Die dynamische Lichtstreuung (DLS) ist eine etablierte und präzise Messtechnik zur Charakterisierung von Partikelgrößen in Suspensionen und Emulsionen. Microtrac ist ein Pionier der Partikelanalyse und entwickelt seit über 30 Jahren optische Systeme, die auf der dynamischen Lichtstreuung basieren.
Die dynamische Lichtstreuung (DLS) ist ein etabliertes und präzises Messverfahren zur Charakterisierung von Partikelgrößen in Suspensionen und Emulsionen. Sie basiert auf der Brownschen Bewegung von Partikeln - diese besagt, dass sich kleinere Partikel schneller, größere hingegen langsamer in einer Flüssigkeit bewegen. Das von Partikeln gestreute Licht beinhaltet Informationen zur Diffusionsgeschwindigkeit und somit zur Größenverteilung.
Dynamische Lichtstreuung ermögliche die Analyse von Partikeln in einem Größenbereich von 0,3 nm bis 10000 nm. Während die Laserbeugung bei Partikeln kleiner 100 nm aufgrund des schwachen Signals und der geringen Winkelabhängigkeit oft an Grenzen stößt, liegt hier die besondere Stärke der dynamischen Lichtstreuung.
Es ist ein Verfahren, das sich besonders zur Analyse und Charakterisierung von Nanopartikeln eignet. Weitere Vorteile sind die Messungen von sowohl hoch konzentrierten als auch stark verdünnten Proben sowie die Möglichkeit der Bestimmung von Zetapotential und Konzentration, die in vielen Analysatoren integriert ist.
Die Diffusionsgeschwindigkeiten (D) der Partikel sind nach der Stokes-Einstein-Beziehung umgekehrt proportional zur Größe (dp , hydrodynamischer Durchmesser) der Partikel.
(k=Boltzmann-Konstante, T=Temperatur, η=Viskosität)
Temperatur (T) und Viskosität (η) der Flüssigkeit sind dabei wichtige Einflussgrößen, die bei einer Messung von Partikelgrößen genau bekannt sein müssen.
Die Technik der Dynamischen Lichtstreuung (DLS) misst die Bewegung optisch anhand der Aufzeichnung des Streulichtsignals an einem festgelegten Winkel. Die Partikel werden mit einer monochromatischen, kohärenten Lichtquelle (Laser) beleuchtet und das von den Partikeln gestreute Licht aufgezeichnet. Wichtig ist hierbei die zeitliche Fluktuation des Streulichtsignals, denn diese enthält Informationen über die Bewegung der Partikel.
Die Fluktuationen werden dadurch hervorgerufen, dass die das Licht streuenden Partikel sich relativ zueinander bewegen und es so zu ständig wechselnden Interferenzen innerhalb des Gesamtstreulichts kommt. Das von den Partikeln gestreute Licht beinhaltet also leichte Frequenzverschiebungen, die von der zeitabhängigen Position bzw. Geschwindigkeit der Partikel verursacht werden. Gemessen über die Zeit, bewirkt die Bewegung eine Verteilung von Frequenzverschiebungen.
Diese Frequenzverschiebungen („shift frequencies“) lassen sich durch den Vergleich mit einer kohärenten optischen Referenz ermitteln. Bei der DLS liegen die Verschiebungsfrequenzen auf der Skala von 1 Hz bis 100KHz, die sich messtechnisch gut erfassen lassen.
Bei der optischen Referenz existieren zwei Ansätze: homodyne Detektion (auch „self beating“ oder „self reference“ genannt) und heterodyne Detektion („reference beating“ oder „controlled reference“).
Bei dem homodynen Ansatz liefert das Streulicht selbst die Referenz für die Ermittlung der Frequenzverschiebung. Kontrollierte Referenz, oder heterodyne Detektion, überlagert das gestreute Licht mit einem Teil des einfallenden Lichts, welches die Referenz für die Ermittlung der Frequenzverschiebungen liefert. Das resultierende Detektorsignal bei beiden Methoden enthält eine Verteilung von Frequenzen, die repräsentativ ist für die Größe der Partikel in der Suspension.
