Revolutioniere deine Messungen mit der OptoFluidic Force Induction

OF2i® steht für OptoFluidic Force Induction. Diese patentierte Methode zur Charakterisierung von Nanopartikeln ist ein entscheidender Fortschritt. Zum ersten Mal ist es möglich kontinuierlich, nahtlos und in Echtzeit Partikeldaten zu erhalten, die statistisch relevant und repräsentativ für die gesamte Partikelpopulation sind. OF2i® sprengt die Grenzen der herkömmlichen Partikelmessmethoden zur Partikelcharakterisierung und revolutioniert die Forschung und Produktion.
Dieses neue Prinzip nutzt Licht als Werkzeug, um nanoskalige Objekte in einer durch eine Messzelle gepumpten Flüssigkeit zu manipulieren. OptoFluidic Force Induction führt das von Arthur Ashkin entwickelte Prinzip der „optischen Pinzette“ um einige Schritte weiter: Es fokussiert einen donut-förmigen Laser durch die flüssige Probe, um eine optische Kraft auf die Partikel auszuüben, die sie vorwärts schiebt und um das Zentrum des Strahls dreht.

Filmemachen – und die Rolle, die ein Donut dabei spielt

Stell dir vor, dein Kind lernt gerade laufen. Wenn es seine ersten Schritte macht, möchtest du diesen Moment festhalten. Wirst du Fotos oder ein Video machen? Eine Reihe einzelner Schnappschüsse wird die Geschichte nicht so gut erzählen wie eine Filmsequenz. Das ist der Unterschied zwischen der OF2i®-Methode und den etablierten Methoden zur Partikelmessung. Während du mit herkömmlichen Methoden ((DLS, Laserbeugung) nur kurze Schnappschüsse des Partikelverhaltens erhältst oder ein kurzes Video von einer begrenzten Anzahl von Partikeln (mit NTA) bekommst, liefert OptoFluidic Force Induction kontinuierliche Messdaten in einem nahtlosen Videostream.

Was bedeutet diese kontinuierliche Messung?

Die riesige Datenmenge, die im Laufe der Zeit aufgezeichnet wird, gibt Aufschluss über die Konzentration, Größe und Größenverteilung von Partikelpopulationen – und zeigt deren Veränderungen in Echtzeit an. Der BRAVE-PAT-Sensor kann sogar direkt in deiner Produktionsanlage integriert werden. Die Ergebnisse werden kontinuierlich mit Einzelpartikelgenauigkeit geliefert.
Die Möglichkeit, das Probenverhalten zu verfolgen, wenn (Nano-)Partikel miteinander und mit der Probenumgebung reagieren und interagieren, ist auch für Forschungs- und Entwicklungsanwendungen bahnbrechend. Einer unserer allerersten Kunden, Prof. Tobias Madl von der Medizinischen Universität Graz, setzte den Prototyp BRAVE B-Curious in seiner Forschung ein und konnte erstmals die Prozesse bei der frühen Kondensatbildung direkt verfolgen. Jetzt hat er ein neues BRAVE B-Curious, das ihm hilft, seine Studien über altersbedingte Krankheiten voranzutreiben.

Und was ist mit dem Donut?

Der von OF2i® verwendete Laser ist ein Vortexlaser mit einem donutförmigen Strahl. Fokussiert man diesen „Donut-Strahl“ durch die flüssige Probe, so drehen sich die Teilchen um das Zentrum des Strahls und bewegen sich auf spiralförmigen Bahnen durch die Messzelle, ohne aneinander zu stoßen.
(Filme sind einfach besser, wenn Donuts da sind).

