A dinamikus fényszórás (DLS) egy olyan mérési technika, amely gyors és egyszerű módszert biztosít a szubmikronos és nanorészecskék méretezésére.

A fényszórás elméleti alapja

A fényszórás olyan jelenség, amely akkor figyelhető meg, amikor a fényt, általában monokromatikus lézerfényt, az oldatban lévő véletlenszerűen orientált objektumok szórják. Az inhomogenitások szórt fényt eredményeznek; egy tökéletesen egyenletes kontinuumban a közegen áthaladó lézerfény útja nem térülne el. A szórt fény intenzitása arányos a mérettel, a molekulatömeggel és a szóróközpont (nsample) és az oldószer (nsolvent) közötti törésmutató különbséggel (Δn). Amíg Δn nem nulla, addig fényszórásnak kell bekövetkeznie.

Dinamikus vs. statikus fényszórás

A kereskedelmi fényszórásos műszerek általában két alapelv egyikét használják ki annak érdekében, hogy ebből a szórt fényből információt nyerjenek. A statikus fényszórás (SLS) rendkívül pontos fotonszámlálást igényel, ami azt jelenti, hogy a szórt fény nagysága gyakran a legfontosabb paraméter. Ezt a módszert olyan paraméterek meghatározására használják, mint a Mw, Rg és A2. Ezzel szemben a dinamikus fényszórás (DLS) valamilyen közegben diszpergált, véletlenszerűen orientált részecskék nagy együttesének kollektív mozgását használja ki.

A DLS arra a tényre támaszkodik, hogy a Brown-mozgás következtében véletlenszerűen mozgó, szabadon diffundáló részecskék a szórt lézerfényben gyors fluktuációkat produkálnak. Ezek az ingadozások gyorsak, több tíz nanoszekundumtól több száz milliszekundumig terjedő nagyságrendűek, és közvetlenül kapcsolódnak a részecskék mozgásához. Az időbeli autokorrelációt arra használják, hogy számszerűsítsék, milyen gyorsan dekorrelálódnak ezek a fotoimpulzusok valamilyen kiindulási állapotból, ami aztán közvetlenül a részecskék mozgásával függ össze.

Dinamikus fényszórásos mérés elvégzése

Hogy valódi mintát lehessen mérni DLS segítségével, a mintának diszpergálhatónak kell lennie egy oldószerben. Jelentős figyelmet kell fordítani a pormentes oldatok elkészítésére, valamint a túlságosan koncentrált minták (pl. nagy térfogatfrakció) elkerülésére. A DLS híg oldati körülmények között történő alkalmazására szolgál, ezért érdemes megjegyezni, hogy nem minden minta, amely mérhető, feltétlenül alkalmas az elemzésre.

Bővebb információ: Útmutató a DLS-minták előkészítéséhez

A szórt fény átalakítása részecskeméret-információvá

A lézerfény szórt intenzitásából keletkező jelet összegyűjtik és átalakítják egy autokorrelációs függvénnyé, amely a részecskeméret-eloszlás mérésének alapja. Ebben a technikában a szórt fény intenzitásának gyors ingadozásai a diszpergált részecskék véletlenszerű mozgásából erednek. A részecskéknek és a fehérjéknek ezt a véletlenszerű, vagy Brown-féle mozgását autokorrelációval elemezzük, hogy vagy egy egyszerű átlagos méretet és polydiszperzitást, vagy teljesebb eloszlási adatokat kapjunk akár multimodális eloszlások esetén is. A dinamikus fényszórásból kapott átmérőt gyakran hidrodinamikai átmérőnek nevezik, és fordítottan arányos a diffúziós együtthatóval. A nagy részecskék több fényt szórnak és lassabban diffundálnak, mint a kis részecskék. A hidrodinamikai átmérő a diffúziós együtthatóval a Stokes-Einstein-egyenleten keresztül függ össze, ahol a méret fordítottan arányos a diffúzió sebességével.

Méreteloszlás esetén a mért effektív átmérő egy átlagos átmérő, amelyet az egyes részecskék által szórt fény intenzitásával súlyoznak. Ez az intenzitás súlyozás nem azonos az egyetlen részecske számlálóban, például az elektronmikroszkópiában használt populáció- vagy számsúlyozással. A kapott átlagos átmérők azonban még a szűken diszpergált minták esetében is általában jó egyezést mutatnak az egy részecske technikával kapott átmérőkkel.

