Dynamisk ljusspridning (DLS) är en mätteknik som ger en snabb och enkel metod för att bestämma storlek på submikroner och nanopartiklar.

Teoretisk grund för ljusspridning

Ljusspridning är ett fenomen som observeras när ljus, vanligtvis monokromatiskt laserljus, sprids av slumpmässigt orienterade objekt i en lösning. Inhomogeniteter leder till att ljuset sprids; i ett perfekt enhetligt kontinuum skulle laserljusets bana inte avledas när det passerar genom ett medium. Intensiteten av det spridda ljuset är proportionell mot storleken, molekylvikten och skillnaden i brytningsindex (Δn) mellan det spridande centret (nsample) och lösningsmedlet (nsolvent). Så länge Δn inte är noll bör ljusspridning ske.

Dynamisk vs. statisk ljusspridning

Kommersiella instrument för ljusspridning tenderar att utnyttja en av två grundprinciper för att utvinna information ur detta spridda ljus. Statisk ljusspridning (Static Light Scattering, SLS) kräver extremt noggrann fotonräkning, vilket innebär att storleken på det spridda ljuset ofta är den viktigaste parametern. Denna metod används för att få fram parametrar som Mw, Rg och A2. Dynamic Light Scattering (DLS) däremot utnyttjar den kollektiva rörelsen hos en stor ensemble av slumpmässigt orienterade partiklar som är utspridda i något medium.

DLS bygger på det faktum att fritt diffunderande partiklar, som rör sig slumpmässigt på grund av Brownsk rörelse, kommer att ge upphov till snabba fluktuationer i det spridda laserljuset. Dessa fluktuationer är snabba, i storleksordningen tiotals nanosekunder till hundratals millisekunder, och är direkt relaterade till partiklarnas rörelse. Temporell autokorrelation används för att kvantifiera hastigheten med vilken dessa fotoimpulser blir dekorrelerade från ett visst initialtillstånd, vilket sedan är direkt relaterat till partiklarnas rörelse.

För att göra en dynamisk ljusspridningsmätning

För att kunna mäta ett verkligt prov med hjälp av DLS måste provet vara dispergerbart i ett lösningsmedel. Man måste ägna stor uppmärksamhet åt att förbereda dammfria lösningar och undvika alltför koncentrerade prover (t.ex. hög volymfraktion). DLS är avsedd att användas i utspädda lösningar, så det är värt att notera att inte alla prover som är mätbara nödvändigtvis är lämpliga för analys.

Mer information: Guide för DLS-provberedning

Turning Scattered Light into Particle Size Information

Signalen som uppstår från den spridda intensiteten från laserljuset samlas in och omvandlas till en autokorrelationsfunktion som är grunden för att mäta en partikelstorleksfördelning. I denna teknik uppstår snabba fluktuationer i intensiteten hos det spridda ljuset på grund av den slumpmässiga rörelsen hos dispergerade partiklar. Denna slumpmässiga, eller Brownska, rörelse av partiklar och proteiner analyseras med hjälp av autokorrelation för att ge antingen en enkel medelstorlek och polydispersitet, eller mer kompletta fördelningsdata även för multimodala fördelningar. Den diameter som erhålls genom dynamisk ljusspridning kallas ofta hydrodynamisk diameter och är omvänt proportionell mot diffusionskoefficienten. Stora partiklar sprider mer ljus och diffunderar långsammare än små partiklar. Den hydrodynamiska diametern är relaterad till diffusionskoefficienten via Stokes-Einstein-ekvationen, där storleken är invers med diffusionshastigheten.

När det finns en storleksfördelning är den uppmätta effektiva diametern en genomsnittlig diameter som viktas med intensiteten av det ljus som sprids av varje partikel. Denna intensitetsviktning är inte densamma som den populations- eller antalsviktning som används i en räknare för en enskild partikel, t.ex. vid elektronmikroskopi. Även för smalt dispergerade prover stämmer dock de genomsnittliga diametrar som erhålls vanligen väl överens med dem som erhålls med hjälp av tekniker för enskilda partiklar.

