La dispersione dinamica della luce (DLS) è una tecnica di misurazione che fornisce un metodo semplice e veloce per la misurazione di submicron e nanoparticelle.

Base teorica della dispersione della luce

La dispersione della luce è un fenomeno che si osserva quando la luce, solitamente la luce laser monocromatica, viene diffusa da oggetti orientati in modo casuale in soluzione. Le disomogeneità provocano la diffusione della luce; in un continuum perfettamente uniforme, non ci sarebbe alcuna deviazione del percorso della luce laser mentre passa attraverso un mezzo. L’intensità della luce diffusa è proporzionale alla dimensione, al peso molecolare e alla differenza di indice di rifrazione (Δn) tra il centro di diffusione (nsample) e il solvente (nsolvent). Finché Δn è diverso da zero, la diffusione della luce dovrebbe avvenire.

Dinamica vs. diffusione statica della luce

Gli strumenti commerciali per la diffusione della luce tendono a sfruttare uno dei due principi di base per estrarre informazioni dalla luce diffusa. La dispersione statica della luce (SLS) richiede un conteggio dei fotoni estremamente accurato, il che significa che la grandezza della luce diffusa è spesso il parametro più importante. Questo metodo è usato per ottenere parametri come Mw, Rg e A2. Al contrario, il Dynamic Light Scattering (DLS) sfrutta il movimento collettivo di un grande insieme di particelle orientate in modo casuale disperse in un mezzo.

DLS si basa sul fatto che le particelle in libera diffusione, che si muovono in modo casuale a causa del moto browniano, produrranno rapide fluttuazioni nella luce laser diffusa. Queste fluttuazioni sono rapide, dell’ordine di decine di nanosecondi a centinaia di millisecondi, e sono direttamente legate al movimento delle particelle. L’autocorrelazione temporale è usata per quantificare la velocità con cui questi impulsi fotografici diventano decorrelati da un certo stato iniziale, che è poi collegato direttamente al movimento delle particelle.

Fare una misura di dispersione dinamica della luce

Per poter misurare un campione reale usando la DLS, il campione deve essere disperso in un solvente. Bisogna prestare molta attenzione alla preparazione di soluzioni prive di polvere, così come evitare campioni troppo concentrati (ad esempio, un’alta frazione di volume). La DLS è destinata ad essere utilizzata in condizioni di soluzioni diluite, quindi vale la pena notare che non tutti i campioni che sono misurabili, saranno necessariamente adatti all’analisi.

Più informazioni: Guida alla preparazione del campione DLS

Trasformare la luce diffusa in informazioni sulle dimensioni delle particelle

Il segnale che deriva dall’intensità diffusa dalla luce laser viene raccolto e trasformato in una funzione di autocorrelazione che è la base per misurare una distribuzione delle dimensioni delle particelle. In questa tecnica, le rapide fluttuazioni nell’intensità della luce diffusa derivano dal movimento casuale delle particelle disperse. Questo movimento casuale, o browniano, delle particelle e delle proteine è analizzato dall’autocorrelazione per dare sia una semplice dimensione media e la polidispersità, sia dati di distribuzione più completi anche per distribuzioni multimodali. Il diametro ottenuto dal Dynamic Light Scattering è spesso indicato come il diametro idrodinamico ed è inversamente proporzionale al coefficiente di diffusione. Le particelle grandi diffondono più luce e si diffondono più lentamente delle particelle piccole. Il diametro idrodinamico è correlato al coefficiente di diffusione tramite l’equazione di Stokes-Einstein, dove la dimensione è inversa al tasso di diffusione.

Quando è presente una distribuzione di dimensioni, il diametro effettivo misurato è un diametro medio che è pesato dall’intensità della luce diffusa da ogni particella. Questa ponderazione dell’intensità non è la stessa della ponderazione della popolazione o del numero usata in un contatore di particelle singole, come nella microscopia elettronica. Tuttavia, anche per i campioni strettamente dispersi, i diametri medi ottenuti sono di solito in buon accordo con quelli ottenuti dalle tecniche a singola particella.

