La diffusion dynamique de la lumière (DLS) est une technique de mesure qui fournit une méthode rapide et simple pour le calibrage des submicrons et des nanoparticules.

Bases théoriques de la diffusion de la lumière

La diffusion de la lumière est un phénomène qui est observé lorsque la lumière, généralement une lumière laser monochromatique, est diffusée par des objets orientés de façon aléatoire dans une solution. Les inhomogénéités entraînent une diffusion de la lumière ; dans un continuum parfaitement uniforme, il n’y aurait aucune déviation de la trajectoire de la lumière laser lorsqu’elle traverse un milieu. L’intensité de la lumière diffusée est proportionnelle à la taille, au poids moléculaire et à la différence d’indice de réfraction (Δn) entre le centre de diffusion (nsample) et le solvant (nsolvent). Tant que Δn est non nul, la diffusion de la lumière devrait se produire.

Dynamique vs. diffusion statique de la lumière

Les instruments commerciaux de diffusion de la lumière ont tendance à exploiter l’un des deux principes de base afin d’extraire des informations de cette lumière diffusée. La diffusion statique de la lumière (SLS) nécessite un comptage extrêmement précis des photons, ce qui signifie que la magnitude de la lumière diffusée est souvent le paramètre le plus important. Cette méthode est utilisée pour obtenir des paramètres tels que Mw, Rg et A2. En revanche, la diffusion dynamique de la lumière (DLS) exploite le mouvement collectif d’un grand ensemble de particules orientées de façon aléatoire et dispersées dans un certain milieu.

La DLS repose sur le fait que des particules se diffusant librement, se déplaçant de façon aléatoire en raison du mouvement brownien, produiront des fluctuations rapides de la lumière laser diffusée. Ces fluctuations sont rapides, de l’ordre de dizaines de nanosecondes à centaines de millisecondes, et sont directement liées au mouvement des particules. L’autocorrélation temporelle est utilisée pour quantifier la vitesse à laquelle ces photo-impulsions deviennent décorrélées à partir d’un certain état initial, qui est alors directement lié au mouvement des particules.

Réaliser une mesure de diffusion dynamique de la lumière

Pour pouvoir mesurer un échantillon réel à l’aide de la DLS, l’échantillon doit être dispersable dans un solvant. Une attention considérable doit être accordée à la préparation de solutions exemptes de poussière, ainsi qu’à l’évitement d’échantillons trop concentrés (par exemple, fraction volumique élevée). La DLS est destinée à être utilisée dans des conditions de solutions diluées, il convient donc de noter que tous les échantillons mesurables, ne seront pas nécessairement adaptés à l’analyse.

Plus d’informations : Guide pour la préparation des échantillons DLS

Transformation de la lumière diffusée en informations sur la taille des particules

Le signal qui provient de l’intensité diffusée de la lumière laser est collecté et transformé en une fonction d’autocorrélation qui est la base pour mesurer une distribution de taille des particules. Dans cette technique, les fluctuations rapides de l’intensité de la lumière diffusée proviennent du mouvement aléatoire des particules dispersées. Ce mouvement aléatoire, ou brownien, des particules et des protéines est analysé par autocorrélation pour donner soit une simple taille moyenne et une polydispersité, soit des données de distribution plus complètes, même pour les distributions multimodales. Le diamètre obtenu par diffusion dynamique de la lumière est souvent appelé diamètre hydrodynamique et est inversement proportionnel au coefficient de diffusion. Les grosses particules diffusent plus de lumière et se diffusent plus lentement que les petites particules. Le diamètre hydrodynamique est lié au coefficient de diffusion via l’équation de Stokes-Einstein, où la taille est inverse au taux de diffusion.

Lorsqu’une distribution de tailles est présente, le diamètre effectif mesuré est un diamètre moyen qui est pondéré par l’intensité de la lumière diffusée par chaque particule. Cette pondération par l’intensité n’est pas la même que la pondération par la population ou le nombre utilisée dans un compteur de particules uniques comme en microscopie électronique. Cependant, même pour des échantillons à dispersion étroite, les diamètres moyens obtenus sont généralement en bon accord avec ceux obtenus par les techniques de particules uniques.

