Analytische Strategien zur Überprüfung der Partikelgröße mit SEM, DLS, BET und XRD
Zinkoxid (ZnO) ist seit Jahrzehnten als vielseitiger Wirkstoff bekannt, der sowohl in Sonnenschutzmitteln und Kosmetika als auch in industriellen Katalysatoren und Keramiken zum Einsatz kommt. In jüngerer Zeit hat die Entwicklung der Nanotechnologieforschung zu einer verstärkten Nutzung von „Nano-ZnO“ geführt, da Partikel mit einer Größe von weniger als 100 nm eine deutlich höhere Oberflächenenergie aufweisen.
In letzter Zeit ist es für Organisationen wie die REACH-Initiative der EU und die US-amerikanische FDA notwendig geworden, klare Definitionen für „Nano“- und „Nicht-Nano“-Formen solcher Verbindungen festzulegen, zumal Nanomaterialien in der Biologie und der Umwelt ganz unterschiedlich wirken können. Die Bestimmung des „Nano“-Status einer bestimmten ZnO-Probe unterstreicht daher die Notwendigkeit einer qualitativ hochwertigen Analyse.
In diesem Artikel wird erläutert, wie sich anhand der wichtigsten Analysemethoden – Rasterelektronenmikroskopie (REM), dynamische Lichtstreuung (DLS), Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Oberflächenanalysen sowie die Kristallitgrößenbestimmung mittels Röntgendiffraktometrie (XRD/XRDC). Jede Methode liefert ergänzende Informationen zu Größe, Morphologie und Aggregation, und zusammen ergeben sie eine fundierte Klassifizierung, die mit internationalen Normen wie ISO/TR 13014 und den OECD-Leitlinien im Einklang steht.
1) Die Bedeutung von ‚Nano‘ verstehen
Die Europäische Kommission erklärt, dass ein Nanomaterial ein natürliches, zufällig hergestelltes oder künstliches Material ist, das aus Partikeln besteht, die ungebunden sind oder als Aggregate zusammengeballt sind und bei denen 50 % oder mehr dieser Partikel mindestens eine von außen gemessene Abmessung im Größenbereich von 1 – 100 nm aufweisen. ZnO-Pulver in Nicht-Nano- oder Mikrogröße haben Partikeldurchmesser von mehreren hundert Nanometern bis zu einigen Mikrometern.
ZnO kann jedoch Aggregate bilden, die aus lose verbundenen Gruppen von Primärkristalliten bestehen, die durch van der Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Diese Aggregate können viel größer als 100 nm sein, obwohl sie Kristallitgrößen im Nanobereich haben. Daher ist es wichtig, zwischen der Größe von Primärkristalliten und Aggregaten zu unterscheiden. Aufgrund der Komplexität der Größenbestimmung können die derzeitigen Analysetechniken diesen Zweck nicht erfüllen.
2) Rasterelektronenmikroskopie (SEM): Die Morphologie der Partikel sichtbar machen
Prinzip und Anwendung:
Beim SEM wird ein fokussierter Elektronenstrahl verwendet, um Bilder der Oberfläche mit einer Auflösung im Nanometerbereich zu erzeugen. Die gesammelten sekundären oder rückgestreuten Elektronen erzeugen Bilder, die die richtige Form der ZnO-Partikel widerspiegeln, ob kugelförmig, stabförmig, hexagonal oder plattenförmig…
Probenvorbereitung:
Das ZnO-Pulver wird in der Regel auf leitfähigen Kohlenstoffbandträgern suspendiert, die mit einer dünnen Gold- oder Platinschicht überzogen sind, um Aufladung zu vermeiden. Die sorgfältige Suspendierung des Pulvers verhindert eine Überlagerung der Partikel und ermöglicht die Bestimmung der Partikelgröße anhand der Primärpartikel.
Interpretation
Mithilfe von hochauflösenden Mikrofotografien können Sie die Größe einzelner Partikel mit einer Bildanalysesoftware wie ImageJ bestimmen. Die Partikelgröße sollte unter 100 nm liegen. Wenn das der Fall ist, handelt es sich um Nano-ZnO. Außerdem kann die REM-Analyse die Partikelaggregation, die Oberflächenrauhigkeit und die Porosität bestimmen.
