Сопоставление технических характеристик и возможностей анализаторов динамического светорассеяния Microtrac Wave II (Microtrac Inc.), Zetasizer ZS (Malvern) и SZ-100 (Horiba)

Параметры/возможности

Microtrac Wave II

Zetasizer ZS

SZ-100

Комментарий

Размер частиц

0.3 – 10000 нм

0.3 – 10000 нм

0.3 – 8000 нм

У SZ-100 диапазон измеряемых размеров более узкий, чем у конкурентов.

Метод измерения

Допплеровская спектроскопия биения света (гетеродинная схема) (ДС)

Фотонно-корреляционная спектроскопия (ФКС)

Фотонно-корреляционная спектроскопия (ФКС)

Преимущества ДС перед ФКС:

1) ФКС обязательно требует тщательной фильтрации образца для удаления примесей (в особенности пыли), поскольку искажение автокорреляционной функции может быть крайне существенным. Это – одна из ключевых особенностей метода ФКС. Для такой пробоподготовки, как правило, требуется специальное оборудование, и сам процесс фильтрования может влиять на дисперсный состав образца.

Для ДС (Microtrac Wave II) фильтрация и удаление пыли не требуются.

2) При высоких концентрациях дисперсной фазы метод ФКС становится особенно чувствительным к эффектам многократного рассеяния/отражения, что приводит к сложно диагностируемым искажениям автокорреляционной функции и снижает воспроизводимость результатов. В результате, для подтверждения воспроизводимости зачастую требуется проводить серии измерений при разбавлении образца, что к тому же может оказаться некорректным, например, для систем, стабилизированных поверхностно-активными веществами.

Эти эффекты значительно менее выражены для метода ДС (Microtrac Wave II).

3) Математический аппарат для методов ФКС и ДС в настоящее время достаточно хорошо развит. В то же время, разложение на экспоненты автокорреляционной функции (еще точнее – структурного фактора) ФКС (для вычисления размеров, коэффициентов диффузии и т.д.) для смеси близких по размеру фракций остается нетривиальной задачей из разряда математически некорректных, то есть имеющих не единственное решение, так что расчеты для одних и тех же данных рассеяния могут приводить к различающимся результатам, что накладывает, помимо всего прочего, определенные ограничения на разрешение (возможность разделения мод в распределении по размерам) метода ФКС. В настоящее время разработаны регуляризационные алгоритмы (один из них, CONTIN, использует Malvern), которые в целом дают приемлемые результаты, но, как и любой регуляризационный алгоритм, могут давать и артефактные (не имеющие отношения к действительности) решения/результаты.

Кроме того, математические модели, которые используются в алгоритмах обработки данных ФКС подразумевают сферическую форму частиц, что часто не соответствует реальному форм-фактору частиц дисперсной фазы в образце.

Метод ДС (Microtrac Wave II) лишен этих недостатков, и специалистами Microtrac разработаны и запатентованы алгоритмы для обработки данных рассеяния в предположении несферической формы частиц.

4) Обработка данных в ФКС основана на очень жестком допущении о том, что автокорреляционная функция и структурный фактор связаны т.н. соотношением Зиггерта. Не вдаваясь в технические детали, скажем, что отсюда следуют ограничения метода ФКС для анализа:

• Сильно концентрированных систем (поэтому в Zetasizer ZS и SZ-100 появляется необходимость установки второго детектора (см. далее пункт «Диапазон углов рассеяния»)
• Систем с сильным межчастичным взаимодействием (в т.ч. флоккулирующие системы).
• Сильноразбавленных систем (здесь все зависит от типа образца)
• «Неэрогдических» систем (например, систем в окрестности гель-точки или точки кристаллизации/стеклования, некоторых жидкокристаллических систем и т.д.)

Диапазон углов рассеяния

180о (обратное рассеяние)

13о + 173о

90о + 173о

Это различие обусловлено технической реализацией методов ДС и ФКС. Для Zetasizer ZS и SZ-100 второй детектор на 173о необходим для определения размеров в сильноконцентрированных системах и в образцах с высоким коэффициентом экстинкции, которые нельзя анализировать «на просвет». В Microtrac Wave II такая проблема не стоит, поскольку любой образец анализируется «на отражение». Кроме того, для сильно поглощающих систем обратное отражение предпочтительнее, чем отражение на 173о, из-за более короткого оптического пути.

Кроме того, необходимость установки второго детектора усложняет конструкцию анализатора, что в перспективе может повлиять на затраты на обслуживание.

Источник лазерного излучения

Диодный лазер, 780 нм

Диодный лазер, 633 нм

Диодный лазер, 532 нм

С точки зрения анализа методом динамического светорассеяния эти источники света эквивалентны.

Максимальная концентрация дисперсной фазы в образце

До 40 мас.% (в зависимости от образца)

До 40 мас.% (в зависимости от образца)

До 40 мас.% (в зависимости от образца)

Заявленная максимальная концентрация дисперсной фазы одинакова для всех анализаторов, однако следует иметь в виду, что для непрозрачных образцов (чернила, сажи и т.д.) рабочая концентрация у Microtrac Wave II выше, чем у конкурентов, за счет использование схемы "на отражение" (см. предыдущую строку "Диапазон углов рассеяния»).

Минимальная концентрация дисперсной фазы в образце

0.0001% (в зависимости от образца)

0.0001% (в зависимости от образца)

0.0001% (в зависимости от образца)

Формально здесь совпадение, хотя реальные возможности зависят от типа образца (для всех анализаторов).

