Dynaaminen valonsironta (DLS) on mittaustekniikka, joka tarjoaa nopean ja yksinkertaisen menetelmän submikronisten ja nanohiukkasten mitoittamiseen.

Valonsironnan teoreettinen perusta

Valonsironta on ilmiö, joka havaitaan, kun valoa, yleensä monokromaattista laservaloa, sironnut satunnaisesti orientoituneet kohteet liuoksessa. Inhomogeenisuudet aiheuttavat valon sirontaa; täydellisen yhtenäisessä jatkumossa laservalon kulkureitti ei poikkeaisi, kun se kulkee väliaineen läpi. Sironneen valon voimakkuus on verrannollinen kokoon, molekyylipainoon ja sironneen keskuksen (nsample) ja liuottimen (nsolvent) välisen taitekertoimen (Δn) eroon. Niin kauan kuin Δn on nollasta poikkeava, valon sironnan pitäisi tapahtua.

Dynaaminen vs. staattinen valonsironta

Kaupalliset valonsirontalaitteet pyrkivät yleensä hyödyntämään jompaakumpaa kahdesta perusperiaatteesta saadakseen tietoa tästä sironneesta valosta. Staattinen valonsironta (Static Light Scattering, SLS) edellyttää erittäin tarkkaa fotonilaskentaa, joten sironneen valon suuruus on usein tärkein parametri. Tätä menetelmää käytetään sellaisten parametrien kuin Mw, Rg ja A2 saamiseksi. Dynaamisessa valonsironnassa (DLS) sen sijaan hyödynnetään johonkin väliaineeseen hajallaan olevien satunnaisesti suuntautuneiden hiukkasten suuren joukon kollektiivista liikettä.

DLS perustuu siihen, että vapaasti diffundoituvat hiukkaset, jotka liikkuvat satunnaisesti Brownin liikkeen vuoksi, tuottavat nopeita vaihteluita sironneeseen laservaloon. Nämä vaihtelut ovat nopeita, kymmenistä nanosekunneista satoihin millisekunteihin, ja ne liittyvät suoraan hiukkasten liikkeeseen. Ajallista autokorrelaatiota käytetään kvantifioimaan nopeutta, jolla nämä valopulssit dekorreloituvat jostain alkutilasta, joka sitten liittyy suoraan hiukkasten liikkeeseen.

Dynaamisen valonsirontamittauksen tekeminen

Voidakseen mitata todellista näytettä DLS:n avulla, näytteen on oltava dispergoituva liuottimeen. Huomattavaa huomiota on kiinnitettävä pölyttömien liuosten valmistamiseen sekä liian väkevien näytteiden (esim. suuri tilavuusfraktio) välttämiseen. DLS on tarkoitettu käytettäväksi laimeissa liuosolosuhteissa, joten on syytä huomioida, että kaikki mitattavissa olevat näytteet eivät välttämättä sovellu analysoitaviksi.

Lisätietoja: Opas DLS-näytteen valmisteluun

Sironneen valon muuttaminen hiukkaskokotiedoiksi

Laservalon sironneesta intensiteetistä syntyvä signaali kerätään ja muunnetaan autokorrelaatiofunktioksi, jonka perusteella mitataan hiukkaskokojakauma. Tässä tekniikassa sironneen valon intensiteetin nopeat vaihtelut johtuvat hajallaan olevien hiukkasten satunnaisesta liikkeestä. Tätä hiukkasten ja proteiinien satunnaista eli Brownin liikettä analysoidaan autokorrelaation avulla, jolloin saadaan joko yksinkertainen keskikoko ja polydispersiteetti tai täydellisempi jakaumatieto jopa multimodaalisten jakaumien osalta. Dynaamisen valonsironnan avulla saatua halkaisijaa kutsutaan usein hydrodynaamiseksi halkaisijaksi, ja se on kääntäen verrannollinen diffuusiokertoimeen. Suuret hiukkaset sirottavat enemmän valoa ja diffundoituvat hitaammin kuin pienet hiukkaset. Hydrodynaaminen halkaisija liittyy diffuusiokertoimeen Stokes-Einsteinin yhtälön avulla, jossa koko on käänteinen diffuusionopeuden kanssa.

Kun kokojakauma on olemassa, mitattu efektiivinen läpimitta on keskimääräinen läpimitta, joka painotetaan kunkin hiukkasen sirottaman valon voimakkuudella. Tämä intensiteettipainotus ei ole sama kuin populaatio- tai lukumääräpainotus, jota käytetään yksittäisen hiukkasen laskennassa, kuten elektronimikroskopiassa. Jopa kapeasti dispergoituneista näytteistä saadut keskimääräiset halkaisijat vastaavat kuitenkin yleensä hyvin yksittäishiukkastekniikoilla saatuja halkaisijoita.