Von den beiden Ansätzen, bietet der heterodyne Modus mit „kontrollierter Referenz“ viele Vorteile gegenüber dem homodynen Aufbau. Der wichtigste ist dabei die Signalintensität. Diese ist bei der homodynen Messung proportional zu is2, der mittleren Streulichtintensität zum Quadrat. Im Gegensatz dazu ist die Signalstärke bei der heterodynen Messung proportional zu is x i0, dem Produkt aus der Streuintensität und Intensität der Referenz.
Dies führt zu einem deutlich stärkeren Mess-Signal und erlaubt die Verwendung von Laserdioden als Lichtquelle und von Silizium-Photodioden als Detektor. Der verbesserte Signalstärke erleichtert auch die Messung von sehr kleinen, streulichtschwachen Partikeln bis in den unteren Nanometerbereich.
λ= Wellenlänge im schwebenden Medium, ω = Frequenz,
ωo = Frequenz von Teilchen auf halber Höhe,
η = Viskosität, θ = Streuwinkel, ist = gestreute optische Intensität, ior = Teilchenradius, k = Boltzmann-Konstante, T = Temperatur
Das DLS-Signal kann auf unterschiedliche Weise ausgewertet werden: über eine zeitabhängige Autokorrelationsfunktion oder ein Frequenz-Power-Spektrum (FPS), wobei das eine die Fourier-Transformation des andern ist. Homodyne Messung mit Autokorrelation ist die Grundlage der weit verbreiteten „Photonenkorrelationsspektroskopie“ (PCS). Dies erfordert einen Autokorrelator und ermittelt nur eine mittlere, intensitätsbasierte Größe (z-Average) sowie einen „Polydispersitätsindex“, der eine grobe Angabe der Verteilungsbreite darstellt. Um eine Größenverteilung abzuschätzen, werden herstellerspezifische Algorithmen zur Kurvenanpassung benötigt.
Die Methode des Frequenz-Powerspektrums (FPS) ist da jedoch verlässlicher und der PCS im Bezug auf Empfindlichkeit, Genauigkeit und Auflösung deutlich überlegen. Das DLS-Signal des Detektors wird durch die Fast Fourier-Transformation mathematisch in ein Frequenz-Powerspektrum umgewandelt und bietet nach iterativer Fehlerminimierung eine direkte Angabe zur Größenverteilung.
Das Frequenz-Power-Spektrum hat die Form einer Lorentzschen Funktion. Die charakteristische Frequenz, ω0, ist dabei umgekehrt proportional zur Partikelgröße. Die Abbildung stellt das Frequenz-Power-Spektrum für verschiedene Partikelgrößen dar. Das umgekehrte Verhältnis der charakteristischen Frequenz zur Partikelgröße ist offensichtlich.
1. Detektor| 2. Reflektierter Laser & Streulicht | 3. Saphirglas | 4. Y-Beam-Splitter | 5. GRIN-Linse | 6. Probe | 7. Laserstrahl in optischer Faser | 8. Laser
Wir haben einen innovativen Ansatz zur dynamischen Lichtstreuung entwickelt, mittels einer proprietären Sonde Licht auszustrahlen und zu detektieren. Indem die Sonde an der Grenzfläche zwischen Sonde und Probe fokussiert wird, kombiniert dies die Vorteile einer extrem kurzen Pfadlänge mit heterodyner 180°-Rückstreuung, um beste Genauigkeit, Auflösung und Sensitivität zu erzielen.
Microtracs heterodynes Detektionsprinzip nutzt die Überlagerung des in 180° rückgestreuten Licht aus der Probe mit einer kontrollieren Referenz, um das DLS-Signal auszuwerten. Die Geometrie der Komponenten erlaubt eine partielle Reflexion des Lichts an der Grenzfläche (das Glas an der Spitze der Sonde) und kombiniert es mit dem Streulicht. Das reflektierte Licht stellt damit die Referenz bei der heterodynen Auswertung. Das komplette optische Signal wird durch die hohe Intensität der reflektierten Komponente verstärkt. Das Resultat: die Dynamische Lichtstreuung ermöglicht eine hohe Signalstärke für akkurate Messungen bei kleinstmöglichen Konzentrationen.
