Introdução
A micro reologia de espalhamento de luz dinâmico (Micro reologia DLS) é uma técnica que usa o espalhamento de luz dinâmico para medir os deslocamentos quadráticos médios (MSD) de partículas traçadoras inertes adicionadas em um ambiente de solução e obter ainda mais as informações reológicas das soluções. A micro reologia DLS pode ser usada para caracterizar soluções de polímeros e proteínas fracamente estruturadas, e sistemas de gel, nos quais as partículas traçadoras podem se difundir em distâncias significativas.
Em comparação com a técnica reológica mecânica, a micro reologia DLS permite medições e tratamento de dados simples e rápidos, podendo obter informações de alta frequência em uma única medição.
- As partículas traçadoras são adicionadas ao sistema em estudo, como uma solução de proteína ou uma solução de polímero diluído.
- As partículas suspensas em um sistema de solução se movem aleatoriamente por meio da troca de energia térmica kΒΤ.
- O movimento das partículas traçadoras é determinado pelas propriedades reológicas do ambiente circundante.
- A detecção do movimento das partículas traçadoras pode fornecer informações reológicas.
Nesta nota de aplicação, o analisador de tamanho de nanopartículas e potencial zeta BeNano 180 Zeta (Bettersize Instruments) foi usado para medir amostras de sacarose com concentrações variadas, e as informações viscoelásticas das soluções foram caracterizadas pela micro reologia DLS.
Teoria
Na micro reologia DLS, partículas coloidais na faixa de tamanho de 0,3 - 2,0 μm com informações de tamanho conhecidas são adicionadas como partículas traçadoras. As propriedades reológicas do ambiente são refletidas no movimento das partículas traçadoras. Para uma amostra de fluido puramente viscoso (fluido newtoniano), as partículas traçadoras se difundem livremente por todo o ambiente da amostra, e o MSD〈Δr2(τ)〉da partícula aumenta linearmente com o tempo:
onde D é o coeficiente de difusão da partícula. De acordo com a equação padrão de Stokes-Einstein:
onde R é o raio da partícula traçadora, a relação entre MSD e viscosidade pode ser obtida da seguinte forma:
A viscosidade 𝜂 do fluido newtoniano pode ser obtida ajustando a curva de 〈Δγ2(τ)〉 com o tempo. No entanto, para fluidos não newtonianos que contêm componentes elásticos, podemos usar a equação generalizada de Stokes-Einstein:
pelo qual o módulo elástico (armazenamento) G' e o módulo viscoso (perda) G" são derivados por 〈Δr2(τ)〉 como uma função de frequência. E a viscosidade complexa 𝜂*(ω) e a conformidade de fluência J(t) podem ser obtidas como segue, respectivamente:
Instrumentação
O BeNano 180 Zeta é equipado com um feixe de laser com comprimento de onda de 671 nm e potência de 50 mW como fonte de luz e detectores de fotodiodo de avalanche (APD) configurados para coletar sinais de luz dispersos a 173°.
Preparação da amostra e condição de medição
Soluções de sacarose foram preparadas, e as informações específicas para cada amostra são mostradas na Tabela 1.
A temperatura de medição foi controlada para 25 ± 0,1℃ pelo sistema de controle de temperatura integrado do BeNano. 10 μL de esferas de poliestireno de 400 nm carregadas negativamente foram adicionadas ao 1 mL da solução de sacarose como partículas traçadoras.
Resultados e Discussão
As funções de correlação das amostras foram obtidas calculando a flutuação dos sinais dispersos:
Os resultados da medição estão listados na Tabela 2
O tempo de decaimento das funções de correlação aumentou com o aumento da concentração das soluções de sacarose, conforme mostrado na Figura 2. Isso indica que o movimento das partículas traçadoras é mais lento em concentrações mais altas de soluções de sacarose, afetando a viscosidade das soluções de sacarose com concentração (Tabela 2 e Figura 5).
Na Figura 3, observa-se que concentrações mais altas de sacarose estão associadas a valores mais baixos de MSD e velocidades mais baixas das partículas traçadoras.
De acordo com as curvas do módulo viscoelástico na Figura 4, dentro da faixa de concentração de 25% a 50%, as soluções exibiram um forte módulo viscoso, e os módulos viscoelásticos aumentaram com a concentração.
Das curvas de viscosidade complexa versus frequência na Figura 5, observa-se que na faixa de frequência relativamente baixa, a viscosidade complexa dificilmente muda com variações de frequência. Em frequências mais altas, a viscosidade complexa mostra uma certa tendência descendente, demonstrando uma propriedade de afinamento por cisalhamento fraca.
Conclusão
Os resultados da medição mostram a capacidade de detecção de micro reologia do BeNano 180 Zeta. Pelas medições de micro reologia, os parâmetros reológicos da amostra, como deslocamento quadrático médio, viscosidade complexa, módulos viscoelásticos e conformidade com fluência, podem ser obtidos rapidamente na faixa de alta frequência, fornecendo uma poderosa ferramenta para a caracterização das propriedades reológicas dos líquidos.