Dynamic Light Scattering (DLS) is een meettechniek die een snelle en eenvoudige methode biedt voor submicron- en nanodeeltjesgrootte.

Theoretische basis voor lichtverstrooiing

Lichtverstrooiing is een fenomeen dat wordt waargenomen wanneer licht, gewoonlijk monochromatisch laserlicht, wordt verstrooid door willekeurig georiënteerde objecten in een oplossing. Inhomogeniteiten resulteren in verstrooid licht; in een perfect uniform continuüm zou er geen afbuiging zijn van het pad van laserlicht als het door een medium gaat. De intensiteit van het verstrooide licht is evenredig met de grootte, het molecuulgewicht en het verschil in brekingsindex (Δn) tussen het verstrooiende centrum (nsample) en het oplosmiddel (nsolvent). Zolang Δn niet nul is, moet lichtverstrooiing optreden.

Dynamische vs. Statische Lichtverstrooiing

Commerciële lichtverstrooiingsinstrumenten hebben de neiging een van de twee basisprincipes te gebruiken om informatie uit dit verstrooide licht te halen. Statische lichtverstrooiing (SLS) vereist een uiterst nauwkeurige fotonentelling, wat betekent dat de grootte van het verstrooide licht vaak de belangrijkste parameter is. Deze methode wordt gebruikt om parameters als Mw, Rg, en A2 te verkrijgen. Dynamische Lichtverstrooiing (DLS) daarentegen maakt gebruik van de collectieve beweging van een groot ensemble van willekeurig georiënteerde deeltjes, verspreid in een medium.

DLS berust op het feit dat vrij verspreidende deeltjes, die zich willekeurig bewegen ten gevolge van Brownse beweging, snelle fluctuaties in het verstrooide laserlicht zullen veroorzaken. Deze fluctuaties zijn snel, in de orde van tientallen nanoseconden tot honderden milliseconden, en houden rechtstreeks verband met de beweging van de deeltjes. Temporele autocorrelatie wordt gebruikt om de snelheid te kwantificeren waarmee deze fotopulsen gedecorreleerd raken vanuit een bepaalde begintoestand, die dan rechtstreeks in verband wordt gebracht met de beweging van deeltjes.

Het uitvoeren van een Dynamic Light Scattering meting

Om een echt monster met DLS te kunnen meten, moet het monster dispergeerbaar zijn in een oplosmiddel. Er moet veel aandacht worden besteed aan de bereiding van stofvrije oplossingen en aan het vermijden van al te geconcentreerde monsters (b.v. hoge volumefractie). DLS is bedoeld voor gebruik in verdunde oplossingen, dus niet alle monsters die meetbaar zijn, zullen noodzakelijkerwijs geschikt zijn voor analyse.

Meer informatie: Guide for DLS sample preparation

Turning Scattered Light into Particle Size Information

Het signaal dat ontstaat uit de verstrooide intensiteit van het laserlicht wordt verzameld en omgezet in een autocorrelatiefunctie die de basis vormt voor het meten van een deeltjesgrootteverdeling. Bij deze techniek ontstaan snelle fluctuaties in de intensiteit van het verstrooide licht door de willekeurige beweging van verspreide deeltjes. Deze willekeurige, of Brownse, beweging van deeltjes en proteïnen wordt geanalyseerd door autocorrelatie om ofwel een eenvoudige gemiddelde grootte en polydispersiteit te verkrijgen, ofwel meer volledige verdelingsgegevens, zelfs voor multimodale verdelingen. De diameter verkregen uit Dynamic Light Scattering wordt vaak de hydrodynamische diameter genoemd en is omgekeerd evenredig met de diffusiecoëfficiënt. Grote deeltjes verstrooien meer licht en diffunderen langzamer dan kleine deeltjes. De hydrodynamische diameter is gerelateerd aan de diffusiecoëfficiënt via de Stokes-Einstein vergelijking, waarbij grootte omgekeerd evenredig is met de diffusiesnelheid.

Wanneer er een verdeling van grootte aanwezig is, is de gemeten effectieve diameter een gemiddelde diameter die wordt gewogen met de intensiteit van het door elk deeltje verstrooide licht. Deze weging van de intensiteit is niet dezelfde als de weging van de populatie of het aantal deeltjes die wordt gebruikt in een teller voor afzonderlijke deeltjes, zoals bij elektronenmicroscopie. Echter, zelfs voor smal gedispergeerde monsters, de gemiddelde diameters verkregen zijn meestal in goede overeenstemming met die verkregen door enkele deeltjes technieken.