L’équation de Stokes-Einstein et la diffusion dynamique de la lumière

La relation entre le coefficient de diffusion par translation Dt, la principale quantité mesurée en DLS, et la taille hydrodynamique des particules, dh, est inverse et est donnée par l’équation de Stokes-Einstein :

Dt = Kb T / 3πηdh

Où la constante de Boltzmann (Kb), la Température (T), et la viscosité apparente (η) sont toutes des valeurs connues, et seule la taille de la particule, dh, est une propriété de la particule.

Pour un angle de diffusion, θ, et un indice de réfraction, n, connus, le vecteur de diffusion q est calculé à partir de l’expression suivante où λo est la longueur d’onde du laser :

q = 4πn/λo sin(θ/2)

Une fonction d’autocorrélation (ACF) donnée, typiquement représentée comme une fonction du temps de retard, C(τ) est déconvoluée en une exponentielle simple, une exponentielle étirée ou une somme d’exponentielles. Où B, est un terme de fond constant, et A, une constante optique déterminée par la conception de l’instrument :

C(τ)=B⋅

Le résultat de cette déconvolution est une largeur de ligne ou un taux de décroissance caractéristique, Г, et généralement aussi un indice de polydispersité (PDI). La polydispersité fait référence à la largeur d’une distribution donnée, qui peut résulter soit d’une seule population large, soit de la coexistence de plusieurs populations discrètes.

Cette largeur de ligne, Г, est liée au coefficient de diffusion par translation (Dt) comme suit :

Г = Dt⋅q2

La diffusion dynamique de la lumière est parfois appelée diffusion de la lumière quasi-élastique (QELS) ou spectroscopie de photo-corrélation (PCS).

Applications de la diffusion dynamique de la lumière

Les applications industrielles les plus courantes de la DLS sont le développement de formulations et le contrôle qualité (CQ). La plupart des formulations industrielles sont utilisées pour stabiliser un composant actif afin qu’il puisse être stocké ou délivré ; cela nécessite fréquemment des tensioactifs, des tampons, des modificateurs de viscosité et des additifs polymères. L’objectif est de maintenir les matériaux stables et solubles. La fonction du CQ est de rechercher la cohérence et, dans certains cas spécifiques, de détecter l’agrégation ou l’encrassement. Ce processus est très similaire dans une grande variété d’industries, notamment la biopharmacie, la récupération du pétrole, les soins personnels, les formulations alimentaires, les cosmétiques et bien d’autres encore.

La DLS est également utilisée dans un certain nombre d’activités courantes de R&D, notamment la conception de nouveaux matériaux, le développement ou le criblage de nouvelles biomolécules, les études d’agrégation, la préparation de nouvelles structures auto-assemblées, l’administration et la libération de médicaments, les nanogels et l’étude de divers systèmes tensioactifs exotiques.

Plus d’informations : Trouvez d’autres exemples d’applications DLS dans notre bibliothèque d’applications

Instruments de diffusion dynamique de la lumière

Il existe deux approches communes pour produire un instrument commercial de diffusion de la lumière. La grande majorité utilisera soit des angles de détection fixes (cuvettes ou cellules à écoulement), soit permettra une rotation continue du détecteur sur une platine de rotation (goniomètre). La série NanoBrook utilise des fibres optiques pour fournir jusqu’à trois angles de diffusion fixes et peut accueillir un porte-échantillon à base de cuvettes. Elle est conçue pour être facile à utiliser et fait appel à deux des technologies de base de Brookhaven : DLS et Potentiel Zeta. En revanche, le goniomètre de recherche BI-200SM est un instrument continu à angles multiples et est suffisamment flexible pour résoudre un large éventail de problèmes de recherche. Le goniomètre de recherche est exclusivement un instrument DLS et SLS.

En savoir plus sur la série d’instruments NanoBrook ici.

En savoir plus sur le goniomètre de recherche BI-200SM ici.