Die Zukunft der Partikelcharakterisierung mit Lichtstreuung gestalten

Dieses Interview wurde ursprünglich am AZoM.com am 7. Juli 2025 veröffentlicht.

Lichtstreuung war schon lange eine Eckpfeilermethode in der Charakterisierung von Partikeln in einer Vielzahl wissenschaftlicher Disziplinen. Von der Pharmazeutik bis zur Lebensmittelproduktion und von der Nanomedizin bis zur Umweltanalyse – ihre Vielseitigkeit und Präzision machen sie unverzichtbar. Mit dem Accelerando der technologischen Innovation entstehen neue Herausforderungen und Möglichkeiten, die die Anwendung der Lichtstreuung neu gestalten, insbesondere wenn Automatisierung, KI und fortschrittliche Erkennungsmethoden in den Vordergrund treten.

In diesem Interview spricht AZoMaterials mit Experten von Malvern Panalytical, einem Unternehmen an der Spitze der Lichtstreuungsinnovation, um das aktuelle Umfeld der Technik und ihr zukünftiges Potenzial zu erforschen.

Lichtstreuung ist seit Jahrzehnten ein fundamentales Werkzeug in der Partikelcharakterisierung. Können Sie uns einen kurzen Überblick darüber geben, wie diese Technik funktioniert und warum sie so essenziell ist?

Lichtstreuung ist eine vielseitige und nicht-invasive Technik zur Charakterisierung von dispergierten Partikeln. Es gibt Unterschiede in der Funktionsweise einzelner Lichtstreuungstechniken, aber das gleiche grundlegende Prinzip gilt – nämlich wenn ein Lichtstrahl mit dispergierten Partikeln interagiert, streut er in verschiedene Richtungen.

Betrachten Sie zum Beispiel die Laserbeugung, die verwendet wird, um Partikelgrößeninformationen im Bereich von Submikrometer bis zu mehreren Millimetern zu erhalten. In diesem Fall interessiert uns die zeitgemittelte Winkeldependenz des gestreuten Lichts, die von den Größen und Größenverteilungen der dispergierten Partikel abhängt. Durch die Messung der Lichtstreuungsintensität über einen weiten Winkelbereich lässt sich eine Partikelgrößenverteilung (PSD) berechnen.

Andererseits wird Dynamische Lichtstreuung (DLS) für Partikel im Nano-Bereich (einige Mikrometer bis Nanometer) eingesetzt. Die Streuung von Nanopartikeln ist immer noch winkelabhängig, in mehr oder weniger großem Umfang, aber anstatt die Winkelinformationen zu betrachten, interessiert uns die zeitliche Abhängigkeit der Streuung. Wir messen die Streuungsintensität über die Zeit bei einem oder mehreren spezifischen Winkeln – die verwendeten Winkel hängen von den benötigten Informationen ab. Wie schnell oder langsam die Streuungsintensität zeitlich variiert, steht im Zusammenhang mit der Brown’schen Bewegung der dispergierten Partikel. Daher gibt dies uns ein Maß für ihre Größe und Verteilungsbreite (Polydispersität), und eine sekundäre Analyse kann Größenverteilungen liefern.

Lichtstreuung ist unerlässlich, da sie absolute Messungen ohne die Notwendigkeit externer Kalibrierungsstandards liefert, was sie äußerst zuverlässig für die Charakterisierung eines breiten Spektrums an Probearten macht. Die Bestimmung von Eigenschaften wie Partikelgröße, Form und Molekulargewicht ist der Schlüssel zum Verständnis, wie Materialien und Prozesse in so unterschiedlichen Bereichen wie der Pharmazeutik, der Batterieherstellung und dem Bergbau funktionieren werden.

Malvern Panalytical war schon lange ein Pionier auf dem Gebiet der Lichtstreuung, insbesondere mit Instrumentenreihen wie Mastersizer (für Laserbeugung) und Zetasizer (für Lichtstreuung).

Was sind einige der bedeutendsten Fortschritte in Lichtstreuungstechniken in den letzten Jahren und wie haben sie die Partikelcharakterisierung verbessert?

