動的光散乱 (DLS) は、サブミクロンおよびナノ粒子のサイズ決定に迅速かつ簡単な方法を提供する測定技法です。

光散乱の理論的根拠

光散乱は、光（通常は単色レーザー光）が溶液中のランダムに配向したオブジェクトによって散乱するときに観察される現象です。 不均一性があると散乱光が生じます。完全に均一な連続体では、媒体を通過するレーザー光の経路に偏りは生じません。 散乱される光の強度は、サイズ、分子量、および散乱中心（nsample）と溶媒（nsolvent）の屈折率の差（Δn）に比例します。

Dynamic vs. Static Light Scattering

市販の光散乱装置は、散乱光から情報を抽出するために、2つの基本原理のいずれかを利用する傾向があります。 静的光散乱（SLS）は、極めて正確なフォトンカウンティングを必要とし、散乱光の大きさが最も重要なパラメータとなることがよくあります。 この方法は、Mw、Rg、A2などのパラメータを得るために使用されます。 対照的に、動的光散乱（DLS）は、ある媒質中に分散しているランダムに配向した粒子の大きなアンサンブルの集団運動を利用します。

DLS は、ブラウン運動によりランダムに移動する自由拡散粒子が、レーザー散乱光に急激な変動を生じるという事実に着目しています。 この揺らぎは数十ナノ秒から数百ミリ秒のオーダーで速く、粒子の運動に直接関係する。

動的光散乱測定

DLSを用いて実際の試料を測定するためには、試料が溶媒に分散している必要があります。 粉塵のない溶液の調製や、高濃度（体積分率など）の試料を避けるなど、かなりの配慮が必要である。 DLSは希薄な溶液状態で使用されることを想定しているため、測定可能なすべての試料が必ずしも分析に適しているとは限らないことに留意する必要があります。 DLSサンプル調製の手引き

散乱光を粒子径情報に変換する

レーザー光の散乱強度から発生した信号を収集し、粒度分布測定の基礎となる自己相関関数に変換することができます。 この手法では、散乱光強度の急激な変動は、分散した粒子のランダムな運動から生じる。 この粒子やタンパク質のランダムな動き（ブラウン運動）を自己相関で解析することにより、単純な平均径や多分散性、あるいは多峰性の分布でもより完全な分布データを得ることができます。 動的光散乱法から得られる直径は、しばしば流体力学的直径と呼ばれ、拡散係数に反比例します。 大きな粒子は小さな粒子よりも光を散乱し、拡散が遅くなります。

サイズ分布が存在する場合、測定される有効径は、各粒子によって散乱される光の強度によって重み付けされる平均径となる。 この強度の重み付けは、電子顕微鏡のような単一粒子カウンターで使用される集団または数の重み付けと同じではありません。 しかし、狭い範囲に分散した試料であっても、得られる平均直径は通常、単粒子法で得られるものとよく一致します。

ストークス-アインシュタイン式と動的光散乱

DLSで測定する主要量である並進拡散係数Dtと流体力学的粒子径dhの関係は逆であり、ストークス-アインシュタイン式で与えられます。

Dt = Kb T / 3πηdh

ここで、ボルツマン定数（Kb）、温度（T）、バルク粘度（η）はすべて既知の値で、粒子径dhのみが粒子の特性である。

散乱角θ、屈折率nが既知の場合、散乱ベクトルqは、λoをレーザーの波長とすると、以下の式から計算されます。

q = 4πn/λo sin(θ/2)

与えられた自己相関関数（ACF）、典型的には遅延時間の関数として表されるC（τ）は、単一指数、伸張指数、指数和のいずれかに脱分解されます。 ここで、Bは一定のバックグラウンド項、Aは装置の設計によって決まる光学定数です。

C(τ)=B⋅

このデコンボリューションの結果は、特性線幅または崩壊率、Г、および通常、多分散性指数 (PDI) であることがわかります。 多分散性とは、与えられた分布の広さを意味し、単一の広範な集団または複数の離散的な集団の共存のいずれかに起因することがあります。

この線幅Гは、並進拡散係数（Dt）と次のような関係にある。

Г = Dt⋅q2

動的光散乱は準弾性光散乱（QELS）や光相関分光法（PCS）と称することもある。

Applications of Dynamic Light Scattering

DLSの最も一般的な産業用途は、フォーミュレーションの開発と品質管理（QC）です。 ほとんどの工業用製剤は、活性成分を安定化させて保存または配送するために使用されます。このため、界面活性剤、緩衝剤、粘度調整剤、高分子添加剤などが頻繁に必要となります。 その目的は、材料を安定に保ち、溶解させることである。 QCの役割は、一貫性を確認することであり、特定のケースでは凝集やファウリングを検出することである。 このプロセスは、バイオ医薬品、石油回収、パーソナルケア、食品製剤、化粧品など、さまざまな業界で非常によく似ています。

DLS は、新規材料の設計、新しい生体分子の開発やスクリーニング、凝集研究、新しい自己組織化構造の準備、薬物送達と放出、ナノゲル、さまざまなエキゾチック界面活性系の研究などの多くの共通の研究&D活動でも使用されています。

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Dynamic Light Scattering Instruments

市販の光散乱装置を製造するには、2つの一般的なアプローチがあります。 大半は、固定検出角度（キュベットまたはフローセル）を使用するか、回転ステージ（ゴニオメーター）上で検出器を連続的に回転させるかのいずれかです。 NanoBrookシリーズは、光ファイバーを使用して最大3つの固定散乱角を提供し、キュベットベースのサンプルホルダーを搭載することができます。 使いやすいように設計されており、ブルックヘブンの2つのコア技術を採用しています。 DLSとゼータ電位です。 一方、BI-200SMリサーチゴニオメーターは、連続的なマルチアングル装置で、さまざまな研究課題を解決するのに十分な柔軟性を持っています。 リサーチゴニオメーターはDLSとSLS専用の装置です。

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