Sistemi dispersi Un sistema disperso e’ un sistema bifasico con particelle discrete disperse in un sistema disperdente immiscibile Le dimensioni della fase dispersa e’ normalmente 1÷100 nm, anche se il limite superiore e’ piuttosto indefinito Si possono avere proprietà disperse fino a 2÷5 µm

Analisi PSD di sistemi colloidali: dispersioni ed emulsioni La caratterizzazione di particelle in dispersioni industriali e’ richiesta per scopi di ricerca ed é parte essenziale delle procedure di controllo qualita’. Per l’analisi di sistemi dispersi submicronici sono state sviluppate metodologie specifiche E’ noto l’effetto sull’attivita’ biologica delle dimensioni di farmaci non idrosolubili In campo medico emulsioni colloidali di oli vegetali sono somministrati a pazienti: emulsioni lipidiche come sangue artificiale In campo industriale, le capacità coloranti e coprenti delle dispersioni di pigmenti e’ controllata dalla PSD

Tecniche di analisi dimensionale di particelle L’analisi dimensionale (PSD) e’ un campo di ricerca molto attivo che presenta innumerevoli spunti e motivazioni La richiesta di analisi PSD e’ supportata da esigenze di monitoraggio ambientale, controllo di processo, scienza dei materiali In particolare la PSD e’ di importanza fondamentale per la comprensione della chimica supramolecolare, micellare e colloidale, sia di natura sintetica che biologica

Metodi di analisi Analisi diretta Analisi indiretta Microscopia elettronica: a scansione (SEM) e a trasmissione Analisi indiretta Tecniche ottiche: Nefelometria, Laser Scattering (LS), (PCS), Diffrazione Fraunhofer (FD) Tecniche di centrifugazione: Fotosedimentometria, Ultracentrifugazione Tecnica Coulter Counter (ESZ) Tecniche separative: Cromatografia Idrodinamica (HDC), Frazionamento in Campo e Flusso (FFF)

Metodi nefelometrici e laser scattering I metodi basati sullo scattering della luce sono di gran lunga i piu’ utilizzati nella analisi PSD di sistemi colloidali Lo scattering della luce da parte di sistemi dispersi non segue le leggi dell’ottica geometrica Le leggi dell’ottica geometrica vengono seguite solo per dimensioni della fase dispersa molto superiori alla lunghezza d’onda incidente: Diffrazione Fraunhofer (FD)

Sistemi dispersi di dimensioni a<<l Effetto Tyndall: Una dispersione (sol) colloidale illuminata appare trasparente se posta tra l’osservatore e la sorgente e risulta colorata se osservata a 90° rispetto alla sorgente Scattering Rayleigh d=cammino ottico N=numero particelle q=angolo scattering h=indice di rifrazione

Metodi turbidimetrici: Differential Laser Scattering L’efficienza di estinzione e’ funzione di molti parametri: indice di rifrazione, lunghezza d’onda, angolo di scattering, polarizzabilita’ Il suo valore numerico si ottiene solo dal trattamento completo della teoria di Mie Esistono molti metodi approssimati alla teoria dello scattering in determinati range dimensionali Particelle supermicroniche: equazione Van de Hulst-Walstra t =turbidita’ I=luce trasmessa I0=luce incidente K=coeff. estinzione totale G=sezione geometrica N=numero di particelle Qext=efficienza di estinzione

Spettroscopia correlazione fotonica (PCS) Tecnica di laser scattering: utilizza luce polarizzata e l’analisi si compie sui profili di interferenza generati dalla luce scatterata dato il moto browniano delle particelle del colloide La spettrofotometria PCS analizza le fluttuazioni di intensita’ per ottenere il coefficiente di diffusione Metodo di autocorrelazione

Funzione di autocorrelazione in PCS La funzione di autocorrelazione e’ data dal prodotto: segnale x funzione ritardo Dalla espressione della Larghezza di banda Rayleigh e’ possibile ottenere la dimensione del campione mediante la determinazione del coeff. diffusione secondo Stokes-Einstein