Stokes-Einsteinin yhtälö ja dynaaminen valonsironta

Translatorisen diffuusiokertoimen Dt, joka on ensisijainen DLS:ssä mitattava suure, ja hydrodynaamisen hiukkaskoon dh välinen suhde on käänteinen, ja se saadaan Stokes-Einsteinin yhtälöstä:

Dt = Kb T / 3πηdh

Jossa Boltzmannin vakio (Kb), lämpötila (T) ja irtoviskositeetti (η) ovat kaikki tunnettuja arvoja, ja vain hiukkaskoko, dh, on hiukkasen ominaisuus.

Tunnetulle sirontakulmalle, θ, ja taitekertoimelle, n, sirontavektori q lasketaan seuraavasta lausekkeesta, jossa λo on laserin aallonpituus:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

Annettu autokorrelaatiofunktio (ACF), joka tyypillisesti esitetään viiveajan funktiona, C(τ) puretaan joko yhdeksi eksponentiaaliseksi, venytetyksi eksponentiaaliseksi tai eksponenttien summaksi. Jossa B, on vakio taustatermi ja A, optinen vakio, joka määräytyy laitteen suunnittelun mukaan:

C(τ)=B⋅

Tämän dekonvoluution tuloksena saadaan tyypillinen viivanleveys tai hajoamisnopeus, Г, ja tyypillisesti myös polydispersiteetti-indeksi (PDI). Polydispersiteetillä tarkoitetaan tietyn jakauman leveyttä, joka voi johtua joko yhdestä laajasta populaatiosta tai useiden erillisten populaatioiden rinnakkaiselosta.

Tämä viivanleveys, Г, liittyy translaatiodiffuusiokertoimeen (Dt) seuraavasti:

Г = Dt⋅q2

Dynaamisesta valonsironnasta käytetään joskus nimitystä kvasielastinen valon sironta (Quasi-Elastic Light Scattering, QELS) tai valokorrelaatiospektroskopia (Photo-Correlation Spectroscopy, PCS).

Dynaamisen valonsironnan sovellukset

DLS:n yleisimmät teolliset sovellukset ovat reseptien kehittäminen ja laadunvalvonta (QC). Useimpia teollisia formulaatioita käytetään aktiivisen komponentin stabiloimiseksi, jotta se voidaan varastoida tai toimittaa; tämä edellyttää usein pinta-aktiivisia aineita, puskureita, viskositeetin muokkaajia ja polymeerisiä lisäaineita. Tavoitteena on pitää aineet vakaina ja liukoisena. Laadunvalvonnan tehtävänä on varmistaa johdonmukaisuus ja joissakin erityistapauksissa havaita aggregaatio tai likaantuminen. Tämä prosessi on hyvin samankaltainen monilla eri teollisuudenaloilla, kuten biofarmasiassa, öljyn talteenotossa, henkilökohtaisessa hygieniassa, elintarvikevalmisteissa, kosmetiikassa ja monilla muilla aloilla.

DLS:ää käytetään myös useissa tavallisissa T&K-toiminnoissa, kuten uudenlaisten materiaalien suunnittelussa, uusien biomolekyylien kehittämisessä tai seulonnassa, aggregaatiotutkimuksissa, uusien itsekokoonpanorakenteiden valmistuksessa, lääkeaineiden annostelussa ja vapautumisessa, nanogeeleissä ja erilaisten eksoottisten pinta-aktiivisten aineiden systeemien tutkimisessa.

Lisätietoja: Lisää esimerkkejä DLS-sovelluksista löydät sovelluskirjastostamme

Dynaamiset valonsirontalaitteet

Kaupallisten valonsirontalaitteiden valmistuksessa on kaksi yleistä lähestymistapaa. Valtaosassa käytetään joko kiinteitä havaintokulmia (kyvetit tai virtauskennot) tai detektorin jatkuva kierto pyörivällä alustalla (goniometri) on mahdollista. NanoBrook-sarjassa käytetään kuituoptiikkaa, joka tarjoaa jopa kolme kiinteää sirontakulmaa, ja siihen mahtuu kyvettipohjainen näytepidike. Se on suunniteltu helppokäyttöiseksi, ja siinä käytetään kahta Brookhavenin ydinteknologiaa: DLS ja Zeta-potentiaali. BI-200SM-tutkimusgoniometri sen sijaan on jatkuva monikulmalaite, ja se on riittävän joustava monenlaisten tutkimusongelmien ratkaisemiseen. Research Goniometer on yksinomaan DLS- ja SLS-instrumentti.

Lue lisää NanoBrookin instrumenttisarjasta täällä.

Lue lisää BI-200SM Research Goniometeristä täällä.