Dynamisk lysspredning (DLS) er en måleteknik, der giver en hurtig og enkel metode til størrelsesbestemmelse af submikron- og nanopartikler.

Theoretisk grundlag for lysspredning

Lysspredning er et fænomen, der observeres, når lys, normalt monokromatisk laserlys, spredes af tilfældigt orienterede objekter i en opløsning. Inhomogeniteter resulterer i spredt lys; i et perfekt ensartet kontinuum ville der ikke være nogen afbøjning af laserlysets bane, når det passerer gennem et medium. Intensiteten af det spredte lys er proportional med størrelsen, molekylvægten og forskellen i brydningsindekset (Δn) mellem det spredte center (nsample) og opløsningsmidlet (nsolvent). Så længe Δn er forskellig fra nul, bør der ske lysspredning.

Dynamisk vs. statisk lysspredning

Kommercielle instrumenter til lysspredning har en tendens til at udnytte et af to grundprincipper for at uddrage information fra dette spredte lys. Statisk lysspredning (Static Light Scattering, SLS) kræver ekstremt nøjagtig fotonoptælling, hvilket betyder, at størrelsen af det spredte lys ofte er den vigtigste parameter. Denne metode anvendes til at opnå parametre som Mw, Rg og A2. I modsætning hertil udnytter dynamisk lysspredning (DLS) den kollektive bevægelse af et stort ensemble af tilfældigt orienterede partikler, der er spredt i et eller andet medium.

DLS bygger på det faktum, at frit diffunderende partikler, der bevæger sig tilfældigt som følge af Brownsk bevægelse, vil frembringe hurtige fluktuationer i det spredte laserlys. Disse udsving er hurtige, i størrelsesordenen ti nanosekunder til hundreder af millisekunder, og de er direkte relateret til partiklernes bevægelse. Temporal autokorrelation bruges til at kvantificere den hastighed, hvormed disse fotoimpulser bliver dekorreleret fra en vis initial tilstand, som derefter er direkte relateret til partiklernes bevægelse.

Måling af dynamisk lysspredning

For at kunne måle en rigtig prøve ved hjælp af DLS skal prøven kunne dispergeres i et opløsningsmiddel. Der skal lægges stor vægt på at fremstille støvfrie opløsninger og på at undgå for koncentrerede prøver (f.eks. med høj volumenfraktion). DLS er beregnet til brug i fortyndede opløsningsforhold, så det er værd at bemærke, at ikke alle prøver, der er målbare, nødvendigvis vil være egnede til analyse.

Mere oplysninger: Vejledning til DLS prøveforberedelse

Omdannelse af spredt lys til partikelstørrelsesinformation

Signalet, der stammer fra den spredte intensitet fra laserlyset, opsamles og omdannes til en autokorrelationsfunktion, som er grundlaget for måling af en partikelstørrelsesfordeling. I denne teknik opstår hurtige fluktuationer i intensiteten af det spredte lys som følge af tilfældige bevægelser af spredte partikler. Denne tilfældige eller Brownske bevægelse af partikler og proteiner analyseres ved hjælp af autokorrelation for at give enten en simpel middelstørrelse og polydispersitet eller mere fuldstændige fordelingsdata, selv for multimodale fordelinger. Den diameter, der opnås ved dynamisk lysspredning, kaldes ofte den hydrodynamiske diameter og er omvendt proportional med diffusionskoefficienten. Store partikler spreder mere lys og diffunderer langsommere end små partikler. Den hydrodynamiske diameter er relateret til diffusionskoefficienten via Stokes-Einstein-ligningen, hvor størrelsen er omvendt med diffusionshastigheden.

Når der er tale om en størrelsesfordeling, er den målte effektive diameter en gennemsnitsdiameter, som vægtes med intensiteten af det lys, der spredes af hver enkelt partikel. Denne intensitetsvægtning er ikke den samme som den populations- eller antalsvægtning, der anvendes i en enkeltpartikeltæller som f.eks. i elektronmikroskopi. Selv for snævert dispergerede prøver er de opnåede gennemsnitlige diametre dog normalt i god overensstemmelse med de diametre, der opnås ved hjælp af enkeltpartikelmetoder.