Funzione di autocorrelazione in PCS Sistemi polidispersi Il segnale e’ dato dalla somma delle funzioni di autocorrelazione Metodo dei cumulanti: il logaritmo della funzione di correlazione misurata viene fittata ad una serie polinomiale

Metodo dei cumulanti Coefficiente del termine lineare Estrapolazione a basso angolo La varianza della distribuzione dei coefficienti e’ data da: Nel caso di particelle sferiche L’analisi PCS non e’ in grado di dare PSD complete. E’ necessario assumere un modello di distribuzione q=vettore d’onda

Schema di una apparecchiatura PCS Schema figura pag. 71 Figura 13

Diffrazione Fraunhofer Analisi di particolato di dimensione >1÷2µm Metodo senza calibrazione basato solo su principi ottici TEORIA Estinzione Turbidita’ Trasmittanza Efficienza Sistemi sferici

Limiti di applicazione della FD I limiti inferiori di applicazione della FD sono dati dalla espressione di van de Hulst La FD richiede che p>>30 Per valori inferiori il comportamento ottico delle particelle entra nel trattamento Lorenz-Mie Si dimostra che nella maggior parte dei casi la teoria FD si puo’ applicare a sistemi > 5µm con errori <20%

FD: Particelle sferiche Pattern di diffrazione di una sfera Energia contenuta in una sezione radiale del rivelatore Un detector FD e’ costituito da una serie di canali concentrici Energia tra due canali del detector F=distanza focale s= distanza radiale sul piano detector

Schema strumentale base di una apparecchiatura FD Raggio laser non polarizzato (He-Ne) Sistema collimatore Cella Lenti di focalizzazione (luce diffratta+luce trasmessa)

Metodi di sedimentazione Metodi incrementali: Misurazione di variazioni di concentrazione di sospensione in funzione del tempo Metodi cumulativi: Misurazione della velocita’ di sedimentazione Assunzioni richieste 1) Particelle sferiche, liscie e rigide: il diametro calcolato e’ quello equivalente di Stokes 2) Velocita’ costante raggiunta istantaneamente Legge di Stokes 3) Sedimentazione delle particelle senza reciproca interferenza 4) Assenza di effetti inerziali Metodo di rivelazione fotodensitometrico

Metodo Coulter Counter (ESZ) Se una particella che non conduce e’ sospesa in un mezzo che conduce all’interno di una piccola apertura, si ottiene un aumento di resistenza attraverso l’orifizio Questo metodo richiede una opportuna procedura di calibrazione mediante standard di particelle monodisperse Il campo di applicazione e’ tra 0.5÷1000µm Vantaggi: non e’ necessaria nessuna conoscenza delle specifiche del campione Svantaggi: uso di fasi disperdenti ad alta forza ionica

Principio di funzionamento del Coulter Counter Per particelle sferiche:

Cromatografia idrodinamica (HDC) Frazionamento in Campo e Flusso (FFF) Metodi separativi Cromatografia idrodinamica (HDC) Frazionamento in Campo e Flusso (FFF)

Principi di funzionamento HDC Principi di funzionamento La HDC e’ una tecnica liquido-cromatografica a colonna impaccata. Il campo di applicazione e’ tipicamente <1µm Una sospensione iniettata in un flusso di fase mobile attraversa la fase impaccata: le particelle piu’ grandi eluiscono prima delle piu’ piccole in quanto visitano vettori di velocita’ media piu’ elevati perche’ le loro dimensioni le escludono dalle zone di velocita’ piu’ lenta in prossimita’ delle pareti delle particelle che costituiscono l’impaccamento

Schema di meccanismo separativo in HDC La tecnica FFF posside alcune similitudini con la HDC ma non e’ presente alcuna fase stazionaria

Da un HPLC ad una configurazione FFF Schema trasversale di un canale FFF Campo Flusso

Campo di applicazione delle tecniche FFF Campo di applicazione delle sottotecniche a campo di sedimentazione (SdFFF)

Selettività delle metodiche FFF

Modo di operazione a campo gravitazionale Equazione della ritenzione

Spaccato del canale GrFFF