Stokes-Einstein-ekvationen och dynamisk ljusspridning

Sambandet mellan den translationella diffusionskoefficienten Dt, den primära kvantitet som mäts i DLS, och den hydrodynamiska partikelstorleken, dh, är omvänt och ges av Stokes-Einstein-ekvationen:

Dt = Kb T / 3πηdh

Varvid Boltzmannkonstanten (Kb), temperaturen (T) och bulkviskositeten (η) alla är kända värden, och endast partikelstorleken, dh, är en egenskap hos partikeln.

För en känd spridningsvinkel, θ, och brytningsindex, n, beräknas spridningsvektorn q från följande uttryck där λo är laserns våglängd:

q = 4πn/λo sin(θ/2)

En given autokorrelationsfunktion (ACF), vanligen representerad som en funktion av fördröjningstiden, C(τ) dekonvoluteras till antingen en enkel-exponentiell, en sträckt-exponentiell eller en summa av exponentialer. Där B, är en konstant bakgrundsterm och A, en optisk konstant som bestäms av instrumentets utformning:

C(τ)=B⋅

Resultatet av denna dekonvolution är en karakteristisk linjebredd eller avklingningshastighet, Г, och vanligen också ett polydispersitetsindex (PDI). Polydispersitet avser bredden hos en given fördelning, som kan vara ett resultat av antingen en enda bred population eller samexistens av flera diskreta populationer.

Denna linjebredd, Г, är relaterad till den translationella diffusionskoefficienten (Dt) enligt följande:

Г = Dt⋅q2

Dynamisk ljusspridning kallas ibland för kvasielastisk ljusspridning (QELS) eller fotokorrelationsspektroskopi (PCS).

Användningar av dynamisk ljusspridning

De vanligaste industriella tillämpningarna av DLS är utveckling av formuleringar och kvalitetskontroll (QC). De flesta industriella formuleringar används för att stabilisera en aktiv komponent så att den kan lagras eller levereras; detta kräver ofta tensider, buffertar, viskositetsmodifierare och polymera tillsatser. Målet är att hålla materialen stabila och lösliga. Funktionen för QC är att leta efter konsistens och, i vissa specifika fall, att upptäcka aggregering eller nedsmutsning. Denna process är mycket likartad inom många olika branscher, bland annat biofarma, oljeutvinning, personlig vård, livsmedelsformuleringar, kosmetika och många fler.

DLS används också i ett antal vanliga R&D-verksamheter, bland annat vid utformning av nya material, utveckling eller screening av nya biomolekyler, aggregeringsstudier, framställning av nya självsammansatta strukturer, läkemedelsleverans och -frisättning, nanogeler och vid studier av olika exotiska ytaktiva system.

Mer information: Fler exempel på DLS-tillämpningar finns i vårt applikationsbibliotek

Dynamiska ljusspridningsinstrument

Det finns två vanliga tillvägagångssätt för att tillverka ett kommersiellt ljusspridningsinstrument. De allra flesta använder antingen fasta detektionsvinklar (kuvetter eller flödesceller) eller tillåter kontinuerlig rotation av detektorn på ett rotationsbord (goniometer). NanoBrook-serien använder fiberoptik för att ge upp till tre fasta spridningsvinklar och kan rymma en kuvettbaserad provhållare. Den är utformad för enkel användning och använder två av Brookhavens kärntekniker: DLS och Zeta-potential. Forskningsgoniometern BI-200SM däremot är ett kontinuerligt instrument med flera vinklar och är tillräckligt flexibel för att lösa ett brett spektrum av forskningsproblem. Research Goniometer är uteslutande ett DLS- och SLS-instrument.

Läs mer om NanoBrook-seriens instrument här.

Läs mer om BI-200SM Research Goniometer här.