La dispersión dinámica de la luz (DLS) es una técnica de medición que proporciona un método rápido y sencillo para el dimensionamiento de submicrones y nanopartículas.

Base teórica de la dispersión de la luz

La dispersión de la luz es un fenómeno que se observa cuando la luz, normalmente luz láser monocromática, es dispersada por objetos orientados al azar en una solución. Las inhomogeneidades dan lugar a la dispersión de la luz; en un continuo perfectamente uniforme, no habría ninguna desviación de la trayectoria de la luz láser a su paso por un medio. La intensidad de la luz dispersada es proporcional al tamaño, al peso molecular y a la diferencia de índice de refracción (Δn) entre el centro de dispersión (nsample) y el disolvente (nsolvent). Mientras Δn sea distinto de cero, debería producirse la dispersión de la luz.

Dispersión de la luz dinámica frente a la estática

Los instrumentos comerciales de dispersión de la luz tienden a explotar uno de los dos principios básicos para extraer información de esta luz dispersa. La dispersión de luz estática (SLS) requiere un recuento de fotones extremadamente preciso, lo que significa que la magnitud de la luz dispersada suele ser el parámetro más importante. Este método se utiliza para obtener parámetros como Mw, Rg y A2. Por el contrario, la dispersión dinámica de la luz (DLS) aprovecha el movimiento colectivo de un gran conjunto de partículas orientadas al azar y dispersas en algún medio.

La DLS se basa en el hecho de que las partículas que se difunden libremente, moviéndose al azar debido al movimiento browniano, producirán rápidas fluctuaciones en la luz láser dispersada. Estas fluctuaciones son rápidas, del orden de decenas de nanosegundos a cientos de milisegundos, y están directamente relacionadas con el movimiento de las partículas. La autocorrelación temporal se utiliza para cuantificar la velocidad a la que estos fotopulsos se descorrelacionan a partir de algún estado inicial, que luego se relaciona directamente con el movimiento de las partículas.

Cómo realizar una medición de dispersión dinámica de la luz

Para poder medir una muestra real mediante DLS, la muestra debe ser dispersable en un disolvente. Hay que prestar mucha atención a la preparación de soluciones libres de polvo, así como a evitar muestras demasiado concentradas (por ejemplo, de alta fracción de volumen). La DLS está pensada para ser utilizada en condiciones de solución diluida, por lo que conviene tener en cuenta que no todas las muestras que son medibles, serán necesariamente adecuadas para el análisis.

Más información: Guía para la preparación de muestras DLS

Convertir la luz dispersa en información sobre el tamaño de las partículas

La señal que surge de la intensidad dispersa de la luz láser se recoge y se transforma en una función de autocorrelación que es la base para medir una distribución del tamaño de las partículas. En esta técnica, las rápidas fluctuaciones en la intensidad de la luz dispersa surgen del movimiento aleatorio de las partículas dispersas. Este movimiento aleatorio, o browniano, de las partículas y las proteínas se analiza mediante la autocorrelación para obtener un tamaño medio simple y una polidispersidad, o bien datos de distribución más completos, incluso para distribuciones multimodales. El diámetro obtenido a partir de la dispersión dinámica de la luz suele denominarse diámetro hidrodinámico y es inversamente proporcional al coeficiente de difusión. Las partículas grandes dispersan más luz y se difunden más lentamente que las pequeñas. El diámetro hidrodinámico está relacionado con el coeficiente de difusión a través de la ecuación de Stokes-Einstein, en la que el tamaño es inverso a la velocidad de difusión.

Cuando existe una distribución de tamaños, el diámetro efectivo medido es un diámetro medio que se pondera por la intensidad de la luz dispersada por cada partícula. Esta ponderación de la intensidad no es la misma que la ponderación de la población o del número utilizada en un contador de partículas individuales, como en la microscopía electrónica. Sin embargo, incluso para muestras estrechamente dispersas, los diámetros medios obtenidos suelen coincidir con los obtenidos mediante técnicas de partículas individuales.

