soluciones coloidales y efecto tyndall · partículas con tamaños en el rango de 1 nm - 1 µm....

Soluciones Coloidales yefecto Tyndall

Dr. Santiago Botasini

Coloides vs Soluciones verdaderas

2

1

3

Mezcla a nivel molecular o iónico de dos

sustancias o más que no reaccionan entre sí

para dar lugar a un sistema homogéneo con

una única fase.

Disoluciones

4

Disoluciones

5

Dispersión de partículas

La velocidad de sedimentación es proporcional al

cuadrado del diámetro de la partícula. Por lo tanto

partículas pequeñas sedimentan muy lentamente

6

Un sistema coloidal o coloide es un sistema

heterogéneo, formado por una fase continua en la

cual se dispersa otra fase en forma de entidades o

partículas con tamaños en el rango de 1 nm - 1 µm.

Sistema Coloidal

Ejemplos

7

Emulsiones: Dispersión coloidal de un líquido en otro inmiscible con él.

Soles: Coloides inestables o metaestables. La partícula dispersante es sólida y la

fase dispersa líquida.

Aerosoles: sistemas coloidales con partículas líquidas o sólidas muy finalmente

subdivididas dispersadas en un gas.

Geles: Coloides dónde la fase dispersa es líquida y la fase continua es sólida.

Espumas: Coloides en donde la partícula dispersante es un gas y la fase dispersa

es líquida.

Características

9

Partículas (generalmente más de una molécula, cristales, gotas, burbujas)

Medio continuo (gas, liquido, sólido).

Requieren de un agente estabilizador o Surfactante.

Por su tamaño pequeño no precipitan con la gravedad.

Presentan movimiento Browniano.

Coloide

10

FASE

DISPERSANTE

FASE

DISPERSA

Disoluciones verdaderas vs. Coloides

11

Átomos, Moléculas pequeñas o iones.

Generalmente transparentes.

No presentan efecto Tyndall.

El soluto no precipita.

No se puede separar por filtración.

DISOLUCIONES COLOIDES

Tamaño de partículas entre 1nm y 1µm.

Presentan fenómeno Tyndall.

Algunas son opacas.

El soluto puede precipitar.

Se puede separar por filtración.

12

Estabilización del coloide

13

Compresión de la doble capa.

Neutralización cargas.

Atrapamiento en un precipitado.

Formación de puentes inter-partículas

¿Cuándo se rompe la estabilidad coloidal?

Dispersión de Luz: Efecto Tyndall, Rayleigh, Mie

14

2

15

Interacción de la radiación electromagnética con la materia

Rayleigh – Mie – Tyndall – Smoluchowski - Debye

Aportes a la teoría de la dispersión de la

radiación electromagnética

Conceptos importantes

16

Conceptos importantes

17

Distintos tipos de dispersiones

RayleighDispersión de luz generadapor partículas con untamaño mucho menor quela longitud de onda de laluz incidente.

MieDispersion de luzgenerada por partículasesféricas con un tamañomenor que la longitud deonda de la luz incidente.

TyndallDispersión de luz generadapor partículas de mayortamaño, asociada a lassoluciones coloidales.

18

19

20

21

Estática

(elástica, Rayleigh,

clásica)

• Ocurre a la misma longitud de

onda que la luz incidente.

• Su intensidad varía con 1/λ4

y con d6.

Dinámica

(Mie)

• Producida por partículas

esféricas de distinto tamaño (d).

• Su intensidad varía con d2.

• Cuando d<< λ, Rayleigh

coincide con Mie.

Dispersión de luz

Efecto Tyndall

22

23

Efecto Tyndall

24

Empleando el celular

La cámara del celular es útilpara registrar variaciones enintensidades de luz.

Variación con la concentración

25

Concentrada Diluida

26

-1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.070

80

90

100

110

120

Inte

nsid

ad

log (F)

Midiendo el promedio de intensidad de grises

27

5 nm 30 nm 50 nm 80 nm

Variación con el tamaño de partícula

Aplicaciones

28

H2O sin filtrar H2O filtrada

Filtro de 0.22 μm

Aplicaciones

DLSTécnica que mide el radiohidrodinámico de laspartículas. El detector seencuentra a 90º respecto alhaz incidente.