Ein Bereich mit bedeutenden Fortschritten war bei den Computerverarbeitungskapazitäten, die das Datenhandling in Lichtstreuungstechniken erheblich verbessert haben. Lichtstreuungssysteme, wie der Mastersizer, nutzen leistungsstarke Prozessoren, um größere Datensätze mit höherer Geschwindigkeit und Genauigkeit zu analysieren; und die Möglichkeit, Cloud-Computing zu nutzen, wird die Verarbeitungskapazität weiter ausbauen. Diese Fähigkeit ist entscheidend für das Studium komplexer Proben und die Gewinnung detaillierter Partikelgrößenverteilungen. Verbesserte Datenverarbeitung unterstützt auch intelligente Algorithmen, die zwischen subtilen Variationen in den Partikelgrößenverteilungen unterscheiden können, was dann tiefere Einblicke in die Probeneigenschaften liefert.

Die adaptiven Messmethoden von Malvern Panalytical – Adaptive Korrelation bei der Zetasizer Advance Serie und Adaptive Beugung beim Mastersizer 3000+ passen Messparameter dynamisch auf Grundlage von Echtzeitdaten an und optimieren die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Ergebnisse. Diese Innovationen stellen sicher, dass unsere Instrumente die genaueste und detaillierteste Partikelcharakterisierung Ihrer Probe bieten und unseren Benutzern Vertrauen in ihre Daten geben.

Andere neue Ansätze zur Durchführung von Lichtstreuungsmessungen wurden im letzten Jahrzehnt eingeführt. Multi-angle dynamic light scattering (MADLS), das vom Zetasizer verwendet wird, ist bedeutend. MADLS misst gestreutes Licht bei mehreren Winkeln und bietet eine umfassende Analyse von Partikelgrößenverteilungen in polydispersen Proben sowie mehr Präzision bei monomodalen Proben. Dieser Ansatz verbessert die Genauigkeit der Messungen und ist besonders nützlich für komplexe Proben mit einer breiten Palette von Partikelgrößen.

Und dann gibt es Automatisierung und künstliche Intelligenz, die beginnen, in Mainstream-Lichtstreuungsinstrumente integriert zu werden. Automatisierung handelt teilweise davon, einen höheren Durchsatz zu ermöglichen, um mehr Proben zu testen und die Notwendigkeit der Bedienereingabe zu reduzieren, die eine bedeutende Unsicherheitsquelle sein kann. KI hingegen eröffnet viele spannende Möglichkeiten für Datenhandling und Erkenntnisgewinnung über Ihre Daten.

Eines der Herausforderungen bei der Lichtstreuung ist die präzise Analyse von polydispersen oder komplexen Systemen. Welche Strategien oder Innovationen helfen dabei, diese Einschränkungen zu überwinden?

Die Analyse von polydispersen oder komplexen Systemen kann herausfordernd sein, und wir sehen zunehmend, dass Proben auf diese Weise komplexer werden. Glücklicherweise tragen Innovationen von Malvern Panalytical, wie Multi-angle dynamic light scattering (MADLS) und fortschrittliche Bildverarbeitungstechniken, dazu bei, diese Einschränkungen zu adressieren. MADLS beispielsweise bietet eine umfassendere Analyse, indem es gestreutes Licht bei mehreren Winkeln misst und die Genauigkeit der Größenverteilung in polydispersen Proben verbessert und eine genauere Wiedergabe der Größenverteilung der Probe liefert, indem es den Winkelbias entfernt. Experimentelle Plattformen, die Lichtstreuung mit Bildsensoren kombinieren, zeigen vielversprechende Ergebnisse bei der Analyse komplexer Systeme.

Wie beeinflussen aufkommende Bereiche wie Nanotechnologie und Biopharmazeutika die Weiterentwicklung der Lichtstreuungsmethoden?

