Partikel streuen Licht. Das ist eine grundlegende Tatsache, die wir alle jeden Tag erfahren: Der Himmel ist blau. Dies wird durch eine stärkere Streuung des blauen und roten Lichts durch atmosphärische Partikel verursacht. Die Oberflächenbeschaffenheit, ob glänzend oder matt, wird durch die Partikel in der Oberfläche hervorgerufen.
Der Streuungswinkel, die Frequenz des gestreuten Lichtes und die Intensität dieser Lichtstreuung können zur Bestimmung der Größe, der Ladung und des Molekulargewichts von Materialien gemessen werden. Dies ist die Grundlage vieler unserer Technologien.
Lichtstreuungstechniken
Bei der Laserbeugung und der Röntgendiffraktion, Kleinwinkelröntgenstreuung (SAXS) und Großwinkelröntgenstreuung (WAXS) machen wir uns das Prinzip zunutze, dass Partikel unterschiedlicher Größen eine einzigartige Lichtstreuungsunterschrift besitzen. Die genaue Messung der Lichtstreuung über einen breiten Bereich von Winkeln mit hoher Empfindlichkeit und extremer Schnelligkeit gibt somit Aufschluss über die Partikel-/Tröpfchengröße von Pulvern, Emulsionen, Sprays und Suspensionen.
Da die Partikel jedoch wesentlich in den Nanometerbereich vordringen, kommt es zu einem starken Abfall der Streuung des Lichts durch die Partikel. Ein 10-nm-Partikel streut 1 Million mal weniger als ein 100-nm-Partikel, also gibt es einen Punkt, an dem selbst bei Reduktion der Wellenlänge der Lichtquelle (wodurch sich die Streuung erhöht) die Lichtstreuung am besten mit anderen Methoden analysiert werden sollte.
Es gibt mehrere Theorien, mit denen die Lichtstreuung aus einer Partikelgrößenverteilung bestimmt werden kann (Mie-Streuungstheorie, Fraunhofer-Streuungstheorie, Rayleigh-Streuungstheorie), und ein Inversionsalgorithmus kann die Streuung in eine Größenverteilung umwandeln.
Verbreitung und Bewegung
Wir können das Nanomaterial rechtwinklig zum Laser betrachten und verfolgen, wie die Partikel diffundieren (kleine Partikel bewegen sich schneller als große Partikel) und daraus den translatorischen Diffusionskoeffizienten und damit die Größe bestimmen (dies wird als Nanopartikel-Tracking-Analyse (NTA) bezeichnet) oder beobachten, wie sich das Streulicht im Laufe der Zeit verändert, wenn Partikel es passieren.
Wenn es sich schnell verändert, kann festgestellt werden, dass feine Partikel vorhanden sind, bei langsamer Veränderung sind es größere Partikel. Dies bildet die Grundlage für die Photonenkorrelationsspektroskopie/dynamische Lichtstreuung.
Elektrophoretische Lichtstreuung (Electrophoretic Light Scattering, ELS)
Bei der elektrophoretischen Lichtstreuung wird ein elektrisches Feld durch eine Flüssigkeit geleitet, wodurch die Partikel in Bewegung gesetzt werden. Je größer die Ladung der Partikel, desto schneller bewegen sie sich.
Wir leiten einen Laser durch die Partikel und kombinieren dann das gestreute Licht mit einem anderen Teil desselben Lasers, der nicht gestreut wurde. Das resultierende Interferenzmuster ermöglicht eine extrem genaue Bestimmung der Geschwindigkeit der zu messenden Partikel.
Lichtstreuung und Molekulargewicht
Wenn wir die Lichtstreuung als Funktion der Konzentration (von Polymeren oder Biopolymeren) von verschiedenen Winkeln aus messen, erhalten wir Daten, die es uns ermöglichen, das Molekulargewicht des betreffenden Materials zu bestimmen und Informationen über seine Struktur zu erhalten.