TurbidimetríaTécnica que mide lavariación de intensidad deluz al pasar por una ciertamuestra. El detector seencuentra en la mismadirección del haz incidente.

NefelometríaTécnica que mide la variaciónde intensidad de luz al pasarpor una cierta muestra. Eldetector se encuentra a 90ºrespecto al haz incidente.

29

30

Nefelometría y turbidimetría

Nefelómetro, DLS, Espectrofotómetro

31

Movimiento Browniano

32

3

33

Movimiento aleatorio de las partículas causado por las colisiones

con las moléculas del solvente, las cuales se mueven por

agitación térmica.

Movimiento Browniano

34

Movimiento Browniano

35

Movimiento Browniano

Estabilidad coloidal

36

4

37

Doble capa electroquímica

38

Las partículas coloidales presentan Energías de atracción (VA) y

Energías de repulsión (VR); dónde la resultante (VT) determina la

estabilidad del coloide.

39

40

Fuerzas atractivas (Van der

Waals)

Fuerzas de repulsión

(electroestáticas)

¿Cómo se logra la estabilidad de los coloides?

41

- -

-

-

-

-

---

-

-

--

--

+++

++

+

+ + +++

++

+

+

+

+-

- -

--

-

-

-

-

-

-

--

-

+++

+

+

+ + +++

++

+

+

+

+

-

Baja concentración iónica

Alta concentración iónica

Compresión de

la doble capa

¿Cuándo se rompe la estabilidad coloidal?

42

Neutralización cargas

+++

++

+

+ + +++

++

+

+

+

+ +++

++

+

+ + +++

++

+

+

+

+

REPULSION ATRACCIÓN

Sin Neutralizar las cargas Cargas Neutralizadas

43

¿Cómo se logra la estabilidad de los coloides?

Estabilización estérica

La Macromolécula que

recubre la partícula

impide el acercamiento

estrecho entre las

partículas

44

Compresión de la doble capa.

Neutralización cargas.

Atrapamiento.

Formación de puentes entre partículas.

¿Cuándo se rompe la estabilidad coloidal?

45

Atrapamiento por un precipitado

Cuando se forma un

precipitado, este por arrastre

puede inducir la floculación

del sistema coloidal.

46

Formación de puentes inter-partículas

47

Las DNAzymas son moléculas que catalizan la

ruptura de una hebra de DNA de determinada

secuencia.

Para el desarrollo de un sensor de plomo se utilizó

una DNAzyma que se activa ante la presencia de Pb2+

Formación de puentes inter-partículas

(Aplicaciones)

48

Sensores colorimétricos

49

LIBRES AGREGADAS

50

Estados de agregación de las partículas

51

Estados de agregación de las partículas

Partículas

LibresFloculación Coalescencia

52

Estados de agregación de las partículas

0 20 40 60 80 1000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60 80 1000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60 80 1000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60 80 1000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Fra

cció

n d

e A

gN

Ps n

o a

gre

gad

as

[NaNO3] (mM)

F

racció

n d

e A

gN

Ps n

o a

gre

gad

as

[NaBr] (mM)

dc

b

Fra

cció

n d

e A

gN

Ps n

o a

gre

gad

as

[NaCl] (mM)

a

Fra

cció

n d

e A

gN

Ps n

o a

gre

gad

as

[NaF] (mM)

Análisis del tamaño de partículas por dispersión de

luz (DLS)53

5

54

55

¿Por qué se forman los speckles?

56

Radio hidrodinámico

57

¿De qué depende el radio hidrodinámico?

58

¿De qué depende el radio hidrodinámico?

59

¿De qué depende el radio hidrodinámico?

60

¿De qué depende el radio hidrodinámico?

61

El movimiento aleatorio de las partículas produce fluctuaciones aleatorias en la señal de intensidad,

que surgen de las interferencias constructivas y destructivas de la luz dispersada

DLS

Función de autocorrelación

62

63

Función de autocorrelación

64

A: es el área de “coherencia” de un único speckle.

r: es la distancia de la fuente de luz

λ: es la longitud de onda del haz

x: es el radio del volumen que forma la esfera del

speckle

Resolución

65

Función de autocorrelación

66

Polidispersa

Monodispersa

Γ = Dq2

Función de autocorrelación

67

68

Función de autocorrelación

69

¿Cómo se obtiene información a partir de la función de autocorrelación?