Stokes-Einstein-ligningen og dynamisk lysspredning

Forholdet mellem den translationelle diffusionskoefficient Dt, den primære størrelse, der måles i DLS, og den hydrodynamiske partikelstørrelse, dh, er omvendt og er givet ved Stokes-Einstein-ligningen:

Dt = Kb T / 3πηdh

Hvor Boltzmann-konstanten (Kb), temperaturen (T) og bulkviskositeten (η) alle er kendte værdier, og kun partikelstørrelsen, dh, er en egenskab ved partiklen.

For en kendt spredningsvinkel, θ, og brydningsindeks, n, beregnes spredningsvektoren q ud fra følgende udtryk, hvor λo er laserens bølgelængde:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

En given autokorrelationsfunktion (ACF), typisk repræsenteret som en funktion af forsinkelsestiden, C(τ) dekonvolveres til enten en enkelt eksponentiel, en strækket eksponentiel eller en sum af eksponentialer. Hvor B, er et konstant baggrundsterm, og A, en optisk konstant bestemt ved instrumentdesign:

C(τ)=B⋅

Resultatet af denne dekonvolution er en karakteristisk linjebredde eller henfaldshastighed, Г, og typisk også et polydispersitetsindeks (PDI). Polydispersitet henviser til bredden af en given fordeling, som kan skyldes enten en enkelt bred population eller sameksistensen af flere diskrete populationer.

Denne linjebredde, Г, er relateret til den translationelle diffusionskoefficient (Dt) på følgende måde:

Г = Dt⋅q2

Dynamisk lysspredning kaldes undertiden for Quasi-Elastisk Lysspredning (QELS) eller Foto-Korrelationsspektroskopi (PCS).

Anvendelser af dynamisk lysspredning

De mest almindelige industrielle anvendelser af DLS er udvikling af formuleringer og kvalitetskontrol (QC). De fleste industrielle formuleringer anvendes til at stabilisere en aktiv komponent, så den kan opbevares eller leveres; dette kræver ofte overfladeaktive stoffer, buffere, viskositetsmodifikatorer og polymere tilsætningsstoffer. Målet er at holde materialerne stabile og opløselige. QC’s funktion er at se efter konsistens og i nogle specifikke tilfælde at påvise aggregering eller tilsmudsning. Denne proces er meget ens på tværs af en lang række industrier, herunder biofarma, olieudvinding, personlig pleje, fødevareformuleringer, kosmetik og mange flere.

DLS anvendes også i en række almindelige R&D-aktiviteter, herunder design af nye materialer, udvikling eller screening af nye biomolekyler, aggregationsundersøgelser, fremstilling af nye selv-assemblerede strukturer, afgivelse og frigivelse af lægemidler, nanogeler og ved undersøgelse af forskellige eksotiske overfladeaktive systemer.

Mere oplysninger: Find flere eksempler på DLS-applikationer i vores applikationsbibliotek

Dynamiske lysspredningsinstrumenter

Der er to almindelige tilgange til fremstilling af et kommercielt lysspredningsinstrument. Langt de fleste anvender enten faste detektionsvinkler (kuvetter eller flowceller) eller giver mulighed for kontinuerlig rotation af detektoren på et rotationstrin (goniometer). NanoBrook-serien anvender fiberoptik til at give op til tre faste spredningsvinkler og kan rumme en kuvettebaseret prøveholder. Den er designet med henblik på brugervenlighed og anvender to af Brookhavens kerneteknologier: DLS og Zeta-potentiale. I modsætning hertil er BI-200SM Research Goniometer et kontinuerligt instrument med flere vinkler og er fleksibelt nok til at løse en bred vifte af forskningsproblemer. Research Goniometeret er udelukkende et DLS- og SLS-instrument.

Læs mere om NanoBrook-serien af instrumenter her.

Læs mere om BI-200SM Research Goniometer her.