Die Stabilität von kolloidalen Stoffsystemen und Dispersionen ist einer der wichtigsten Faktoren in der Qualitätssicherung oder bei der Entwicklung und Formulierung neuer Produkte. Lange Messzeiten, unpräzise und nicht-aussagekräftige Messungen aufgrund von nur punktuellen Messungen des Zetapotentials führen häufig zu einer Fehlbetrachtung der Dispersionsstabilität und verursachen dadurch hohe Kosten für ein Unternehmen. Zusätzlich kann Agglomeration von Partikeln die Effizienz der Produktion und die Produktqualität mindern, deswegen wird ein Messverfahren benötigt, das den kritischen Koagulationspunkt genau bestimmen kann.
Partikeloberflächenladungen und -grenzflächenpotentiale, wie das Zetapotential und das Strömungspotential, werden heutzutage häufig zur Beurteilung des Stabilitätsverhaltens von Suspensionen, Emulsionen und Nanopartikeln herangezogen. Diese Parameter haben sich als klassische Messgröße etabliert, die ein Maß an elektrostatischer Abstoßung zwischen Partikeln repräsentieren.
Der Stabino® II von Colloid Metrix besitzt eine hohe Auflösung bzw. Datenpunktdichte, mit der sehr schnelle, präzise und reproduzierbare Partikelladungsmessungen möglich sind. So ist der Stabino® in der Lage, die Oberflächenladung von Partikeln im Bereich von 0,3 nm bis 300 µm in einem Konzentrationsbereich von bis zu 40% Vol. zu messen. Dank der optimierten Messtechnik ist es mit dem Stabino® II möglich, 5 Parameter gleichzeitig und innerhalb weniger Sekunden zu bestimmen:
- Zetapotential
- Strömungspotential
- Leitfähigkeit
- pH-Wert
- Temperatur
Zusätzlich besitzt der Stabino® eine integrierte Titrationsfunktion. Während einer Titration werden alle 5 Parameter bei jedem Dosierschritt simultan gemessen. Eine der vielfältigen Möglichkeiten der Titration ist die Bestimmung des isoelektrischen Punktes, was nur wenige Minuten in Anspruch nimmt.
Ihre Titrationsanwendungen:
pH Titration: Bestimmung des isoelektrischen Punkt und stabiler pH Bereiche.
Polyelektrolyt Titration: Aussagen zur Stabilität und Ladungsdichte.
Titration mit Dispergiermittel: Zur Dispergiermittel-Optimierung.
Titration mit Salzen: Zetapotential als Funktion der Leitfähigkeit.
Formulierung: Titration mit Additiven zur Optimierung der Formulierung Ihrer Produkte.
Ihre Vorteile im Überblick
5 Messparameter gleichzeitig:
Um die Qualität Ihrer Proben zu bestimmen benötigen Sie mehr als nur einen Messparameter?
Mit jedem Messpunkt erhalten Sie durch den Stabino® II Informationen über die Leitfähigkeit, Zetapotential, Strömungspotential, Temperatur und pH-Wert Ihrer Probe.
Messen während der Titration:
Mit der Stabino® II Software kann Ihre gesamte Titration bzw. Messung anhand des Verlaufs des Graphen in Echtzeit nachvollzogen werden, denn zu jedem titrierten Tropfen erhalten Sie einen Messpunkt mit allen 5 Messparametern.
Leichte Bedienung:
Damit Sie sich nur auf die Ergebnisse konzentrieren müssen, wurde die Software so einfach wie möglich gestaltet. Füllen Sie 1 - 10 mL Probe in den Teflon Messbecher des Stabino® II ein, öffnen Sie die Software und starten Sie die Messung.
Schnelle Messzeit:
Die meisten bekannten Analysesysteme basieren auf Elektrophorese-Zetapotential, mit denen Titrationen oftmals zu ungenau und zu zeitintensiv sind. Für einen hohen Probendurchsatz und damit wertvolle Zeitersparnis wurde der Stabino® II so optimiert, dass innerhalb von Sekunden, z.B. die für die Qualitätssicherungen benötigten Parameter bestimmt werden können. Für eine Polyelektrolyt- oder pH-Titration benötigt der Stabino® II nur 5 - 15 Minuten und kann dabei mehrere hundert Datenpunkte aufzeichnen.
Erweiterung: In-situ Größenverteilung:
Sie interessieren sich nicht nur für die Oberflächenladung Ihrer Probe sondern wollen auch die Partikelgrößenverteilung ermitteln?