Lichtstreuungstechniken wie DLS waren sehr wichtig bei der Charakterisierung einiger der jüngsten, aufkommenden Fortschritte, beispielsweise in der Nanomedizin – nicht nur für ihre grundlegende Größe, sondern auch zum Verständnis ihrer Formulierungsstabilität und Bioverfügbarkeit. Diese Systeme sind weitaus komplexer als typische Emulsionen oder Dispersionen, da sie auch funktional sind. Sie müssen in der korrekten „Anordnung“ sein und diese Struktur aufrechterhalten, damit sie funktionieren. Das treibt uns dazu, zu überlegen, wie wir die Lichtstreuungsdaten am besten ergänzen können, um diese zunehmend wichtigen Einblicke in diese neuen Anwendungsbereiche zu liefern.

Sie haben Automatisierung und KI als zwei Fortschrittsbereiche für die Lichtstreuung erwähnt. Können Sie näher erläutern, wie Sie diese Technologien die Zukunft der Lichtstreuung in Forschung und Industrie gestalten sehen?

Ein wiederkehrender Trend, den wir beobachtet haben, ist ein fortschreitender Mangel an Fachwissen der Benutzer von Lichtstreuungssystemen. Nicht jeder Benutzer möchte oder hat die Zeit, ein Experte für den Mastersizer oder Zetasizer zu werden, zum Beispiel. Forscher und industrielle Wissenschaftler stehen vor zunehmenden Anforderungen an ihre Zeit und die ihnen zur Verfügung stehenden Ressourcen, und viele wünschen sich, dass Lichtstreuungsinstrumente so viel wie möglich von der „Schwerarbeit“ beim Messablauf übernehmen. Automatisierte Lösungen, wie der Zetasizer Sample Assistant, können die Probenhandhabung und -präsentation übernehmen, während Tools wie der Mastersizer SOP Architect Benutzern bei der Entwicklung ihrer Methode helfen können.

Automatisierung und KI helfen auch beim wachsenden Bedarf an hohem Probendurchsatz und umfangreichen Datensätzen. Kunden benötigen große Mengen von Daten, denen sie vertrauen können, um Qualität und Quantität zu gewährleisten.

Was sind einige der unerwartetsten oder bahnbrechendsten Anwendungen der Lichtstreuung, die in letzter Zeit aufgetaucht sind?

Eines der großartigen Dinge an der Lichtstreuung ist, dass sie auf die meisten Industrien und Forschungsgebiete anwendbar ist, und wir werden immer wieder daran erinnert, insbesondere bei der faszinierenden, und manchmal unerwarteten, Arbeit, die unsere Kunden leisten.

Eine bemerkenswerte Anwendung ist die Impfstoffentwicklung, insbesondere während der COVID-19-Pandemie, bei der die Lichtstreuung entscheidend war. Der Zetasizer wurde zu einem wesentlichen Werkzeug für Impfstoffentwickler und half ihnen, die Größe und Stabilität der in Impfstoffen verwendeten Nanopartikel zu analysieren. Diese Technologie stellte sicher, dass die Impfstoffe effektiv und sicher waren und trug wesentlich zur schnellen Entwicklung und Bereitstellung von COVID-19-Impfstoffen bei.

Wir sehen auch mehr Interesse an Mikroplastiken, und das aus gutem Grund. Mikroplastiken sind kleine Kunststoffteile, die weniger als 5 mm groß sind und aus Alltagsprodukten wie Einwegkunststoffen, Kleidung und Körperpflegeprodukten stammen. Diese Kunststoffe gelangen in die Umwelt und die Nahrungskette und stellen Risiken für die menschliche Gesundheit und das Ökosystem dar. Das MOMENTUM-Projekt in den Niederlanden verwendet Lichtstreuung, um Mikroplastiken zu charakterisieren. Durch die Nutzung des Mastersizer können seine Forscher Proben größen und „Mikroplastikpässe“ erstellen, die helfen, die Auswirkungen dieser Schadstoffe nachzuverfolgen und zu verstehen.

