Dynamiczne rozpraszanie światła (DLS) jest techniką pomiarową, która zapewnia szybką i prostą metodę określania wielkości cząstek submikronowych i nanocząstek.

Teoretyczne podstawy rozpraszania światła

Rozpraszanie światła jest zjawiskiem obserwowanym, gdy światło, zwykle monochromatyczne światło laserowe, jest rozpraszane przez losowo zorientowane obiekty w roztworze. Niejednorodności powodują rozpraszanie światła; w idealnie jednorodnym kontinuum nie byłoby ugięcia ścieżki światła laserowego, gdy przechodzi ono przez ośrodek. Intensywność rozproszonego światła jest proporcjonalna do rozmiaru, masy cząsteczkowej i różnicy współczynnika załamania światła (Δn) pomiędzy ośrodkiem rozpraszającym (nsample) a rozpuszczalnikiem (nsolvent). Tak długo jak Δn jest niezerowe, powinno zachodzić rozpraszanie światła.

Dynamiczne vs. Statyczne Rozpraszanie Światła

Komercyjne przyrządy do rozpraszania światła zazwyczaj wykorzystują jedną z dwóch podstawowych zasad w celu uzyskania informacji z rozproszonego światła. Statyczne Rozpraszanie Światła (SLS) wymaga bardzo dokładnego liczenia fotonów, co oznacza, że wielkość rozproszonego światła jest często najważniejszym parametrem. Metoda ta jest wykorzystywana do uzyskania parametrów takich jak Mw, Rg i A2. W przeciwieństwie do tego, Dynamiczne Rozpraszanie Światła (DLS) wykorzystuje kolektywny ruch dużego zespołu losowo zorientowanych cząstek rozproszonych w jakimś medium.

DLS opiera się na fakcie, że swobodnie dyfundujące cząstki, poruszające się losowo z powodu ruchu Browna, będą wytwarzać szybkie fluktuacje w rozproszonym świetle lasera. Fluktuacje te są szybkie, rzędu dziesiątek nanosekund do setek milisekund, i są bezpośrednio związane z ruchem cząstek. Autokorelacja czasowa jest używana do określenia szybkości, z jaką te impulsy fotograficzne stają się dekoracyjnie powiązane z pewnym stanem początkowym, który jest następnie związany bezpośrednio z ruchem cząsteczek.

Wykonywanie pomiarów dynamicznego rozpraszania światła

Aby móc zmierzyć rzeczywistą próbkę przy użyciu DLS, próbka musi być rozproszona w rozpuszczalniku. Dużo uwagi należy poświęcić na przygotowanie roztworów bezpyłowych, jak również na unikanie zbyt skoncentrowanych próbek (np. o wysokiej frakcji objętościowej). DLS jest przeznaczony do stosowania w warunkach rozcieńczonych roztworów, więc warto zauważyć, że nie wszystkie próbki, które są mierzalne, będą koniecznie nadawały się do analizy.

Więcej informacji: Guide for DLS sample preparation

Turning Scattered Light into Particle Size Information

Sygnał, który powstaje z intensywności rozproszenia światła laserowego jest zbierany i przekształcany w funkcję autokorelacji, która jest podstawą do pomiaru rozkładu wielkości cząstek. W tej technice, szybkie fluktuacje w intensywności rozproszonego światła wynikają z losowego ruchu rozproszonych cząstek. Ten losowy, lub Browna, ruch cząstek i białek jest analizowany przez autokorelację w celu uzyskania prostej średniej wielkości i polidyspersyjności lub bardziej kompletnych danych rozkładu, nawet dla rozkładów multimodalnych. Średnica uzyskana z dynamicznego rozpraszania światła jest często określana jako średnica hydrodynamiczna i jest odwrotnie proporcjonalna do współczynnika dyfuzji. Duże cząstki rozpraszają więcej światła i wolniej się rozpraszają niż małe. Średnica hydrodynamiczna jest związana ze współczynnikiem dyfuzji za pomocą równania Stokesa-Einsteina, gdzie wielkość jest odwrotnie proporcjonalna do szybkości dyfuzji.

Gdy występuje rozkład rozmiarów, mierzona średnica efektywna jest średnią średnicą ważoną intensywnością światła rozproszonego przez każdą cząstkę. To ważenie intensywności nie jest takie samo jak ważenie populacji lub liczby stosowane w liczniku pojedynczych cząstek, takim jak w mikroskopii elektronowej. Jednakże, nawet w przypadku wąsko rozproszonych próbek, uzyskane średnie średnice są zazwyczaj w dobrej zgodzie z tymi uzyskanymi za pomocą technik pojedynczych cząstek.

