter, N. Vogel
(See online at https://doi.org/10.1039/d0sm00026d) - Probing sedimentation non-ideality of particulate systems using analytical centrifugation, Soft Matter 2021, 2803–2814
Uttinger, D. Jung, N. Dao, H. Canziani, C. Lübbert, N. Vogel, W. Peukert, J. Harting, J. Walter
(See online at https://doi.org/10.1039/d0sm01805h) - Progress in multidimensional particle characterization, KONA 2022, 2022005
U. Frank, M.J. Uttinger, S.E. Wawra, C. Lübbert, W. Peukert
(See online at https://doi.org/10.14356/kona.2022005)