Veröffentlichung in Physical Review Applied: "Real-Time Nanoparticle Characterization Through Optofluidic Force Induction"
Šimić et al

OF2i® misst Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung von polydispersen Proben

Eine der größten Herausforderungen bei der Partikelcharakterisierung ist der Umgang mit hoch polydispersen und multimodalen Proben, wie sie in industriellen Prozessen häufig vorkommen. In unserem kurzen White Paper Analyzing polydisperse systems demonstrieren wir, wie die OptoFluidic Force Induction (OF2i®) Methode komplexe polydisperse Systeme in einer kontinuierlichen und nahtlosen Messung charakterisiert, die etwa eine Stunde dauert.
Die Abbildung zeigt:

(a) Gemessene Durchmesser einer Mischung von Polystyrolkugeln (n = 1,59) mit Nenndurchmessern von 203, 401, 600, 789 und 1040 nm über eine lange Messzeit. Der Beitrag jedes Ensembles wird durch ein 1D-Gauß’sches Mischungsmodell mit fünf Komponenten bestimmt, das auf das Histogramm oben angewendet und farblich hervorgehoben wird.

(b) Gesamtkonzentration (Partikel/ml) und

(c) Anzahl der einzelnen Cluster, gemittelt über einen Zeitraum von tmeas = 180 s. Für die kleinsten Partikel (203 nm) wird die Konzentration zur besseren Darstellung durch einen Faktor von fünf geteilt.

Histogramme der Partikelgröße (∆d = 10 nm), erhalten nach (d) 55, (e) 25 und (f) 15 Minuten, angegeben durch die Markierungen auf der y-Achse in Tafel (a).

Kombination von OF2i® und Raman-Analyse zum Nachweis und zur Identifizierung von Nano- und Mikroplastik in Flüssigkeiten

BRAVE Analytics arbeitet an einem OF2i®-plus-Raman-Projekt mit dem Ziel, die Menge und die Arten von Kunststoffen in einer Flüssigkeit zu quantifizieren. Das Ergebnis wird ein Raman-Modul sein, das in die OF2i®-Plattformen (eine für die Laboranalyse und eine für den PAT-Sensor zur Produktionsüberwachung) integriert wird. Dieses kurze White Paper Raman analysis plus OF2i zeigt, dass die Raman-Streuung für die Identifizierung von Partikeln im Mikrometerbereich gut geeignet ist. Wir konzentrieren uns zur Zeit auf den Raman-Nachweis von Mikro- und Nanopartikeln.

Die Abbildung zeigt:
(a) P1 ist ein stabil eingeschlossenes Einzelteilchen, P2 und P3 sind Agglomerate. Die Raman-Spektren wurden zwischen den eingefügten Quadraten aufgenommen.
(b) Die Spektren einer einzelnen 5 µm großen Partikelkugel (P1), von Partikelagglomerationen (P2 und P3) und eines Referenzspektrums von losem Polystyrol, gemessen mit einem normalen Raman-Mikroskop.

Was bringt OF2i®?

Die OptoFluidic-Force-Induction bietet eine Reihe von Vorteilen, darunter die Schnelligkeit der Ergebnisse, kontinuierliche Echtzeit- und Online-Messungen, die Erkennung extrem niedriger Partikelkonzentrationen und eine statistisch relevante Analyse, da sie bis zu 1000 Partikel pro Minute berücksichtigt.

Schnellere Partikelanalysen in Echtzeit dank der OptoFluidic Force Induction

Die OptoFluidic Force Induction-Methode liefert deutlich schnellere Messergebnisse als alle herkömmlichen Partikelcharakterisierungsverfahren. In Zahlen ausgedrückt ist OF2i® zehn Mal schneller als NTA und auch deutlich schneller als DLS oder Laser Diffraction. Darüber hinaus sind die Messdaten in Echtzeit verfügbar und live einsehbar. Damit erlaubt OF2i® einen noch nie dagewesenen Einblick in das Partikelgeschehen, Formierungsprozesse oder Stabilitäten einer Probe und unmittelbare Resultate. Durch automatisierte Reinigungsroutinen spart man zusätzlich Zeit und damit echtes Geld.

Repräsentative und exakte Daten zur gesamten Partikelpopulation in einer kontinuierlichen Messung

Auch in Sachen Exaktheit setzt OF2i® neue Maßstäbe. Ab sofort spielt es keine Rolle mehr, ob das Partikelgeschehen nur für wenige Sekunden oder über die Dauer von acht Stunden analysiert werden soll. OF2i® ist in der Lage bis zu 1000 Partikel pro Minute zu analysieren, bei Konzentrationen von einigen wenigen Partikeln bis 10⁸ Partikel pro Milliliter.

