Eine grundlegende Anleitung zur Analyse von Partikeleigenschaften-4

Technik 2: Dynamische Lichtstreuung 

Die dynamische Lichtstreuung (DLS), auch als Photonkorrrelationsspektroskopie (PCS) oder quasi-elastische Lichtstreuung (QELS) bekannt, ist eine nicht invasive und gut etablierte Technik zur Messung von Partikel- und Polymergrößen im Bereich von 1 Mikron bis unter 1 Nanometer.

Mit dieser Technik können Proben, die aus in Flüssigkeit schwebenden Partikeln bestehen, wie Proteine, Polymere, Mizellen, Kohlenhydrate, Nanopartikel, kolloidale Dispersionen und Emulsionen, gemessen werden.

Hauptvorteile:
      • Idealer Partikelgrößenbereich für nanoskalige und biomaterialbezogene Anwendungen
      • Erforderlich nur geringe Probenmengen
      • Schnelle Analyse und hoher Durchsatz
      • Nicht invasive Technik mit vollständiger Probenrückgewinnung möglich

Prinzip

Schwebende Partikel zeigen durch thermisch induzierte Kollisionen mit Lösungsmittelmolekülen Brown’sche Bewegungen.

Wenn ein Laser auf die Partikel zielt, schwankt die Intensität des gestreuten Lichts schnell auf einer sehr kurzen Zeitskala, abhängig von der Partikelgröße: Kleinere Partikel werden weiter bewegt und schneller durch Lösungsmittelmoleküle, welche eine Analyse der Intensitätsschwankungen ermöglichen, um die Geschwindigkeit der Brown’schen Bewegung den Partikelgrößen durch die Stokes-Einstein-Beziehung zu bestimmen.

Der bei der dynamischen Lichtstreuung gemessene Durchmesser wird als Hydrodynamischer Durchmesser bezeichnet und beschreibt, wie sich das Partikel in einer Flüssigkeit diffundiert. Der ermittelte Durchmesser entspricht einem kugelförmigen Durchmesser mit demselben Translationsdiffusionskoeffizienten wie das beobachtete Partikel. 

 

Illustration zu einem bei DLS gemessenen Hydrodynamischen Durchmesser, der größer als der ‚Kern‘-Durchmesser ist, da der Translationsdiffusionskoeffizient nicht nur von der Größe des Partikelkerns, sondern auch von jeglicher Oberflächenstruktur sowie von der Konzentration und Art der Medienionen beeinflusst werden kann. Dies bedeutet, dass die Größe größer sein kann als bei einer Messung mit einem Elektronenmikroskop, bei der das Partikel aus seiner ursprünglichen Umgebung entfernt wird.

Dynamische Lichtstreuung liefert eine Intensitäts-gewichtetete Partikelgrößenverteilung, was bedeutet, dass große Partikel die Ergebnisse dominieren können, was wichtig zu beachten ist.

Geräte

Traditionelle dynamische Lichtstreuungsgeräte verwenden einen Lasersender, der durch spezielle Linsen auf die Probe fokussiert wird.

Licht wird in alle Winkel gestreut, traditionell sammelt ein einzelner Detektor im 90°-Winkel zum Laserstrahl die Intensität des gestreuten Lichts.

Die Schwankungen der Streulichtintensität werden als elektrische Impulse an einen digitalen Korrelator gesendet. Dies erzeugt die Autokorrelationsfunktion, aus der die Partikelgrößen berechnet werden.

NIBS

In modernen Geräten erweitert die Technik der nicht-invasiven Rückwärtsstreuung (NIBS) den messbaren Bereich der Partikelgrößen und Probenkonzentrationen.

Die Größenmesskapazität dieser Geräte erkennt Licht, das bei 173° gestreut wird, wie in der Darstellung unten gezeigt. Dies ist als Rückwärtsstreuungsdetektion bekannt. Zudem stehen keine optischen Geräte in Kontakt mit der Probe, was die Detektionsgeräte als nicht invasiv klassifiziert.

Viele Vorteile ergeben sich aus der Verwendung der nicht-invasiven Rückwärtsstreuungsdetektion:
      • Erhöhte Empfindlichkeit.
      • Eine breitere Palette von Probenkonzentrationen kann gemessen werden. 

      • Die Probenvorbereitung wird vereinfacht. 

(a)  Für kleine Partikel oder Proben mit niedriger Konzentration ist es von Vorteil, die Menge des aus der Probe gestreuten Lichts zu maximieren. Der Laser durchdringt die Küvettenwand, wobei der Unterschied des Brechungsindex zwischen Luft und Küvettenmaterial einen ‚Flare‘ erzeugt. Dieser Flare kann das Signal von den gestreuten Partikeln stören. Das Verlegen der Messposition von der Küvettenwand zum Zentrum der Küvette beseitigt diesen Effekt.

