Dynamický rozptyl světla (DLS) je měřicí technika, která poskytuje rychlou a jednoduchou metodu pro stanovení velikosti submikronových a nanočástic.

Teoretický základ rozptylu světla

Rozptyl světla je jev, který pozorujeme, když je světlo, obvykle monochromatické laserové světlo, rozptylováno náhodně orientovanými objekty v roztoku. Nehomogenity mají za následek rozptyl světla; v dokonale homogenním kontinuu by nedocházelo k žádnému vychýlení dráhy laserového světla při jeho průchodu prostředím. Intenzita rozptýleného světla je úměrná velikosti, molekulové hmotnosti a rozdílu indexu lomu (Δn) mezi rozptylovým centrem (nsample) a rozpouštědlem (nsolvent). Dokud je Δn nenulový, mělo by docházet k rozptylu světla.

Dynamický vs. statický rozptyl světla

Komerční přístroje pro rozptyl světla obvykle využívají jeden ze dvou základních principů k získání informací z tohoto rozptýleného světla. Statický rozptyl světla (SLS) vyžaduje extrémně přesné počítání fotonů, což znamená, že velikost rozptýleného světla je často nejdůležitějším parametrem. Tato metoda se používá k získání parametrů, jako jsou Mw, Rg a A2. Naproti tomu dynamický rozptyl světla (DLS) využívá kolektivního pohybu velkého souboru náhodně orientovaných částic rozptýlených v nějakém prostředí.

DLS se opírá o skutečnost, že volně difundující částice, které se pohybují náhodně v důsledku Brownova pohybu, budou vytvářet rychlé fluktuace v rozptýleném laserovém světle. Tyto fluktuace jsou rychlé, řádově desítky nanosekund až stovky milisekund, a přímo souvisejí s pohybem částic. Časová autokorelace se používá ke kvantifikaci rychlosti, s jakou se tyto fotopulzy stávají dekorativními z určitého počátečního stavu, který pak přímo souvisí s pohybem částic.

Provedení měření dynamického rozptylu světla

Aby bylo možné měřit skutečný vzorek pomocí DLS, musí být vzorek dispergovatelný v rozpouštědle. Značnou pozornost je třeba věnovat přípravě bezprašných roztoků a také tomu, aby vzorky nebyly příliš koncentrované (např. vysoký objemový zlomek). DLS je určena k použití v podmínkách zředěných roztoků, takže je třeba poznamenat, že ne všechny vzorky, které jsou měřitelné, budou nutně vhodné pro analýzu.

Více informací: Příručka pro přípravu vzorků DLS

Přeměna rozptýleného světla na informaci o velikosti částic

Signál, který vzniká z intenzity rozptýleného laserového světla, se shromažďuje a transformuje do autokorelační funkce, která je základem pro měření distribuce velikosti částic. Při této technice vznikají rychlé fluktuace intenzity rozptýleného světla z náhodného pohybu rozptýlených částic. Tento náhodný neboli Brownův pohyb částic a proteinů se analyzuje pomocí autokorelace, čímž se získá buď jednoduchá střední velikost a polydisperzita, nebo úplnější údaje o rozdělení i pro multimodální rozdělení. Průměr získaný z dynamického rozptylu světla se často označuje jako hydrodynamický průměr a je nepřímo úměrný difuznímu koeficientu. Velké částice rozptylují více světla a difundují pomaleji než malé částice. Hydrodynamický průměr souvisí s koeficientem difúze prostřednictvím Stokesovy-Einsteinovy rovnice, kde je velikost inverzní s rychlostí difúze.

Pokud je přítomno rozdělení velikostí, naměřený efektivní průměr je průměr, který je vážen intenzitou světla rozptýleného každou částicí. Toto vážení intenzity není stejné jako vážení populace nebo počtu, které se používá při počítání jednotlivých částic, například v elektronové mikroskopii. Nicméně i u úzce rozptýlených vzorků jsou získané průměrné průměry obvykle v dobré shodě s průměry získanými technikami jednotlivých částic.

