УДК 544.77.032.12
Исследование коллоидных растворов ZnO для создания стандартных образцов
С.В. Лисовский1, Д.О. Скидин1, Д.А. Сиводедов1, А.Д. Кормин1, А.А. Лизунова1,2, А.А. Ефимов1,2, И.А. Волков1,2, В.В. Иванов2
1Московский физико-технический институт (государственный университет)
2 Общество с ограниченной ответственностью «Метрологический центр РОСНАНО»
Наночастицы оксида цинка (ZnO) широко используются в ряде коммерческих продуктов, таких как косметические и фармацевтические препараты, привлекая пристальное внимание к их физико-химических свойствам [1]. Цель работы состояла в оптимизации технологических процессов получения коллоидных растворов оксида цинка для создания стандартных образцов на их основе.
В ходе работы проведены исследования четырех образцов коллоидных растворов оксида цинка в следующих растворителях: гексан, бутилацетат, бутилгликоль и этанол. Методом динамического рассеяния света (ДРС) определены средний гидродинамический диаметр наночастиц (h>) и геометрическое стандартное отклонение (GSD), методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) – среднечисленный эффективный диаметр наночастиц (eff>) и распределение частиц по Deff. За эффективный диаметр отдельной частицы принят диаметр сферического объекта, эквивалентного (по площади изображения) наблюдаемой частице в ПЭМ. Параметры распределения позволяют определить средневзвешенный по интенсивности светорассеяния размер частиц, соответствующий среднему гидродинамическому диаметру неагрегированных частиц коллоидного раствора.
По результатам анализа данных, полученных методами ПЭМ и ДРС, выбран образец, наиболее подходящий для создания стандартного образца коллоидного раствора оксида цинка. Критериями отбора являлись следующие параметры: одномодальность распределения, h> < 50 нм, минимальное значение GSD, воспроизводимость результатов, стабильность раствора и отсутствие взаимодействия с материалом пробирок. В результате проведенных пробных измерений установлено следующее: h> коллоидного раствора на основе гексана превышает 170 нм, на основе бутилгликоля – превышает 60 нм, распределение частиц в растворе на основе бутилацетата – многомодовое. В этой связи дальнейшим исследованиям подвергнуты коллоидные растворы оксида цинка на основе этанола, удовлетворявшие всем критериям отбора.
В серии экспериментов с коллоидными растворами выбранного типа подобраны оптимальные режимы ультразвукового диспергирования и центрифугирования, а также дополнительные агенты, препятствующие агрегации, с целью создания стабильного коллоидного раствора. На основе результатов ДРС исследована стабильность выбранного образца методом «ускоренного старения»: часть образцов хранилась при температуре 20°C, другая – при 80°C. Измерения через определённые интервалы времени показали отсутствие тренда, а максимальное расхождение h> составило 3,3% относительно среднего значения при 20°C. На основе этого сделан вывод о стабильности образца.
Таким образом установлено, что средний гидродинамический диаметр составил 39,9±2,0 нм, GSD – 1,37. Найденное по ПЭМ изображениям (Рис. 1а) распределение частиц по диаметру (Рис. 1б), аппроксимированное функцией логарифмически-нормального распределения с параметрами m = 20,2±0,3 нм, σ = 0,35±0,01, позволило вычислить средневзвешенный по интенсивности светорассеяния размер частиц, который составил 39,6 нм. Среднечисленный диаметр наночастиц составил 20,1±2,0 нм. Средний коэффициент сферичности – 0,8. Объём выборки составил 6000 частиц.
Рис. 1. а – Изображение наночастиц оксида цинка (ПЭМ). б – Гистограмма распределения частиц по диаметру, аппроксимированная функцией логнормального распределения.
Таким образом, определен оптимальный режим технологического процесса получения коллоидного раствора оксида цинка в этаноле, обеспечивающий стабильность его размерных характеристик. Значения среднего гидродинамического диаметра, определенные методами ДРС и ПЭМ, находятся в хорошем соответствии друг с другом (39,9 нм методом ДРС и 39,6 нм – ПЭМ), что свидетельствует о малой степени агрегации частиц. С учётом вывода о стабильности изученного раствора предполагается возможность его использования для производства стандартных образцов. Итогом проделанной работы является создание стандартных образцов коллоидного раствора оксида цинка.
Литература
1. R. Wallace [et al.] Characterization of ZnO nanoparticle suspensions for toxicological applications. – J. Phys.: Conf. Ser. – 2012. – vol. 371, 012080 |
