Die Nanoparticle-Tracking-Analysis-Methode untersucht anhand der Eigenschaften der Brownschen Bewegung und der Lichtstreuung die Bewegungsgeschwindigkeit von einzelnen Partikeln in einer Suspension. Die NTA-Methode kann so Partikelgrößen, Partikelgrößenverteilungen und Partikelkonzentrationen messen. In diesem Artikel erklären wir, was genau die Nanopartikel Tracking Analyse ist, wie sie funktioniert, wofür sie angewendet wird und wann die patentierte OF2i-Methode eine bessere Alternative darstellt.
Nanoparticle Tracking Analysis ist eine Technik der Partikelcharakterisierung für Nanopartikel, die in einer flüssigen Probe aufgelöst sind. Nanoparticle Tracking Analysis wird als analytisches Partikelmessverfahren genutzt, um Partikelgrößen, Partikelgrößenverteilungen als auch deren Konzentrationen sowie das Zeta-Potential zu bestimmen. Es ist sogar möglich, einzelne Partikel zu beobachten. Dafür nutzt die NTA-Methode die Eigenschaften der zufälligen Partikelbewegung (Brownsche Bewegung) sowie der Lichtstreuung und berechnet mithilfe der Stokes-Einstein-Beziehung und des Diffusionskoeffizienten den Durchmesser der zu vermessenden Partikel. Der Messbereich liegt dabei zwischen 10 nm und 20 µm, somit bietet sich die Nanopartikel Tracking Analyse auch zur Aggregationsmessung an. Die Messung der entnommenen Probe erfolgt in einem Dispersionsmedium wie Wasser oder einem organischen Lösungsmittel, in dem man mittels Laser die Bewegungsgeschwindigkeit der Partikel verfolgt. Der Aufbau eines NTA-Instruments erlaubt die Beobachtung des Partikelgeschehens sogar in Echtzeit, wenn auch nur für einen kleinen Probendurchsatz.
Der grundlegende Aufbau eines NTA-Partikelmessgerätes besteht aus fünf Komponenten. In einer Zelleinheit wird eine Probe in Suspension von einem Laser analysiert. Erfasst werden die Messdaten mithilfe eines Mikroskops und einer (CCD- oder CMOS-)Kamera. Ein Computer wertet die Daten abschließend aus und bereitet sie auf. Die NTA-Methode verwendet die Eigenschaften der Brownschen Bewegung und der Lichtstreuung, um Nanopartikel zu charakterisieren. Hierfür wird ein Laserstrahl durch die Zelleinheit geleitet. Die Partikel werden dabei von der Seite her beleuchtet. In dieser Probenkammer befindet sich eine Flüssigkeit, in der wiederum die zu vermessenden Partikel zu finden sind. Das Licht des Lasers wird beim Aufprall auf die Nanopartikel gestreut und eben diese Lichtstreuung kann von einem Mikroskop erfasst und von einer sehr sensitiven Kamera, die direkt am Mikroskop montiert ist, eingefangen werden. Auf diese Weise kann man mittels NTA die zufällige Bewegung (Brownsche Bewegung) jener Partikel messen, auf die der Laserstrahl trifft und deren Diffusionskonstante bestimmen. Anhand der Stokes-Einstein-Beziehung kann so der hydrodynamische Durchmesser der einzelnen Teilchen errechnet werden wodurch die Partikelgröße, die Partikelgrößenverteilung und die Partikelkonzentration bestimmt werden können. Darüber hinaus lässt sich mit der Nanoparticle Tracking Analysis die elektrophoretische Mobilität messen und so auch das Zetapotenzial berechnen.
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Mit Nanoparticle Tracking Analysis kann man Partikelgröße, Partikelgrößenverteilungen und das elektrokinetische Potenzial (Zetapotenzial) messen. Auch eine Messung der Partikelkonzentration ist möglich, obwohl die Ergebnisse nicht sehr genau sind. All das gelingt durch die Beobachtung der Diffusionsparameter und Berechnung der hydrodynamischen Partikeldurchmesser. Manche NTA-Geräte haben zudem einen Fluoreszenzmodus, der es erlaubt bestimmte Partikel innerhalb der Probe zu markieren. All diese Parameter können mithilfe der Nanoparticle Tracking Analysis gleichzeitig gemessen werden, und auch Veränderungen der Eigenschaften der Partikelpopulationen über die Zeit, mit dem Nachteil, dass die Messergebnisse nicht für die gesamten Partikelpopulationen repräsentativ sind, da nur eine kleine Zahl an Partikeln pro Minute analysiert werden können. Durch die Analyse der Partikel-Subpopulationen erhält man dank NTA eine bessere Kenntnis zur Heterogenität von sehr komplexen Proben. Zudem ist eine Quantifizierung von Kolokalisierungsverhältnissen möglich.