(b)  Große Partikel oder Proben mit hoher Konzentration streuen mehr Licht. Das Messen näher an der Küvettenwand minimiert den Weg, den das gestreute Licht durchqueren muss, und reduziert so Mehrfachstreuungseffekte. 

Technik 3: Automatische Bildgebungsverfahren

Automatisierte Bildgebungstechniken sind hochauflösende Messmethoden zur Analyse von Partikeleigenschaften im Bereich von etwa 1 Mikron bis zu mehreren Millimetern.

Einzelne Partikel Bilder werden aus dispergierten Proben erfasst und analysiert, um deren Größen, Formen und andere physikalische Eigenschaften abzuschätzen. Eine einzige Messung erfasst Dutzende bis zu tausende Partikel, um statistisch repräsentative Verteilungen zu erstellen.

In statischen Bildsystemen bleibt die dispergierte Probe stationär, während in dynamischen Bildsystemen Proben an der optischen Bilderfassung vorbeifließen. Diese Technik wird häufig in Verbindung mit anderen ensemblebasierten Partikelgrößenmessungen, wie der Laserbeugung, verwendet, um ein tieferes Verständnis oder zur Validierung solcher Messungen zu erlangen. Häufige Anwendungen sind:

      •  Messung von Formunterschieden von Partikeln, die nicht nur anhand der Größe unterschieden werden können
      •  Erkennung und/oder Zählung von Agglomeraten, großen Partikeln oder kontaminierten Partikeln
      •  Messung von nicht-sphärischen Partikelgrößen, wie nadelförmigen Kristallen
      •  Validierung ensemblebasierter Partikelgrößenmessungen wie der Laserbeugung

Geräte

Ein typisches automatisiertes Bildgebungssystem besteht aus drei Hauptkomponenten.

1. Probenvorbereitung und -dispersion
      Diese Phase ist entscheidend, um gute Ergebnisse, insbesondere räumliche Trennung einzelner Partikel und Aggregate im Sichtfeld zu erzielen.

      Verschiedene Methoden der Probenvorbereitung hängen vom Probenart und der verwendeten Messmethodik ab. Dynamische Bildgebungsmessungen verwenden Zellen, durch die das Partikel während der Messung gezogen wird. Statische Bildgebungsmessungen verwenden üblicherweise flache Oberflächen wie Objektträger, Glasplatten oder Filtermembranen. Für eine gleichbleibende Qualität und zur Vermeidung möglicher Bedienervariabilität wird eine automatisierte Dispersionsmethode empfohlen. 

 

 

  

2. Optik zur Bildaufnahme

      Partikelbilder werden mit geeigneten optischen Linsen und digitalen CCD-Kameras erfasst, die den spezifischen Anforderungen der Probe gerecht werden.

      Statische Bildgebungssysteme bieten Flexibilität bei der Probenbeleuchtung, wie reflektierende Projektion (episkopische Beleuchtung), Durchleuchtung (diascopische Beleuchtung), Dunkelfeldbeleuchtung, während dynamische Bildgebungssysteme die Probe typischerweise von hinten beleuchten.

      Bei doppelbrechenden Materialien wie Kristallen können Polarisationsoptiken eingesetzt werden. Die fortschrittlichsten dynamischen Bildgebungssysteme nutzen einen hydrodynamischen Strömungsmechanismus, um auch bei kleinsten Partikeln stabilen Fokus zu gewährleisten. 

  

 

3. Datenanalyse-Software

      Allgemeine Geräte messen und protokollieren eine Vielzahl von morphologischen Eigenschaften (morphological properties) von Partikeln.

      Die fortschrittlichsten Geräte bieten Software mit Graphing- und Datenklassifikationsoptionen, deren intuitive visuelle Schnittstelle es ermöglicht, relevante Daten aus den Messwerten mit minimalem Aufwand zu extrahieren.

      Individuell gespeicherte Graustufenbilder jedes Partikels bieten eine qualitative Validierung der quantitativen Ergebnisse. 

 

 

Technik 4: Elektrophoretische Lichtstreuung (ELS)

 Elektrophoretische Lichtstreuung (ELS) wird zur Messung der Elektrophoresebeweglichkeit von in Lösung dispergierten Partikeln oder Molekülen verwendet. Diese Beweglichkeit wird häufig in ein Zeta-Potential umgerechnet, um es zu ermöglichen, Materialien unter unterschiedlichen experimentellen Bedingungen zu vergleichen.

Das grundlegende physikalische Prinzip ist die Elektrophorese. In einer Zelle mit zwei Elektroden wird die Dispersion angewendet.

Ein elektrisches Feld wird an die Elektroden angelegt, wodurch geladene Partikel oder Moleküle zur entgegengesetzt geladenen Elektrode wandern. Die Geschwindigkeit dieser Partikel oder Moleküle ist die elektrophoretische Mobilität und ist mit dem Zeta-Potential der Partikel oder Moleküle verbunden.