N ANORÉSZECSKÉK VIZSGÁLATI MÓDSZEREI

A nanorészecskék vizsgálatára általában az alábbi módszereket használják:

- részecskeméret-eloszlás meghatározása, - zéta-potenciál mérés,

- röntgendiffraktometria, - elektronmikroszkópia,

- rezgési spektroszkópia (infravörös- és Raman-spektroszkópia), - termikus analízis,

- UV-látható spektrofotometria és spektrofluorimetria.

- 31 -

Részecskeméret-eloszlás meghatározása dinamikus fényszórás módszerrel

A nanorészecskék vizsgálatának megkezdésekor azok méretének és alakjának megállapítása az elsődleges. Erre többféle analitikai módszerrel fényt deríthetünk, de kolloid oldat formájában egyedül a lézer fényszóráson alapuló készülékek képesek meghatározni pontos méreteloszlást.

Néhány évvel ezelőtt került forgalomba az első olyan készülék, amely küvettás rendszerben - mint egy UV-látható spektrofotométer – a dinamikus fényszórás módszerét (DLS, Dynamic Light Scattering) felhasználva határozza meg a részecskeméret eloszlást.

Ezzel a módszerrel akár egyensúlyi rendszerek is vizsgálhatók, ezzel biztosítva a megfelelő vizsgálati közeget. Ezért esetemben nagy előnyt jelentett, hogy a nanorészecskéket keletkezésük közben vizsgálhattam. A készülékkel 1 nm - 5 m-ig terjedő mérettartományba tartozó részecskék vizsgálhatók. A dinamikus fényszórás módszere azon alapszik, hogy a fényt szóró részecskék a Brown-mozgás miatt folyamatosan változtatják szóró centrumuk orientációját és helyzetét. Minél kisebb a részecske, annál gyorsabb a mozgása, azaz annál nagyobb a transzlációs diffúziós együttható, melyet a szórt fény fluktuációjának analízisével lehet megállapítani. Az Einstein-Stokes összefüggés (4) értelmében a transzlációs diffúziós együttható és a részecskeméret között fordított arányosság áll fenn. Az így meghatározott méret a hidrodinamikai átmérő, mely nem azonos a geometriai mérettel. A szolvát (hidrát) és ionburok ugyancsak befolyásolja a részecske mozgását. Ahhoz hogy megfelelően kis részecskék vizsgálhatók legyenek 4 mW-os He-Ne lézert és ns nagyságrendbe tartozó válaszidejű detektorokat alkalmaznak a méréshez. A mérés során a részecskeméret-eloszlást a visszaszórt fénysugárból az ún. ”Non Invasive Back Scattered” (NIBS) technika alkalmazásával határozzák meg [145,146].

- 32 - Zéta-potencál mérés

A zéta-potenciál a részecskéhez erősen kötött ionburok (Stern-réteg) és a hasadási sík határfelületén mérhető potenciál. A zéta-potenciált a 2. ábra szemlélteti. Értéke felvilágosítást ad a kolloidok, szuszpenziók stabilitásáról. Ha a zéta-potenciál értéke nulla vagy ahhoz közeli tartományban van, akkor a rendszer az izoelektromos pontban van, a rendszer stabilitása lecsökken, a részecskék könnyen összetapadhatnak, koagulálnak és kiülepednek. Amennyiben a Zéta-potenciál megfelelően messze van az izoelektromos ponttól ‒ tapasztalatok alapján az érték nagyobb, mint + 30 mV vagy kisebb, mint - 30 mV

‒ akkor a kolloid rendszer stabil, a részecskék taszítják egymást, nem tapadnak össze és nem ülepednek ki.

2. ábra A zéta-potenciál értelmezése

A zéta-potenciál értékét befolyásolja a pH, a közeg vezetőképessége, az oldott ionok minősége és mennyisége, adalékok (polielektrolitok, ionos tenzidek) jelenléte.

A zéta-potenciál ugyanazzal a készülékkel mérhető mint a részecskeméret eloszlás. A műszer az elektroforetikus mobilitást méri lézer Doppler elektroforézist alkalmazva. Az elektromos térben mozgó részecskéről a fény szóródik, és annak frekvenciája eltolódik.

Ennek hatására egy fluktuáló jel jön létre. A jel frekvenciája arányos a mozgó részecskék sebességével. Ez alapján az (5) egyenlet szerint meghatározható az elektroforetikus mobilitás, amiből a zéta-potenciál egyszerűen számítható [145,146].

