Dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine Messtechnik, die eine schnelle und einfache Methode zur Größenbestimmung von Submikron- und Nanopartikeln bietet.

Theoretische Grundlagen der Lichtstreuung

Lichtstreuung ist ein Phänomen, das beobachtet wird, wenn Licht, normalerweise monochromatisches Laserlicht, an zufällig orientierten Objekten in Lösung gestreut wird. Inhomogenitäten führen zu Streulicht; in einem vollkommen gleichförmigen Kontinuum würde der Weg des Laserlichts beim Durchgang durch ein Medium nicht abgelenkt werden. Die Intensität des gestreuten Lichts ist proportional zur Größe, zum Molekulargewicht und zum Unterschied im Brechungsindex (Δn) zwischen dem Streuzentrum (nsample) und dem Lösungsmittel (nsolvent). Solange Δn ungleich Null ist, sollte es zu einer Lichtstreuung kommen.

Dynamische vs. statische Lichtstreuung

Kommerzielle Lichtstreuungsinstrumente nutzen in der Regel eines von zwei Grundprinzipien, um Informationen aus dem gestreuten Licht zu gewinnen. Die statische Lichtstreuung (SLS) erfordert eine extrem genaue Photonenzählung, so dass die Größe des gestreuten Lichts oft der wichtigste Parameter ist. Diese Methode wird verwendet, um Parameter wie Mw, Rg und A2 zu erhalten. Im Gegensatz dazu nutzt die dynamische Lichtstreuung (DLS) die kollektive Bewegung eines großen Ensembles zufällig orientierter Teilchen, die in einem Medium dispergiert sind.

DLS beruht auf der Tatsache, dass frei diffundierende Teilchen, die sich aufgrund der Brownschen Bewegung zufällig bewegen, schnelle Fluktuationen im gestreuten Laserlicht erzeugen. Diese Fluktuationen sind schnell, in der Größenordnung von zehn Nanosekunden bis zu Hunderten von Millisekunden, und stehen in direktem Zusammenhang mit der Bewegung der Teilchen. Die zeitliche Autokorrelation wird verwendet, um die Geschwindigkeit zu quantifizieren, mit der diese Lichtimpulse von einem bestimmten Ausgangszustand aus dekorreliert werden, was dann direkt mit der Bewegung der Teilchen zusammenhängt.

Dynamische Lichtstreumessung

Um eine echte Probe mit DLS messen zu können, muss die Probe in einem Lösungsmittel dispergierbar sein. Es muss sehr darauf geachtet werden, dass staubfreie Lösungen hergestellt werden und dass die Proben nicht zu stark konzentriert sind (z. B. hoher Volumenanteil). DLS ist für den Einsatz in verdünnten Lösungen vorgesehen, daher ist zu beachten, dass nicht alle Proben, die messbar sind, unbedingt für die Analyse geeignet sind.

Weitere Informationen: Leitfaden für die DLS-Probenvorbereitung

Umwandlung von Streulicht in Partikelgrößeninformationen

Das Signal, das aus der Streuintensität des Laserlichts entsteht, wird gesammelt und in eine Autokorrelationsfunktion umgewandelt, die die Grundlage für die Messung einer Partikelgrößenverteilung bildet. Bei dieser Technik entstehen schnelle Schwankungen in der Intensität des gestreuten Lichts durch die Zufallsbewegung der dispergierten Partikel. Diese zufällige oder Brownsche Bewegung von Partikeln und Proteinen wird durch Autokorrelation analysiert, um entweder eine einfache mittlere Größe und Polydispersität oder vollständigere Verteilungsdaten auch für multimodale Verteilungen zu erhalten. Der aus der dynamischen Lichtstreuung gewonnene Durchmesser wird oft als hydrodynamischer Durchmesser bezeichnet und ist umgekehrt proportional zum Diffusionskoeffizienten. Große Partikel streuen mehr Licht und diffundieren langsamer als kleine Partikel. Der hydrodynamische Durchmesser steht über die Stokes-Einstein-Gleichung mit dem Diffusionskoeffizienten in Beziehung, wobei die Größe umgekehrt proportional zur Diffusionsgeschwindigkeit ist.

Wenn eine Größenverteilung vorliegt, ist der gemessene effektive Durchmesser ein Durchschnittsdurchmesser, der mit der Intensität des von jedem Partikel gestreuten Lichts gewichtet wird. Diese Intensitätsgewichtung ist nicht dasselbe wie die Populations- oder Zahlengewichtung, die bei einem Einzelteilchenzähler wie in der Elektronenmikroskopie verwendet wird. Aber selbst bei eng dispergierten Proben stimmen die ermittelten Durchschnittsdurchmesser in der Regel gut mit denen überein, die mit Einzelteilchenverfahren ermittelt wurden.