Die REM bietet eine direkte Visualisierung von Partikelgröße, Form und Oberflächendetails, verfügt jedoch nicht über robuste statistische Stichprobenfunktionen und kann durch Artefakte der Probenvorbereitung oder Aggregation beeinträchtigt werden. Normalerweise weist nano-ZnO 20-80 nm große hexagonale Kristallit-Aggregate auf, im Gegensatz zu den glatten, mikrometergroßen Körnern von Nicht-Nano-Pulvern. Daher werden in der Regel REM-Mikrofotografien in die offizielle Dokumentation zur Größenbestimmung von Nanomaterialien aufgenommen.
3) Dynamische Lichtstreuung (DLS): Messung des hydrodynamischen Durchmessers
Annahme und Umsetzung:
DLS misst die Partikelgröße durch die Analyse von Fluktuationen im gestreuten Laserlicht, die durch Brownsche Bewegung verursacht werden. Der Diffusionskoeffizient DDD eines Partikels lässt sich aus der Stokes-Einstein-Gleichung ableiten.
Da ZnO-Partikel dazu neigen, in flüssigen Lösungen Aggregate zu bilden, liefert DLS eher die Partikelgröße als die Größe der einzelnen Kristallite.
Probenvorbereitung:
Verwenden Sie Ultraschall, um ZnO in einem Lösungsmittel mit niedriger Ionenstärke, wie Ethanol oder Wasser, bei einem pH-Wert von 7-8 zu dispergieren. Tenside sollten nicht als Dispersionsmittel verwendet werden. Diese könnten die Daten verfälschen.
Interpretation
Basierend auf den intensitätsgewichteten DLS-Daten weisen ein starker Peak unter 100 nm und ein Polydispersitätsindex unter 0,3 auf eine überwiegend nanoskalige Suspension hin. Breitere Peaks und Peaks über 200 nm deuten auf eine Aggregation oder Nicht-Nano-Suspensionen hin.
DLS: eine schnelle und zerstörungsfreie Technik, die perfekt mit Dispersionslösungen funktioniert. Sie wird jedoch durch Aggregation beeinträchtigt, berücksichtigt nur kugelförmige Partikel und kann nicht mit trockenem Pulver umgehen. DLS hilft, Mikroskopietechniken wie SEM zu ergänzen…
4) BET-Oberflächenanalyse: Verknüpfung von Oberfläche und äquivalenter Partikelgröße
Prinzip
Die Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Methode bestimmt die Menge des an der Oberfläche eines Materials adsorbierten Stickstoffgases bei kryogenen Temperaturen. Sie können die spezifische Oberfläche (m²/g-¹) in einen äquivalenten Partikeldurchmesser umrechnen, wenn Sie die Dichte kennen und wissen, dass die Partikel nicht porös sind und eine kugelförmige Form haben.
dBET = 6/pS
Dabei ist dBET = mittlerer Partikeldurchmesser, p = Dichte (für ZnO ≈ 5,61 g cm-³) und S = BET-Oberfläche.
Interpretation:
Die BET-Oberflächen von nano-ZnO (20-50 nm) liegen in der Regel bei 20-50 m²/g-¹ oder höher, während die BET-Oberflächen von ZnO im Mikrometerbereich weniger als 5 m²/g-¹ betragen. Eine große Oberfläche unterstützt also die Klassifizierung im Nanomaßstab, auch wenn eine direkte Abbildung schwierig ist.
Die BET-Methode liefert einen zuverlässigen Massendurchschnitt über eine große Probenmasse und wird nicht durch die Agglomeration von Partikeln beeinträchtigt, was sie für die Messung der Gesamtoberfläche nützlich macht. Sie funktioniert jedoch nur bei glatten, nicht porösen Partikeln und kann nicht zwischen inneren Poren und äußeren Oberflächen unterscheiden, ist also kein direktes Maß für die Partikelgröße. Aus rechtlichen Gründen wird die BET-Analyse häufig in Verbindung mit der REM-Analyse verwendet, um sicherzustellen, dass die durch die Oberfläche bestimmten Partikelgrößen mit den beobachteten Formen übereinstimmen.
5) Röntgenbeugung (XRD/XRDC): Abschätzung der Kristallitgröße
Das Prinzip:
Die Pulverröntgenbeugung bestimmt die Kristallstruktur von ZnO (in der Regel hexagonaler Wurtzit) und ermöglicht die Abschätzung der Kristallitgröße anhand der Peakverbreiterung über die Scherrer-Gleichung.
D = Κλ/βcos θ
Wobei D = mittlere Kristallitgröße, K ≈ 0,9 (Formfaktor), λ = Röntgenwellenlänge, β = volle Breite beim halben Maximum (Radiant) und θ = Bragg-Winkel.
