Partikelgröße und Konzentration von Nanosuspensionen mit dynamischer Lichtstreuung
Die DLS ist eine robuste, einfache und berührungslose Methode zur Messung von Partikelgrößen und Partikelgrößenverteilung im Nano- bis Submikrometerbereich. Sie ist ideal geeignet, Größenänderungen mit hoher Sensitivität auch in Abhängigkeit von der Zeit zu detektieren. Veränderungsprozesse, die in Sekunden ablaufen, können in Echtzeit verfolgt werden.
In nur wenigen Minuten Messzeit erfasst die DLS eine sehr hohe Anzahl von Partikeln und garantiert damit repräsentative Ergebnisse. Bei der DLS-Analyse wird der hydrodynamische Durchmesser durch die optische Detektion der Brownschen Molekularbewegung von Partikeln in einer Flüssigkeit gemessen. Die thermisch angeregten Flüssigkeitsmoleküle vollziehen Stöße mit den Teilchen, die in eine willkürliche Bewegung bzw. Diffusion gezwungen werden. Nach der Stokes-Einstein-Theorie sind die Diffusionsgeschwindigkeiten dabei umgekehrt proportional zur Größe der Partikel.
Die Stokes-Einstein-Beziehung stellt den Zusammenhang zwischen Viskosität η und Temperatur T der Flüssigkeit, der Größe x der als kugelförmig betrachteten Teilchen und ihrer Diffusionsgeschwindigkeit her. Damit lässt sich der Diffusionskoeffizient D(x) bestimmen, der zur Berechnung des hydrodynamischen Durchmessers x der Partikel dient. kB ist die Boltzmann-Konstante. Bei unveränderter Viskosität und Temperatur bewegen sich feine Partikel schneller als grobe.
PCS als konventionelle Technologie
Das Prinzip der DLS wird traditionell durch die Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS) realisiert. Mit einem Laser wird die Probe durchstrahlt. Die Partikel wechselwirken mit dem Laserlicht und erzeugen einzelne Streuwellen. Durch optische Interferenz aller Teilwellen wird eine Gesamtstreuwelle erzeugt. Die zufällige Bewegung (Brownsche Bewegung) der Teilchen verändert den Abstand zueinander und damit die räumliche Überlagerung (Interferenz) der einzelnen Streuwellen. Damit schwankt die Intensität der gesamten Streuwelle zwischen einem minimalen (destruktiven Interferenz) und einem maximalen Wert (konstruktive Interferenz) über die Zeit. Die Streulichtintensität der Teilchen wird von einem Photodetektor zeitlich aufgenommen und anschließend autokorreliert. Bei der Autokorrelation wird das Streusignal mit sich selbst zu einem früheren Zeitpunkt korreliert (Vergleich der verschobenen mit der ursprünglichen Folge). Aus der Korrelationsfunktion, die einem exponentiellen Abfall folgt, lässt sich die Partikelgrößenverteilung berechnen.
Die Partikelgrößenanalyse mit PCS ist für einfach gestreutes Licht gültig. Bei hoch konzentrierten Proben, die einen hohen Anteil von Mehrfachstreuung zeigen, stößt sie an Grenzen. Bei der Mehrfachstreuung wird das einfallende Laserlicht durch Partikel mehr als einmal gestreut und die Streuwelle auf ihrem Weg zum Detektor gestört. Um fehlerhafte Messergebnisse zu vermeiden, müssen die Proben stark verdünnt werden. Dadurch können signifikante Veränderungen der Partikeleigenschaften auftreten.
Messung grober Partikel | PCS
Messung feiner Partikel | PCS
PCCS als Schlüsseltechnologie
Mit der Photonenkreuzkorrelationsspektroskopie (PCCS) verwenden wir eine innovative Lichtstreutechnik, die es erlaubt, gleichzeitig Messungen der Partikelgröße und der Stabilität in opaken Suspensionen und Emulsionen vorzunehmen.