Partikel zwischen 50 Nanometern und 5 Mikrometern (probenabhängig) werden erfasst, so dass die Messergebnisse exakte und repräsentative Ergebnisse für die Grundgesamtheit der Partikelpopulationen liefern. Dabei werden die tatsächlichen D-Values erkannt, selbst in komplexen, polydispersen Proben.

Kontinuierliche Partikelanalyse während des Produktionsprozesses

Mit dem PAT-Sensor bringen wir zudem ein Gerät auf den Markt, der unkompliziert in die Produktionsanlage integriert werden kann und das Partikelgeschehen in Echtzeit wiedergibt. Dies ermöglicht noch nie dagewesene Vorteile für die Qualitätskontrolle.

Da OF2i® in der Lage ist, das Partikelgeschehen während des Herstellungsprozesses zu überwachen und zu kontrollieren, wird der Produktionsausschuss drastisch reduziert und Verzögerungen durch Probentests gehören der Vergangenheit an. Mit OF2i® ist es möglich kontinuierlich und live „IN“ das Produkt zu schauen und so stets die größtmögliche Produktqualität zu gewährleisten, aber auch die vorausschauende Instandhaltung der Produktionsanlagen zu optimieren.

OF2i® misst selbst kleinste Partikelkonzentrationen

Aktuelle Partikelmessverfahren wie DLS, NTA oder LD liefern keine zuverlässigen Daten zu extrem niedrig konzentrierten Partikelpopulationen oder Aggregaten. Doch gerade bei ultraniedrigen Proben-Volumen als auch bei der Bestimmung von ultraniedrigen Partikelkonzentrationen zeigt OF2i® was es kann. Dank der hohen Sensitivität des Partikelmessverfahrens stellt OF2i® zuverlässige, repräsentative Daten bei Probenvolumina ab 20 µL dar und bietet eine Detektionsdynamik von 50 nm bis über 5 µm (probenabhängig, erwartete Werte). So können selbst wenige Partikel pro Milliliter bestimmt werden (z. B. bei ultrareines Wasser).

Messberichte

Schau dir die Ergebnisse an, die OF2i® für diese verschiedenen Probentypen liefert.

Monodispers

Dieser Messbericht zeigt eine monodisperse Probe.

Die D-Werte ändern sich nicht mit der Zeit

Monodispers mit Agglomeraten

Dieser Messbericht zeigt eine monodisperse Probe mit größeren Partikeln/Agglomeraten.

Die Werte für Dn50, Dn90 und Dn10 ändern sich im Laufe der Zeit nicht.
D[4,3] und D[3,2] sind höher, weil einige größere Partikel oder Agglomerate auftreten (sichtbar in der volumenbasierten PSD-Grafik)

Polydispers mit sedimentation

Dieser Messbericht zeigt eine polydisperse Probe, die aussedimentiert.

Polydispersität durch SPAN: 3.23 angezeigt
Die Sedimentation wird durch die Abnahme von Dn90 im Laufe der Zeit angezeigt

Dynamische Prozesse auftreten

Dieser Messbericht zeigt dynamische Veränderungen während der Messung.

In den ersten ~18 Minuten ist die Partikelanzahl gering; Dn90, D[4,3] und D[3,2] springen stark auf und ab
Um 17:15 Uhr steigt die Konzentration der nachgewiesenen Partikel schnell an; es gibt keine Sprünge mehr in den D-Werten

Niedrige Konzentrationen

Dieser Messbericht zeigt eine extrem niedrig konzentrierte Probe.

Es gibt signifikante Veränderungen in der Konzentration
Die D-Werte sind nicht konstant

Erklärung des Messberichts

Für eine detaillierte Erläuterung des Messberichts lies weiter oder nimm Kontakt auf!