Interpretation:
Breite Beugungsspitzen sind mit kleinen kohärenten Domänen verbunden. Eine (101) Reflexion mit β ≈ 0,15° bei 2θ = 36° ergibt D = 35 nm. Das bedeutet, dass die einzelnen ZnO-Kristalle, auch wenn sie gruppiert sind, nanoskalig bleiben.
Die Röntgenbeugung (XRD) hat sowohl Vor- als auch Nachteile. Sie ist eine weit verbreitete, zerstörungsfreie Methode, die wertvolle Informationen zur Kristallitgröße und Phasenreinheit liefert. Aber sie misst nur kohärente kristalline Domänen, nicht die Aggregatgröße, und sie kann weder die Partikelform noch die Oberflächenmorphologie zeigen. Wenn fortschrittliche Methoden wie die Rietveld-Verfeinerung oder die hochauflösende Analyse verwendet werden, um genauere Korrelationen zwischen Größe und Spannung zu erhalten, wird häufig der Begriff XRDC (Röntgenbeugungskristallographie) verwendet.
6) Kombinieren Sie mehrere Techniken: Ein Entscheidungsrahmen
Um genau zu bestimmen, ob es sich bei ZnO um Nano- oder Nicht-Nano-Partikel handelt, ist ein Multi-Methoden-Ansatz erforderlich, da jedes Analyseinstrument einen anderen Aspekt der Partikelgröße untersucht. Der allgemeine Arbeitsablauf beginnt mit der REM-Analyse, um die Morphologie zu analysieren und die Größe der Primärpartikel abzuschätzen. Anschließend wird XRD/XRDC verwendet, um die Kristallitgröße zu bestätigen und nanoskalige Domänen zu erkennen.
Anschließend wird eine BET-Analyse durchgeführt, um die Beziehung zwischen der Oberfläche und dem äquivalenten Partikeldurchmesser zu bestimmen. DLS wird dann verwendet, um die hydrodynamische Größe in relevanten Medien, wie z.B. Sonnenschutzformulierungen, zu bestimmen. Wenn zwei unabhängige Methoden, in der Regel SEM und XRD, Partikelgrößen unter 100 nm anzeigen, wird das Material als nano-ZnO bezeichnet. Wenn alle gemessenen Größen über 100 nm liegen und die BET-Oberfläche gering ist, wird das Material als Nicht-Nano-ZnO bezeichnet.
Beispiel Klassifizierung:
| Technik | Parameter | Typisches Nano-ZnO | Typisches Nicht-Nano-ZnO |
| SEM | Primäre Partikelgröße | 20-80 nm | 200 nm-5 µm |
| DLS | Hydrodynamische Größe | 50-150 nm | > 500 nm |
| BET | Oberfläche | 20-60 m² g-¹ | 1-5 m² g-¹ |
| XRD | Kristallitgröße | 20-60 nm | > 150 nm |
Die Verwendung dieser Schwellenwerte ermöglicht es den Labors, quantitative Nachweise in Übereinstimmung mit ISO 9276 (Partikelgrößenanalyse) zu melden.
7) Aufkommende Techniken
Inzwischen gibt es neue Analyseinstrumente, die die Klassifizierung der ZnO-Größe über die vier klassischen Methoden hinaus verbessern:
- Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM): Bietet eine sehr hohe Auflösung für Gittersäume und exakte Kristallitgrenzen.
- Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS): Liefert die Ensemble-Partikelgrößenverteilung in situ, die gut mit DLS zusammenarbeitet.
- AFM (Atomic Force Microscopy): Gut geeignet für die Messung der Dicke von Beschichtungen und der Rauheit von Oberflächen in Filmen.
- Raman- und Photolumineszenz-Spektroskopie: Diese Techniken befassen sich indirekt mit Quantenkonfinement-Effekten, die nur auf der Nanoebene auftreten.
Diese fortschrittlichen Methoden verbessern die Beweislage, wenn das Material nahe an der 100 nm-Grenze liegt.
Fazit
Um herauszufinden, ob es sich bei Zinkoxid um Nano handelt oder nicht, können Sie es nicht nur ansehen oder die Marketingbeschreibung lesen. Sie müssen eine Kombination aus validierten analytischen Messungen verwenden. SEM zeigt die richtige Form und Größe der Primärpartikel; DLS zeigt, wie die Partikel dispergiert sind; BET misst die Oberfläche im Verhältnis zur Partikelgröße; und XRD/XRDC zeigt die Größe der Kristallite. Zusammen betrachtet liefern diese Methoden ein klares Bild, das mit den internationalen Definitionen von Nanomaterialien übereinstimmt.