L’equazione di Stokes-Einstein e la diffusione dinamica della luce

La relazione tra il coefficiente di diffusione traslazionale Dt, la quantità primaria misurata nella DLS, e la dimensione idrodinamica delle particelle, dh, è inversa, ed è data dall’equazione di Stokes-Einstein:

Dt = Kb T / 3πηdh

dove la costante di Boltzmann (Kb), la temperatura (T), e la viscosità di massa (η) sono tutti valori noti, e solo la dimensione delle particelle, dh, è una proprietà della particella.

Per un angolo di diffusione noto, θ, e un indice di rifrazione, n, il vettore di diffusione q è calcolato dalla seguente espressione dove λo è la lunghezza d’onda del laser:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

Una data funzione di autocorrelazione (ACF), tipicamente rappresentata come una funzione di tempo di ritardo, C(τ) è deconvoluta in un esponenziale singolo, un esponenziale allungato o una somma di esponenziali. Dove B, è un termine di fondo costante, e A, una costante ottica determinata dalla progettazione dello strumento:

C(τ)=B⋅

Il risultato di questa deconvoluzione è una caratteristica larghezza di linea o tasso di decadimento, Г, e tipicamente anche un indice di polidispersità (PDI). La polidispersità si riferisce all’ampiezza di una data distribuzione, che può derivare da una singola popolazione ampia o dalla coesistenza di più popolazioni discrete.

Questa larghezza di linea, Г, è legata al coefficiente di diffusione traslazionale (Dt) come segue:

Г = Dt⋅q2

La diffusione dinamica della luce è talvolta indicata come diffusione quasi elastica della luce (QELS) o spettroscopia di fotocorrelazione (PCS).

Applicazioni della dispersione dinamica della luce

Le applicazioni industriali più comuni della DLS sono lo sviluppo di formulazioni e il controllo di qualità (QC). La maggior parte delle formulazioni industriali sono utilizzate per stabilizzare un componente attivo in modo che possa essere conservato o consegnato; questo richiede spesso tensioattivi, tamponi, modificatori di viscosità e additivi polimerici. L’obiettivo è quello di mantenere i materiali stabili e solubili. La funzione del QC è di cercare la coerenza e, in alcuni casi specifici, di rilevare l’aggregazione o il fouling. Questo processo è molto simile in un’ampia varietà di industrie tra cui biofarma, recupero del petrolio, cura personale, formulazioni alimentari, cosmetici, e molti altri.

DLS è anche usato in una serie di attività comuni di R&D tra cui la progettazione di nuovi materiali, lo sviluppo o lo screening di nuove biomolecole, studi di aggregazione, preparazione di nuove strutture auto-assemblate, consegna e rilascio di farmaci, nanogel, e nello studio di vari sistemi tensioattivi esotici.

Più informazioni: Trova altri esempi di applicazioni DLS nella nostra libreria di applicazioni

Strumenti per la diffusione dinamica della luce

Ci sono due approcci comuni per produrre uno strumento commerciale per la diffusione della luce. La stragrande maggioranza utilizzerà angoli di rilevamento fissi (cuvette o celle di flusso), o consentirà la rotazione continua del rivelatore su uno stadio di rotazione (goniometro). La serie NanoBrook utilizza la fibra ottica per fornire fino a tre angoli di dispersione fissi e può ospitare un portacampioni basato su cuvette. È progettato per la facilità d’uso e impiega due delle tecnologie principali di Brookhaven: DLS e potenziale Zeta. Al contrario, il goniometro di ricerca BI-200SM è uno strumento multi-angolo continuo ed è abbastanza flessibile per risolvere una vasta gamma di problemi di ricerca. Il goniometro di ricerca è esclusivamente uno strumento DLS e SLS.

Leggi di più sulla serie di strumenti NanoBrook qui.

Scopri di più sul goniometro di ricerca BI-200SM qui.

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