Die Stokes-Einstein-Gleichung und die dynamische Lichtstreuung

Die Beziehung zwischen dem translatorischen Diffusionskoeffizienten Dt, der primären Größe, die bei der DLS gemessen wird, und der hydrodynamischen Partikelgröße dh ist invers und wird durch die Stokes-Einstein-Gleichung gegeben:

Dt = Kb T / 3πηdh

Wobei die Boltzmann-Konstante (Kb), die Temperatur (T) und die Volumenviskosität (η) alle bekannte Werte sind und nur die Partikelgröße, dh, eine Eigenschaft der Partikel ist.

Bei bekanntem Streuwinkel θ und bekanntem Brechungsindex n wird der Streuvektor q aus dem folgenden Ausdruck berechnet, wobei λo die Wellenlänge des Lasers ist:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

Eine gegebene Autokorrelationsfunktion (ACF), typischerweise dargestellt als Funktion der Verzögerungszeit, C(τ) wird entweder in eine Einzelexponentialfunktion, eine Streckungsexponentialfunktion oder eine Summe von Exponentialen zerlegt. Dabei ist B ein konstanter Hintergrundterm und A eine optische Konstante, die durch das Gerätedesign bestimmt wird:

C(τ)=B⋅

Das Ergebnis dieser Entfaltung ist eine charakteristische Linienbreite oder Abklingrate, Г, und normalerweise auch ein Polydispersitätsindex (PDI). Polydispersität bezieht sich auf die Breite einer bestimmten Verteilung, die entweder aus einer einzigen breiten Population oder aus der Koexistenz mehrerer diskreter Populationen resultieren kann.

Diese Linienbreite, Г, steht in folgender Beziehung zum Translations-Diffusionskoeffizienten (Dt):

Г = Dt⋅q2

Dynamische Lichtstreuung wird manchmal auch als quasi-elastische Lichtstreuung (QELS) oder Photo-Korrelationsspektroskopie (PCS) bezeichnet.

Anwendungen der dynamischen Lichtstreuung

Die häufigsten industriellen Anwendungen der DLS sind die Entwicklung von Formulierungen und die Qualitätskontrolle (QC). Die meisten industriellen Formulierungen werden verwendet, um einen Wirkstoff zu stabilisieren, damit er gelagert oder abgegeben werden kann; dazu werden häufig Tenside, Puffer, Viskositätsmodifikatoren und polymere Zusätze benötigt. Ziel ist es, die Materialien stabil und löslich zu halten. Die Aufgabe der Qualitätskontrolle besteht darin, auf Konsistenz zu achten und in einigen speziellen Fällen Aggregation oder Verschmutzung festzustellen.

DLS wird auch bei einer Reihe gängiger F&D-Aktivitäten eingesetzt, z. B. beim Entwurf neuartiger Materialien, bei der Entwicklung oder dem Screening neuer Biomoleküle, bei Aggregationsstudien, bei der Vorbereitung neuer selbstorganisierter Strukturen, bei der Abgabe und Freisetzung von Medikamenten, bei Nanogelen und bei der Untersuchung verschiedener exotischer Tensidsysteme.

Weitere Informationen: Weitere Beispiele für DLS-Anwendungen finden Sie in unserer Anwendungsbibliothek

Instrumente für die dynamische Lichtstreuung

Es gibt zwei gängige Ansätze zur Herstellung eines kommerziellen Lichtstreuungsinstruments. Die überwiegende Mehrheit verwendet entweder feste Detektionswinkel (Küvetten oder Durchflusszellen) oder ermöglicht eine kontinuierliche Rotation des Detektors auf einem Drehtisch (Goniometer). Die NanoBrook-Serie verwendet Faseroptik, um bis zu drei feste Streuwinkel zu ermöglichen, und kann einen küvettenbasierten Probenhalter aufnehmen. Das Gerät ist einfach zu bedienen und nutzt zwei der Kerntechnologien von Brookhaven: DLS und Zeta-Potential. Im Gegensatz dazu ist das BI-200SM Forschungsgoniometer ein kontinuierliches Mehrwinkelinstrument und flexibel genug, um eine breite Palette von Forschungsproblemen zu lösen. Das Forschungsgoniometer ist ausschließlich ein DLS- und SLS-Instrument.

Lesen Sie hier mehr über die NanoBrook Instrumentenserie.

Erfahren Sie hier mehr über das BI-200SM Forschungsgoniometer.