Diese heterodyne Messmethode mitsamt Reference Beating erlaubt auch die Größenbestimmung fluoreszierender Partikel.
Die Microtrac-Sonde fokussiert den Laserstrahl an der Grenzfläche zwischen Sonde und Partikelsuspension. Das Licht durchdringt die Suspension und wird an Partikeln in alle Richtungen gestreut. Das 180° zurückgestreute Licht mischt sich mit einfallendem Licht und fällt zum Detektor zurück. Die totale Pfadlänge wird minimiert, während das gesammelte Streulicht maximiert wird.
Das Ergebnis: akkurate Messungen bei höchsten Partikelkonzentrationen.
Dynamische Lichtstreuung wird in Microtrac Analysegeräte der NANOTRAC Serie eingesetzt
Unser Expertenteam berät Sie gerne zu Ihrer Applikation und über unser Produktprogramm.
Die dynamische Lichtstreuung ist eine weit verbreitete Methode zur Partikelgrößenmessung. Sie ist besonders für die Charakterisierung von Nanomaterialien geeignet. Die Brownsche Bewegung (Diffusionskoeffizient) von Partikeln in einer Flüssigkeit wird bestimmt und über die Stokes-Einstein-Gleichung ein hydrodynamischer Partikeldurchmesser ermittelt. Für die Auswertung müssen Temperatur und Viskosität bekannt sein.
Bei der Partikelanalyse mittels dynamischer Lichtstreuung wird die Probe mit einem Laserstrahl beleuchtet und das Streulicht in einem Erfassungswinkel (in den meisten Fällen in Rückstreurichtung) über einen Zeitraum von 30-120 Sekunden aufgenommen. Die Bewegung der Partikel verursacht Intensitätsschwankungen im Streulicht. Aus diesen Fluktuationen kann der Diffusionskoeffizient und damit auch die Partikelgröße bestimmt werden.
Der Messbereich der dynamischen Lichtstreuung reicht von 0,3 nm bis 10 µm. Dies überschneidet sich weitgehend mit der Laserbeugung, die einen Messbereich ab 10 nm bis in den Millimeterbereich hat. Mit abnehmender Partikelgröße wird die Methode der dynamischen Lichtstreuung im Vergleich zur Laserbeugung immer besser. Bei größeren Partikeln hat die Laserbeugung hingegen Vorteile gegenüber der dynamischen Lichtstreuung.
Neben der Möglichkeit, extrem kleine Partikel zu analysieren, bietet die dynamische Lichtstreuung zusätzlich den Vorteil, in einem weiten Konzentrationsbereich von wenigen ppm bis 40 Vol% (probenabhängig) zu messen. Die Messungen können in verschiedenen Gefäßen durchgeführt werden, oder es kann sogar eine Sonde direkt in die zu untersuchende Probe getaucht werden. Darüber hinaus bieten viele dynamische Lichtstreuungsgeräte die Möglichkeit, auch das Zeta-Potential zu messen.
Dynamische Lichtstreuung wird in vielen Branchen für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt. Typische Proben für die dynamische Lichtstreuung sind Partikel, die kleiner als 1 Mikrometer sind. Dazu gehören Pigmente, Tinten, Mikroemulsionen, Keramiken, Pharmazeutika, Getränke und Lebensmittel, Kosmetika, Metalle, Klebstoffe, Polymere, Kolloide, organische Makromoleküle und viele mehr.
Die Methode der dynamischen Lichtstreuung zur Messung der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung ist in der ISO 22412 beschrieben. Zusätzlich wird die Zeta-Potential-Analyse, die oft mit einem Analysator für dynamische Lichtstreuung durchgeführt werden kann, in ISO 13099 beschrieben.
Es gibt verschiedene Methoden zur Erfassung und Auswertung eines dynamischen Lichtstreuungssignals. Als überlegen in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis hat sich die heterodyne (oder Reference Beating-) Technik erwiesen, die einen Teil des einfallenden Strahls als Referenz für das Streulicht verwendet. Das zeitabhängige Signal wird über eine Fourier-Transformation in ein Frequenz-Powerspektrum umgewandelt. Aus diesem Leistungsspektrum kann die Partikelgröße bestimmt werden.