70

¿Cómo se obtiene información a partir de la función de autocorrelación?

Algoritmos

71

Cumulants method

Calcula de función de distribución a partir de una expansión en

serie.

CONTIN

Calcula la función de la distribución aplicando la inversa de la

transformación de Laplace e impone un factor de

NNLS

Calcula la Función de distribución aplicando la inversa de la

transformada de Laplace, pero con la restricción de no aceptar

coeficientes negativos.

73

Resolución

74

¿Qué información se obtiene a partir de la función

de autocorrelación?

75

¿Qué información se obtiene a partir de la función

de autocorrelación?

76

¿Qué información se obtiene a partir de la función

de autocorrelación?

77

Polymodal distributions

78

Índice de polidispersión

𝜞 𝒚 𝒌 representan

el promedio y la

varianza función

de intensidad.

79

¿Qué información brindan los

gráficos ?

80

Intensidad

81

¿Qué información brindan los gráficos ?

Aspectos prácticos de las medidas por DLS

82

6

83

Filtrar el analito para eliminar las partículas de polvo.

Asegurarse que las interacciones electroestáticas no afecten los

resultados. Se recomienda medir con una disolución 1mM de KCl,

en caso que la fuerza iónica sea baja.

La muestra no puede absorber o presentar fluorescencia en la

longitud de onda del laser del equipo.

Buenas prácticas de medida

84

Medir siempre con tapa para evitar la entrada del polvo.

Tener en cuenta la forma de la función de autocorrelación a la hora de

examinar los resultados.

Confirmar repetitividad de las medidas.

Lavar las celdas y todo el material a utilizar con abundante agua ultrapura.

Buenas prácticas de medida

85

Transparente.

Conocer el índice de refracción de la muestra.

Conocer la Viscosidad de la muestra.

Evitar la agregación de partículas.

Muestra libre de polvo.

Concentración adecuada. OJO

LAS MEDIAS POR DNO DEPENDEN DE LA CONCENTRACIÓN

Requerimientos de la muestra

86

Concentración de la muestra

87

Verificar la performance del equipo

88

Análisis de la distribución de tamaños

89

Log-Normal

Problemas comunes

90

91

Problemas comunes

92

Problemas comunes

93

Problemas comunes

94

Problemas comunes

El fenómeno de dispersión múltiple

se traduce en distribuciones de

partículas mayores y los radios

promedios son menores.

95

Problemas comunes

96

¿Cómo visualizar los problemas?

97

Reporte de resultados

ISO 13321

Potencial Z

98

7

99

100

¿Cómo se mide el potencial Z?

101

¿Cómo se mide el potencial Z?

102

¿Cómo se mide el potencial Z?

103

¿Qué define la estabilidad del coloide?

104

¿Cómo se mide el potencial Z?

105

Algoritmos

106

Efecto del pH

107

Consideraciones prácticas

108

Consideraciones prácticas

Lecturas sugeridas

109

Rodriguez, L. J., Sistemas Coloidales en Farmacia (Universidad de Salamanca, 2008).

Kerker, M., Classics and classicists of colloid and interface science: 6. John Tyndall. J. Colloid

Interface Sci. 119, 602-604 (1987).

Ninham, B. W., On progress in forces since the DLVO theory. Adv. Colloid Interfac. 83, 1-17 (1999).

Pashley, R. M., DLVO and Hydration Forces between Mica Surfaces in Li +, Na +, K +, and Cs +

Electrolyte Solutions: A Correlation of Double-Layer and Hydration Forces with Surface Cation

Exchange Properties. Journal of Colloid and Interface Science 83, 531-546 (1981).

Inés P. A. Morais, Ildikó V. Tóth, and António O. S. S. Rangel, Turbidimetric and Nephelometric

Flow Analysis: Concepts and Applications Spectroscopy Letters, 39: 547–579, 2006

110

¿Preguntas?