Die Vorteile der OF2i® Partikelanalyse auf einen Blick

Schnelle Messergebnisse innerhalb von Sekunden
Partikelanalyse in Echtzeit mit unmittelbar beobachtbaren Live-Daten
Messung von bis zu 1000 Partikeln pro Minute
Exakte Messdaten mit Einzelpartikelgenauigkeit - die Messergebnisse sind repräsentativ
Direkt und unkompliziert als Online PAT-Sensor in den Herstellungsprozess integrierbar
Benchtop-Gerät für das Labor
Repräsentative Messergebnisse bei ultraniedrigen Proben-Volumina
Misst selbst extrem niedrig-konzentrierte Partikelpopulationen (wenige Partikel pro Milliliter)
Produktionssteuerung und -überwachung ohne die mit Laborergebnissen einhergehende Zeitverzögerung

Messbereich kann optimal an erforderliche Anwendungen angepasst werden
Verbesserte Effizienz der Produktionsprozesse
Ermöglicht vorausschauende Wartung und Überwachung des Zustands der Produktionsanlage
Zentrale Datenverarbeitung und Datenerfassung (H.A.N.S.-Software)
Aussagekräftige statistische Dokumentation der Messergebnisse
Einfache Bedienung und Dateninterpretation
Tiefere Einblicke in das Partikelgeschehen
Optionales Raman-Analysen-Modul für die kontinuierliche Identifikation von bis zu 100 Partikeln pro Minute

Wo OF2i® bereits erfolgreich Arbeit vereinfacht und Outputs optimiert

Mithilfe der Optofluidischen Kraftinduktion können Partikelgrößenverteilungen, Partikelkonzentrationen und Partikelgrößen in Echtzeit und während des Produktionsprozesses überwacht werden. Diese bahnbrechenden Möglichkeiten werden bereits in vielen Branchen genutzt, wo sie etablierte Methoden wie DLS, NTA, TEM oder LD erfolgreich ergänzen oder ersetzen.

Wann ist OF2i® eine bessere Alternative zu DLS, NTA oder Laser-Diffraction?

OF2i® übertrifft die etablierten Technologien zur Partikelanalyse in vielerlei Hinsicht. Obwohl etablierte Methoden wie DLS, NTA oder LD für bestimmte Aufgaben gut geeignet sind, hat jede Methode ihre Grenzen. Wenn du dynamische Prozesse verstehen, komplexe polydisperse Systeme auflösen oder alle Partikelpopulationen in deiner Probe näher betrachten willst (Raman-Analyse „coming soon“), ist OF2i® eine ausgezeichnete Wahl. Auch für Produktionsprozesse bietet OF2i® viele Vorteile. OF2i® ermöglicht eine echte Online-Prozesskontrolle mit dem ultimativen Ziel, Freigabetests in Echtzeit durchzuführen, Zeit und Ausschuss zu sparen und Formulierungen zu vermeiden, die nicht der Spezifikation entsprechen.

OF2i® ist schnell.

Mit der OptoFluidic Force Induction-Methode erhält man 10-mal schnellere Messergebnisse als mit der Nanoparticle Tracking Analysis und auch deutlich schnellere Messergebnisse als mit Dynamic Light Scattering oder Laser Diffraction. Es werden bis zu 1000 Partikel pro Minute gemessen.

OF2i® misst kontinuierlich.

Während andere Partikelmessverfahren eher begrenzte Ergebnisse in Form von Standbildaufnahmen liefern, stellt OF2i® Live-Messdaten kontinuierlich über Sekunden, Minuten oder Stunden dar (und 24/7 mit dem PAT-Sensor).

OF2i® misst mit Einzelpartikelgenauigkeit.

Darüber hinaus kann man anhand der OF2i®-Methode jeden einzelnen im Laserstrahl befindlichen Nanopartikel analysieren. OF2i® liefert exakte Daten zu Partikelgröße, Partikelgrößenverteilung und Partikelkonzentration, selbst bei ultraniedrigen Konzentrationen und ultraniedrigen Probenvolumina. Die Messergebnisse sind repräsentativ für die gesamte Partikelpopulation.

OF2i® misst in Echtzeit.

Alle Messresultate werden in wenigen Sekunden als Live-Datenstream zur Verfügung gestellt und erlauben eine kontinuierliche Beobachtung des Partikelgeschehens. Während die etablierten Partikelanalysemethoden meist nicht in der Lage sind während des Produktionsprozesses Messungen vorzunehmen, kann OF2i® Partikelanalysen in Echtzeit während des Herstellungsprozesses liefern.