Stokesova-Einsteinova rovnice a dynamický rozptyl světla

Vztah mezi translačním difúzním koeficientem Dt, primární veličinou měřenou při DLS, a hydrodynamickou velikostí částic, dh, je inverzní a je dán Stokesovou-Einsteinovou rovnicí:

Dt = Kb T / 3πηdh

Kde jsou Boltzmannova konstanta (Kb), teplota (T) a objemová viskozita (η) známé hodnoty a pouze velikost částice, dh, je vlastností částice.

Při známém úhlu rozptylu, θ, a indexu lomu, n, se vektor rozptylu q vypočítá z následujícího výrazu, kde λo je vlnová délka laseru:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

Daná autokorelační funkce (ACF), obvykle reprezentovaná jako funkce doby zpoždění, C(τ) se dekonvolutuje buď na jednoexponenciální, roztaženou exponenciální nebo součet exponenciál. Kde B je konstantní člen pozadí a A optická konstanta určená konstrukcí přístroje:

C(τ)=B⋅

Výsledkem této dekonvoluce je charakteristická šířka čáry nebo rychlost rozpadu, G, a obvykle také index polydisperzity (PDI). Polydisperzita se vztahuje k šíři dané distribuce, která může být výsledkem buď jediné široké populace, nebo koexistence více diskrétních populací.

Tato šířka čáry, G, souvisí s translačním difuzním koeficientem (Dt) následujícím způsobem:

G = Dt⋅q2

Dynamický rozptyl světla se někdy označuje jako kvazielastický rozptyl světla (QELS) nebo fotokorelační spektroskopie (PCS).

Aplikace dynamického rozptylu světla

Mezi nejčastější průmyslové aplikace DLS patří vývoj receptur a kontrola kvality (QC). Většina průmyslových formulací se používá ke stabilizaci aktivní složky, aby ji bylo možné skladovat nebo dodávat; to často vyžaduje povrchově aktivní látky, pufry, modifikátory viskozity a polymerní přísady. Cílem je udržet materiály stabilní a rozpustné. Úkolem kontroly kvality je hledat konzistenci a v některých specifických případech zjišťovat agregaci nebo znečištění. Tento proces je velmi podobný v celé řadě průmyslových odvětví včetně biofarmacie, těžby ropy, osobní péče, potravinářských přípravků, kosmetiky a mnoha dalších.

DLS se také používá v řadě běžných R&D činností včetně návrhu nových materiálů, vývoje nebo screeningu nových biomolekul, agregačních studií, přípravy nových samouspořádaných struktur, podávání a uvolňování léčiv, nanogelů a při studiu různých exotických povrchově aktivních systémů.

Více informací: Další příklady aplikací DLS najdete v naší knihovně aplikací

Přístroje pro dynamický rozptyl světla

Existují dva běžné přístupy k výrobě komerčního přístroje pro rozptyl světla. Převážná většina z nich používá buď pevné detekční úhly (kyvety nebo průtokové cely), nebo umožňuje plynulé otáčení detektoru na otočném stolku (goniometr). Řada NanoBrook využívá vláknovou optiku, která poskytuje až tři pevné úhly rozptylu a může se přizpůsobit držáku vzorku založenému na kyvetách. Je navržena tak, aby se snadno používala, a využívá dvě základní technologie společnosti Brookhaven: DLS a Zeta potenciál. Naproti tomu výzkumný goniometr BI-200SM je kontinuální přístroj s více úhly a je dostatečně flexibilní pro řešení široké škály výzkumných problémů. Výzkumný goniometr je výhradně přístrojem pro DLS a SLS.

Přečtěte si více o přístrojích řady NanoBrook zde.

Přečtěte si více o výzkumném goniometru BI-200SM zde.