Die technologisch herausragenden Merkmale der 3D-Kreuzkorrelationstechnik sind die Erfassung von zwei separat erzeugten Streulichtintensitäten sowie deren Kreuzkorrelation. Das einfach gestreute Licht wird so von der Mehrfachstreuung getrennt. Dabei wird ein Laserstrahl in zwei Teilstrahlen gleicher Intensität aufgeteilt und in einer Probe überlagert. Zwei unabhängige Streuwellen werden von jeweils einem Detektor aufgenommen. Damit wird eine exakte Signalinterpretation sichergestellt.
PCCS eröffnet die Analyse von Nanopartikeln in Suspensionen und Emulsionen bei bis zu hundertfach höheren Feststoffgehalten. Der Einsatz der Kreuzkorrelation erweitert signifikant den Konzentrationsbereich für Proben, die mit der dynamischen Lichtstreuung gemessen werden können. Eine unerwünschte Probenverdünnung lässt sich oft vermeiden, und Partikelgrößenmessungen in der natürlichen Konzentration der jeweiligen Anwendung sind realisierbar.
Das Prinzip der dynamischen Lichtstreuung wird traditionell durch die Photonenkorrelationsspektroskopie (PCS), welches die Autokorrelation der Streulichtintensitäten zur Bestimmung der Partikelgrößenverteilung verwendet, dargestellt. Allerdings stellt die herkömmliche Technik extreme Verdünnungsanforderungen an die zu messende Probe.
Mit Hilfe der PCCS-Technologie wird der Einfluss der Mehrfachstreuung jedoch prinzipiell eliminiert. Die PCCS erfasst zwei separat erzeugte Streulichtintensitäten. Durch die Kreuzkorrelation der beiden Signale wird das einfach gestreute Licht, welches zur korrekten Berechnung der Partikelgrößenverteilung verwendet wird, aus der Gesamtheit des aufgenommenen Streulichtes herausgefiltert. Die Einfachstreuung wird somit von der Mehrfachstreuung getrennt. Dadurch genügt ein messbares Einfachstreusignal für die Durchführung einer Partikelgrößenanalyse.
Die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion, die von dem Anteil der Mehrfachstreuung abhängt, ermöglicht die direkte Messung von Veränderungen der Partikelanzahl und Partikelgröße. Differenzierte Messungen von Agglomerations- und Sedimentationsverhalten sowie Aussagen über spezielle Effekte, wie Partikel-Partikel-Wechselwirkungen und Viskositätsänderungen von hochkonzentrierten Proben sind dadurch möglich.
Eliminierung der Mehrfachstreuung | PCCS
Die Polarisationsgetrennte Rückstreu-PCCS als jüngste Evolution der PCCS
Als neuster Fortschritt der PCCS eröffnet die polarisationsgetrennte Rückstreu-PCCS (PsB PCCS) bei der Analyse von Nanopartikeln in Suspensionen und Emulsionen eine noch bessere Beseitigung von Mehrfachstreueffekten durch Messung von rückgestreutem Licht.
Bei dieser leistungsfähigen Technologie beleuchten zwei senkrecht und parallel polarisierte Laserstrahlen dasselbe Messvolumen. Zwei Detektoren im Winkel von 176° empfangen zwei unabhängige Streusignale, die durch Polarisatoren vor den Detektoren getrennt sind. Zur Bestimmung der Partikelgröße werden die entkoppelten Intensitätsmuster der separaten Laserstrahlen anschließend kreuzkorreliert.
Diese Kombination aus Rückstreuung und Polarisationstrennung liefert eine Signalqualität auf neuem Niveau. Die polarisationsgetrennten Streusignale erzeugen eine bis zu vier Mal höhere Kreuzkorrelationsamplitude und ein deutlich erhöhtes Signal-Rausch-Verhältnis. Herausragende Leistungsmerkmale äußern sich in kürzeren Messzeiten und Messungen von noch höheren Probenkonzentrationen bei verbesserter Reproduzierbarkeit und Genauigkeit.