Methode	DLS	NTA	LD	OF2i®
In Produktionsprozess integrierbar	bedingt	nein	nein	ja
Kontinuierliche Messung im Labor	nein	bedingt	nein	ja
Messung der Partikelkonzentration	bedingt	bedingt	nein	ja, klar definiertes aktives Volumen
Messung der Partikelgrößenverteilung bei monodispersen Proben	ja	ja	ja	ja
Messung der Partikelgrößenverteilung bei polydispersen Proben	schwierig	schwierig	schwierig	ja
Detektionsbereich (Partikelgröße)	1 nm bis 10 µm (probenabhängig)	10 nm bis 1 µm (probenabhängig)	10 nm bis 3 mm (probenabhängig)	50 nm bis 3 µm (probenabhängig)
Beobachtung von dynamischen Prozessen	bedingt	bedingt	nein	ja
Kontinuierliche Detektion und Identifikation von Partikeln mittels Durchfluss-Raman-Analyse	nein	nein	nein	ja

Die Erfindungsgeschichte von OF2i®

Am Anfang stand ein Problem

Christian Hill, heute CEO und CTO von BRAVE Analytics, war frustriert von den Partikelanalysemethoden, die er bei Experimenten für seine Doktorarbeit verwendete. Auf der Suche nach Alternativen stieß er auf Forschungsarbeiten von Arthur Ashkin, in denen das von Ashkin erfundene Prinzip der „optischen Pinzette“ beschrieben wurde, bei dem Partikel mithilfe eines eng gebündelten Laserstrahls eingefangen werden. Chris begann sich zu fragen, wie diese Idee genutzt werden könnte, um einen besseren Blick auf Teilchen zu werfen. Nachdem er viele Stunden damit verbracht hatte, über diese Theorie nachzudenken, zu lesen und noch mehr nachzudenken, war Chris motiviert, in einem kleinen Labor auf dem Campus der Medizinischen Universität Graz eine Laseranlage aufzubauen.

Dies begann mit der Antwort
Das Endergebnis war eine neue und patentierte Methode zur Partikelanalyse: OF2i® (OptoFluidic Force Induction) Methode. OF2i® ist ein völlig neuer Ansatz zur Charakterisierung von Partikeln und Nanopartikeln. Es liefert Messergebnisse für die Nanopartikelgröße, die Nanopartikelgrößenverteilung sowie die Nanopartikelkonzentration – und das kontinuierlich und zeitaufgelöst – und mit dem BRAVE-PAT-Sensor sogar während des Produktionsprozesses.

Wie OF2i® die Grenzen der Brownschen Bewegung umgeht

OptoFluidic Force Induction führt das von Arthur Ashkin entwickelte Prinzip der „optischen Pinzette“ einige Schritte weiter: Es fokussiert einen donut-förmigen Laser durch die flüssige Probe, um eine optische Kraft auf die Partikel auszuüben, die sie nach vorne schiebt und um das Zentrum des Strahls dreht.

Warum fangen und beschleunigen?
Mit OF2i® werden die Nanopartikel gefangen, können sich aber weiter auf ihrer spiralförmigen Bahn bewegen. Die Beschleunigung der Partikel bedeutet, dass sie keine Brownsche Bewegung mehr zeigen, sondern sich viel schneller bewegen – und die Geschwindigkeit ihrer Bewegung korreliert mit ihrer Partikelgröße. Dadurch, dass die Partikel auf ihren eigenen Bahnen bleiben, werden Kollisionen zwischen den Partikeln minimiert, die die Messung stören würden, und es ist einfach, die Partikel bei ihrer Beschleunigung zu verfolgen. In der OF2i®-Setup zeichnet ein Mikroskop die Geschwindigkeitsänderung aufgrund dieser optischen Kräfte auf, die zur Berechnung der Partikelgröße verwendet wird.

Veröffentlichung in Physical Review Applied: "Theoretical Description of Optofluidic Force Induction"
Šimić et al

Veröffentlichung in Analytical and Bioanalytical Chemistry: "Optofluidic force induction as a process analytical technology"
Šimić et al

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