Równanie Stokesa-Einsteina i dynamiczne rozpraszanie światła

Zależność pomiędzy współczynnikiem dyfuzji translacyjnej Dt, podstawową wielkością mierzoną w DLS, a hydrodynamicznym rozmiarem cząstki, dh, jest odwrotna i jest dana przez równanie Stokesa-Einsteina:

Dt = Kb T / 3πηdh

Gdzie stała Boltzmanna (Kb), temperatura (T) i lepkość nasypowa (η) są wartościami znanymi, a tylko rozmiar cząstki, dh, jest własnością cząstki.

Dla znanego kąta rozpraszania, θ, i współczynnika załamania światła, n, wektor rozpraszania q oblicza się z następującego wyrażenia, gdzie λo jest długością fali lasera:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

Dana funkcja autokorelacji (ACF), typowo reprezentowana jako funkcja czasu opóźnienia, C(τ) jest dekonwoluowana albo do postaci jednoeksponencjalnej, rozciągniętej-eksponencjalnej, albo sumy wykładników. Gdzie B, jest stałą składową tła, a A, stałą optyczną określoną przez konstrukcję przyrządu:

C(τ)=B⋅

Wynikiem tej dekonwolucji jest charakterystyczna szerokość linii lub szybkość zaniku, Г, i zazwyczaj również wskaźnik polidyspersji (PDI). Polidyspersyjność odnosi się do szerokości danego rozkładu, który może być wynikiem albo pojedynczej szerokiej populacji, albo współistnienia wielu dyskretnych populacji.

Ta szerokość liniowa, Г, jest związana ze współczynnikiem dyfuzji translacyjnej (Dt) w następujący sposób:

Г = Dt⋅q2

Dynamiczne rozpraszanie światła jest czasami określane jako quasi-elastyczne rozpraszanie światła (QELS) lub spektroskopia fotokorelacyjna (PCS).

Zastosowania dynamicznego rozpraszania światła

Najczęstszymi zastosowaniami przemysłowymi DLS jest opracowywanie formuł i kontrola jakości (QC). Większość formulacji przemysłowych jest używana do stabilizacji aktywnego składnika, aby mógł być przechowywany lub dostarczony; często wymaga to środków powierzchniowo czynnych, buforów, modyfikatorów lepkości i dodatków polimerowych. Celem jest utrzymanie materiałów w stanie stabilnym i rozpuszczalnym. Funkcją kontroli jakości jest poszukiwanie spójności oraz, w niektórych szczególnych przypadkach, wykrywanie agregacji lub zanieczyszczeń. Proces ten jest bardzo podobny w wielu różnych branżach, w tym biofarmaceutycznej, wydobycia ropy naftowej, higieny osobistej, preparatów spożywczych, kosmetyków i wielu innych.

DLS jest również stosowany w wielu typowych działaniach badawczo-rozwojowych, w tym w projektowaniu nowych materiałów, rozwoju lub badaniach przesiewowych nowych biomolekuł, badaniach agregacji, przygotowywaniu nowych struktur samoorganizujących się, dostarczaniu i uwalnianiu leków, nanożelach oraz w badaniach różnych egzotycznych układów surfaktantów.

Więcej informacji: Znajdź więcej przykładów zastosowań DLS w naszej Bibliotece Aplikacji

Przyrządy do dynamicznego rozpraszania światła

Istnieją dwa powszechne podejścia do produkcji komercyjnego przyrządu do rozpraszania światła. Zdecydowana większość z nich wykorzystuje albo stałe kąty detekcji (kuwety lub kuwety przepływowe), albo umożliwia ciągły obrót detektora na stoliku obrotowym (goniometr). Seria NanoBrook wykorzystuje światłowody, aby zapewnić do trzech stałych kątów rozpraszania i może być wyposażona w uchwyt do próbek oparty na kuwetach. Została zaprojektowana z myślą o łatwej obsłudze i wykorzystuje dwie podstawowe technologie Brookhaven: DLS i potencjał Zeta. Natomiast goniometr badawczy BI-200SM jest urządzeniem o ciągłym działaniu pod wieloma kątami i jest wystarczająco elastyczny, aby rozwiązać szeroki zakres problemów badawczych. Goniometr Badawczy jest wyłącznie instrumentem DLS i SLS.

Dowiedz się więcej o serii instrumentów NanoBrook tutaj.

Dowiedz się więcej o Goniometrze Badawczym BI-200SM tutaj.