Ein letztes Beispiel für eine aufregende neue Anwendung ist die präzise Fermentation. Dies beinhaltet die Verwendung von gentechnisch veränderten Mikroben – wie Bakterien, Hefen oder Pilzen – zur Produktion funktionaler Bestandteile wie Proteine für Fleisch- oder Milchprodukte. Diese Methode gewinnt an Bedeutung, da die Welt bestrebt ist, die Umweltbelastung durch die traditionelle Landwirtschaft zu reduzieren und die Widerstandsfähigkeit der globalen Lebensmittelversorgung zu erhöhen. Lichtstreuung ist in diesem Prozess entscheidend, um die Partikelgröße zu kontrollieren und sicherzustellen, dass Lebensmittelprodukte eine gleichmäßige Struktur aufweisen und angenehm zu essen sind. Sie hilft, die Proteinestabilität zu beurteilen, um Aggregation und möglichen Ertragsverlust zu verhindern.

In Bezug auf Messgenauigkeit und Empfindlichkeit, welche Schlüsselbereiche entwickeln sich in der Lichtstreuungstechnologie noch?

Die Lichtstreuungstechnologie entwickelt sich kontinuierlich weiter, selbst nach Jahrzehnten anhaltender Entwicklung. Ein paar Schlüsselbereiche stechen hervor, wenn es um Messgenauigkeit und Empfindlichkeit geht.

Einer dieser Schlüsselbereiche sind Verbesserungen in der Detektortechnologie, die die Genauigkeit und Empfindlichkeit von Lichtstreuungsmessungen erheblich verbessert haben. Moderne Detektoren, wie hochsensible CCD-Kameras, Avalanche-Photodioden (APDs) und Photodioden-Arrays, sind jetzt effizienter beim Erfassen gestreuter Lichtsignale. Diese Fortschritte ermöglichen eine bessere Erkennung von schwach intensiven Signalen, die für die Analyse kleiner Partikel oder geringer Konzentrationsproben entscheidend sind.

Malvern Panalytical verbessert die Empfindlichkeit der Laserbeugung für grobe Partikel. Der Mastersizer 3000+ hat innovative Funktionen wie Size Sure unter Verwendung adaptiver Beugung eingeführt, die dabei helfen. Dies ist besonders wichtig für Industrien wie die Batterieherstellung, wo grobe Partikel Kurzschlüsse von Kathode und Anode verursachen können.

Auch die Entwicklung von Best-Practice-Richtlinien für die Methodenetwicklung und Messungen treibt das Feld der Lichtstreuung voran. Zum Beispiel liefert die ISO/TS 5973-Publikation umfassende Richtlinien für Laserbeugungsmessungen, die alles abdecken, von der Probenvorbereitung bis zur Dateninterpretation. Dieser Standard hilft sicherzustellen, dass Messungen konsistent und zuverlässig sind, was für die Erzielung hoher Genauigkeit und Empfindlichkeit in Lichtstreuungsexperimenten unerlässlich ist.

Da Industrien nach Echtzeit- und Inline-Partikelcharakterisierung streben, welche Herausforderungen und Chancen stellt dies für Lichtstreuungstechniken dar?

Inline-Partikelcharakterisierung wird in der Industrie immer häufiger verwendet, da sie nach sofortigerem Feedback zu ihren Prozessen suchen und versuchen, die Notwendigkeit für Labore zu reduzieren, Offline-Charakterisierungen durchzuführen, die kostspielig sein können. Dieser Wechsel von Offline- zu Inline-Charakterisierung stellt die Lichtstreuung vor einige Herausforderungen. Mit jeder Herausforderung kommt die Möglichkeit, Lichtstreuungstechniken weiterzuentwickeln und andere Technologien zu nutzen, um eine Lösung zu finden.

Eine der Hauptherausforderungen ist die Sicherstellung der Gleichwertigkeit zwischen Inline- und Offline-Charakterisierungsmethoden. Sie könnten daran interessiert sein, Daten aus verschiedenen Lieferkettenzuständen zu vergleichen, z.B. während der Verarbeitung mit Inline-Methoden und bei der Qualitätskontrolle (QC) mit Offline-Methoden. Im Idealfall wollen Sie, dass die Ergebnisse der Techniken übereinstimmen. Jedoch erfordern die beiden Ansätze, Offline und Inline, typischerweise methodische Unterschiede, wie den optischen Aufbau, der die aufgezeichnete Partikelgrößenverteilung (PSD) beeinflussen kann. Zum Beispiel gibt es die Möglichkeit, in Offline-Situationen, in denen die Probe zirkuliert werden kann, verschiedene Wellenlängenlichtquellen nacheinander zu verwenden, um Ihren gemessenen Größenbereich zu erweitern; dies ist für Inline-Messungen nicht wirklich möglich.