Der NANO-flex® II 180° DLS lässt sich mit dem Stabino® problemlos kombinieren, somit lässt sich die NANO-flex® II Messsonde in die Stabino® II Messzelle integrieren. Dadurch kann die Größenverteilung entweder alleinstehend ermittelt oder z.B. während einer Ladungstitration mitverfolgt werden. Die Koagulation wird anhand der Partikelgröße in-situ „sichtbar“, und es ist möglich den kritischen Agglomerationspunkt einer Probe zu identifizieren. Dies ist sehr hilfreich, um kolloidale Systeme noch genauer beurteilen zu können.
Angepasste Titrationsgeschwindigkeit:
Die Titrationsgeschwindigkeit des Stabino® II lässt sich der Reaktionsgeschwindigkeit Ihrer Probe anpassen. Hierzu bietet die Software die Möglichkeit standard operating procedures (SOPs) beliebig zu definieren.
„Mix and Measure“ – ein enormer Vorteil:
Durch die kontinuierliche und sekundenschnelle Durchmischung der Probe mit der jeweiligen Titrationslösung ist eine Ladungstitration in Minuten beendet und beugt zusätzlich Sedimentation vor.
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Stabino® Zetapotential-Titrationen nun von 0°C bis 90°C - und kondensationsfrei.
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Stabino®
Dai, Y., Lv, R., Huang, D. et al. Sorption of Uranium on a Bifunctional Polymer of Diethylenetriaminepentaacetic Acid Cross-Linked β-Cyclodextrin in the Presence of Humic Acid: Kinetics, Isotherms, and Thermodynamics. Water Air Soil Pollut (2018) 229: 124. doi.org/10.1007/s11270-018-3771-8Abstract
Köklükaya, O., Carosio, F. & Wågberg, L. Tailoring flame-retardancy and strength of papers via layer-by-layer treatment of cellulose fibers. Cellulose (2018). doi.org/10.1007/s10570-018-1749-8Abstract
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Tahani Kaldéus, Malin Nordenström, Anna Carlmark, LarsWågberg, Eva Malmström. Insights into the EDC-mediated PEGylation of cellulose nanofibrils and their colloidal stability. Carbohydrate Polymers, Volume 181, 1 February 2018, Pages 871-878 Abstract
Peng Li, Bao Zhun, Xuegang Wang, PingPing Liao, Guanghui Wang, Lizhang Wang, Yadan Guo, and Weimin Zhang. Highly Efficient Interception and Precipitation of Uranium(VI) from Aqueous Solution by Iron-Electrocoagulation Combined with Cooperative Chelation by Organic Ligands. Environ. Sci. Technol., 2017, 51 (24), pp 14368–14378, DOI: 10.1021/acs.est.7b05288, Publication Date (Web): November 28, 2017 Abstract
Gabriela Bonfanti Vieira, Humberto Jorge José, Michael Peterson, Vanessa Zanon Baldissarelli, Pedro Alvarez, Regina de Fátima Peralta Muniz Moreira. CeO2/TiO2 nanostructures enhance adsorption and photocatalytic degradation of organic compounds in aqueous suspension. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, Volume 353, 15 February 2018, Pages 325-336 Abstract
Marisela Martínez-Quiroz, Eduardo A.López-Maldonado, Adrián Ochoa-Terán, Georgina E. Pina-Luis, Mercedes T. Oropeza-Guzman Modification of chitosan with carbamoyl benzoic acids for testing its coagulant-flocculant and binding capacities in removal of metallic ions typically contained in plating wastewater, Chemical Engineering Journal, Volume 332, 15 January 2018, Pages 749-756 Abstract
Di Zhang, Chengtao Wang, Qihang Bao, Jie Zheng, Di Deng, Yuqing Duan, Lingqin Shen The physicochemical characterization, equilibrium, and kinetics of heavy metal ions adsorption from aqueous solution by arrowhead plant (Sagittaria trifolia L.) stalk, J Food Biochem. 2017;e12448. doi.org/10.1111/jfbc.12448Abstract
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NS Msinjili, W Schmidt, A Rogge, HC Kühne Performance of rice husk ash blended cementitious systems with added superplasticizers, Cement and Concrete Composites, Volume 83, October 2017, Pages 202-208 Abstract
