Multidimensional analysis of nanoparticulate structures using analytical ultracentrifugation with integrated multiwavelength detection

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Wolfgang Peukert
• Subject Area: Mechanical Process Engineering
• Term: from 2014 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 252474060

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Kenntnis über die Größe, Dichte, Form und optischen Eigenschaften von Nanopartikeln (NP) ist von entscheidender Bedeutung, da Produkteigenschaften unmittelbar hiermit korreliert sind. Bisher stellte die gekoppelte Analytik dieser Partikelmerkmale eine erhebliche messtechnische Herausforderung dar. Die allgegenwärtige Notwendigkeit im Bereich von Hochschule und Industrie zur akkuraten und mehrdimensionalen Partikelanalytik bildete die Motivation für die in diesem Forschungsvorhaben durchgeführten Arbeiten. Durch eine Kopplung von hydrodynamischer Fraktionierung und spektraler Detektion stellt die analytische Ultrazentrifugation mit einem Multiwellenlängen-Extinktionsdetektor (MWL-AUZ) eine äußerst vielversprechende Methode für die mehrdimensionale Partikelanalytik dar. Die in diesem Forschungsvorhaben erzielten Entwicklungen zum Gerät und zur Datenerfassung erweiterten in entscheidendem Maße die Datenqualität und Vielseitigkeit der MWL-AUZ. Dadurch war es möglich, einige der vielfältigen Möglichkeiten der MWL-AUZ für die mehrdimensionale Analyse von Partikelsystemen zu realisieren. Durch die Integration von MWL-Funktionalitäten in die Softwarepakete SEDANAL und UltraScan3 konnten das erste Mal die Größeninformationen aus einer Mischung heraus mit den optischen Eigenschaften der Partikeln quantitativ korreliert werden, ohne dass hierfür ein gesonderter Aufreinigungsschritt vonnöten wäre. Extinktionsspektren können entweder für alle Größenfraktionen in der Mischung bestimmt werden, oder die optischen Eigenschaften werden genutzt, um die Partikelgrößenverteilungen von chemisch heterogenen NP oder Makromolekülen mathematisch zu entfalten. Für Goldnanostäbchen wurden so zweidimensionale Formverteilungen auf Basis der Extinktionsspektren mittels eine einzigen AUZ-Messung bestimmt. Des Weiteren wurde eine Software zur Partikelgrößenbestimmung mit einem hohen Dynamikumfang entwickelt. Diese macht sich Geschwindigkeitsrampen und die spezifische größen- und wellenlängenabhängige Streuung der NP zu Nutze. Durch eine Kombination von Geschwindigkeitsrampen und der MWL-Streukorrektur nach Mie, können breite Partikelgrößenverteilungen sowie partikelgrößenabhängige Extinktionsspektren mit Hilfe eines einzigen Experiments bestimmt werden. Die besonderen Herausforderungen für Kern-Schale NP wurden weiterhin adressiert. Bisherige Analysemethoden waren entweder in ihrer Auflösung limitiert oder für die Beschreibung breiter Partikelgrößenverteilungen nicht geeignet. Daher wurde ein neues Auswerteverfahren zur simultanen Bestimmung von Größe und Dichte von polydispersen Partikelgrößenverteilungen auf Grundlage eines parameterlimitierenden Auswertemodells entwickelt. Dieser Ansatz ermöglicht es die Kern-Schale Eigenschaften von NP unter Beibehaltung einer hohen Auflösung im Sedimentationskoeffizienten zu bestimmen. Für anisotrope NP wie Plättchen oder Stäbchen wurden Methoden etabliert, die es ermöglicht die Größen- und Formverteilungen direkt in Lösung mit hoher Auflösung und geringem experimentellen Aufwand zu bestimmen. Auf diese Weise können mehrere Proben simultan mit hohem Durchsatz und deutlich besserer Statistik im Vergleich zu konventionellen, auf Mikroskopie und Partikelzählung basierenden Methoden untersucht werden.

Publications

• Multidimensional Analysis of Nanoparticles with Highly Disperse Properties Using Multiwavelength Analytical Ultracentrifugation. ACS Nano 2014, 8 (9), 8871-8886
  J. Walter, K. Löhr, E. Karabudak, W. Reis, J. Mikhael, W. Peukert, W. Wohlleben and H. Cölfen
  
• Simultaneous Analysis of Hydrodynamic and Optical Properties Using Analytical Ultracentrifugation Equipped with Multiwavelength Detection. Anal. Chem. 2015, 87 (6), 3396-3403
  J. Walter, P. J. Sherwood, W. Lin, D. Segets, W. F. Stafford and W. Peukert
  
• Dynamic range multiwavelength particle characterization using analytical ultracentrifugation. Nanoscale 2016, 8 (14), 7484-7495
  J. Walter and W. Peukert
  
• Extension of the Deep UV-Capabilities in Multiwavelength Spectrometry in Analytical Ultracentrifugation: The Role of Oil Deposits. Part. Part. Syst. Charact. 2016, 33 (4), 184-189
  J. Walter, D. Segets and W. Peukert
  
• 2D analysis of polydisperse core–shell nanoparticles using analytical ultracentrifugation. Analyst 2017, 142 (1), 206-217
  J. Walter, G. Gorbet, T. Akdas, D. Segets, B. Demeler and W. Peukert
  
• Determination of the length and diameter of nanorods by a combination of analytical ultracentrifugation and scanning mobility particle sizer. Nanoscale Horiz. 2017, 2 (5), 253-260
  T. Thajudeen, J. Walter, R. Srikantharajah, C. Lübbert and W. Peukert
  
• Advanced Multiwavelength Detection in Analytical Ultracentrifugation. Anal. Chem. 2018, 90 (2), 1280-1291
  J. Pearson, J. Walter, W. Peukert and H. Cölfen
  
• Determination of the two-dimensional distributions of gold nanorods by multiwavelength analytical ultracentrifugation. Nat. Commun. 2018, 9 (1), 4898
  S. E. Wawra, L. Pflug, T. Thajudeen, C. Kryschi, M. Stingl and W. Peukert