Der Umgang mit hochkonzentrierten Proben stellt eine weitere Herausforderung dar. In vielen industriellen Prozessen kann die Partikelkonzentration hoch sein, was zu Problemen mit Mehrfachstreuung führt, bei der die Partikel die Streusignale voneinander stören. Für Offline- oder At-line-Messungen wäre die Lösung, die Probe zu verdünnen, aber für Inline-Messungen ist das keine Option. Dies kann die Analyse erschweren und die Genauigkeit von Partikelgrößenmessungen verringern. Techniken wie adaptive Beugung und fortschrittliche Algorithmen werden entwickelt, um diese Effekte zu mindern und die Messzuverlässigkeit zu verbessern.

Die Erkennung einer kleinen Anzahl grober Partikel ist entscheidend in Industrien wie der Tinten- und Farbenherstellung, bei denen selbst wenige große Partikel die Produktqualität erheblich beeinträchtigen können. Eine schnelle und umfassende Analyse ist erforderlich, um sicherzustellen, dass grobe Partikel nicht übersehen werden.

Für Forscher und Wissenschaftler, die in diesem Bereich Fortschritte machen möchten, welche Studien- oder Innovationsbereiche halten Sie für am vielversprechendsten?

Wie in vielen anderen Bereichen hält künstliche Intelligenz zweifellos das größte Versprechen. Wir sehen bereits, wie sie unsere Fähigkeit prägt, nützliche Werkzeuge bereitzustellen, um hochwertigere Daten von Instrumenten in kürzerer Zeit zu liefern. Ich bin so gespannt darauf, zu sehen, wie künstliche Intelligenz in Zukunft genutzt werden könnte, um die Daten aus der Lichtstreuung mit anderen Charakterisierungstechniken zusammenzubringen, um ein noch tiefgehenderes Verständnis darüber zu entwickeln, wie sich Proben verhalten oder voraussichtlich verhalten könnten.

Wo können Leser weitere Informationen finden?

Bitte stellen Sie Links zu Materialien bereit, die für unser Publikum relevant sein könnten.

• Lichtstreuung – Ein Überblick | Malvern Panalytical
• Mastersizer | Laserbeugungs-Partikelgrößenanalysatoren | Malvern Panalytical
• Zetasizer | Experten für Lichtstreuungsinstrumente | Malvern Panalytical

• Welches Küvetten sollte ich mit meinem Zetasizer verwenden?
• PDI von einem individuellen Peak in DLS
• D90, D50, D10 und Spannweite – für DLS?
• Wie wichtig ist der Brechungsindex von Nanopartikeln?
• Die Zukunft der Partikelcharakterisierung mit Lichtstreuung gestalten

Über Darrell Bancarz

Darrell Bancarz ist ein erfahrener Produktmanager, der sich bei Malvern Panalytical auf Nanomaterialien spezialisiert hat und in Worcestershire, England, ansässig ist. Mit über zwanzig Jahren im Unternehmen bringt er tiefes Fachwissen in wissenschaftlichen Instrumenten und Materialanalyse mit. Vor seiner aktuellen Rolle war Darrell als Manager für Anwendungssupport tätig und trug zu kundenspezifischen Lösungen und technischem Support bei. Seine Arbeit unterstützt Innovationen in der Materialwissenschaft und der fortschrittlichen Fertigung.

Über Paul Senior

Paul Senior ist Produktmanager mit Spezialisierung auf Mikromaterialien bei Malvern Panalytical und verantwortlich für die Mastersizer-Reihe. Mit über acht Jahren Erfahrung in der Materialcharakterisierung hat er in CROs, Instrumenten-F&E und Produktmanagement gearbeitet. Seine Interessen umfassen Rheologie und Partikelcharakterisierung mit Techniken wie Laserbeugung, DLS, NTA, Morphologi und BET-Oberflächenanalyse.