Für Formulierer, Forscher und Aufsichtsbehörden ist diese Detailgenauigkeit notwendig, um sicherzustellen, dass die Produkte sicher sind, eine konsistente Leistung erbringen und den sich entwickelnden Regeln für Nanomaterialien entsprechen. Wenn Ihr ZnO im REM und XRD Kristallite von weniger als 100 nm, eine hohe BET-Oberfläche und DLS-Peaks von weniger als 200 nm aufweist, dann haben Sie echtes Nano-Zinkoxid. Wenn nicht, handelt es sich immer noch um Nicht-Nano, d.h. es verhält sich, sieht aus und wird als Massenware eingestuft.
_________________________________________________________________________________________________________________
Häufig gestellte Fragen
Was ist der Unterschied zwischen Nano- und Nicht-Nano-Zinkoxid?
Unter Nano-Zinkoxid versteht man Partikel, bei denen mindestens 50 % der Partikel eine äußere Abmessung zwischen 1 und 100 nm aufweisen. Nicht-Nano-Zinkoxid besteht typischerweise aus Partikeln im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu Mikrometern. Diese Unterscheidung ist von Bedeutung, da Materialien im Nanobereich eine höhere Oberflächenenergie aufweisen und sich in Formulierungen sowie in biologischen Umgebungen unterschiedlich verhalten können.
Warum ist es wichtig zu klären, ob es sich bei Zinkoxid um Nano- oder Nicht-Nano-Zinkoxid handelt?
Die Klassifizierung von Nanomaterialien ist für die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften und die Produktsicherheit von großer Bedeutung. Behörden wie die EU im Rahmen der REACH-Verordnung und die US-amerikanische FDA verlangen eine eindeutige Identifizierung von Nanomaterialien, da sich deren Verhalten in biologischen und ökologischen Systemen von dem größerer Partikel unterscheiden kann.
Warum lässt sich die Partikelgröße von ZnO nicht mit einer einzigen Methode bestimmen?
Zinkoxid bildet häufig Aggregate aus kleineren Kristalliten. Diese Aggregate können eine Größe von mehr als 100 nm aufweisen, obwohl die Primärpartikel im Nanobereich bleiben. Da jede Analysemethode einen anderen Aspekt der Partikelstruktur misst, sind für eine zuverlässige Klassifizierung mehrere Verfahren erforderlich.
Inwiefern hilft die SEM bei der Bestimmung der Partikelgröße von Zinkoxid?
Die Rasterelektronenmikroskopie liefert hochauflösende Bilder von ZnO-Partikeln. Anhand dieser Bilder können Forscher die Partikelform, die Morphologie und die ungefähre Primärpartikelgröße beobachten, was dabei hilft, Partikel im Nanobereich von größeren Körnern zu unterscheiden.
Was misst DLS bei der Zinkoxid-Analyse?
Bei der dynamischen Lichtstreuung wird der hydrodynamische Durchmesser von in einer Flüssigkeit suspendierten Partikeln durch die Analyse von Schwankungen im gestreuten Laserlicht gemessen. Das Verfahren gibt eher Aufschluss über die Größe von Partikeln oder Aggregaten in der Dispersion als über einzelne Kristallite.
Inwiefern weist die BET-Oberfläche auf nanoskaliges Zinkoxid hin?
Bei der BET-Methode wird die spezifische Oberfläche mittels Gasadsorption gemessen. Da Partikel im Nanobereich eine größere Oberfläche aufweisen, weist Nano-ZnO in der Regel deutlich höhere BET-Werte auf als Pulver im Mikrometerbereich.
Welche Informationen liefert die Röntgendiffraktometrie (XRD) über Zinkoxidpartikel?
Mithilfe der Röntgenbeugung wird die Kristallstruktur von ZnO bestimmt und die Kristallitgröße anhand der Peakverbreiterung abgeschätzt. Dies hilft bei der Feststellung, ob die einzelnen kristallinen Domänen im Nanobereich liegen.
Warum werden mehrere Techniken miteinander kombiniert?
Jede Methode misst eine andere Eigenschaft des Materials. Die Rasterelektronenmikroskopie (SEM) bildet die Partikelmorphologie ab, die Dynamische Lichtstreuung (DLS) misst die Dispersionsgröße, die BET-Methode ermittelt die Oberfläche und die Röntgenbeugung (XRD) schätzt die Kristallitgröße. Zusammen liefern sie stichhaltigere Belege für die Nanoklassifizierung.