- 33 - E

u_e  v^e (5)

ahol ue az elektroforetikus mobilitás ve a mozgási sebesség

E elektromos térerő.

Röntgendiffraktometria

A röntgendiffraktometria kristályos anyagok fázisainak megállapítására alkalmas módszer. A reflexiós csúcsok helyéből és intenzitásából megállapítható, hogy a minta milyen fázisokat tartalmaz. A csúcsok félértékszélességéből megfelelő standard alkalmazásával, a Scherrer-egyenlet (6) alapján megállapítható a domének mérete, amely nanorészecskék esetében azonos a méretükkel. A módszer nem alkalmas a néhány százalékban jelenlevő kristályos szennyezők kimutatására.

(6)

ahol, : koherensen szóró domének átlagos mérete,

: korrigált félértékszélesség,

: reflexió szöge,

: hullámhossz, k: állandó

Elektronmikroszkópia

Az elektronmikroszkópok között megkülönböztetünk transzmissziós (TEM) és pásztázó (SEM) elven működő elektronmikroszkópot. A nanorészecskék vizsgálatánál szinte kizárólagosan a transzmissziós elektronmikroszkóp használható, mivel a pásztázó elektronmikroszkóp felbontása sokkal rosszabb. Segítségükkel megállapítható a nanorészecskék mérete és alakja.

Az elektronmikroszkópokhoz gyakorta csatlakoztatnak energiadiszperzív röntgen analizátort (EDX), amellyel röntgenfluoreszcens spektrumot lehet felvenni az elektronmikroszkópos vizsgálattal egyidejűleg. Az EDX segítségével már néhány





 

cos

 k

- 34 -

százalékban jelenlevő elemek is kimutathatók. Megfelelő standardok birtokában, hitelesítést követően az egyes elemek mennyiségére is jó becslést ad a műszer.

Rezgési spektroszkópia (infravörös és Raman-spektroszkópia)

A rezgési spektroszkópia segítségével a nanorészecskék összetétele határozható meg.

Nem csak a fő fázis, de a felületükre abszorbeált anyagok is vizsgálhatók, amennyiben azok rendelkeznek az infravörös tartományban elnyeléssel vagy van Raman aktív rezgésük.

A csúcsok helyzete, intenzitása felvilágosítást ad a vegyületekben levő komplexek kötéseiről.

Az infravörös spektrumok felvételéhez néhány mg mintát kb. 100 mg száraz kálium-bromiddal gondosan elkeverünk és nagy nyomáson átlátszó pasztillává préseljük. A Raman-spektroszkópiához nem szükséges mintaelőkészítés.

Termikus analízis

A mintában hő hatására lejátszódó átalakulási folyamatok vizsgálhatók termikus analízissel. A legelterjedtebben a minta tömegének változását (termogravimetria, TG), az ebből számítható tömegváltozás sebességét (differenciál termogravimetria, DTG) és a mintában hő hatására bekövetkező mérhető entalpiaváltozással járó folyamatokat (differenciáltermoanalízis, DTA) vizsgálják. Utóbbi esetében referenciaként valamilyen inert anyagot alkalmaznak, a minta és az inert anyag hőmérsékletének különbségét regisztrálják a minta, az inert anyag vagy a kemencetér hőmérsékletének függvényében. A felsorolt folyamatok egyidőben, ugyanabból a mintából vizsgálhatók.

UV-látható spektrofotometria és spektrofluorimetria

Az elektromágneses spektrum ultraibolya és látható részébe eső fénnyel végzett vizsgálatokkal megfigyelhető a különféle elnyeléssel rendelkező komplexek és csapadékok keletkezése. Segítségével meghatározhatók a részecskék vegyértékelektron-szerkezete.

Vizsgálható a megjelenő komplexek stabilitási állandói és a csapadékok keletkezése, amire az alapvonal emelkedése hívja fel a figyelmet a fellépő fényszórás miatt.

- 35 -

A nanorészecskék egy része az alakjától és a méretétől függő lumineszcenciával rendelkezik [135], ezért ‒ felhasználásukból (pl.: szcintilláció) adódóan is ‒ érdemes megvizsgálni fotofizikai tulajdonságaikat. Erre az egyik legalkalmasabb módszer a spektrofluorimetria. A nanorészecskék elnyelési maximumán végzik általában a gerjesztést, és a minta által kisugárzott fény spektrumát rögzítik.

- 36 -