A Stokes-Einstein-egyenlet és a dinamikus fényszórás

A DLS-ben mért elsődleges mennyiség, a Dt transzlációs diffúziós együttható és a dh hidrodinamikai részecskeméret közötti kapcsolat inverz, és a Stokes-Einstein-egyenlet adja meg:

Dt = Kb T / 3πηdh

Ahol a Boltzmann-állandó (Kb), a hőmérséklet (T) és az ömlesztett viszkozitás (η) mind ismert értékek, és csak a részecskeméret, dh, a részecske tulajdonsága.

Egy ismert szórási szög, θ, és törésmutató, n, esetén a q szórási vektor a következő kifejezésből számítható, ahol λo a lézer hullámhossza:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

Egy adott autokorrelációs függvényt (ACF), amelyet jellemzően a késleltetési idő függvényeként ábrázolnak, C(τ) dekonvolúcióval vagy egy exponenciális, nyújtott exponenciális vagy exponenciálisok összegévé alakítanak. Ahol B, egy állandó háttértétel, és A, egy optikai állandó, amelyet a műszer kialakítása határoz meg:

C(τ)=B⋅

A dekonvolúció eredménye egy jellegzetes vonalszélesség vagy bomlási sebesség, Г, és jellemzően egy polydiszperzitási index (PDI) is. A polidiszperzitás egy adott eloszlás szélességére utal, amely származhat egyetlen széles populációból vagy több diszkrét populáció együttes jelenlétéből.

Ez a vonalszélesség, Г, a transzlációs diffúziós együtthatóval (Dt) a következőképpen függ össze:

Г = Dt⋅q2

A dinamikus fényszórást néha kvázi-elasztikus fényszórásnak (QELS) vagy fotokorrelációs spektroszkópiának (PCS) is nevezik.

A dinamikus fényszórás alkalmazásai

A DLS leggyakoribb ipari alkalmazásai a készítményfejlesztés és a minőségellenőrzés (QC). A legtöbb ipari készítményt egy aktív komponens stabilizálására használják, hogy az tárolható vagy szállítható legyen; ehhez gyakran szükség van felületaktív anyagokra, pufferekre, viszkozitásmódosítókra és polimer adalékanyagokra. A cél az anyagok stabilan és oldhatóan tartása. A minőségellenőrzés feladata az állagmegóvás, és bizonyos speciális esetekben az aggregáció vagy a szennyeződések kimutatása. Ez a folyamat nagyon hasonló a legkülönbözőbb iparágakban, többek között a biofarmában, az olajkitermelésben, a testápolásban, az élelmiszerformulákban, a kozmetikumokban és még sok más iparágban.

ADLS-t számos gyakori K&D tevékenységben is használják, beleértve az új anyagok tervezését, új biomolekulák fejlesztését vagy szűrését, aggregációs vizsgálatokat, új önszerveződő struktúrák készítését, gyógyszeradagolást és -felszabadítást, nanogéleket és különböző egzotikus felületaktív rendszerek vizsgálatát.

Bővebb információ: További példákat talál a DLS-alkalmazásokra az Alkalmazáskönyvtárunkban

Dinamikus fényszórásos műszerek

A kereskedelmi forgalomban kapható fényszórásos műszerek gyártása kétféleképpen történhet. A túlnyomó többség vagy rögzített detektálási szöget használ (küvetták vagy áramlási cellák), vagy lehetővé teszi a detektor folyamatos forgatását egy forgószínpadon (goniométer). A NanoBrook sorozat száloptikát használ, amely akár három fix szórásszöget is biztosít, és képes befogadni egy küvettás mintatartót. A készüléket a könnyű kezelhetőség érdekében tervezték, és a Brookhaven két alapvető technológiáját alkalmazza: DLS és Zéta-potenciál. Ezzel szemben a BI-200SM Research Goniometer egy folyamatos, több szögből álló műszer, és elég rugalmas a kutatási problémák széles körének megoldásához. A Research Goniometer kizárólag DLS és SLS műszer.

Tudjon meg többet a NanoBrook műszersorozatról itt.

Tudjon meg többet a BI-200SM Research Goniometerről itt.