Glossar

Dynamische Lichtstreuung


Particlegröße 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.

Grobe Partikel

Feine Partikel

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.

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.

Die Anwendung der Kreuzkorrelationstechnik erlaubt die Berechnung der Partikelgrößenverteilung ohne Einflüsse der Mehrfachstreuung. Die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion, die von der Mehrfachstreuung abhängt, ermöglicht die direkte Messung von Veränderungen der Partikelanzahl und -größe. Differenzierte Messungen von Agglomerations- und Sedimentationsverhalten sowie Aussagen über die Stabilität der Dispersion sind dadurch möglich.

Vorteile der PCCS

  • robuste Messmethode für Forschung, Entwicklung und Qualitätssicherung
  • konzentrationsunabhängige Partikelcharakterisierung durch Eliminierung der Mehrfachstreuung
  • Erweiterung der konventionellen PCS zur gleichzeitigen Messung von Partikelgröße und Stabilität in opaken Suspensionen und Emulsionen
  • einfache Probenvorbereitung durch Vermeidung von unnötigen Verdünnungsreihen
  • unempfindlich gegenüber Probenverunreinigungen
  • keine Reinraumbedingungen notwendig
  • Minimierung von Probenahmefehlern
  • direkte Messmethode der Stabilität, Agglomeration und Sedimentation von leicht geladenen (elektrosterisch stabilisiert) bis nicht geladenen (sterisch stabilisiert) Teilchen von trüben Proben
  • ermöglicht Untersuchungen von speziellen Effekten, wie Partikel-Partikel-Wechselwirkungen und Viskositätsänderungen von hochkonzentrierten Proben
  • hohe Empfindlichkeit für Größenänderungen und Messung bimodaler Verteilungen
  • kontaktlose Messmethode für in-situ Beobachtungen von Stabilitäts- bzw. Größenveränderungen, z.B. Wachstums- oder Kristallisationsprozessen
  • breiter Konzentrationsbereich durch die Kombination von PCS und PCCS

Auswertung und Auswertemodi

Aus der Kreuzkorrelationsfunktion, die die Reproduzierbarkeit und Stabilität darstellt, wird die Partikelgrößenverteilung berechnet. Unsere Applikationssoftware bietet neben der klassischen 2nd Cumulant-Auswertung einen deutlich leistungsfähigeren Non Negative Least Square (NNLS)-Auswertealgorithmus. Mit bis zu 256 Größenklassen stellt der NNLS-Modus zuverlässig polydisperse bzw. bimodale Proben direkt als volumen- oder intensitätsbasierte Verteilung dar. Eine Vielfalt von charakteristischen Werten, wie z.B. die arithmetischen oder harmonischen Mittelwerte (xharm) einzelner Moden, kann direkt ausgegeben werden.