La ecuación de Stokes-Einstein y la dispersión dinámica de la luz

La relación entre el coeficiente de difusión traslacional Dt, la cantidad principal que se mide en la DLS, y el tamaño hidrodinámico de las partículas, dh, es inversa, y viene dada por la ecuación de Stokes-Einstein:

Dt = Kb T / 3πηdh

Donde la constante de Boltzmann (Kb), la Temperatura (T), y la viscosidad aparente (η) son todos valores conocidos, y sólo el tamaño de la partícula, dh, es una propiedad de la partícula.

Para un ángulo de dispersión conocido, θ, y un índice de refracción, n, el vector de dispersión q se calcula a partir de la siguiente expresión donde λo es la longitud de onda del láser:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

Una función de autocorrelación (ACF) dada, típicamente representada como una función del tiempo de retardo, C(τ) se desconvoluciona en una exponencial simple, una exponencial estirada o una suma de exponenciales. Donde B, es un término de fondo constante, y A, una constante óptica determinada por el diseño del instrumento:

C(τ)=B⋅

El resultado de esta deconvolución es un ancho de línea característico o tasa de decaimiento, Г, y normalmente también un índice de polidispersidad (PDI). La polidispersidad se refiere a la amplitud de una distribución dada, que puede ser el resultado de una única población amplia o de la coexistencia de múltiples poblaciones discretas.

Este ancho de línea, Г, está relacionado con el coeficiente de difusión traslacional (Dt) como sigue:

Г = Dt⋅q2

La dispersión dinámica de la luz se denomina a veces dispersión de la luz cuasi-elástica (QELS) o espectroscopia de fotocorrelación (PCS).

Aplicaciones de la dispersión dinámica de la luz

Las aplicaciones industriales más comunes de la DLS son el desarrollo de formulaciones y el control de calidad (QC). La mayoría de las formulaciones industriales se utilizan para estabilizar un componente activo de manera que pueda ser almacenado o suministrado; esto requiere con frecuencia tensioactivos, tampones, modificadores de la viscosidad y aditivos poliméricos. El objetivo es mantener los materiales estables y solubles. La función del control de calidad es buscar la consistencia y, en algunos casos específicos, detectar la agregación o el ensuciamiento. Este proceso es muy similar en una amplia variedad de industrias, como la biofarmacéutica, la recuperación de petróleo, el cuidado personal, las formulaciones alimentarias, los cosméticos y muchas más.

El DLS también se utiliza en una serie de actividades comunes de I+D, como el diseño de nuevos materiales, el desarrollo o el cribado de nuevas biomoléculas, los estudios de agregación, la preparación de nuevas estructuras autoensambladas, el suministro y la liberación de fármacos, los nanogeles y en el estudio de diversos sistemas tensioactivos exóticos.

Más información: Encuentre más ejemplos de aplicaciones de DLS en nuestra Biblioteca de aplicaciones

Instrumentos de dispersión de luz dinámica

Hay dos enfoques comunes para producir un instrumento comercial de dispersión de luz. La gran mayoría utilizará ángulos de detección fijos (cubetas o celdas de flujo), o permitirá la rotación continua del detector en una etapa de rotación (goniómetro). La serie NanoBrook utiliza fibra óptica para proporcionar hasta tres ángulos de dispersión fijos y puede acomodar un soporte de muestras basado en cubetas. Está diseñado para facilitar su uso y emplea dos de las tecnologías principales de Brookhaven: DLS y Zeta Potential. En cambio, el goniómetro de investigación BI-200SM es un instrumento multiángulo continuo y lo suficientemente flexible como para resolver una amplia gama de problemas de investigación. El goniómetro de investigación es exclusivamente un instrumento de DLS y SLS.

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Aprenda más sobre el goniómetro de investigación BI-200SM aquí.