USAXS: Ультрамалоугловое рентгеновское рассеяние. Анализ частиц размером в мкм на системе Anton Paar SAXSpoint 5.0

Актуально для: Анализ размера частиц, промышленные наночастицы

Микрочастицы используются в широком спектре приложений, и опция USAXS является идеальным методом для изучения формы и структурных свойств микрочастиц. До сих пор такие исследования проводились в основном на синхротронных станциях, что ограничивает доступность этого метода. В связи с этим, компания Anton Paar разработала USAXS модуль с геометрией Бонзэ-Харта, чтобы перенести USAXS в обычную лабораторию и повысить доступность этого метода.

1 Введение

Наноструктурные материалы всех видов играют важнейшую роль в современных материалах. Однако, такие системы часто сосуществуют с более крупными структурами (например, агломератами, состоящими из наноразмерных строительных блоков-частиц), и анализ только нано- или микрометрового масштаба не характеризует полностью образец. Малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) является одним из стандартных методов для характеристики наноструктурных материалов, благодаря его широкой применимости и возможности проводить измерения in situ. Однако, "классическое" малоугловое рассеяние ограничено максимальным диапазоном размеров около 300 нм (в зависимости от разрешения прибора), что ограничивает SAXS, когда речь идет о системах с большим диапазоном размеров. USAXS (ультрамалоугловое рентгеновское рассеяние) может расширить доступный диапазон размеров эксперимента по рентгеновскому рассеянию до микрометров, позволяя измерять чрезвычайно малые углы рассеяния. Таким образом, в одной установке можно измерять как микрометровые, так и нанометровые масштабы, что делает метод SAXS одним из самых универсальных методов определения характеристик для анализа наночастиц.

В этом отчете о применении мы показываем измерения USAXS на микрочастицах кварца в качестве доказательства концепции этого метода. Микрочастицы кварца изучаются как модельные системы, например, для металлов и бинарных сплавов. С помощью этих систем можно изучать ближний порядок в жидком состоянии и его затвердевание в коллоидные кристаллы с дальним порядком.¹ Кроме того, микрочастицы изучаются в области полимерного биокатализа,² пищевой науки,³ и материалов для хранения энергии.⁴ Конкретными образцами, изучаемыми в этих областях, являются:

• катализаторы
• вирусы и бактерии
• высокоагрегированные образцы
• биомембраны
• супрамолекулярные соединения для структурных исследований с помощью рентгеновского рассеяния.

Для измерения микрочастиц кварца, представленных в данном отчете, система малоуглового рентгеновского рассеяния Anton Paar SAXSpoint 5.0 может быть оснащена дополнительным модулем USAXS. С установленным модулем USAXS наименьшее доступное значение q (q_min) эксперимента по рентгеновскому рассеянию расширяется до 0,0012 нм^-1 (0,00012 Å^-1). Это соответствует размеру частиц в реальном пространстве до 2,6 мкм.

Этот расширенный, сверхмалый q-диапазон становится доступным, благодаря использованию так называемой геометрии Бонзэ-Харта, в которой два отъюстированных и точно подогнанных на заводе блока (channel-cut = CC) (производства AXO Dresden, компания Anton Paar) устанавливаются на компактный модуль (Рисунок 1). При измерении первичный блок (расположенный перед образцом) используется для дополнительной коллимации пучка и дополнительного уменьшения расходимости пучка. Вторичный блок (расположен после образца) служит кристаллом анализатора и сканирует рассеянные фотоны с очень малым угловым шагом для записи кривой USAXS.

Рисунок 1: Модуль USAXS компании Anton Paar для установки в систему SAXSpoint 5.0.

В ходе эксперимента блоки СС могут быть перемещены внутрь и за пределы рентгеновского пучка. Это позволяет измерять непрерывные кривые рассеяния в большом диапазоне q (до четырех порядков), охватывая области USAXS, SAXS и WAXS. Модуль USAXS для SAXSpoint, разумеется, полностью интегрирован в программное обеспечение для сбора данных SAXSdrive, что позволяет проводить измерения в автоматическом режиме.

2 Детали эксперимент и результаты

Для демонстрации возможностей платформы USAXS компании Anton Paar, водный раствор частиц SiO₂ с проверенным диаметром (1,53 ± 0,02) мкм был приобретен у компании Microparticles GmbH, Германия.

Для проведения экспериментов система была оснащена микрофокусной рентгеновской трубкой Primux 100 Cu Kα (λ = 0,154 нм), модулем USAXS Anton Paar и детектором EIGER2 R 1M фирмы Dectris. Данные USAXS были собраны в геометрии на пропускания в диапазоне q от 0,0012 нм^-1 до 0,04 нм^-1. Для предотвращения седиментации во время измерения - что обычно происходит с частицами такого размера - измерение проводилось в непрерывном потоке при постоянном перемешивании раствора в резервуаре.

Рисунок 2: Данные USAXS и смоделированные данные дисперсии частиц кварца с заданным диаметром 1,53 мкм.

Для анализа данных использовалась простая подгонка IFT (обратное преобразование Фурье). На Рисунок 2 показано соответствие IFT подгонки и измеренных данных. Видно, что IFT подгонка идеально описывает полученные данные.

Рисунок 3: Рассчитанная функция p(r). Из симметричной функции p(r) вычислен диаметр сферы 1,515 мкм.

На Рисунке 3 показана соответствующая функция распределения парных расстояний (PDDF или p(r)), полученная в результате подгонки. Для этой подгонки использовался максимальный размер частицы 1600 нм. Симметричная форма функции PDDF подтверждает сферическую форму частиц, а расчет диаметра однородной сферы из p(r) дает D_max 1,515 мкм. Это идеально соответствует номинальному диаметру частиц 1,530 мкм. Поскольку для моделирования данных не требовалась полидисперсность, продемонстрирована монодисперсная природа образца.

3 Выводы

В данном исследовании было показано, что ультрамалоугловое рентгеновское рассеяние с q_min 0,0012 нм^-1 возможно на системе SAXSpoint 5.0 с микрофокусной рентгеновской трубкой. Это делает USAXS доступным в обычной лаборатории, снижая необходимость в синхротронных экспериментах.

Данные, полученные от сфер SiO₂ с номинальным диаметром 1,53 мкм, были успешно измерены и оценены. В результате оценки данных рассеяния, был получен диаметр частиц 1,515 мкм, который отлично согласуется с реальным размером частиц. Кроме того, это также доказывает монодисперсную природу образца.

4 Источники

1. Журнал химической физики 141, 214906 (2014)
2. Катализаторы 2021, 11(6), 730
3. Food Research International 129, 108846 (2020)
4. Прикладная энергетика 299, 117315 (2021)