De Stokes-Einstein Vergelijking en Dynamische Lichtverstrooiing

De relatie tussen de translationele diffusiecoëfficiënt Dt, de primaire grootheid gemeten in DLS, en de hydrodynamische deeltjesgrootte, dh, is invers, en wordt gegeven door de Stokes-Einstein Vergelijking:

Dt = Kb T / 3πηdh

Waarbij de Boltzmann-constante (Kb), Temperatuur (T), en bulkviscositeit (η) alle bekende waarden zijn, en alleen de deeltjesgrootte, dh, een eigenschap van het deeltje is.

Voor een bekende verstrooiingshoek, θ, en brekingsindex, n, wordt de verstrooiingsvector q berekend uit de volgende uitdrukking waarin λo de golflengte van de laser is:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

Een gegeven autocorrelatiefunctie (ACF), gewoonlijk voorgesteld als een functie van de vertragingstijd, C(τ) wordt gedeconvolueerd in hetzij een enkelvoudig-exponentiële, een gestrekt-exponentiële, hetzij een som van exponentialen. Waarbij B een constante achtergrondterm is, en A een optische constante die door het instrumentontwerp wordt bepaald:

C(τ)=B⋅

Het resultaat van deze deconvolutie is een karakteristieke lijnbreedte of vervalsnelheid, Г, en gewoonlijk ook een polydispersiteitsindex (PDI). Polydispersiteit verwijst naar de breedheid van een bepaalde verdeling, die kan voortvloeien uit hetzij een enkele brede populatie of het naast elkaar bestaan van meerdere discrete populaties.

De lijnbreedte, Г, is als volgt gerelateerd aan de translationele diffusiecoëfficiënt (Dt):

Г = Dt⋅q2

Dynamische lichtverstrooiing wordt soms aangeduid als quasi-Elastische lichtverstrooiing (QELS) of foto-correlatiespectroscopie (PCS).

Toepassingen van dynamische lichtverstrooiing

De meest voorkomende industriële toepassingen van DLS zijn formuleringsontwikkeling en kwaliteitscontrole (QC). De meeste industriële formuleringen worden gebruikt om een actief bestanddeel te stabiliseren zodat het kan worden opgeslagen of afgeleverd; dit vereist vaak oppervlakte-actieve stoffen, buffers, viscositeitmodifiers, en polymere additieven. Het doel is de materialen stabiel en oplosbaar te houden. De functie van QC is te kijken naar consistentie en, in sommige specifieke gevallen, aggregatie of vervuiling op te sporen. Dit proces is zeer vergelijkbaar in een grote verscheidenheid van industrieën met inbegrip van biofarma, olieterugwinning, persoonlijke verzorging, voedselformuleringen, cosmetica, en nog veel meer.

DLS wordt ook gebruikt in een aantal gemeenschappelijke R&D activiteiten met inbegrip van het ontwerp van nieuwe materialen, ontwikkeling of screening van nieuwe biomoleculen, aggregatie studies, het voorbereiden van nieuwe zelf-geassembleerde structuren, drug levering en afgifte, nanogels, en in het bestuderen van diverse exotische oppervlakteactieve stoffen systemen.

Meer informatie: Vind meer voorbeelden van DLS toepassingen in onze Applicatiebibliotheek

Dynamic Light Scattering Instruments

Er zijn twee gemeenschappelijke benaderingen voor de productie van een commercieel lichtverstrooiingsinstrument. De overgrote meerderheid zal gebruik maken van ofwel vaste detectiehoeken (cuvetten of flowcellen), of zal zorgen voor continue rotatie van de detector op een rotatie podium (goniometer). De NanoBrook serie maakt gebruik van glasvezel om tot drie vaste verstrooiing hoeken te bieden en kan geschikt voor een cuvette-gebaseerde monsterhouder. Het is ontworpen voor gebruiksgemak en maakt gebruik van twee van de kerntechnologieën van Brookhaven: DLS en Zeta Potential. De BI-200SM Research Goniometer daarentegen is een continu multi-angle instrument en is flexibel genoeg om een breed scala aan onderzoeksproblemen op te lossen. De Research Goniometer is uitsluitend een DLS en SLS instrument.

Lees hier meer over de NanoBrook serie van instrumenten.

Lees hier meer over de BI-200SM Research Goniometer.