Wie bei der dynamischen Lichtstreuung nutzt auch NTA die Eigenschaften der zufälligen Molekularbewegung (Brownsche Bewegung) und der Lichtstreuung, um die Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung zu messen. Die Brownsche Bewegung besagt, dass sich Nanopartikel, die in einer Flüssigkeit (z. B. Wasser oder ein organisches Lösungsmittel wie Ethanol) gelöst sind, zufällig in alle Richtungen bewegen. Diese Bewegung wird auch Diffusion genannt und durch den Diffusionskoeffizienten (D) ausgedrückt. Ausgelöst wird die Brownsche Molekularbewegung durch einen Energietransfer der umliegenden Flüssigkeitsmoleküle des Dispersionsmediums auf die Partikel. Je nach der Anzahl der Dimensionen kommen unterschiedliche Formeln zur Berechnung des Diffusionskoeffizienten zum Einsatz. Mithilfe der Stokes-Einstein-Beziehung kann anschließend der Partikeldurchmesser berechnet werden (als Funktion des Diffusionskoeffizienten zu einer bestimmten Temperatur und einer bestimmten Viskosität der Flüssigkeit). Bei der NTA-Methode wird abschließend die Stokes-Einstein-Beziehung und die zweidimensionale Verschiebung der mittleren quadratischen Abweichung kombiniert, um die Fluktuation eines einzelnen Partikels und dessen Durchmesser zu berechnen.
Verglichen mit Ensemble-Lichtstreuungstechniken wie DLS verzerrt die Streuung großer Partikel bei der NTA-Messmethode die Ergebnisse nicht, da sie mit Einzelpartikelgenauigkeit misst, sofern die Partikelkonzentrationen innerhalb des Messbereichs liegen. Dadurch eignet sich die Nanoparticle Tracking Analysis gut für die Analyse von Nanopartikeln, die einer sehr unterschiedlichen Größenverteilung unterliegen. Ein weiteres Plus ist die Möglichkeit, Prozesse wie Agglomeration durchgehend zu beobachten, wenn auch nur innerhalb eines sehr geringen Probendurchsatzes. Die Messdaten erhält man in wenigen Minuten. Zu guter Letzt ist eine Rückgewinnung der Proben möglich.
Obwohl NTA darauf ausgelegt ist, niedrig konzentrierte Proben zu analysieren, ist es bei ultraniedrigen Partikelkonzentrationen nicht mehr möglich brauchbare Messergebnisse zu erhalten. Repräsentative Messergebnisse sind bei Konzentrationen zwischen ungefähr 106 und 108 Partikel pro Milliliter möglich sind. Da nur 100 Partikel pro Minute gemessen werden können, bekommt man keine repräsentativen Messergebnisse für die gesamten Partikelpopulationen. Da das Volumen der Probe in der Zelle von den Partikelgrößen in der Probe abhängt, ist die Genauigkeit der berechneten Partikelkonzentration auch relativ gering. Nach bzw. vor der Messung ist die Reinigung der Messzellen mühsam und nimmt viel Zeit in Anspruch.
Die Nanopartikel Tracking Analyse wird eingesetzt, um APIs wie virusartige Partikel, Liposomen oder polymerische Nanopartikel zu charakterisieren, um innerhalb von Proteinzusammensetzungen Aggregate zu erkennen oder um Viruspartikel zu detektieren, aber auch, um anorganische Partikel und Bionanopartikel zu messen. Dies funktioniert jedoch nur, wenn diese Partikel auch groß genug sind. Falls das nicht zutrifft, eignet sich unsere patentierte OF2i-Methode hervorragend. Will man polydisperse Proben messen, übertrifft die Nanoparticle Tracking Analysis DLS, wobei Proteinmonomere meist zu klein sind, um mittels NTA detektiert zu werden. OF2i® hingegen misst Proteinmonomere und liefert bei polydispersen Systemen sehr repräsentativen Messergebnissen. Auch bei Stabilitäts-Studien wird die Nanoparticle Tracking Analysis gern verwendet, um Veränderungen der Partikelkonzentrationen zu überwachen. Auch bei der Analyse von Schleifmitteln, Poliermitteln, Beschichtungen, Tinten, Füllstoffen, Keramik, Pigmenten, Lebensmitteln und Getränken kommt die Partikelcharakterisierungsmethode zum Einsatz. Im Detail wird NTA demnach verwendet um folgende Proben zu analysieren:
I.
Mit Nanoparticle Tracking Analysis kann man keine ultraniedrigen Partikelkonzentrationen messen. Die OF2i®-Methode misst auch nur wenige Partikel pro Milliliter.
II.
Da NTA ca. 100 Partikel pro Minute/Frame misst sind die Ergebnisse nicht repräsentativ für die gesamte Partikelpopulation. OF2i® analysiert bis zu 4.000 Partikel pro Minuten und gibt Einblicke in die gesamte Population. Sogar bei polydispersen Proben sind die Messergebnisse von OF2i® repräsentativ für alle vorhandenen Partikelfraktionen.
III.
In Sachen Geschwindigkeit übertrifft die OF2i®-Methode die Nanopartikel Tracking Analyse und liefert je nach Probe drei bis zehn mal schnellere Messergebnisse.
IV.
OF2i® erlaubt eine lückenlose Beobachtung des gesamten Partikelgeschehens in Echtzeit und über mehrere Minuten und sogar Stunden hinweg.
V.
OF2i® ist schon bald direkt in die Produktionsanlage als PAT-Sensor integrierbar und überwacht und kontrolliert den Herstellungsprozess.
Referenzen
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Siehe auch Nanopat-Referenzen
BRAVE ANALYTICS
Als Partner des NanoPAT Projekts hat BRAVE Analytics Mittel aus dem Forschungs- und Innovationsprogramm HORIZON 2020 der Europäischen Union unter der Fördervereinbarung Nr. 862583 erhalten.
Als Partner des MOZART project (MOZART for safe & sustainable by-design metallic coatings & engineered surfaces (RIA)) haben wir Mittel aus dem Programm HORIZON 2020 der Europäischen Union erhalten.
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