O Köklükaya, F Carosio, L Wågberg Superior Flame-Resistant Cellulose Nanofibril Aerogels Modified with Hybrid Layer-by-Layer Coatings, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 (34), pp 29082–29092, DOI: 10.1021/acsami.7b08018, Publication Date (Web): August 2, 2017 Abstract
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Nsesheye Susan Msinjili, Wolfram Schmidt, Andreas Rogge, Hans-Carsten Kühne Performance of rice husk ash blended cementitious systems with added superplasticizers. Cement and Concrete Composites Volume 83, October 2017, Pages 202-208Abstract
Oruç Köklükaya , Federico Carosio, and Lars Wågberg. Superior Flame-Resistant Cellulose Nanofibril Aerogels Modified with Hybrid Layer-by-Layer Coatings. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9 (34), pp 29082–29092 DOI: 10.1021/acsami.7b08018, Publication Date (Web): August 2, 2017Abstract
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Diana Ibarra-Rodríguez, Jaime Lizardi-Mendoza, Eduardo A. López-Maldonado, Mercedes T. Oropeza-Guzmán Capacity of ‘nopal’ pectin as a dual coagulant-flocculant agent for heavy metals removal. Chemical Engineering Journal, Volume 323, 1 September 2017, Pages 19–28 Abstract
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StabiSizer® / Stabino®
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Mohammad Reza Karimi Pur, Morteza Hosseini, Farnoush Faridbod, Mohammad Reza Ganjali, Saman Hosseinkhani Early detection of cell apoptosis by a cytochrome C label-Free electrochemiluminescence aptasensor, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 257, March 2018, Pages 87-95 Abstract
Somayeh Khezri, Morteza Bahram and Naser Samadi A dual-mode nanosensor based on the inner filter effect of gold nanoparticles on the fluorescence of CdS quantum dots for sensitive detection of arginine, Analytical Methods, 2017, Advance Article Abstract
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Anwendung Bier
K. Müller-Auffermann, M. Hutzler, H. Schneiderbanger and F. Jacob: “Scientific Evaluation of Different Methods for the Determination of Yeast Vitality” BrewingScience – Monatsschrift für Brauwissenschaft, 64, 2011 pp. 107-118 J. Abstract
Titze, M. Christian, F. Jacob, H. Parlar, V. Ilberg,: The Possibilities of Particle Analysis Demonstrated by the Measurement of the Colloidal Stability of Filtered Beer. – Journal of the Institute of Brewing 116, 2010, Nr. 4, S. 405-412.Fulltext
Titze, M. Christian, F. Jacob, H. Parlar and V. Ilberg: “The Possibilities of Particle Analysis Demonstrated by the Measurement of the Colloidal Stability of Filtered Beer” J. Inst. Brew. 116(4), 2010 S.405–412 J. Abstract
J. Titze, V. Ilberg, F. Jacob, H. Parlar: „Einsatzmöglichkeiten der Ladungstitrationsmethode zur Beurteilung der chemisch-physikalischen Bierstabilität, Teil 2.“ Brauwelt 148, Nr. 23, 2008, S. 624-527. Abstract
Titze, V. Ilberg, F. Jacob, H. Parlar: „Einsatzmöglichkeiten der Ladungstitrationsmethode zur Beurteilung der chemisch-physikalischen Bierstabilität, Teil 1.“ Brauwelt 148, Nr. 18/19, 2008, S. 506-509.
Titze, V. Ilberg, A. Friess, F. Jacob, H. Parlar: Enhanced long term stability measurement using a charge analyzing system. – In: Proceedings of the 31th EBC Congress, Venice, European Brewery Convention, 2007, S. 718-735. J. Abstract
1) Welche Industriezweige nutzen das Strömungspotential?
Alle Industrien, die meisten in den Bereichen Tinten, Lebensmittel/ Getränke, neue Nanomaterialien, Keramik, Chemie.
2) Wo liegt der Unterschied zwischen Zetapotential und Strömungspotential?
Das Zetapotential tritt an der Scherebene auf. Es kann nicht direkt gemessen werden. Alle unten gelisteten Anordnungen a) bis c) ergeben ein Signal, aber nicht als direktes Zetapotential.