Метод измерения зета-потенциала

Электрофоретическая допплеровская спектроскопия

Электрофоретическое светорассеяние

Электрофоретическое светорассеяние (заявляется также допплеровская спектроскопия?)

По физическому смыслу эти методы эквивалентны, разница в обработке сигнала согласно методам ДС и ФКС.

Диапазон измерения зета-потенциала

От -200 до +200 мВ

(возможность расширения диапазона)

От -500 до +500 мВ

От -200 до +200 мВ

С точки зрения коллоидной устойчивости, системы ±200 мВ и ±500 мВ – эквивалентны, и в том и в другом случае седиментации дисперсной фазы не будет, если стабилизация осуществляется только за счет электростатического взаимодействия. Так что ±500 мВ – это маркетологический прием. Кроме того, по заявлению технического отдела Microtrac, диапазон измерения зета-потенциала Microtrac Wave II можно расширить до ±500 мВ по желанию заказчика (хотя целесообразность такого решения сомнительна).

Диапазон допустимой проводимости образца

Рекомендуется 0 --  5 мСм/см (возможность расширения диапазона)

0 -- 20  мСм/см и выше (по данным буклета)

Рекомендуется 0 -- 2 мСм/см

Коллоидные системы с проводимостью больше 20 мВ встречаются редко, кроме того по заявлению технического отдела Microtrac, диапазон допустимой проводимости Microtrac Wave II можно расширить хоть до 50 мСм/см по желанию заказчика.

Объем образца для анализа

50 мкл – 3 мл

12 - 20 мкл

100 мкл

За счет устройства измерительной ячейки (для Zetasizer ZS и SZ-100 это специальные кюветы), требуемый объем образца у конкурентов Microtrac Wave II ниже. В то же время на практике такое требование актуально только для специфических образцов, например каких-то особых белковых систем, которые нельзя получить в большем объеме.

Тип измерительной ячейки

Универсальная тефлоновая (ПТФЭ) кювета для измерения размеров и зета-потенциала

Одноразовые кюветы (в т.ч. со специальными крышками и электродами для измерения зета-потенциала)

Одноразовые кюветы (в т.ч. со специальными крышками и электродами для измерения зета-потенциала)

Устройство оптической системы Microtrac Wave II позволяет заменить одноразовые кюветы на универсальную тефлоновую кювету, которая легко снимается для очистки, что также позволяет легко производить очистку электродов.  Таким образом исключаются финансовые затраты на последующую закупку одноразовых кювет (особенно с крышками и электродами), расход которых при активной эксплуатации анализатора достаточно существенный. В комплект поставки Microtrac Wave II можно включить запасные тефлоновые кюветы.

С точки зрения получаемых результатов, преимущества одноразовых кювет перед универсальной тефлоновой кюветой сформулировать не удается. Аргумент о том, что использование одноразовых кювет позволяет избежать остаточных загрязнений на практике нивелируется возможностями очистки тефоновой кюветы и электродов.

Для  Zetasizer ZS и SZ-100  необходимость использования одноразовых кювет обусловлена исключительно особенностями метода измерения «на просвет» (см. пункт «Метод измерения»)

Микрореологические измерения

В буклетах не заявлено

Заявлена «возможность работы с модулем для микрореологических измерений»

В буклетах не заявлено

Это маркетинговый ход от Malvern. Указанный «модуль для микрореологических измерений» - это отдельное оборудование, вибрационный вискозиметр SV-10. Для работы с ним образец все равно необходимо помещать в специальные кюветы из комплекта к вискозиметру. В этом смысле такая «возможность работы» может быть обеспечена для любого анализатора, в том числе  Microtrac Wave II и SZ-100. По рекомендации заказчика вискозиметр SV-10 может быть включен в комплект поставки.

Измерение молекулярной массы

300 – 2*107 Да

<1000 – 2*107 Да

540–2*107 Да

Здесь все примерно одинаково.

Наличие узкополосного фильтра для флуоресцирующих образцов

Не требуется

Наличие

В буклетах не заявлено, предполагается наличие

Установка данного фильтра для Microtrac Wave II не требуется, из-за различий методов измерения.

Наличие возможности работы в режиме хроматографического детектора

Не заявляется (см. комментарий)

Заявляется (см. комментарий)

Не заявляется

Без дополнительных комментариев от Malvern, это выглядит как макретинговый ход. Такая формулировка позволяет заказчику ошибочно сделать вывод о том, что Zetasizer ZS может работать в режиме хроматографа, и как-то заменить его. В то же время, согласно буклету Malvern данная опция используется для «он-лайн» контроля размера (и молекулярной массы) частиц в образце. Это подразумевает некий отбор проб либо после хроматографической колонки, либо  из реактора. В первом случае процедура измерения не будет отличаться от стандартной процедуры для Microtrac Wave II или SZ-100. Во втором случае у Microtrac есть решение для  Microtrac Wave II в виде выносного зонда, который можно поместить непосредственно в реактор и вообще избежать дополнительного пробоотбора.

Контроль температуры

Элемент Пельте

5 – 90оС

Элемент Пельте

0 – 90оС

Элемент Пельте

1 – 90оС

В зависимости от задач заказчика, различие в 4-5оС можно рассматривать либо как несущественное, либо как небольшое преимущество.

Для водных систем разницы нет, поскольку все равно в окрестности 0оС не выполняется соотношение Зиггерта и анализ методом ФКС невозможен (см. пункт «Метод измерения»).

Эталонные образцы для (для определения размеров и зета-потенциала

Наличие

Наличие

Наличие

Специальное программное обеспечение для управления анализатором и обработки результатов

Наличие

Наличие

Наличие