Die häufigsten Methoden sind:
a) Anlegen eines elektrischen Feldes → elektrophoretische Mobilität
b) Verwendung einer strömenden Flüssigkeit → Strömungsstrom / Strömungspotential
c) Verwendung einer Ultraschallwelle → Vibrationsstrom
Alle 3 Methoden scheren die freien Gegenionen von der Scherebene ab. Dies erzeugt eine Potentialsenkung, die mit der Anzahl der abgescherten freien Ionen korreliert. Die Potentialsenkung korreliert daher mit der Oberflächenladung und dem Zetapotential jeder Grenzfläche, einschließlich der Grenzfläche der Partikel. Die Berechnung eines theoretisch absoluten Zetapotentials aus einem dieser 3 Setups ist kompliziert, da sie auf Annahmen basiert. Am häufigsten wird die Elektrophorese verwendet, um unter Anwendung der Smoluchowski-Formel das Zetapotential aus der gemessenen elektrophoretischen Mobilität zu berechnen. Obwohl dies nur für einen begrenzten Größen- und Konzentrationsbereich gültig ist, wird es allgemein anerkannt. Aus diesem Grund kalibrieren andere Methoden nach der elektrophoretischen Smoluchowski - Berechnung.
Absolute Ladungsbestimmung: Wichtiger als das Zetapotential ist die Gesamtladungsmessung durch eine Titration zum Ladungsnullpunkt (ZPC). Der Grund: Eine Null-Oberflächenladung gibt ein Null-Signal, egal welche Methode angewendet wird. Eine Titration zum ZPC mit einer Polyelektrolytlösung mit bekannter Ladung liefert ein absolutes Ergebnis ohne die Notwendigkeit Annahmen zu machen.
Das Ergebnis der Zugabe einer polyelektrolytischen (PE) Lösung mit bekannter Elementarladungskonzentration, 0,01N kationisch zum Beispiel, bis das Messsignal Null ist, ist der sogenannte “Verbrauch”. Er wird in Coulomb [C] gemessen. Die gemessene Ladung, bezogen auf die Masse [C g -1 ], Volumen [C ml -1 ], oder Gesamtoberfläche [C m -2 ], ist die sogenannte Ladungsdichte. Dies sind absolute Ergebnisse.
KEINE ANNAHMEN notwendig - DAS ist die Stärke des Stabino®. Warum? – Die Messung ist elektromechanisch mit einer extrem schnellen Reaktion; in diesem Fall kann eine Titration in wenigen Minuten abgeschlossen werden. Zusätzlich ist die Methode auf eine Vielzahl von Proben anwendbar (siehe Tabelle1 in Frage 8). In den meisten Fällen ist eine Verdünnung der Probe nicht erforderlich.
3) Wie stimmt das Strömungspotential mit dem Zetapotential der Elektrophorese überein?
Das Strömungspotential wird auf das elektrophoretische Potential eines bekannten Zetapotential-Standards kalibriert. Nochmals, das gemessene Signal, ob es auf das Zetapotential kalibriert ist oder nicht, ist ein relatives Kontrollsignal für das Vorhandensein von Ladungen in der Probe. Die Gesamtladung ist die vertrauenswürdigste Aussage über die Ladungsmengen auf der Oberfläche der Probe und daher die beste Voraussage über die Stabilität.
4) Welche Arten von Proben und Lösungsmitteln können gemessen werden?
Alle Proben von 0,3 nm bis 300 µm.
Lösungsmittel: Wasser und Alkohole sowie Mischungen aus sogenannten polaren Flüssigkeiten. KEINE UNPOLAREN ORGANISCHEN LÖSINGSMITTEL!!! Nebenbei bemerkt, ergibt es auch keinen Sinn.
5) Ist die Temperatur steuerbar?
Ein Sensor ist standardmäßig enthalten. Eine Temperatursteuerung ist als Zubehör erhältlich (0°C bis zu 90°C).
6) Was ist die Funktion des Kolbenspalts?
Die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit ist abhängig von der Spaltgröße zwischen der Zellwand und des Kolbens. Schmaler Spalt = hohe Fliessgeschwindigkeit, breiter Spalt = niedrige Geschwindigkeit. Der Spalt (Strömungsgeschwindigkeit) beeinflusst die Empfindlichkeit des Signals. Dies ist vergleichbar mit dem linearen Einfluss des elektrischen Feldes auf die Geschwindigkeit der Partikel in einem elektrophoretischen Setup.
7) Was ist der Unterschied zwischen weißer und schwarzer Zelle?
Weiß - für durchsichtige und weiße Proben.
Schwarz - für farbige und schwarze Proben.
8) Wo liegen die Stärken des Stabino® im Vergleich zu optischen Methoden?
Particle Metrix, Januar 2017
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